大學物理實驗課堂教學探索

孫存英， 王宇興， 王錦輝， 沈學浩， 賀莉蓉， 劉嘉濱

（上海交通大學物理與天文學院，上海200240）

0 引 言

在學校大力提升本科人才培養質量，促進學生創新實踐能力的倡導下，本研究著眼于大學物理實驗課的各個教學環節，以光學類物理實驗為切入點，梳理具體存在的問題并探討可行性解決方案，致力于提升大學物理實驗課的課堂整體培養效果。

1 實驗選課現狀

隨著教學環境、教學條件的改變，上課方式也由原來的固定班級改為網上選課的方式。在以往，學生按固定班級、確定的課程上課；而今，學生按照自己的意愿自主選擇要完成的實驗項目。學生在選擇時多關注眼前利益，事先了解哪些實驗容易做，哪些實驗容易得分。選課結果是，相對簡單容易完成得分高的實驗總是幾乎滿額，而復雜一些的實驗選課率只有50%左右。為有效遏制學生選課時的避重就輕現象，2017 ～2018 年度秋季學期工科實驗根據實驗內容本身的復雜程度大致分為A、B 兩類。學生被要求在A、B 兩類實驗中各完成3 個實驗。秋季學期共有14 個實驗，12周，每周有6 個時間段可選，每個實驗整個學期的最大容量為1 152 人次，根據網絡選課數據，該學期每個實驗實際選課人次如圖1 柱狀圖所示。

圖1 2017 ～2018年度秋季學期實際選課人次分布

由圖1 可見，不同實驗的實際選修明顯不均衡，傅里葉綜合實驗和光柵的特性研究選修人次最少。光學類物理實驗共有3 個：偏振光學實驗，光柵特性的研究，全息干涉技術，選課率整體偏低。

光學類物理實驗是大學物理實驗的基本組成部分，光學元器件的使用，光路的調整，是工科大學生必須掌握的實驗技能，所有高校都開設相關的光學類實驗項目。為了改善學生選課分布不均衡的現狀，提高學生的培養質量，從光學類物理實驗作為探索起點，梳理具體實驗自身的存在問題，逐一進行解決。

2 光柵的特性研究實驗課堂情況

選取本學期工科學生的光柵的特性實驗進行課堂情況調查。該實驗在暗室中進行，涉及分光計的光路調整，且與實驗項目相關的光學內容，大學物理課程還沒有講到，實驗前需補充與實驗內容相關的知識背景，加上復雜的儀器調節技巧等內容，正常講授要比一般實驗所需時間較長，且該實驗講授時間大部分老師需要35 ～40 min，在人數較多時，拖堂現象比較嚴重。

3 光柵實驗存在的問題及改進

光柵實驗的主要設備是分光計。分光計是一種精確測量光線偏折角度的常用光學實驗儀器。光在傳播過程中，遇到不同媒質的分界面（如平面反射鏡、三棱鏡、光柵等光學表面）發生反射、折射或衍射，從而改變傳播方向，入射光和反射光、折射光或衍射光之間有一定的夾角，它們的關系遵循反射定律、折射定律和衍射規律。借助分光計并利用反射、折射、衍射等物理現象，可完成全偏振角、晶體折射率、光波波長等物理量的測量，其用途十分廣泛。近代攝譜儀、單色儀等精密光學儀器也都是在分光計的基礎上發展而成的［1-10］。所以，分光計的調整與使用是相關實驗的主要課堂學習內容。

3.1 分光計的調節問題

分光計的調節是各相關實驗項目完成的基礎，調整的依據是刻劃板上的各刻線及十字像、狹縫像即中央亮線或零級條紋是否清晰。當刻劃板上的各刻線及十字像、零級條紋清晰時，就判斷對應調節完成。實驗時，有許多學生與老師反映，平行光管調好后，即刻劃板上的零級條紋清晰，而當光柵置于載物臺后，發現各級衍射條紋不清晰，給測量帶來極大困擾。經過反復實驗發現，光柵放置于載物臺后，微調狹縫的前后位置，能使刻劃板上零級條紋再度清晰，同樣可以通過微調，可使高級次衍射條紋清晰，并且高級次衍射條紋清晰時，所有衍射條紋清晰。顯然光柵的放入影響了狹縫的像位置，所以，調節過程應在高級次條紋清晰后結束，然后進行測量。光柵放入光路對狹縫像位置的影響原因還在探索中。

3.2 綠十字像問題

載物臺放上光柵后，經光柵前后表面及其前后保護玻璃片的各反射面反射的多個綠十字像形成重影，影響視野里譜線的測量。從綠十字像的功用來說，當載物臺和望遠鏡調好后，綠十字已經完成使命，這時可以考慮關掉十字照明小燈，使視野里的觀察條紋更清晰，有利于觀察和測量譜線位置。

3.3 實驗講義內容問題

第2 冊講義沒有分光計的調整內容，給學生的預習帶來不便，雖然有30% ～40%的學生用過分光計，但大部分都已忘記。所以應該將分光計的調整內容及光柵放入光路后的相關細節調整寫進講義，使學生在預習時能預先了解調節內容及注意事項，有利于學生上課時掌握調節技巧，減少拖堂現象。

4 目前的授課模式，需求及其改善工作

4.1 當前授課模式

目前實驗課授課主要是老師結合掛圖講解、演示操作，學生圍著老師聽講。對于調節步驟復雜的實驗，學生只能看清自己一側的調節操作，很難將掛圖上的結果與各調節操作對應起來、全面理解所有調節過程，人多時，效果更差。目前的上課模式如圖2 所示。

圖2 目前的授課模式

4.2 新需求及其解決辦法

為了使學生能將大學物理所學的理論知識和實驗結合起來，相輔相成，提高學生的培養質量，學校設立了匹配項目。新項目要求物理實驗也按力、熱、電、光的順序和大學物理的講授基本同步，試行階段參與學生的實驗課改為必修，每個實驗從目前的每次最多16人調整為每次20 人，在確定時段完成對應模塊的實驗。單次實驗人數的增加，對實驗教學過程和手段提出了更高要求。

為了滿足教學需求，改善教學環境與條件，申請并獲批了學校2018 咨詢決策項目的實驗技術重點項目。項目的目標是為Φ30 mm 分光計配備或改制配件，完成一套實驗儀器，使教師的課堂演示操作過程和分光計的目鏡視野里看到的畫面雙畫幅同步顯示于顯示終端，使學生能坐在自己的實驗桌前，跟隨老師的講解找到對應操作的部件，讓學生能清晰地了解調節操作與視野里看到的現象的對應關系，更好地掌握實驗調節技巧，高效地掌握實驗技能。該項目所需主要硬件已經完成購置，進一步的工作是找到適合分辨率的圖像捕獲裝置并將圖像實時傳輸于終端，該部分工作計劃在2019 年8 月前完成。2019 年9 月起投入實驗課堂試用，并根據試用結果優化設備，項目將在2020 年6月完成，該項目的完成有望推廣至其他課堂演示教學實踐工作。

5 結 語

本研究以改善物理實驗課堂教學效果為出發點，以光學類物理實驗為切入點，從課堂教學的不同環節，探討了實驗課堂存在的問題并針對性地給出了對應解決方案與措施。具體包括：從選課環節而言，為了使學生的實驗知識與技能盡可能全面，實驗需要進一步根據完成難易、技能要求等分類，自由度限制在每一類實驗中；從實驗安排角度，盡可能與大學物理課程的進度匹配，同步開設不同類型的實驗，使學生能將在大學物理課上所學理論知識和大學物理實驗結合起來，有利于學生對所學知識深入理解并運用所學知識解釋實驗現象，研究實驗規律，識別實驗結果的正誤及分析異常結果的可能原因；從講義的角度，盡可能使講義與實驗內容無縫結合，便于學生通過預習了解實驗內容；從儀器角度，盡可能使儀器及測量方法完備，保證學生順利完成實驗設計內容。所有工作為大學物理實驗課程的全面優化提供了思路，課堂演示設備的研發有望推廣至其他有課堂演示環節的教學實踐，有利于切實促進學校關于提升本科教學質量，提高學生實踐創新能力的教學目標的實現。