微課教學在分光計測量棱鏡角實驗中的創新實踐

詹強　許泳　楊源楷　徐維濤　邱彩虹

摘要：以微課教學在分光計測量棱鏡角實驗中的創新實踐為例，介紹了微課在大學物理實驗教學中的應用情況和發展前景，以及微課教學在分光計結構、核心操作，望遠鏡和云臺的粗調、細調，數據采集和處理等環節的物理原理和內容設計。

關鍵詞：微課;分光計;棱鏡角

2020年是實施2010—2020年《國家中長期教育改革與發展規劃綱要》和《教育信息化十年發展規劃》的收官之年，也是豐收之年。微課作為新時代的寵兒，大放異彩，微課資源和網絡平臺建設取得了很大的發展，教師有熱情，學生愛參與，教學效果突出，充分展現了微課的核心價值和發展意義[1]。

1 微課與大學物理實驗教學

大學物理實驗是理工科必修的一門重要基礎課程，它包括經典物理實驗、近代物理實驗和前沿物理科學技術實驗等內容。隨著當代大學生對學習的個性化需求（混合學習，移動學習，立體學習）日益強烈，傳統的教學突出幾大問題：（1）學生預習物理實驗效果差。（2）課堂時間學生無法有效利用。（3）課前課后交流互動缺乏，學生易產生畏難情緒。（4）教學方式和手段比較單一。針對上述問題，結合微課的特點，把微課引入到大學物理實驗的教學中，來提高大學物理實驗教學的水平和質量[2]。因此，引入微課教學，同當下物理實驗教學有機結合，揚長避短，充分發揮信息技術優勢，優化資源配置，調動學生學習的主觀能動性，落實分類型分層次教學，建設豐富有效的大學物理實驗微課資源學習和互動平臺，利用微課資源開展啟發式、探究式、討論式、參與式教學，鼓勵發展性評價，探索建立以大學生為中心的大學物理實驗教學新模式，以應對信息化時代下學習多樣性、個性化的挑戰，對切實提高大學物理實驗教學質量具有重大意義。

2 微課在分光計測量棱鏡角實驗中的創新實踐

分光計是可以用來精確測量角度的經典光學儀器，比如棱鏡角、光束偏向角，結合分光元件還可以觀察光譜、測量光譜波長。因此，分光計的調節和使用是大學物理實驗課程中的必修實驗內容，對學生的鍛煉和提高非常有意義，其中測量棱鏡角和折射率是必做的兩個經典光學實驗。但是該實驗對初學者來說，上手較為困難，操作難度大，需要有正確的方法，還要有清晰的耐心。這里利用微課教學的優勢，創新的把重難點立體的剖析清楚，讓初學者得到充分的預習，達到理解并用的效果。簡言之，就是把核心操作和技術通過精心制作的微視頻結合實景和理論分析展示清楚、講解明白，同時提供課前預習的互動交流，盡可能地讓學生對儀器、實驗原理、操作過程產生認知突破。

2.1 微課之分光計的結構構造和核心操作

設計了三個微課小視頻，第一，錄制講解分光計的結構構造，如上圖所示，分光計主要由望遠鏡系統、平行光管、載物可調云臺、圓形刻度盤、光源、底座等構成，其中的望遠鏡系統包含目鏡物鏡、雙十字線分劃板、綠色十字叉絲以及可以調節水平仰角的調節螺絲A;載物可調云臺由三個調節螺絲B、C、D調節云臺臺面的水平;圓形刻度盤由主尺外盤和游標內盤（因顏色為黑，也叫黑盤）構成，其中螺絲E鎖定主尺外盤，螺絲F鎖定黑盤，螺絲G鎖定望遠鏡。

第二，錄制分光計的基本操作方式：打開綠色十字叉絲光源，順時針（逆時針）旋轉，抬高（降低）目鏡側，從而降低（抬高）望遠鏡水平仰角。由于主尺外盤、游標內盤和望遠鏡都是可以自由轉動，也可以被螺絲鎖定不動，不同實驗教材或指導老師使用的轉動鎖定方案也不盡相同，雖然核心原理是一樣的，不影響測量的結果。這里都會在微課中演示，讓同學們自己決定采取哪種轉動方案。視頻中，會著重介紹如下方案：擰緊螺絲E、G鎖定外盤和望遠鏡，松開螺絲F，讓黑盤自由轉動，以轉動云臺上的雙面平面鏡、棱鏡等光學元件，這樣做的好處有：（1）操作簡便;（2）操作人員可以坐在凳子上，不必跟隨望遠鏡移動，減少體力消耗;（3）對儀器友好，尤其望遠鏡不易損壞。

第三，講解平面鏡和三棱鏡的放置在云臺的放置方式，以及不同放置方式背后所呈現的物理原理。云臺上有三個調節螺絲B、C、D，即有三個調節自由度，合理放置平面鏡對后面的調節十分重要，否則沒有章法可循。多數實驗教材采用的是平面鏡與三角形BCD的高平行放置，比如過B點，垂直于CD，這樣做的出發點是只有調節C、D便可以調節平面鏡的垂直度，雖然也可以達到實驗目的，但是事實上，云臺并一定水平了，因為如此調節只能保證平面鏡所在面的垂直度，平面換個位置就不一定垂直了，所以還需要在此基礎上，重新放置平面鏡過C點與BD垂直，然后再次調節B、D使得平面鏡垂直，兩番操作才能實現云臺平面的真正水平。然而，實際上采用平面鏡過三角形BCD中心同時平行其任意邊的放置方式更高效便捷，但是對初學者者難度稍大，各有優勢，此種放置方式在后續調節會有重點體現。整個微課邊錄制邊示范邊配合講解，后期加工優化視頻內容和節奏，加入圖文講解，讓微課既有科學性又有一定的趣味性，力求重點突出、簡短高效、直觀易懂，初學者自然樂于看、看得懂、學成快，學習的效率和教學質量也就有了保障。

2.2 微課之望遠鏡和云臺的粗調、細調

望遠鏡和云臺的粗調，這點很需要經驗和技術。這里微課里面會演示正確的操作方式和技巧，也會演示常見的錯誤或不規范操作，以達到更加的示教效果。望遠鏡粗調主要是旋轉螺絲A（順時針＼逆時針旋轉，對應于降低＼抬高仰角）調節望遠鏡水平仰角，操作時身體在望遠鏡側邊，眼睛要平時望遠鏡光軸，目光與望遠鏡光軸垂直，如有水平儀，可以放在望遠鏡鏡筒上表面，協助調節水平。同理，云臺的水平調節是如此，眼睛一定要平視云臺，目光平行于云臺臺面，通過旋轉螺絲B、C、D（順時針＼逆時針旋轉，對應于抬高＼降低臺面）使得臺面水平，也可以借助水平儀進一步檢驗和調節云臺的水平。然后打開綠色十字叉絲光源，放置雙面平面鏡使得鏡面過三角形BCD的中心，平行CD，這樣調節B和同時調節C、D即可調節鏡面的垂直度。再轉動黑盤，使得鏡面垂直于望遠鏡，透過目鏡觀察再平面鏡里面成的十字叉絲像。這個環節的微課設計架構如下表所示，課堂上發現，多數同學會遇到第一種情況，就是兩面都看不到綠色十字叉絲，大多是因為沒有掌握粗調的方法，或者是粗調不達預期效果，又不知道如何有效解決問題，做很多無用功，自然就會產生放棄甚至厭學情緒。又有部分同學經過調節會出現第二種情況，這時如果指導老師在場點撥一下，初學者便可以較快解決問題，但問題是指導老師分身乏術，往往是指導到一半就下課了，半途而廢，這對學生的自信心是極不利的，教學質量也就無法得到保證。只有少數同學會遇到第三種情況，像這種情況，指導老師可以指導學生進一步掌握調節技巧，細想這樣的情況也是情理之中。最后，結合物理原理和光路圖，把現象和操作歸類劃分，層層推進，逐個擊破，編輯并優化整個微課，初學者無論是課前預習，還是實驗中，亦是后面的實驗報告過程，都可以對號入座，從而抓住他們的興趣點、盲點、甚至是痛點，微課教學的優勢也就顯而易見了。

2.3 微課之分光計的讀數和數據處理

分光計讀數原理類似于游標卡尺，先讀主尺，后讀游標，微課中主要展示教材中很少提及的讀數起點和旋轉方向問題，例如θ₁=30°16′、θ₂=210°16′，此時往增加的方向旋轉，教材公式φ=12[θ′₁-θ₁+θ′₂-θ₂]，但是反向轉動黑盤時，教材公式不適用，需要修正。微課中將展示兩個實例，分別講解兩種情況下對應的數據處理公式，實踐中這個問題通過微課教學的效果非常好。

3 總結

創新實踐證明微課教學在分光計測量棱鏡角的實驗中效果非凡，重難點突出，講解清晰具體有代入感，學生參與度高，參與感強，傳播迭代效果好，隨時隨地任意學、隨心學。課前預習效果好，實驗課過程自然輕松應對，教師和學生高校互動，教學相長落到了實處。微課短視頻精悍高效、易于傳播，對于當代信息課堂確實極具滲透力，隨著更多高校在大學物理實驗教學的創新實踐，微課教學未來可期，如同昔日的微信和當前的抖音，這也給我們教學工作者帶來很多啟示。

參考文獻：

[1]胡鐵生，黃明燕，李民.我國微課發展的三個階段及其啟示[J].遠程教育雜志，2013，31（4）：3642.

[2]唐艷妮，徐軍，羅積軍，趙云芳.微課在大學物理實驗教學中的應用探索[J].實驗物理與工程，2014：5759.

基金項目：廣東海洋大學2017年度教育教學改革項目（XJG201776）;2017年度校級大學生創新創業訓練計劃立項項目（CXXL2017135）;2019年度校級大學生創新創業訓練計劃立項項目（CXXL2019270）

作者簡介：詹強（1988—），男，漢族，江西九江人，碩士，講師，研究方向：固體高次諧波。

*通訊作者：邱彩虹（1970—），女，漢族，廣東湛江人，本科，實驗師，研究方向：物理實驗教學與研究。