是“教物理實驗”還是“用物理實驗教”①——對等厚干涉實驗教學改革的探索

宋金王番 張 萍 仲志國

(南陽師范學院物理與電子工程學院,河南南陽 473061)

是“教物理實驗”還是“用物理實驗教”①
——對等厚干涉實驗教學改革的探索

宋金王番 張 萍 仲志國

(南陽師范學院物理與電子工程學院,河南南陽 473061)

1 引言

物理實驗課程是理工科大學的重要基礎課程之一,這樣的課程在許多大學的教學中還是比較重視的.很多優秀的物理實驗教材和教學資料的出版、物理實驗室設備條件的高水平更新等就是例證.長期以來,在物理實驗教學中,使用課前預習實驗講義→課堂教師講授實驗原理、注意事項→學生按步驟操作→記錄、整理實驗數據→完成實驗報告的教學模式,學生普遍反映實驗單調,缺乏興趣,如何改革實驗教學,引發學生對物理實驗的興趣,從而培養學生的主動思考、積極探索的精神成為每一個實驗工作者必須面對的問題.

我們在多年的教學中感到,要實現物理實驗教學的改革,教師首先需要實現一個教學理念和教學方法的轉變,即把原來“教物理實驗中的內容”轉變為“用物理實驗既教內容,更點撥方法”,將理論與實踐相結合,科研與教學相促進,形成以理論為主體、實驗為載體、能力和素質培養為目標的教學體系.新的教學體系要通過新的理念和方法來實現,而物理的觀念和方法不是外加在教材以外的附屬品和點綴物,它滲透在教材內容的展開過程中,體現在教師的教學設計和實現的過程中.物理觀念和方法不是教會的,而是學生在教師引導和點撥下通過努力思考自我建構起來的.

在物理實驗中,“等厚干涉現象的研究”是研究干涉的典型例子,而在各高校物理實驗中的通常做法是用鈉光燈作單色光源,通過讀數顯微鏡觀察牛頓環,并測出各級牛頓環的直徑,利用已知光波波長來計算牛頓環平凸透鏡的曲率半徑.這一實驗,學生能很快按步驟完成,但實驗的單調、乏味、無創新是學生的普遍反映,筆者通過長期的研究和實踐,對牛頓環實驗進行拓展和延伸,教學效果良好.

2 拓展實驗內容

常規的牛頓環儀是在一平板玻璃上放置一平凸透鏡,兩者之間有一空氣薄層,當用單色的平行光照射時,就會在空氣層中形成等厚干涉條紋,這些條紋是一組同心圓環,即牛頓環.我們在此基礎上對等厚干涉現象的研究實驗進行擴充.

(1)定性觀察.將平凸透鏡和平板玻璃之間的空氣逐漸抽去而形成真空,觀察干涉環的變化(半徑增大);若平板玻璃和平凸透鏡之間注滿液體,觀察干涉條紋的變化情況(條紋變密);用白光代替鈉光燈作光源,觀察干涉條紋的變化(條紋呈現彩色);將平凸透鏡在玻璃板的上方垂直平移,觀察牛頓環條紋的變化規律(隨著薄膜厚度的變化,條紋的明暗隨之發生變化).

(2)用兩個曲率半徑很大的平凸透鏡組成牛頓環儀(如圖1),在單色光照射下觀察干涉條紋,并測量透鏡的曲率半徑[1].

(3)將原來的平板玻璃換成由兩部分(左邊玻璃折射率n1=1.5,右邊玻璃折射率 n2=1.75)組成,平凸透鏡和玻璃板之間充滿折射率 n3=1.62的二氧化硫(如圖2),在單色光照射下,觀察等厚干涉條紋的變化,并計算透鏡的曲率半徑[2].

(4)用汞燈代替鈉光燈做實驗,觀察干涉條紋的變化,測量紫光和黃光的波長,并與光柵衍射測量結果進行比較.

圖3

3 開放實驗教學

由于實驗內容由原來的利用牛頓環測量透鏡的曲率半徑擴展為現在的6項內容,學生的實驗時間明顯延長,為了保證教學效果,我們采用四步教學法.第1步,學生在學習等厚干涉內容時,將實驗中的6項內容給予解答,這樣既鞏固了課堂知識教學,又為實驗打下了理論基礎.第2步,結合實驗內容和本人的程度,選擇4項以上作為必須測量的實驗內容,其余部分只要求觀察.第3步,實驗室提供必須的實驗儀器,讓學生根據選題進行測量,同時對測量結果進行比較分析,找出產生誤差的原因.第4步,如果在安排的實驗時間內沒能完成實驗內容,學生可以在課余時間到實驗室繼續實驗內容,實驗室采用教師和學生共同管理的方式,為教師科研和學生學習提供一個交流平臺.采用新的實驗教學模式后,我們發現絕大多數學生對所有的實驗內容都進行了測量,有的甚至還自己提出一些實驗思想,比如,利用等厚干涉實驗測量頭發絲的直徑、紙屑的厚度等微小長度[5].

4 學生學習方式的轉變

通過教學模式和教學方法的轉變,我們發現:改革前,學生對光學課提出了兩條意見,(1)講課的內容抽象,難以聽懂;(2)教師課堂上講的內容不是學生期望的,要求教師課堂上講些有用的內容,盡可能多講些如何解題的方法.改革后,在教學過程中出現了以下的新變化,(1)課堂上學生更專注聽教師的講解,并時有學生即席提問,甚至在課堂討論中,學生能夠按自己的理解發表見解;(2)課后答疑一改以前只問教材上的問題或只問如何解題的現象,出現了師生組成小群體討論光學中一些深層次的理論問題的情景; (3)學生對課外小論文、科技小發明產生強烈的興趣,自己也會主動尋找合理的選題,結合所學知識,利用實驗條件進行研究,形成濃厚的科研氛圍.

學生學習方式的初步變化使我們感到,物理實驗改革要有教材的改革,更要有課堂教學的改革.課堂教學的改革要有教學方法、手段的改革,更要有教師教學理念的改革,而從“只教教材上的內容”轉變為“用教材既教內容,更點撥方法”就是理念改革和方法改革的一個重要方面.

現代實驗教學要求教師在有限的學時內使學生學到更多的知識.通過對等厚干涉實驗的拓展,可以讓學生觀察到干涉條紋隨薄膜折射率、薄膜厚度、入射光波長的變化規律,加深對等厚干涉的理解,同時學生可以按照自己的思想,設計實驗過程,從而培養了學生分析、設計、操作的綜合能力.由于增加了實驗難度,實驗操作能力也能得以提高,激發了學生的興趣,收到很好的教學效果.

1 姚啟鈞.光學教程(第4版).北京:高等教育出版社,2008.

2 唐勤.對牛頓環實驗教學的思考與探索.實驗技術與管理,2007, 24(3):35-36

3 李正平,王廣泰,李冬梅.新編大學物理實驗.北京:中國石化出版,1999.

4 王潔.基于等厚干涉原理測量NaCl溶液濃度.浙江海洋學院學報(自然科學版),2008,27(2):246-248

5 馬紅,馬延峰.綜合設計性實驗教學探討——用等厚干涉法測量頭發絲直徑.物理與工程,2008,18(5):37-38

河南省高等教育教學改革研究項目(項目編號:2009SJGLX244).

2010-02-01)

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