是“教物理實(shí)驗(yàn)”還是“用物理實(shí)驗(yàn)教”①——對(duì)等厚干涉實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索

宋金王番 張 萍 仲志國(guó)

(南陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,河南南陽(yáng) 473061)

是“教物理實(shí)驗(yàn)”還是“用物理實(shí)驗(yàn)教”①
——對(duì)等厚干涉實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索

宋金王番 張 萍 仲志國(guó)

(南陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,河南南陽(yáng) 473061)

1 引言

物理實(shí)驗(yàn)課程是理工科大學(xué)的重要基礎(chǔ)課程之一,這樣的課程在許多大學(xué)的教學(xué)中還是比較重視的.很多優(yōu)秀的物理實(shí)驗(yàn)教材和教學(xué)資料的出版、物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)備條件的高水平更新等就是例證.長(zhǎng)期以來(lái),在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,使用課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)講義→課堂教師講授實(shí)驗(yàn)原理、注意事項(xiàng)→學(xué)生按步驟操作→記錄、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)→完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的教學(xué)模式,學(xué)生普遍反映實(shí)驗(yàn)單調(diào),缺乏興趣,如何改革實(shí)驗(yàn)教學(xué),引發(fā)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣,從而培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)思考、積極探索的精神成為每一個(gè)實(shí)驗(yàn)工作者必須面對(duì)的問(wèn)題.

我們?cè)诙嗄甑慕虒W(xué)中感到,要實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革,教師首先需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)教學(xué)理念和教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變,即把原來(lái)“教物理實(shí)驗(yàn)中的內(nèi)容”轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝梦锢韺?shí)驗(yàn)既教內(nèi)容,更點(diǎn)撥方法”,將理論與實(shí)踐相結(jié)合,科研與教學(xué)相促進(jìn),形成以理論為主體、實(shí)驗(yàn)為載體、能力和素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)體系.新的教學(xué)體系要通過(guò)新的理念和方法來(lái)實(shí)現(xiàn),而物理的觀念和方法不是外加在教材以外的附屬品和點(diǎn)綴物,它滲透在教材內(nèi)容的展開過(guò)程中,體現(xiàn)在教師的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中.物理觀念和方法不是教會(huì)的,而是學(xué)生在教師引導(dǎo)和點(diǎn)撥下通過(guò)努力思考自我建構(gòu)起來(lái)的.

在物理實(shí)驗(yàn)中,“等厚干涉現(xiàn)象的研究”是研究干涉的典型例子,而在各高校物理實(shí)驗(yàn)中的通常做法是用鈉光燈作單色光源,通過(guò)讀數(shù)顯微鏡觀察牛頓環(huán),并測(cè)出各級(jí)牛頓環(huán)的直徑,利用已知光波波長(zhǎng)來(lái)計(jì)算牛頓環(huán)平凸透鏡的曲率半徑.這一實(shí)驗(yàn),學(xué)生能很快按步驟完成,但實(shí)驗(yàn)的單調(diào)、乏味、無(wú)創(chuàng)新是學(xué)生的普遍反映,筆者通過(guò)長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐,對(duì)牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展和延伸,教學(xué)效果良好.

2 拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

常規(guī)的牛頓環(huán)儀是在一平板玻璃上放置一平凸透鏡,兩者之間有一空氣薄層,當(dāng)用單色的平行光照射時(shí),就會(huì)在空氣層中形成等厚干涉條紋,這些條紋是一組同心圓環(huán),即牛頓環(huán).我們?cè)诖嘶A(chǔ)上對(duì)等厚干涉現(xiàn)象的研究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行擴(kuò)充.

(1)定性觀察.將平凸透鏡和平板玻璃之間的空氣逐漸抽去而形成真空,觀察干涉環(huán)的變化(半徑增大);若平板玻璃和平凸透鏡之間注滿液體,觀察干涉條紋的變化情況(條紋變密);用白光代替鈉光燈作光源,觀察干涉條紋的變化(條紋呈現(xiàn)彩色);將平凸透鏡在玻璃板的上方垂直平移,觀察牛頓環(huán)條紋的變化規(guī)律(隨著薄膜厚度的變化,條紋的明暗隨之發(fā)生變化).

(2)用兩個(gè)曲率半徑很大的平凸透鏡組成牛頓環(huán)儀(如圖1),在單色光照射下觀察干涉條紋,并測(cè)量透鏡的曲率半徑[1].

(3)將原來(lái)的平板玻璃換成由兩部分(左邊玻璃折射率n1=1.5,右邊玻璃折射率 n2=1.75)組成,平凸透鏡和玻璃板之間充滿折射率 n3=1.62的二氧化硫(如圖2),在單色光照射下,觀察等厚干涉條紋的變化,并計(jì)算透鏡的曲率半徑[2].

(4)用汞燈代替鈉光燈做實(shí)驗(yàn),觀察干涉條紋的變化,測(cè)量紫光和黃光的波長(zhǎng),并與光柵衍射測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較.

圖3

3 開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)

由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由原來(lái)的利用牛頓環(huán)測(cè)量透鏡的曲率半徑擴(kuò)展為現(xiàn)在的6項(xiàng)內(nèi)容,學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間明顯延長(zhǎng),為了保證教學(xué)效果,我們采用四步教學(xué)法.第1步,學(xué)生在學(xué)習(xí)等厚干涉內(nèi)容時(shí),將實(shí)驗(yàn)中的6項(xiàng)內(nèi)容給予解答,這樣既鞏固了課堂知識(shí)教學(xué),又為實(shí)驗(yàn)打下了理論基礎(chǔ).第2步,結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和本人的程度,選擇4項(xiàng)以上作為必須測(cè)量的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,其余部分只要求觀察.第3步,實(shí)驗(yàn)室提供必須的實(shí)驗(yàn)儀器,讓學(xué)生根據(jù)選題進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較分析,找出產(chǎn)生誤差的原因.第4步,如果在安排的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)沒(méi)能完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,學(xué)生可以在課余時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)室采用教師和學(xué)生共同管理的方式,為教師科研和學(xué)生學(xué)習(xí)提供一個(gè)交流平臺(tái).采用新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式后,我們發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)學(xué)生對(duì)所有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都進(jìn)行了測(cè)量,有的甚至還自己提出一些實(shí)驗(yàn)思想,比如,利用等厚干涉實(shí)驗(yàn)測(cè)量頭發(fā)絲的直徑、紙屑的厚度等微小長(zhǎng)度[5].

4 學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變

通過(guò)教學(xué)模式和教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變,我們發(fā)現(xiàn):改革前,學(xué)生對(duì)光學(xué)課提出了兩條意見(jiàn),(1)講課的內(nèi)容抽象,難以聽懂;(2)教師課堂上講的內(nèi)容不是學(xué)生期望的,要求教師課堂上講些有用的內(nèi)容,盡可能多講些如何解題的方法.改革后,在教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)了以下的新變化,(1)課堂上學(xué)生更專注聽教師的講解,并時(shí)有學(xué)生即席提問(wèn),甚至在課堂討論中,學(xué)生能夠按自己的理解發(fā)表見(jiàn)解;(2)課后答疑一改以前只問(wèn)教材上的問(wèn)題或只問(wèn)如何解題的現(xiàn)象,出現(xiàn)了師生組成小群體討論光學(xué)中一些深層次的理論問(wèn)題的情景; (3)學(xué)生對(duì)課外小論文、科技小發(fā)明產(chǎn)生強(qiáng)烈的興趣,自己也會(huì)主動(dòng)尋找合理的選題,結(jié)合所學(xué)知識(shí),利用實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行研究,形成濃厚的科研氛圍.

學(xué)生學(xué)習(xí)方式的初步變化使我們感到,物理實(shí)驗(yàn)改革要有教材的改革,更要有課堂教學(xué)的改革.課堂教學(xué)的改革要有教學(xué)方法、手段的改革,更要有教師教學(xué)理念的改革,而從“只教教材上的內(nèi)容”轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝媒滩募冉虄?nèi)容,更點(diǎn)撥方法”就是理念改革和方法改革的一個(gè)重要方面.

現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求教師在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)使學(xué)生學(xué)到更多的知識(shí).通過(guò)對(duì)等厚干涉實(shí)驗(yàn)的拓展,可以讓學(xué)生觀察到干涉條紋隨薄膜折射率、薄膜厚度、入射光波長(zhǎng)的變化規(guī)律,加深對(duì)等厚干涉的理解,同時(shí)學(xué)生可以按照自己的思想,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,從而培養(yǎng)了學(xué)生分析、設(shè)計(jì)、操作的綜合能力.由于增加了實(shí)驗(yàn)難度,實(shí)驗(yàn)操作能力也能得以提高,激發(fā)了學(xué)生的興趣,收到很好的教學(xué)效果.

1 姚啟鈞.光學(xué)教程(第4版).北京:高等教育出版社,2008.

2 唐勤.對(duì)牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考與探索.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2007, 24(3):35-36

3 李正平,王廣泰,李冬梅.新編大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).北京:中國(guó)石化出版,1999.

4 王潔.基于等厚干涉原理測(cè)量NaCl溶液濃度.浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,27(2):246-248

5 馬紅,馬延峰.綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討——用等厚干涉法測(cè)量頭發(fā)絲直徑.物理與工程,2008,18(5):37-38

河南省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2009SJGLX244).

2010-02-01)

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