光學(xué)演示實驗在理論課教學(xué)過程中的實踐與探究

秦哲 張艷峰 王亞如 胡艷敏

摘要：闡述了演示實驗在理論教學(xué)課堂中對學(xué)生學(xué)習(xí)的重要性，探究大學(xué)課堂中波動光學(xué)演示實驗的實施方案與過程以及存在的問題。

關(guān)鍵詞：物理教學(xué)；演示實驗；波動光學(xué)

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）31-0270-02

一、引言

教師開展教學(xué)活動都應(yīng)本著“為了一切學(xué)生，為了學(xué)生一切，一切為了學(xué)生”的基本原則。物理演示實驗進(jìn)課堂，也是本著這樣的原則。首先，傳統(tǒng)的課堂更注重講概念，講理論，講公式推導(dǎo)，但是很多概念都是抽象的，學(xué)生理解起來比較困難。其次，理論與實際脫節(jié)問題很嚴(yán)重。很多實驗課的開展都是在理論結(jié)束后很長時間才進(jìn)行，有些甚至是對應(yīng)理論課還沒有開始之前，各學(xué)校根據(jù)教學(xué)總體安排導(dǎo)致實驗課不是超前就是滯后，理論和實際結(jié)合不緊密，嚴(yán)重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。最后，教學(xué)要以學(xué)生為中心。我們在課程講授過程當(dāng)中學(xué)生需要什么樣的教學(xué)實驗來演示基本原理，教師要想盡一切辦法來開展教學(xué)設(shè)計和實施，以滿足學(xué)生的求知欲。物理演示實驗儀作為教學(xué)的輔助性手段，它具有體積小、質(zhì)量輕、便攜帶等特點，在課堂教學(xué)需要的時候，隨時可以進(jìn)行演示教學(xué)，不受地域和時間的影響。因此，物理演示實驗對理論教學(xué)具有非常重要的作用，因此演示實驗進(jìn)課堂應(yīng)該向各高校推廣。清華大學(xué)以及北京工業(yè)大學(xué)等高校具有完備的演示實驗樓和教學(xué)系統(tǒng)，在這方面他們已經(jīng)走在了很多高校的前面[1]。

二、波動光學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科

波動光學(xué)理論的研究加深了人們對光的本質(zhì)的認(rèn)識[2]。它對實際的生產(chǎn)和應(yīng)用具有很強的指導(dǎo)作用，以干涉原理為基礎(chǔ)的干涉計量術(shù)為人們提供了精密測量和檢驗的手段；而衍射理論則給出了提高光學(xué)儀器分辨本領(lǐng)的方法；衍射光柵可以用來實現(xiàn)光譜分辨和分離，這也推動了光譜分析的發(fā)展；偏振理論可以用來對巖礦晶體進(jìn)行檢驗和測量，也是目前比較熱門的3D電影使用的基本原理等。

所有這些光學(xué)理論的產(chǎn)生離不開光學(xué)現(xiàn)象和實驗，實驗現(xiàn)象引發(fā)理論研究，而理論模型又要合理解釋實驗現(xiàn)象。因此，在教學(xué)過程中對實驗現(xiàn)象的引入和描述是非常重要的，它有助于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，有助于他們擺脫傳統(tǒng)的乏味的理論推導(dǎo)，積極參與思考和創(chuàng)造，也有助于讓學(xué)生從已知領(lǐng)域向未知領(lǐng)域過渡。學(xué)生只有理解理論建立和發(fā)展的過程，才能去解決在未知領(lǐng)域遇到的難題。

三、波動光學(xué)演示實驗進(jìn)課堂

《波動光學(xué)》課程中引入演示實驗，可以在一定程度上解決學(xué)生學(xué)習(xí)波動光學(xué)興趣不濃厚、理論和實際脫節(jié)的問題。楊廣武老師課題組發(fā)明的“便攜式波動光學(xué)演示儀”，具有體積小、重量輕、方便攜帶、便于進(jìn)行課堂演示實驗教學(xué)等特點，在理論教學(xué)過程中收到了良好的效果。這套光學(xué)儀器套裝（實物圖如圖1所示）分別能完成以下演示實驗：

1.雙縫（不同間距）和多縫（三縫、五縫）干涉。

2.固定縫寬的單縫衍射（四種不同寬度的單縫）。

3.不同直徑的單絲衍射（三種不同直徑鋼絲）。

4.縫寬連續(xù)可變可測的動態(tài)單縫衍射。

5.小孔衍射（包括圓孔、矩孔、三角孔等）。

6.一維光柵衍射（三種不同光柵常數(shù)）。

7.正交光軸衍射（三種不同規(guī)格正交光柵）。

8.偏振（馬呂斯定律）。

此演示實驗采用便攜式大功率激光器作為光源，完全適用在任何教室進(jìn)行課堂同步實驗，既能定性演示，又能定量地驗證相關(guān)物理規(guī)律，實現(xiàn)理論和實驗的有效結(jié)合。光源有紅、綠兩種波長同時工作，在課堂演示時同步進(jìn)行，可以對比不同波長對應(yīng)的實驗現(xiàn)象。可調(diào)單縫配合能磁性吸附在黑板上的標(biāo)尺，可以動態(tài)、定量地測量和驗證相關(guān)的波動光學(xué)理論規(guī)律[3]。

此演示實驗儀包括《波動光學(xué)》課程所涉及的干涉和衍射理論的基本實驗。根據(jù)教學(xué)大綱，明確教學(xué)目標(biāo)，在課堂通過演示實驗引入光學(xué)現(xiàn)象，提出問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。課堂中帶著問題去進(jìn)行課程基本知識和內(nèi)容的講解和公式的推導(dǎo)，最后將推導(dǎo)結(jié)果與演示實驗結(jié)果做比較，對比異同，讓學(xué)生來分析和總結(jié)原因，學(xué)生通過有針對性地學(xué)習(xí)，也明確了學(xué)生目標(biāo)，牢固掌握了基本概念，也提高了分析問題和解決問題的能力。

四、存在的問題

凡事都有兩面性，演示實驗雖然是物理教學(xué)的重要組成部分，雖然對教學(xué)有幫助，但不合理或不規(guī)范地使用，也會出現(xiàn)很多問題。

1.教學(xué)目標(biāo)與過程匹配問題。從演示實驗的作用上來劃分，主要分為課前導(dǎo)入、獲取結(jié)論、原理應(yīng)用三種類型。在實際的教學(xué)過程中，一定要明確這堂課使用演示實驗所要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)，所用的演示實驗要用在哪個教學(xué)環(huán)節(jié)，為了使學(xué)生獲取什么知識，是物理現(xiàn)象的引入，還是現(xiàn)象的定性解釋，抑或是原理的應(yīng)用？這些都要在課前搞清楚，否則在使用過程中，學(xué)生可能對概念或規(guī)律一知半解，最重要的結(jié)論也沒有學(xué)明白，最終白忙活一場。

演示實驗儀一般結(jié)構(gòu)較為簡單、小巧、形象、真實、富有趣味性和啟發(fā)性，合理引入可以增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是如果老師使用不當(dāng)，不能與教學(xué)目標(biāo)結(jié)合起來，演示時過分重視演示實驗的技巧性和觀賞性，而不去強調(diào)實驗的科學(xué)性和操作的規(guī)范性，可能讓學(xué)生感覺只是好玩、有意思，但是沒有起到啟發(fā)學(xué)生、引入思考的作用，更不要提展示物理的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性了。學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度自然無法端正，學(xué)習(xí)習(xí)慣也無法形成。

2.教師操作規(guī)范與安全問題。教師要加強學(xué)習(xí)和提高自身科學(xué)素養(yǎng)，對實驗儀器的使用和維護要符合規(guī)范，常用儀器的使用方法要明確[4]，比如光學(xué)實驗中的各種鏡片、激光光源、電源的使用一定要按照使用說明書規(guī)范操作，養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣，這對于教師自身和學(xué)生的安全也是有好處的。

3.占用課堂時間比例問題。普通的課堂教學(xué)的課時基本都是固定的，教師根據(jù)教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容完成教學(xué)任務(wù)。演示實驗進(jìn)課堂必定會占用一定的課堂時間，這就需要合理把握課堂時間，教學(xué)內(nèi)容也要詳略得當(dāng)，對于比較簡單的內(nèi)容不需要教師反復(fù)強調(diào)，學(xué)生認(rèn)為很容易的知識概念可以略講，而與重點、難點以及與演示實驗相關(guān)的內(nèi)容要詳講，只有課堂有松有緊、有詳有略，才能給實驗騰出時間。另外，演示時間也要控制好，不能因為實驗很有趣，感興趣的同學(xué)比較多，而耽誤太多時間影響教學(xué)進(jìn)度。

五、結(jié)束語

“千萬萬語說不清，一看實驗就分明。”演示實驗是教師在理論教學(xué)過程中為學(xué)生展示物理現(xiàn)象、引導(dǎo)學(xué)生對實驗現(xiàn)象進(jìn)行觀察、利用理論教學(xué)所學(xué)原理對物理現(xiàn)象進(jìn)行定性或定量分析、幫助他們解決類似或更加復(fù)雜的問題的實驗過程。通過演示實驗，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可以使學(xué)生更好地理解和掌握物理規(guī)律或原理，從而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及解決問題的能力。但是要想在平時課堂上利用好演示實驗，需要注意很多問題，比如課時安排、時間分配、操作安全等。因此，合理設(shè)計演示實驗教學(xué)環(huán)節(jié)也是非常重要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇欣紡.普通物理演示實驗教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[2]趙凱華，鐘錫華.光學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1982.

[3]楊廣武，李穎，朱飛，等.便攜式雙波長同步對比波動光學(xué)課堂演示的實現(xiàn)[J].物理與工程，2016，（s1）：88-93.

[4]李洋洋，朱延楓，王春霞，等.電工實驗教學(xué)的安全問題與防范[J].實驗室科學(xué)，2015，18（1）：206-208.