信息技術(shù)融合幾何光學實驗器

鄭健

光學實驗是中學物理實驗教學的重點內(nèi)容，從初中的鏡面反射、透鏡等到高中的折射定律、全反射，教學中需要通過一系列演示和分組實驗才能滿足學生的認知建構(gòu)規(guī)律。但是，演示器材不足、光路不易控制調(diào)整、可視性不高、維護不便等問題一直困擾著中學物理教師。本人經(jīng)過近2年教學實踐的多次改進，嘗試融合機械自動控制技術(shù)、移動終端信息技術(shù)進行突破創(chuàng)新，設(shè)計制作了可用于中學階段幾何光學所有定性現(xiàn)象和定量測量的全功能實驗器（圖1）。

設(shè)計原理

配套光學組件

根據(jù)中學物理課程標準要求，從8年級物理到高二年級選修3-4，教學中需要通過實驗探究獲得的光學規(guī)律知識包括鏡面反射、漫反射、反射定律、凹面鏡、凸面鏡、凹透鏡、凸透鏡、潛望鏡、折射現(xiàn)象、折射定律、折射率、全反射、臨界角、光纖原理、彩虹原理等。將這些光學規(guī)律的探究實驗整合在一套光學實驗系統(tǒng)中，只要設(shè)計統(tǒng)一的可控激光光源入射、在磁吸背板上更換不同的配套光學組件，就可以進行各種光學現(xiàn)象的演示與探究。光學組件可以自制，有利于初高中連貫的光學體系實驗教學。

一體化霧化系統(tǒng)顯示光路

原本用于加濕、造景、藥劑霧化的霧化器由霧化片及驅(qū)動電路組成。驅(qū)動電路產(chǎn)生100kHz的超聲波高頻振蕩，霧化片采用壓電陶瓷材質(zhì)，把周圍的水打散，從幾微米的細小孔徑噴出，形成水霧。通過風扇將霧氣定向引導，可以用來顯示激光光路。霧化系統(tǒng)包括1個貯水箱、2個霧化器和1個引導風扇，在風扇對面開孔即可將霧氣釋放向光路系統(tǒng)。

光路系統(tǒng)由1個豎立的帶平面坐標和角度的圓形鋼板及支架組成。在鋼板上的坐標原點處可吸附不同的光學組件。圓形鋼板的后方是由電機控制的平行激光源，它可以沿著圓形鋼板的邊緣，始終指向鋼板圓心，在豎直平面內(nèi)進行360°旋轉(zhuǎn)，其產(chǎn)生的激光光路將在霧氣中顯示出來。

電機遙控控制平行激光源

平行激光源由3個50mW紅色激光模塊并聯(lián)組成，各設(shè)置開關(guān)通斷選擇入射激光條數(shù)。激光源設(shè)置在以鋼板中心為圓心的刻度面板邊緣上，后側(cè)由配套2.4G遙控驅(qū)動的控制面板帶動直流減速電機工作，從而能夠十分便捷準確地用遙控器控制平行光源入射的方向和角度。

信息技術(shù)融合觀察與測量

通過移動終端和無線互聯(lián)技術(shù)的應用融合，演示的光學實驗現(xiàn)象可全程同時分享在互動屏幕上，便于觀察。移動終端和無線互聯(lián)技術(shù)支持學生分組實驗用不同折射率的介質(zhì)進行探究，APP所支持的數(shù)據(jù)分析和圖線擬合功能提高了科學探究的便捷性、趣味性。

實驗演示

放入鏡面和漫反射面光學組件，用單束光或平行光入射，即可清晰觀察到2種反射現(xiàn)象。光學組件的正反兩面分別是鏡面和漫反射面，翻轉(zhuǎn)即可改變光路結(jié)果，磁吸在背板上很容易調(diào)節(jié)（圖2和圖3）。放入凹面鏡和凸面鏡光學組件，用平行光入射，即可清晰觀察到會聚與發(fā)散現(xiàn)象。光學組件的正反兩面分別是凹面和凸面，翻轉(zhuǎn)即可改變光路結(jié)果（圖4和圖5）。其他例如凹透鏡與凸透鏡現(xiàn)象見圖6和圖7，潛望鏡和全反射三棱鏡現(xiàn)象見圖8和圖9。另外，實驗器還可以定量測量反射與折射定律。

創(chuàng)新點

◇自頂部向下的定向水霧化系統(tǒng)，覆蓋實驗視野的開放立體空間，借助水霧漫反射直接顯示和觀察光路。

◇使用磁吸光學元件、自制平行激光源，2.4G遙控驅(qū)動帶動直流減速電機工作，機械控制激光360°入射方向，實驗過程便捷準確。

◇信息技術(shù)深度融合，通過iPad和無線互聯(lián)技術(shù)的應用，演示的光學實驗現(xiàn)象可全程實時分享在教室的屏幕上，讓班級坐在各個位置的學生都能以正視視角觀察。

◇APP可攝錄采集入射角、反射角、折射角數(shù)據(jù)，并進行圖像分析。支持學生分組實驗用不同折射率的介質(zhì)進行探究，具有數(shù)據(jù)分析和圖線擬合功能。

◇能將中高考中出現(xiàn)的各種幾何光學問題進行真實實驗探究，輔助初高中教學。

總結(jié)

中學階段的絕大部分光學實驗都能通過本實驗器演示，在定量測量、數(shù)據(jù)處理方面能較好地完成高中所需的實驗功能，實驗誤差較小。今后可進一步完善APP的采集和處理功能，將之應用到學生自主探究實驗中;還可制作各種形狀的光學介質(zhì)，用實驗還原試題中的理論光路圖。

該項目獲得第33屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

該項目設(shè)計制作了可用于中學階段幾何光學所有定性現(xiàn)象和光的折射等定量測量的全功能實驗器。項目原理科學、概念清晰.構(gòu)思巧妙、設(shè)計合理，作品實用性強。項目選題新穎，具有實質(zhì)性創(chuàng)新，對傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值。希望項目在工藝方面作出改進和提升。