光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)在理論課教學(xué)過(guò)程中的實(shí)踐與探究

秦哲 張艷峰 王亞如 胡艷敏

摘要：闡述了演示實(shí)驗(yàn)在理論教學(xué)課堂中對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的重要性，探究大學(xué)課堂中波動(dòng)光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方案與過(guò)程以及存在的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：物理教學(xué)；演示實(shí)驗(yàn)；波動(dòng)光學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）31-0270-02

一、引言

教師開展教學(xué)活動(dòng)都應(yīng)本著“為了一切學(xué)生，為了學(xué)生一切，一切為了學(xué)生”的基本原則。物理演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂，也是本著這樣的原則。首先，傳統(tǒng)的課堂更注重講概念，講理論，講公式推導(dǎo)，但是很多概念都是抽象的，學(xué)生理解起來(lái)比較困難。其次，理論與實(shí)際脫節(jié)問(wèn)題很嚴(yán)重。很多實(shí)驗(yàn)課的開展都是在理論結(jié)束后很長(zhǎng)時(shí)間才進(jìn)行，有些甚至是對(duì)應(yīng)理論課還沒有開始之前，各學(xué)校根據(jù)教學(xué)總體安排導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課不是超前就是滯后，理論和實(shí)際結(jié)合不緊密，嚴(yán)重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。最后，教學(xué)要以學(xué)生為中心。我們?cè)谡n程講授過(guò)程當(dāng)中學(xué)生需要什么樣的教學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)演示基本原理，教師要想盡一切辦法來(lái)開展教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施，以滿足學(xué)生的求知欲。物理演示實(shí)驗(yàn)儀作為教學(xué)的輔助性手段，它具有體積小、質(zhì)量輕、便攜帶等特點(diǎn)，在課堂教學(xué)需要的時(shí)候，隨時(shí)可以進(jìn)行演示教學(xué)，不受地域和時(shí)間的影響。因此，物理演示實(shí)驗(yàn)對(duì)理論教學(xué)具有非常重要的作用，因此演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂應(yīng)該向各高校推廣。清華大學(xué)以及北京工業(yè)大學(xué)等高校具有完備的演示實(shí)驗(yàn)樓和教學(xué)系統(tǒng)，在這方面他們已經(jīng)走在了很多高校的前面[1]。

二、波動(dòng)光學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科

波動(dòng)光學(xué)理論的研究加深了人們對(duì)光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)[2]。它對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)和應(yīng)用具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用，以干涉原理為基礎(chǔ)的干涉計(jì)量術(shù)為人們提供了精密測(cè)量和檢驗(yàn)的手段；而衍射理論則給出了提高光學(xué)儀器分辨本領(lǐng)的方法；衍射光柵可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜分辨和分離，這也推動(dòng)了光譜分析的發(fā)展；偏振理論可以用來(lái)對(duì)巖礦晶體進(jìn)行檢驗(yàn)和測(cè)量，也是目前比較熱門的3D電影使用的基本原理等。

所有這些光學(xué)理論的產(chǎn)生離不開光學(xué)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引發(fā)理論研究，而理論模型又要合理解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。因此，在教學(xué)過(guò)程中對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的引入和描述是非常重要的，它有助于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，有助于他們擺脫傳統(tǒng)的乏味的理論推導(dǎo)，積極參與思考和創(chuàng)造，也有助于讓學(xué)生從已知領(lǐng)域向未知領(lǐng)域過(guò)渡。學(xué)生只有理解理論建立和發(fā)展的過(guò)程，才能去解決在未知領(lǐng)域遇到的難題。

三、波動(dòng)光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂

《波動(dòng)光學(xué)》課程中引入演示實(shí)驗(yàn)，可以在一定程度上解決學(xué)生學(xué)習(xí)波動(dòng)光學(xué)興趣不濃厚、理論和實(shí)際脫節(jié)的問(wèn)題。楊廣武老師課題組發(fā)明的“便攜式波動(dòng)光學(xué)演示儀”，具有體積小、重量輕、方便攜帶、便于進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)等特點(diǎn)，在理論教學(xué)過(guò)程中收到了良好的效果。這套光學(xué)儀器套裝（實(shí)物圖如圖1所示）分別能完成以下演示實(shí)驗(yàn)：

1.雙縫（不同間距）和多縫（三縫、五縫）干涉。

2.固定縫寬的單縫衍射（四種不同寬度的單縫）。

3.不同直徑的單絲衍射（三種不同直徑鋼絲）。

4.縫寬連續(xù)可變可測(cè)的動(dòng)態(tài)單縫衍射。

5.小孔衍射（包括圓孔、矩孔、三角孔等）。

6.一維光柵衍射（三種不同光柵常數(shù)）。

7.正交光軸衍射（三種不同規(guī)格正交光柵）。

8.偏振（馬呂斯定律）。

此演示實(shí)驗(yàn)采用便攜式大功率激光器作為光源，完全適用在任何教室進(jìn)行課堂同步實(shí)驗(yàn)，既能定性演示，又能定量地驗(yàn)證相關(guān)物理規(guī)律，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)驗(yàn)的有效結(jié)合。光源有紅、綠兩種波長(zhǎng)同時(shí)工作，在課堂演示時(shí)同步進(jìn)行，可以對(duì)比不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。可調(diào)單縫配合能磁性吸附在黑板上的標(biāo)尺，可以動(dòng)態(tài)、定量地測(cè)量和驗(yàn)證相關(guān)的波動(dòng)光學(xué)理論規(guī)律[3]。

此演示實(shí)驗(yàn)儀包括《波動(dòng)光學(xué)》課程所涉及的干涉和衍射理論的基本實(shí)驗(yàn)。根據(jù)教學(xué)大綱，明確教學(xué)目標(biāo)，在課堂通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)引入光學(xué)現(xiàn)象，提出問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。課堂中帶著問(wèn)題去進(jìn)行課程基本知識(shí)和內(nèi)容的講解和公式的推導(dǎo)，最后將推導(dǎo)結(jié)果與演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果做比較，對(duì)比異同，讓學(xué)生來(lái)分析和總結(jié)原因，學(xué)生通過(guò)有針對(duì)性地學(xué)習(xí)，也明確了學(xué)生目標(biāo)，牢固掌握了基本概念，也提高了分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

四、存在的問(wèn)題

凡事都有兩面性，演示實(shí)驗(yàn)雖然是物理教學(xué)的重要組成部分，雖然對(duì)教學(xué)有幫助，但不合理或不規(guī)范地使用，也會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題。

1.教學(xué)目標(biāo)與過(guò)程匹配問(wèn)題。從演示實(shí)驗(yàn)的作用上來(lái)劃分，主要分為課前導(dǎo)入、獲取結(jié)論、原理應(yīng)用三種類型。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，一定要明確這堂課使用演示實(shí)驗(yàn)所要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)，所用的演示實(shí)驗(yàn)要用在哪個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，為了使學(xué)生獲取什么知識(shí)，是物理現(xiàn)象的引入，還是現(xiàn)象的定性解釋，抑或是原理的應(yīng)用？這些都要在課前搞清楚，否則在使用過(guò)程中，學(xué)生可能對(duì)概念或規(guī)律一知半解，最重要的結(jié)論也沒有學(xué)明白，最終白忙活一場(chǎng)。

演示實(shí)驗(yàn)儀一般結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、小巧、形象、真實(shí)、富有趣味性和啟發(fā)性，合理引入可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是如果老師使用不當(dāng)，不能與教學(xué)目標(biāo)結(jié)合起來(lái)，演示時(shí)過(guò)分重視演示實(shí)驗(yàn)的技巧性和觀賞性，而不去強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和操作的規(guī)范性，可能讓學(xué)生感覺只是好玩、有意思，但是沒有起到啟發(fā)學(xué)生、引入思考的作用，更不要提展示物理的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性了。學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度自然無(wú)法端正，學(xué)習(xí)習(xí)慣也無(wú)法形成。

2.教師操作規(guī)范與安全問(wèn)題。教師要加強(qiáng)學(xué)習(xí)和提高自身科學(xué)素養(yǎng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的使用和維護(hù)要符合規(guī)范，常用儀器的使用方法要明確[4]，比如光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的各種鏡片、激光光源、電源的使用一定要按照使用說(shuō)明書規(guī)范操作，養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣，這對(duì)于教師自身和學(xué)生的安全也是有好處的。

3.占用課堂時(shí)間比例問(wèn)題。普通的課堂教學(xué)的課時(shí)基本都是固定的，教師根據(jù)教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容完成教學(xué)任務(wù)。演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂必定會(huì)占用一定的課堂時(shí)間，這就需要合理把握課堂時(shí)間，教學(xué)內(nèi)容也要詳略得當(dāng)，對(duì)于比較簡(jiǎn)單的內(nèi)容不需要教師反復(fù)強(qiáng)調(diào)，學(xué)生認(rèn)為很容易的知識(shí)概念可以略講，而與重點(diǎn)、難點(diǎn)以及與演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)的內(nèi)容要詳講，只有課堂有松有緊、有詳有略，才能給實(shí)驗(yàn)騰出時(shí)間。另外，演示時(shí)間也要控制好，不能因?yàn)閷?shí)驗(yàn)很有趣，感興趣的同學(xué)比較多，而耽誤太多時(shí)間影響教學(xué)進(jìn)度。

五、結(jié)束語(yǔ)

“千萬(wàn)萬(wàn)語(yǔ)說(shuō)不清，一看實(shí)驗(yàn)就分明。”演示實(shí)驗(yàn)是教師在理論教學(xué)過(guò)程中為學(xué)生展示物理現(xiàn)象、引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察、利用理論教學(xué)所學(xué)原理對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行定性或定量分析、幫助他們解決類似或更加復(fù)雜的問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可以使學(xué)生更好地理解和掌握物理規(guī)律或原理，從而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題以及解決問(wèn)題的能力。但是要想在平時(shí)課堂上利用好演示實(shí)驗(yàn)，需要注意很多問(wèn)題，比如課時(shí)安排、時(shí)間分配、操作安全等。因此，合理設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)也是非常重要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇欣紡.普通物理演示實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[2]趙凱華，鐘錫華.光學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1982.

[3]楊廣武，李穎，朱飛，等.便攜式雙波長(zhǎng)同步對(duì)比波動(dòng)光學(xué)課堂演示的實(shí)現(xiàn)[J].物理與工程，2016，（s1）：88-93.

[4]李洋洋，朱延楓，王春霞，等.電工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全問(wèn)題與防范[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2015，18（1）：206-208.