DIY模式的分光計實驗教學(xué)嘗試

許富洋，葉麗軍, 陸肖勵，鄔汝寬

(浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004)

DIY模式的分光計實驗教學(xué)嘗試

許富洋，葉麗軍, 陸肖勵，鄔汝寬

(浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004)

為有效解決分光計實驗教學(xué)中存在的問題，進(jìn)行了DIY實驗?zāi)Ｊ降奶剿?。以任?wù)的形式讓學(xué)生提前進(jìn)行分光計改進(jìn)研究，鼓勵學(xué)生綜合應(yīng)用各種技術(shù)手段，在“做中學(xué)，學(xué)中做”；再用自制的輔助裝置進(jìn)行相關(guān)的實驗，并交流評比，很好地調(diào)動了學(xué)生的積極性，取得了較好的教學(xué)效果。研制的內(nèi)置式激光輔助調(diào)節(jié)裝置及基于USB攝像頭的數(shù)字化輔助觀測系統(tǒng)具有制作簡單、現(xiàn)象直觀的特點，可很好地解決分光計調(diào)節(jié)及演示講解的困難，有著很好的推廣價值。

分光計；DIY教學(xué)模式；激光二極管；USB攝像頭

分光計是高校普通物理實驗中常用的典型光學(xué)儀器，是一種精密測角儀，常被用來測量折射率、色散率、光波波長等物理量；分光計的調(diào)節(jié)和使用是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實驗素質(zhì)的典型實驗。然而，在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，雖然有教師的講解，但由于分光計結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，初學(xué)者仍會碰到很大的困難，存在學(xué)生調(diào)節(jié)難和教師教學(xué)難的雙重問題[1-4]。因此，很多教學(xué)工作者對分光計進(jìn)行了多種形式的改進(jìn)，如增加激光輔助裝置、CCD等[5-8]。這些改進(jìn)給教師的講解演示帶來了很大的便利，但學(xué)生少有參與改進(jìn)制作的機(jī)會，在使用過程中也往往一知半解，教學(xué)效果仍不盡理想。

針對上述問題，我們嘗試在物理專業(yè)的實驗中引入DIY(do it yourself)模式[9-10]，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自己動手去做。首先，我們將制作分光計輔助裝置以任務(wù)的形式提前布置給學(xué)生，鼓勵學(xué)生綜合運用所學(xué)的物理、計算機(jī)等各種知識和技術(shù)手段，利用實驗室提供的相關(guān)材料在課外完成；然后，學(xué)生用自行制作的輔助裝置進(jìn)行相關(guān)的課堂實驗，同時，教師進(jìn)行一些交流評比，引導(dǎo)學(xué)生“自己去做，自己體驗，挑戰(zhàn)自我，享受快樂”。

1 分光計調(diào)節(jié)難的原因分析

在教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)分光計調(diào)節(jié)難的主要原因在于望遠(yuǎn)鏡視野較小，作為調(diào)節(jié)判據(jù)的“綠十字叉絲反射像”較弱，不易被觀察到，使得學(xué)生在實驗中難以建立起明確的調(diào)節(jié)操作與調(diào)節(jié)結(jié)果的因果聯(lián)系。作為初學(xué)者，學(xué)生往往缺乏對分光計各組成部件的足夠了解，且實驗光路亦非直觀可見，在很大程度上增加了分光計調(diào)節(jié)的難度。另一方面，在分光計調(diào)節(jié)中，由于作為基礎(chǔ)的粗調(diào)憑借的是目測評判，學(xué)生很難把握粗調(diào)的質(zhì)量，粗調(diào)不到位時，學(xué)生或束手無策，或盲目調(diào)節(jié)，使得分光計的調(diào)節(jié)難度大增。要快速有效地調(diào)節(jié)分光計，就要克服實驗操作的盲目性，了解每步調(diào)節(jié)的實質(zhì)作用。而最簡單的方式就是將每步調(diào)節(jié)的結(jié)果直觀地呈現(xiàn)出來，確保每個操作的有效性。在布置任務(wù)時，將普遍存在的一些不足、問題拋給學(xué)生，讓學(xué)生有針對性地進(jìn)行思考、改進(jìn)。

2 DIY分光計輔助實驗裝置

2.1 內(nèi)置式激光輔助調(diào)節(jié)裝置

目前報道的輔助調(diào)節(jié)裝置多是外置式的，即在分光計相關(guān)部件的外圍設(shè)置直觀可見的“調(diào)節(jié)判據(jù)”，如加裝水準(zhǔn)泡、激光準(zhǔn)直裝置等。這些措施可以大大提高粗調(diào)的質(zhì)量，但無法有效應(yīng)用于細(xì)調(diào)或具體實驗。為此，有學(xué)生對阿貝式望遠(yuǎn)鏡的原有光源進(jìn)行了改進(jìn)，制作了內(nèi)置式的激光輔助調(diào)節(jié)裝置，使原先的弱十字叉絲像變成了亮十字叉絲像，使望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)變得目的明確、簡單易行。

圖1為阿貝目鏡式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)及光路原理圖。由于望遠(yuǎn)鏡發(fā)出的綠十字光強(qiáng)較弱，加上望遠(yuǎn)鏡的視場很小，僅為3°22′，導(dǎo)致綠十字叉絲反射像經(jīng)常不在望遠(yuǎn)鏡的視場中，操作者無法直觀地判斷反射光的偏離方向。圖2為改進(jìn)的輔助調(diào)節(jié)裝置示意圖，包括改進(jìn)的小燈泡光源、新增的激光二極管光源及塑料板觀察屏。將圖1中的綠色小濾色片拆下裝入原配的光源套筒即為圖2(a)所示的小燈泡光源。將激光二極管安裝在另一個光源套筒上，由于二極管尺寸較小，需另外加定位固定裝置，使其出光孔位于套筒中心，如圖2(b)所示。這樣激光可準(zhǔn)確照到阿貝目鏡式望遠(yuǎn)鏡棱鏡P上，再通過其物鏡出射。由于激光發(fā)散角較小，出射光截面仍為十字形狀，在此統(tǒng)稱為十字叉絲像。如圖2(c)所示的塑料板觀察屏由磨毛的薄透明塑料板制作而成，通過固定接口固定在望遠(yuǎn)鏡的物鏡上，可在塑料板上繪制參照分劃板，分劃板的上下水平線對應(yīng)于阿貝目鏡中的調(diào)整叉絲與測量叉絲的水平高度。

圖1 阿貝目鏡式望遠(yuǎn)鏡

圖2 輔助調(diào)節(jié)裝置示意圖

另外，分光計由自身專用的變壓器供電，電壓為-6.3 V。因此，根據(jù)激光二極管的參量，還需制作電路板進(jìn)行穩(wěn)壓，電路圖如圖3所示。這樣，激光二極管就可以直接插到分光計專用變壓器的接口上了。

圖3 激光二極管穩(wěn)壓電路圖

以激光二極管為光源，同時把塑料板觀察屏固定在望遠(yuǎn)鏡物鏡上的內(nèi)置式激光輔助裝置由于光強(qiáng)較強(qiáng)，很容易在觀察屏上找到十字叉絲像，如圖4所示。在調(diào)節(jié)過程中，按各半調(diào)節(jié)法的要求，直接在觀察屏上進(jìn)行觀察調(diào)節(jié)，每步操作目標(biāo)明確，現(xiàn)象直觀清晰；實驗時確保十字叉絲像已調(diào)至觀察屏上的相應(yīng)叉絲位置，亦即對應(yīng)于阿貝目鏡中的相應(yīng)叉絲位置。若要進(jìn)行精確調(diào)節(jié)或定量測量，則可換上小燈泡光源，此時，分光計已基本處于工作狀態(tài)，若有偏差，只需作細(xì)微調(diào)節(jié)，快捷高效。

圖4 輔助裝置實驗效果圖

2.2 數(shù)字化輔助觀測系統(tǒng)

為便于教師講解演示以及緩解學(xué)生長時間實驗的視角疲勞，目前有一些將CCD用于輔助觀測的報道；但其成本相對較高，不易在分組實驗中推廣。為此，有學(xué)生利用較為普及的USB攝像頭，并結(jié)合VB語言設(shè)計制作了輔助觀測系統(tǒng)。

圖5為數(shù)字化輔助觀測系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成示意圖。因為一般實驗室均配備有計算機(jī)，故額外增加的僅為USB攝像頭及相應(yīng)的連接套筒，成本低廉。實驗時，可將攝像頭當(dāng)成數(shù)字化的眼睛，先將攝像頭鏡頭及望遠(yuǎn)鏡目鏡進(jìn)行調(diào)焦，使得攝像頭拍攝到的分劃板叉絲清晰，并且當(dāng)攝像頭鏡頭的入瞳與望遠(yuǎn)鏡目鏡的出瞳重合時觀測效果最佳，此時再將連接套筒的相關(guān)螺絲擰緊。此外，結(jié)合VB語言及一些開源視頻控件，如Avcapture，只需進(jìn)行簡單的編程即可完成觀測界面的制作，如圖5右下側(cè)所示，可方便地實現(xiàn)實時觀測，圖像拍攝、保存等。經(jīng)實驗驗證，目前市場上比較普及的USB攝像頭能較好地滿足一般的學(xué)生實驗要求，可作為廉價的圖像傳感器件使用。

圖5 數(shù)字化輔助觀測系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成示意圖

3 結(jié)束語

在分光計實驗教學(xué)中引入DIY模式，將原先

實驗中普遍存在的一些問題拋給學(xué)生，讓學(xué)生在課外查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，設(shè)計制作輔助實驗裝置，在“做中學(xué)，學(xué)中做”，再用自制的輔助裝置進(jìn)行相關(guān)的實驗，并進(jìn)行一些交流評比，能很好地激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，對培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能和創(chuàng)新能力大有裨益。DIY模式的分光計實驗給學(xué)生創(chuàng)造了運用所學(xué)的光學(xué)及計算機(jī)等知識的機(jī)會，有利于引導(dǎo)學(xué)生將理論與實踐真正聯(lián)系起來。學(xué)生通過分光計輔助實驗裝置的設(shè)計制作可以深化對分光計構(gòu)造原理、計算機(jī)觀測手段等的認(rèn)識，制作的分光計輔助裝置又可作為實驗成果或器件演示各種相關(guān)現(xiàn)象，從而能更好地激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，提升實驗效果。

[1]楊述武. 普通物理實驗[M]. 3版. 北京:高等教育出版社, 2000:57-63.

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An Attempt of DIY Teaching Mode in Spectrometer Experiment

XU Fuyang, YE Lijun, LU Xiaoli, WU Rukuan

(College of Mathematics, Physics and Information Engineering, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China))

To overcome the problems in spectrometer experiments, an attempt of DIY teaching mode is employed. It is carried out as follows: Firstly, an assignment of improvement is given to students in advance, encouraging them to use different techniques, “Learning by doing, doing by learning”; Then, the students should do the experiment with auxiliary unit made by themselves, accompanying with some activities of communications and appraisals. Actually, enthusiasm of students and results in teaching are all greatly improved in this way. It is worth to recommending that built-in laser auxiliary unit and USB camera auxiliary observation system, which has the advantages of convenient fabrication and intuitive phenomenon, can improve adjustment and demonstration of spectrometer experiments well.

spectrometer; DIY teaching mode; laser diode; USB camera

2014-09-25；修改日期:2014-10-19

浙江省2014年度教育技術(shù)規(guī)劃課題(JB004)；浙江師范大學(xué)科研項目(人文社科類)(JYGL201333)；浙江師范大學(xué)教改項目。

許富洋(1981-)，男，工程師，主要從事物理實驗的教學(xué)與研究工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.005