大學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

摘" 要：光學(xué)儀器本身的精密性要求實(shí)驗(yàn)者理論水平高、操作細(xì)致，高質(zhì)量完成光學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)有極大幫助。結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)中最常用的分光計(jì)、邁克爾遜干涉儀、讀數(shù)顯微鏡光學(xué)三大件的調(diào)節(jié)展開(kāi)討論，分析操作過(guò)程中遇到的難點(diǎn)和問(wèn)題，以加深學(xué)生對(duì)調(diào)節(jié)技術(shù)的認(rèn)識(shí)和理解。改進(jìn)光學(xué)實(shí)驗(yàn)授課模式，重視儀器的原理和操作，而不是局限于特定的實(shí)驗(yàn)方法。回歸實(shí)驗(yàn)物理的基本理念，探索研究型教學(xué)的授課模式，創(chuàng)建基礎(chǔ)與創(chuàng)新協(xié)同發(fā)展的大學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)新體系，切實(shí)增強(qiáng)學(xué)生從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)工作的能力。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；光學(xué)實(shí)驗(yàn)；分光計(jì)；邁克爾遜干涉儀；讀數(shù)顯微鏡

文章編號(hào)：1671-489X（2025）04-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.04.

0" 引言

在高校應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的實(shí)踐課程中，物理實(shí)驗(yàn)主要包括力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)四部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，其中光學(xué)實(shí)驗(yàn)不同于其他幾部分，有儀器精密性高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)節(jié)難度大等特點(diǎn)[1-2]。光學(xué)儀器操作需要理論知識(shí)的密切指導(dǎo)，對(duì)學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際的能力要求較高。高質(zhì)量完成光學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)有極大幫助，尤其是自主學(xué)習(xí)的思維能力。隨著社會(huì)科技的快速發(fā)展，對(duì)高素質(zhì)人才的需求更加迫切。傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生掌握的僅僅是固有的實(shí)驗(yàn)方法，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深層次的思考。尤其是光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器調(diào)節(jié)難度大，加之課堂時(shí)間有限，不利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)和課程目標(biāo)的達(dá)成。本文結(jié)合光學(xué)實(shí)驗(yàn)中最常用的分光計(jì)、邁克爾遜干涉儀、讀數(shù)顯微鏡光學(xué)三大件的調(diào)節(jié)，對(duì)儀器調(diào)節(jié)常見(jiàn)問(wèn)題展開(kāi)分析；提出授課模式的改進(jìn)方式，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力的鍛煉和創(chuàng)新思維的開(kāi)拓；設(shè)計(jì)思政元素的融入，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國(guó)工匠精神；完善課程評(píng)價(jià)體系，落實(shí)全過(guò)程育人的教育理念。

1" 光學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)的光學(xué)儀器調(diào)節(jié)

1.1" 分光計(jì)調(diào)節(jié)及常見(jiàn)問(wèn)題

分光計(jì)是一種能精確測(cè)量角度的典型光學(xué)儀器，在使用分光計(jì)測(cè)量角度前需要將儀器調(diào)至待測(cè)狀態(tài)，即望遠(yuǎn)鏡、平行光管的光軸在一條直線上，且垂直于載物平臺(tái)的中心軸，平行光管射出平行光束，則可認(rèn)為儀器調(diào)節(jié)完成[3]。學(xué)生在實(shí)際調(diào)節(jié)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)一些問(wèn)題。

1）未按規(guī)范步驟逐步調(diào)節(jié)。有的學(xué)生沒(méi)有完成目鏡調(diào)焦和望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦，直接在目鏡中尋找十字叉絲，更有甚者，在望遠(yuǎn)鏡明顯不垂直于三棱鏡光面的位置尋找叉絲像，說(shuō)明對(duì)自準(zhǔn)直原理和調(diào)焦的必要性沒(méi)有清晰認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致盲目操作。

2）找不到叉絲像時(shí)隨意調(diào)節(jié)螺釘，使儀器更加偏離待測(cè)狀態(tài)。有的學(xué)生粗調(diào)未完成，在視野中看不到叉絲像就一味擰螺絲，載物臺(tái)已明顯傾斜還在尋找，說(shuō)明沒(méi)有理解儀器原理和每個(gè)調(diào)節(jié)步驟的目的。

3）調(diào)節(jié)過(guò)程中容易出現(xiàn)只能在一個(gè)反光面找到十字叉絲的情況。學(xué)生初次接觸儀器缺乏經(jīng)驗(yàn)，調(diào)節(jié)時(shí)沒(méi)有指導(dǎo)性的方向，可以采取依次突破的方法，即在保持原反光面能看到十字叉絲的同時(shí)，向上或向下調(diào)節(jié)載物臺(tái)下方與另一反光面對(duì)應(yīng)的螺釘，直至兩個(gè)反光面都能找到十字叉絲。

分光計(jì)的調(diào)節(jié)需要在掌握原理的基礎(chǔ)上多次練習(xí)，只有理解了兩向逼近的過(guò)程，明白為何要采用各半調(diào)節(jié)的方式，才能順利完成調(diào)節(jié)，而不至于越調(diào)越偏。

1.2" 邁克爾遜干涉儀調(diào)節(jié)及常見(jiàn)問(wèn)題

邁克爾遜干涉儀是一種典型的分振幅的雙光束干涉裝置[4]。通過(guò)調(diào)整儀器固定鏡（M1）和可動(dòng)鏡（M2）的位置關(guān)系，可以產(chǎn)生等傾干涉條紋和等厚干涉條紋，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)等物理量的測(cè)量[5]。邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)主要是這兩種干涉條紋的調(diào)節(jié)。學(xué)生在課堂調(diào)節(jié)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題。

1）在調(diào)節(jié)M1方位時(shí)，視場(chǎng)中看不到任何條紋。出現(xiàn)該問(wèn)題的原因可能是M1鏡像和M2的夾角太大，條紋變得很密以至于觀察不到條紋，此時(shí)需要校準(zhǔn)M1的方位；也可能是M1鏡像和M2距離過(guò)大或重合，導(dǎo)致觀察不到干涉現(xiàn)象，需要轉(zhuǎn)動(dòng)干涉儀的粗調(diào)或微調(diào)手輪以改變M2的位置，使條紋清晰可見(jiàn)，方可進(jìn)行下一步測(cè)量。

2）在操作練習(xí)中向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪，等傾干涉條紋圓心有明顯的涌出或淹沒(méi)現(xiàn)象，但反方向轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)，觀察不到這一現(xiàn)象。這是由于螺紋存在間隙，回輪一段距離內(nèi)M2實(shí)際上并沒(méi)有發(fā)生移動(dòng)。因此，在測(cè)量過(guò)程中，要求微調(diào)手輪必須沿同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，中途不可倒轉(zhuǎn)，就是為了避免螺距差。邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)難點(diǎn)主要在于等傾干涉條紋需要調(diào)節(jié)M1和M2相互垂直。

1.3" 讀數(shù)顯微鏡調(diào)節(jié)

讀數(shù)顯微鏡是將測(cè)微螺旋和顯微鏡組合起來(lái)用于精確測(cè)量長(zhǎng)度的儀器，在相關(guān)計(jì)量單位應(yīng)用廣泛。利用牛頓環(huán)測(cè)定透鏡曲率半徑和測(cè)定透明介質(zhì)折射率是常見(jiàn)的使用讀數(shù)顯微鏡的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[6]。目前有研究對(duì)讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，如與圖像采集系統(tǒng)聯(lián)合使用，避免人眼觀測(cè)的誤差。

學(xué)生在實(shí)際操作儀器時(shí)遇到問(wèn)題、解決問(wèn)題，這一過(guò)程可以讓思維能力得到實(shí)質(zhì)性訓(xùn)練。學(xué)生通過(guò)探索學(xué)會(huì)儀器調(diào)節(jié)，在獲得成就感、激發(fā)求知欲的同時(shí)，對(duì)儀器的應(yīng)用產(chǎn)生深入思考，提出新的實(shí)驗(yàn)想法，這都需要建立在對(duì)儀器操作足夠熟練的基礎(chǔ)上，因此，掌握調(diào)節(jié)技術(shù)是第一步。

2" 基于光學(xué)三大件的探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

2.1" 改進(jìn)授課模式

回歸實(shí)驗(yàn)物理的基本理念，探索研究型教學(xué)的授課模式。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生充分掌握儀器的原理、操作和應(yīng)用，繼而引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)物理量的測(cè)量，培養(yǎng)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力。借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)儀器有較為深刻和清晰的認(rèn)識(shí)，達(dá)到更好的教學(xué)效果[7]。把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，借助虛擬仿真技術(shù)層層剖析復(fù)雜的光學(xué)儀器，直觀、形象地展現(xiàn)出儀器不同結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)螺釘?shù)淖饔?，增?qiáng)學(xué)生對(duì)光學(xué)儀器結(jié)構(gòu)、特性和原理的把握。比如，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的講解和訓(xùn)練讓學(xué)生可以充分了解分光計(jì)調(diào)什么、怎樣調(diào)、為什么這樣調(diào)，直觀看到每個(gè)螺絲調(diào)節(jié)時(shí)綠色十字叉絲像如何變化，以免由于不熟悉儀器而在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中盲目操作。光學(xué)儀器的調(diào)節(jié)需要反復(fù)練習(xí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以為儀器調(diào)節(jié)的練習(xí)提供極大便利，方便學(xué)生利用任意課余時(shí)間練習(xí)，有助于學(xué)生在線下實(shí)驗(yàn)中高效、準(zhǔn)確地掌握儀器操作，從而激發(fā)對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣和進(jìn)一步探索的熱情。多次練習(xí)也能達(dá)到鞏固知識(shí)的目的。虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式能彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，使大學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更有成效。

探索研究型教學(xué)的課程體系，教師教授的內(nèi)容回歸儀器本身，由學(xué)生分組探討并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法和研究?jī)?nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生的主體作用，激發(fā)學(xué)生的自主探索精神和創(chuàng)新熱情。由于光學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果欠佳，一方面，有限的課堂時(shí)間無(wú)法保證學(xué)生掌握儀器操作；另一方面，固定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使學(xué)生思維受限。對(duì)于光學(xué)實(shí)驗(yàn)，儀器調(diào)節(jié)難度較大，應(yīng)作為固定教學(xué)內(nèi)容，線上線下相結(jié)合，確保學(xué)生熟練掌握基本儀器調(diào)節(jié)。幫助學(xué)生打好基本功，為進(jìn)一步測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)。根據(jù)學(xué)生的年級(jí)和層次設(shè)立不同項(xiàng)目，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以由學(xué)生自主選擇，對(duì)優(yōu)秀的學(xué)生可以完全開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，由學(xué)生自主研討設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。由傳統(tǒng)的固定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸笇?dǎo)性儀器操作+開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”的新體系，如圖1所示。集中開(kāi)展一次理論課，對(duì)常見(jiàn)光學(xué)儀器的結(jié)構(gòu)、原理、使用方法和應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)講解，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)常見(jiàn)的光學(xué)儀器怎么調(diào)、為什么這樣調(diào)之后，再進(jìn)行開(kāi)放實(shí)驗(yàn)。光學(xué)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)重在儀器調(diào)節(jié)本身，不同于常規(guī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按照既定實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量數(shù)據(jù)，開(kāi)放課堂更有利于教師因材施教，根據(jù)每位學(xué)生不同的特質(zhì)進(jìn)行差異化引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)探索、實(shí)踐與研究的熱情，讓學(xué)生不再拘泥于完成課堂任務(wù)，充分體現(xiàn)“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向”的教育理念，培養(yǎng)符合社會(huì)需求的應(yīng)用型人才。

理論講解與開(kāi)放實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式能使學(xué)生在掌握原理的基礎(chǔ)上充分接觸儀器和練習(xí)儀器操作，提高操作儀器的主觀能動(dòng)性，獲得真正的技術(shù)本領(lǐng)。在學(xué)生掌握儀器的原理和使用方法后，引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)物理量的測(cè)量，培養(yǎng)研究性學(xué)習(xí)的能力，發(fā)展創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能開(kāi)展簡(jiǎn)單的應(yīng)用和拓展練習(xí)[8]。研究型教學(xué)的授課模式一方面能提高創(chuàng)新型人才培養(yǎng)質(zhì)量，切實(shí)增強(qiáng)學(xué)生從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)工作的能力；另一方面使實(shí)驗(yàn)室資源得到充分利用，學(xué)院的實(shí)踐教學(xué)氛圍更加濃厚。研究型教學(xué)的授課模式不僅可以保證學(xué)生掌握基本知識(shí)和技能，又能讓學(xué)生開(kāi)放思維、大膽創(chuàng)新，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。

2.2" 融入思政元素

通過(guò)探究式實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)的能力[9]。在講授邁克爾遜干涉儀等經(jīng)典諾貝爾獎(jiǎng)物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)介紹諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程及其設(shè)計(jì)靈感，向?qū)W生傳遞嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)思想、堅(jiān)持不懈的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的探究思維能力。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)自主探索儀器調(diào)節(jié)的過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)思考、觀察和反思，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，端正做事態(tài)度，追求精益求精的大國(guó)工匠精神，在探索中培養(yǎng)思辨的科學(xué)思想，在實(shí)踐中提煉真知。同時(shí)，將課程中涉及的實(shí)驗(yàn)技術(shù)與當(dāng)前我國(guó)各領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和科研成果聯(lián)系起來(lái)，弘揚(yáng)強(qiáng)國(guó)、大國(guó)精神，激發(fā)學(xué)生的民族自信心和愛(ài)國(guó)情懷。

2.3" 完善評(píng)價(jià)體系

教學(xué)過(guò)程中設(shè)置多個(gè)線上或線下的反饋節(jié)點(diǎn)，借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)，從預(yù)習(xí)到理論講解、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、自主研究，充分體現(xiàn)全過(guò)程育人理念[10]。

1）在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生利用虛擬仿真平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和儀器具有初步了解。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芴峁┰诰€預(yù)習(xí)手段，讓學(xué)生隨時(shí)進(jìn)行儀器調(diào)節(jié)練習(xí)。在線調(diào)節(jié)是第一個(gè)反饋節(jié)點(diǎn)，教師通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)，可以及時(shí)掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，及時(shí)改進(jìn)線下教學(xué)策略和教學(xué)重點(diǎn)。

2）在線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)講授完成后設(shè)置互動(dòng)環(huán)節(jié)?；?dòng)環(huán)節(jié)是第二個(gè)反饋節(jié)點(diǎn)，通過(guò)互動(dòng)環(huán)節(jié)，教師可以及時(shí)了解學(xué)生對(duì)儀器原理和操作的掌握程度，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)。

3）分組研討和確定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目環(huán)節(jié)，針對(duì)同一物理量的不同測(cè)量方法、實(shí)驗(yàn)思想和方法的拓展應(yīng)用等展開(kāi)研討。課堂研討是教學(xué)質(zhì)量管控的第三個(gè)反饋節(jié)點(diǎn)，以學(xué)生為主體，教師加以引導(dǎo)，幫助學(xué)生完善實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深層次思考。

4）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后以實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式進(jìn)行總結(jié)與反饋，這第四個(gè)反饋節(jié)點(diǎn)，教師以此為基礎(chǔ)了解學(xué)生的掌握情況，持續(xù)優(yōu)化以促進(jìn)整體教學(xué)質(zhì)量提高。

完善評(píng)分體系，重視實(shí)踐過(guò)程和學(xué)習(xí)效果。綜合成績(jī)由課堂表現(xiàn)、實(shí)踐成績(jī)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和期末考核多項(xiàng)組成：課堂表現(xiàn)包括課堂發(fā)言討論和小組合作；實(shí)踐成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)學(xué)生是否能夠正確進(jìn)行儀器操作和實(shí)施實(shí)驗(yàn)步驟；實(shí)驗(yàn)報(bào)告考查學(xué)生歸納概括、邏輯分析和規(guī)范記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)象的能力；期末考核綜合評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)掌握程度、基本實(shí)驗(yàn)技能、自我學(xué)習(xí)與反思能力，可以采用研究匯報(bào)或研究答辯等多種方式。通過(guò)建立全方位、多角度的評(píng)價(jià)體系提高學(xué)生對(duì)實(shí)踐過(guò)程的重視程度，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生積極參與和思考的熱情與活力，真正達(dá)到應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的育人標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，全方位、多角度的評(píng)價(jià)體系也為選拔實(shí)踐和科研人才提供有效參考。

3" 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力和創(chuàng)新能力的重要途徑，光學(xué)實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。本文對(duì)三臺(tái)常用光學(xué)儀器的調(diào)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)討論，分析學(xué)生在操作過(guò)程中遇到的難點(diǎn)、問(wèn)題及其出現(xiàn)的原因，對(duì)學(xué)生光學(xué)儀器調(diào)節(jié)能力的訓(xùn)練具有一定的指導(dǎo)意義。結(jié)合光學(xué)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，提出“指導(dǎo)性儀器操作+開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”的新授課模式，該模式已被應(yīng)用于天津師范大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的實(shí)踐課堂中，并取得不錯(cuò)的成果。實(shí)踐動(dòng)手能力的充分訓(xùn)練，對(duì)學(xué)生畢業(yè)論文的完成和進(jìn)一步的科研工作具有極大幫助。創(chuàng)建基礎(chǔ)與創(chuàng)新協(xié)同發(fā)展的大學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系，將思政元素融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建立全方位、多角度的評(píng)價(jià)機(jī)制，更有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才。

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*項(xiàng)目來(lái)源：天津師范大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“基于研究型理念的大學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革”（項(xiàng)目編號(hào)：JG01222073）。

作者簡(jiǎn)介：陸萍，實(shí)驗(yàn)師；白海會(huì)，講師；吳杰，通信作者，副研究員，博士。