趣味實驗在大學物理光學教學中的應用

楊鶴，劉曉軍，莊文漪

趣味實驗在大學物理光學教學中的應用

楊鶴，劉曉軍，莊文漪

（齊齊哈爾大學 理學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

分析了大學物理光學課堂教學的現狀，結合光學學科特點以及教學中存在的薄弱環節，提出將趣味實驗應用到大學物理光學教學中的教學方式．針對光學教學中的抽象物理規律以及重點和難點，分別從幾何光學和波動光學2方面列舉了趣味實驗的實例，為學生隨堂進行趣味實驗提供了參考．通過這種教學方式引導學生對光學現象進行觀察和思考，達到良好的教學效果，實現了課堂教學和實驗的有效融合．

大學物理；光學；趣味實驗

大學物理具有豐富的物理知識和技能，同時包含大量的社會科學知識，蘊含豐富的科學思維、科研方法、科學態度和科學精神．因此，大學物理教學不僅傳授科學技術知識，也培養學生的科學素質[1]．光學作為物理學的一個重要分支，其教學手段和方法也正在向多樣化方向發展．激發大學生對光學學習的興趣，培養積極思考的習慣，提升學生的科學素養是大學物理的教學目標．為了改變傳統的灌輸式教學模式，在教學中應用趣味物理實驗，使教學氛圍更加適合大學生的心理特點，達到理想的教學效果．

1 大學物理光學教學現狀

在大學物理光學教學中，學生面對繁雜的光學原理和難解的題目，其情緒有時多變且易產生厭煩心理．趣味實驗利用最常見的生活物品設計簡單的物理實驗或物理模型，教師通過引導學生課上操作、布置動手作業等方法，激發學生對光學的學習興趣，使學生投入更多的精力學習光學課程，更透徹地理解其抽象的概念和原理．物理是一門以實驗為基礎的學科，利用小實驗這種直觀且簡單的方式進入到課堂中，使學生真正感受物理學的魅力且接受知識．

1.1 光學學科特點

從原始社會的篝火到現今各種復雜儀器下的光學現象，人類對光學的探索隨著人類文明的進步而不斷深入．大學課堂中的光學主要研究的是光自身在傳播過程中的各種現象以及光和其他物質之間的相互作用．大框架下分為幾何光學和波動光學以及量子光學3部分，在教學過程中把幾何光學和波動光學作為教學的重點．波動光學，即以光的本性——波動性為基礎，研究光的傳播及其規律；幾何光學則是運用幾何知識處理光的折射、反射、色散等光學問題．在光學的教學內容中存在大量的光路和豐富的光學圖像，而且光學圖像大多復雜多變，采用手工黑板作圖或者通過多媒體投影顯示的光學圖像都不夠形象、逼真，并帶有主觀意識[2]．

1.2 教學現狀分析

大學物理課堂具有班額較大、各個專業混合、學生程度參差不齊等特點，所以在光學課堂上教師為了便于管理主要是采用講授法作為教學方法，這種方法雖然讓整個物理課堂結構完整、思路清晰，但是缺乏一定的趣味性且學生參與感不強．這就導致在大班額的課堂環境下學生很容易分散注意力并失去興趣，一個學生失去了學習的興趣就會影響其身邊的人，這樣的連鎖反應將導致整個班級學習氛圍不高．學生對光學是否感興趣，對學好光學部分就顯得尤為重要，而趣味實驗可以提高學生興趣．從提高學生注意力和學生學習興趣出發，繼而帶動整個課堂．光學實驗是大學物理理論課程學習的一個重要補充，它使學生通過實際操作和觀察獲得比理論學習更直觀的印象，加深對知識的理解[3]．本文選取現象較為明顯的小實驗穿插在課堂中，為真實的光學教學提供一定的參考．

2 趣味實驗在光學教學中的應用

2.1 趣味實驗在幾何光學中的應用

幾何光學作為人類最早形成的光學理論，以在同種均勻介質中光沿直線傳播為物理依據，運用一定的幾何知識解釋一些光學現象和光學問題．大學物理光學中最重要的幾何光學問題就是全反射，光的全反射作為幾何光學中非常重要的部分，是對反射與折射的深化．全反射在教學過程中，學生盡管掌握了全反射的形成條件，但在實驗中不易理解全反射的真實現象，所以教師在教學中存在一定的障礙．在講授這一內容時教師在介紹完理論背景后，布置學生利用生活中觸手可得的實驗儀器，在課堂中讓每個學生都進行全反射簡易實驗，教師簡要介紹且督導學生完成實驗，并對現象進行總結和解釋，幫助學生更直觀地理解這一光學問題，激起學生求知欲，有助于對概念的理解并為后續學習做扎實鋪墊．

關于全反射小實驗的設計，利用了當光從光密介質射向光疏介質時，若入射角大于或者等于臨界角，會將光全部再反射回光密介質中，不會發生折射[4]．因此，選擇水作為光密介質，空氣作為光疏介質非常合適，不僅可以觀察到光路，還可以實現全反射現象．當水從小孔中流出時，在水流與空氣的邊界處會形成一個“全反射”面．在水流里傳播的光線，只要與全反射面的夾角小于它的全反射角，就不會穿出水流，而是沿著它傳播（見圖1）．進行全反射小實驗時的裝置主要由塑料瓶、激光筆、釘子、水等組成．首先，用釘子在塑料瓶中間位置扎個小洞．瓶身打的小孔不易過小或者過大，過小的小孔會使水流太小不易觀察，過大則水流失過快，不宜觀察到現象．向塑料瓶中注入適量的水，加水時水位要超過小孔一定高度，否則水無法從小孔流出．所以注水過程中用手按住小孔，防止水流出．其次，在瓶子小孔的另一側用激光筆對準小孔，激光筆照射時一定要與小孔位置對準，否則將小孔松開則不會有光路流出．此時將手指松開，讓水流出，觀察到當激光筆從瓶子小孔的另一側照射小孔時，可以看到一條光亮的通路，將手指放在流出的水柱，會發現用手指接住了流出來的激光（見圖2）．

2.2 趣味實驗在波動光學中的應用

圖1 全反射原理

圖2 全反射實驗

2.2.1 光的干涉實驗的設計 光的干涉是學生在學習完光波及其相干條件后接觸的第一個特殊現象，在本節課之前，學生對幾何光學中同種均勻介質中光沿直線傳播牢記于心．所以在教學過程中將趣味實驗放到引課部分，讓實驗現象與學生前概念背道而馳，使學生在學習知識前產生強烈的求知欲．

此部分趣味實驗設計是利用生活中簡單的器材來演示楊氏雙縫干涉．課前讓學生自行分好學習小組，每個小組準備一支激光筆和一把美工刀，課前教師給每個學生分發一張錫箔紙．首先，固定激光筆的位置，利用一個白紙作為光屏，打開激光筆目測激光筆在白紙上形成光斑的直徑．然后，在錫箔紙上用美工刀刻出遠小于光斑直徑的2條足夠細的縫（最好不超過1 mm），如果縫細過寬，激光將直接透過縫隙打在光屏上不會形成干涉圖樣．根據學生的前概念光沿直線傳播，他們會認為在光屏上會出現2個光斑．此時操作實驗，介紹著名的楊氏雙縫干涉，說明激光在透過雙縫后并沒有沿直線傳播．通過實驗現象發現光斑明暗相間的特點，畫出激光傳播的光路圖并計算光程差．

2.2.2 光的衍射實驗的設計 除了光的干涉現象外，由于波動性光也會發生衍射現象．衍射現象主要分為菲涅爾衍射和夫瑯禾費衍射兩大類，且菲尼爾衍射光強分布計算較復雜，在教學過程中把較為簡單的單縫衍射、夫瑯禾費衍射和光柵衍射作為教學的重點．在光柵衍射的實驗中明條紋亮度高且界限清晰，并且生活中常見的物品光盤就可以作為光柵，不同光盤的光柵常量也不同，可以培養學生的動手能力．該部分設置的趣味小實驗是在學習完整個光柵衍射后，在課上，每個學習小組利用光盤和一個激光筆設計一個光的衍射實驗，計算最終所選定光盤的光柵常量，撰寫完整的實驗報告并將實驗報告得分計入期末成績．

在趣味實驗的儀器選擇上，為了更貼近大學生生活讓器材更易獲得，讓學生課前準備一個光盤．由于光盤軌道間距很小，所以在一定區域可將光盤視為反射光柵．在實驗開始前，調平整個光學系統，首先，固定光盤位置使其垂直于桌面．將激光調到常亮狀態并水平射出激光，若發射激光不水平，后續對點調平困難，調節固定的光盤使光盤和激光筆處于同一平面，并且發射的激光處于光盤的適中位置．然后，調整光盤位置，使激光正好可反射回發射點．調平光學系統是實驗最關鍵的一步，看似簡單但需要學生足夠耐心細心，調平后可以開始觀察衍射現象．這一步需要學生自行制作一個適當大小的光屏，可以選用大小合適的硬紙板，若選用A4紙太軟不利于數據的記錄，若紙板太小不能承接足夠多的實驗現象，選取合適的光屏后在紙板中央用鐵絲扎一個小洞，調整硬紙板小孔位置使發射激光恰巧通過紙板打在光盤上，此時固定光屏位置，可以在白紙板光盤一側觀察到衍射現象．

通過衍射現象的觀察并測量數據，計算出光柵常量．根據學過的知識可知光柵方程為

實驗模擬見圖3．

圖 3 實驗模擬圖

由圖3可知

3 趣味實驗教學效果及建議

3.1 趣味實驗教學效果

光學萌芽于人們對自然現象和生活中的光現象的探索和研究[6]．人們之所以能看見物體，是因為有光進入到人們的眼睛．物理小實驗在光學課堂中正是運用了光這一直觀的特性，展開了實驗和理論的交叉式教學．這樣的教學安排提高了學生的積極性和主動性，使其嘗試用具體的小實驗分析理論問題，在實驗過程主動思考、發現問題，并促進對相關理論知識要點的學習和理解[7]98．大多數學生體驗到了趣味實驗課堂的快樂后，其考試成績以及對復雜知識的接受程度也證實了該趣味實驗應用到課堂中具有較好的教學效果．

由理論分析和實踐教學可知，通過引入實驗推動理論教學以及將理論與實際應用充分結合的策略，可以在很大程度上激發學生學習物理的興趣，調動學生學習的主動性和積極性，加深對知識的理解和應用，有效地提高學習效率并提升學生的創新思維能力[8]．并且本文的光學小實驗與傳統的大學物理光學實驗相比，其實驗儀器均來自于日常生活且易得，實驗步驟簡單實驗現象易觀察．通過操作完整的實驗，學生對于實驗目標的完成度和實驗數據的處理也可以達到學生走進大學物理實驗室進行實驗的效果，所以光學小實驗在課堂上的應用對學生綜合素質的提高有著事半功倍的效果．與演示實驗相比，小實驗主要提倡學生動手操作，將演示實驗的教師演示、學生觀察這一模式進行了升華，使實驗的操作和數據處理全權落到學生手中，實現真正的集趣味性、操作性、探究性為一體的師生共進的課堂．

3.2 應用趣味實驗的教學建議

為了在課堂上高效合理地利用光學小實驗，在小實驗自身設置上需要注意一些問題．首先，要明確實驗目的，引入這種操作性較強的小實驗，是為了讓課堂更直觀、生動和新穎，進而激發學生的興趣．如果能夠很好地利用實驗的趣味性、獨特性和可變性，就可以設計制作出生動的場景，發展學生的思維[7]99．在不同的課堂上根據不同的教學內容和要求，設計和制作合理的小實驗．所以說要明確做趣味實驗的目的，不要為了做實驗而做實驗，這樣學生只會觀察到實驗的表面，不能更深刻地理解實驗規律，就更談不上更好地掌握物理知識．

其次，光學小實驗是通過學生操作觀察體現它的功能．因此，在設計制作演示實驗時，必須確保實驗現象是可見的，進而讓學生對實驗原理有直觀的認識．這需要在設計和制造過程中注意：為了使實驗操作性更強，儀器必須盡可能地向生活靠攏，過程清晰，特別是在實驗結果上現象必須要明顯，讓學生通過感受效果來得到滿足感．這樣學生能夠更直觀地了解物理現象的本質，更好地探究物理規律．

最后，課堂教學時間是非常寶貴的，學生在進行實驗時所犯的錯誤不僅會耽誤課程時間，還會讓學生對他們的結論產生懷疑．因此，教師在進行課程規劃時，可以適當地調整小實驗的操作時間，例如：一些啟發性的光學實驗可以布置學生在上課前完成，教師可以通過學生上交的實驗視頻檢查學生的完成效果，這樣不僅保證了上課的時間還發揮了小實驗的最大作用．一些創新探究型的實驗，教師則可以在相應理論學習后以課后作業的形式將實驗布置下去，學生運用相應的理論自行探索實驗過程，培養學生的創造性．

4 結語

小實驗在光學課堂中的引入，學生能學到研究物理的各種實驗方法，為以后的學習打下堅實的基礎，養成良好的學習習慣，提前感受實驗操作的魅力[9]．因為光學實驗教學的質量對于學生們學習光學方面知識十分重要，所以有關的高校和教育集團要根據國家現在的光學實驗教學中的典型問題進行高效的分析，然后進行改進[10]．總體來說，我國大學物理在課堂中普遍地加入小實驗還是有一定困難的，但是以現在的形勢來看，它會受到高等物理教育研究者越來越多的重視，而對于理論和實踐相交叉的課堂研究也會加快腳步．經過不斷探索，小實驗的加入一定會促使大學物理課堂中逐漸形成一套具有特色的教學模式．

[1] 趙春然，朱孟正，尹新國．大學物理光學部分形象化教學探索[J]．牡丹江師范學院學報（自然科學版），2013（3）：75-76．

[2] 嚴非男，施成龍，湯猛．新工科背景下大學物理教學與演示實驗有機融合的探索與實踐[J]．教育現代化，2020（34）：137-140．

[3] 楊昶，楊昌虎，黃偉榮．波動光學仿真實驗設計及其在大學物理教學中的應用[J]．大學物理實驗，2019（4）：113-115．

[4] Kettler，James E．Index of refraction by reflected and refracted rays[J]．Physics Teacher，1994，32（3）：190-193．

[5] 秦哲，張艷峰，王亞如，等．光學演示實驗在理論課教學過程中的實踐與探究[J]．教育教學論壇，2019（31）：270-271．

[6] 葉松，余建立，邵瑞．淺析“物理光學”課程中的幾種教學方法的具體運用[J]．綿陽師范學院學報，2018（5）：32-34．

[7] 楊圓，肖沛，林季資．基于理論與實驗融合模式的大學物理課程教學探索[J]．中國現代教育裝備，2020（17）：98-99，103．

[8] 李艷虹，羅小兵，丁光前．基于演示實驗推動大學物理理論教學的探索和實踐：以光的偏振為例[J]．文化創新比較研究，2021（6）：41-43．

[9] 黎芳，魏京花．大學物理演示實驗在光學中的探討與實踐[J]．教育教學論壇，2014（1）：198-199．

[10] 李瑞，劉鑫鵬，徐林軒，等．計算機仿真在光學教學中的應用[J]．大學物理實驗，2020（5）：113-117．

Application of interesting experiments in university and college physics optics

YANG He，LIU Xiaojun，ZHUANG Wenyi

（School of Science，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Analyzes the current situation of university and college physical optics classroom teaching，combines the characteristics of optics disciplines and the weak links in teaching，and proposes a teaching method for applying interesting experiments to university and college physical optics teaching．Aiming at the abstract physics laws and key points and difficulties in optics teaching，examples of interesting experiments are listed from the two aspects of geometric optics and wave optics，which provides a reference for students to carry out interesting experiments in class，and guide students to optical phenomena through this teaching method．Observe and think，and then achieve a good teaching effect，and realize the effective integration of classroom teaching and experiment．

university and college physics；optics；interesting experiment

O4∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.02.021

1007-9831（2022）02-0106-05

2021-08-07

楊鶴（2000-），女，黑龍江哈爾濱人，在讀碩士研究生，從事物理教學研究．E-mail：1055279889@qq.com

劉曉軍（1972-），男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，碩士，從事物理教學研究．E-mail：liuxiaojun@qqhru.edu.cn