關(guān)于“光的偏振”教學(xué)的一些嘗試

劉志國(guó) 黃喜強(qiáng) 張伶莉 曹永印 王慶東 王曉鷗 張 宇 趙 遠(yuǎn)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

教育的目標(biāo)是“授之以漁”，而非“授之以魚(yú)”，也就是說(shuō)，育人是教育的最終目的。在教育過(guò)程中，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教育目標(biāo)的達(dá)成，離不開(kāi)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)。因此，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生能夠主動(dòng)地學(xué)習(xí)，在課堂教學(xué)中至關(guān)重要，在高等教育中更是如此。

我校的大學(xué)物理課程是在本科一年級(jí)的春季學(xué)期和二年級(jí)的秋季學(xué)期講授的。經(jīng)過(guò)高考前的緊張復(fù)習(xí)和磨練，加上高考后漫長(zhǎng)的暑假，一部分學(xué)生在學(xué)習(xí)上比較懶散，甚至出現(xiàn)厭學(xué)情緒，在課堂上不夠?qū)Ｐ?，教學(xué)效果也不盡人意。如何改變這種狀況，讓這部分學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中能夠積極主動(dòng)，已成為大學(xué)物理課教師的任務(wù)之一。與此同時(shí)，提升課堂教學(xué)的效果，讓學(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，也是任課教師需要重點(diǎn)考慮的事情。

大學(xué)物理課程中光學(xué)部分的內(nèi)容，主要是由波動(dòng)光學(xué)構(gòu)成的，只有少量幾何光學(xué)的知識(shí)。從高中的幾何光學(xué)為主一下跳躍到波動(dòng)光學(xué)為主的情況，學(xué)生需要一段時(shí)間適應(yīng)。而“光的偏振”一章，概念又比較多，如自然光、圓偏振光、偏振片、布儒斯特角、晶體的雙折射、偏振光干涉、旋光等；對(duì)于有些概念和問(wèn)題，學(xué)生理解起來(lái)比較困難，如尋常光、非尋常光、惠更斯作圖法等。這些情況使“光的偏振”成為教學(xué)中的難點(diǎn)，如果不認(rèn)真對(duì)待，教學(xué)效果必然受到影響[1]。

2018年秋季學(xué)期，針對(duì)“光的偏振”一章，我們對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)和嘗試，目的是提升學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，讓復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單、直觀化，從而達(dá)到提升教學(xué)效果的目的。

1 指導(dǎo)思想

錢(qián)學(xué)森[2]曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，自然科學(xué)中最基礎(chǔ)的學(xué)問(wèn)有兩門(mén)，一門(mén)是物理，是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的學(xué)問(wèn)；另一門(mén)是數(shù)學(xué)，是指導(dǎo)我們推理、演算的學(xué)問(wèn)。 應(yīng)用科學(xué)(工程技術(shù))利用基礎(chǔ)科學(xué)來(lái)解決生產(chǎn)實(shí)踐中的問(wèn)題。因此，對(duì)工科院校的學(xué)生來(lái)說(shuō)，扎實(shí)地掌握物理知識(shí)對(duì)從事進(jìn)一步研究工作是非常重要的。

讓學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)，首先要激發(fā)學(xué)生的興趣，讓他們對(duì)后續(xù)的講解充滿期待。怎樣才能做到這一點(diǎn)呢？我們知道，物理來(lái)源于生活，是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，因此演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理教學(xué)中起到了重要的作用[3]。讓演示實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生良好的效果，甚至超過(guò)預(yù)期，是保證教學(xué)效果的關(guān)鍵。

既然物理來(lái)源于生活，那么物理知識(shí)應(yīng)該能夠解釋生活中的各種現(xiàn)象。所以，物理理論知識(shí)的講解應(yīng)緊密結(jié)合演示實(shí)驗(yàn)，并能夠說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中各種現(xiàn)象的緣由，讓學(xué)生感到物理知識(shí)并不是抽象和枯燥的，而是實(shí)實(shí)在在的，能夠感受得到的。否則，就不是成功的授課。

學(xué)習(xí)物理知識(shí)的目的是為了將其應(yīng)用到各行各業(yè)。介紹相關(guān)物理知識(shí)的應(yīng)用應(yīng)該成為課堂教學(xué)的一部分，對(duì)于工科院校的學(xué)生，尤其重要[4]。在課堂上適當(dāng)介紹一點(diǎn)兒知識(shí)的簡(jiǎn)單應(yīng)用，或者一些儀器的基本原理，可大大地提升學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的深入理解。如果能夠講解物理知識(shí)在最新科學(xué)研究成果中的應(yīng)用，對(duì)于學(xué)生的觸動(dòng)是相當(dāng)驚人的。

總之，指導(dǎo)思想可以概括為：以演示實(shí)驗(yàn)為主線講解物理知識(shí)；以實(shí)際應(yīng)用來(lái)加深物理知識(shí)的理解。

2 實(shí)施方案

在“光的偏振”部分，演示實(shí)驗(yàn)比較豐富，為物理教學(xué)提供了大量的教學(xué)輔助材料。在具體的課堂教學(xué)過(guò)程中，我們盡量做到使知識(shí)講解和演示實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合，充分發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)的作用，以提升教學(xué)效果。

2.1 問(wèn)題的引入

物理教學(xué)中，怎樣引入教學(xué)內(nèi)容，需要精心設(shè)計(jì)。最終目的是讓學(xué)生集中注意力，用心聽(tīng)講。利用物理現(xiàn)象引入物理問(wèn)題是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，關(guān)鍵是在課堂的一開(kāi)始就能引起學(xué)生的興趣，并能引發(fā)他們的思考以及對(duì)接下來(lái)教學(xué)內(nèi)容的期待。因此，在選擇演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們選擇那些盡量接近生活，并能讓人感到出乎意料的例子，如果例子能讓人感到震撼，那么效果就更好了。因此，我們的課堂教學(xué)是從演示實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的，并且按知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行單元式教學(xué)。以下是我們教學(xué)過(guò)程的一些具體例子。

圖1 演示實(shí)驗(yàn)“穿墻而過(guò)”

例1在講解“起偏和檢偏”部分內(nèi)容時(shí)，我們用到了圖1所示的演示儀器，稱為“穿墻而過(guò)”。其結(jié)構(gòu)是兩片透振方向垂直的偏振片，卷起來(lái)放進(jìn)透明的圓筒內(nèi)，各占一半空間，在交界的地方，由于光線經(jīng)過(guò)兩張偏振片后發(fā)生了消光，讓人感覺(jué)到中間部分有一塊“擋板”。當(dāng)使圓筒中的網(wǎng)球從一側(cè)滾到另一側(cè)時(shí)，網(wǎng)球穿過(guò)了“擋板”！

當(dāng)學(xué)生看到這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，無(wú)不感到驚訝，有的學(xué)生甚至想到近前仔細(xì)看看是怎么回事。這樣，學(xué)生的注意力一下子就被吸引過(guò)來(lái)，好奇心也被調(diào)動(dòng)起來(lái)，對(duì)后面的講解也更加感興趣了。

例2在“反射和折射起偏”部分，如果只是按部就班地進(jìn)行理論講解，大部分學(xué)生會(huì)覺(jué)得不易接受，而且覺(jué)得枯燥。我們采用了與教學(xué)密切相關(guān)的演示，即讓學(xué)生從反光比較強(qiáng)烈的地方來(lái)看黑板上的字跡，他們會(huì)反映看不清。這時(shí)，我們遞給他們一片偏振片，調(diào)整好角度。當(dāng)透過(guò)偏振片能看清黑板上字跡的時(shí)候，他們都發(fā)出了驚嘆，其內(nèi)心的觸動(dòng)是顯然的。對(duì)于那些坐在黑板正面的學(xué)生，讓他們觀察地面上日光燈的反光，如圖2所示。調(diào)整好偏振片的角度以后，反光被濾掉！與單純的理論講解相比較，利用演示實(shí)驗(yàn)、用比較實(shí)用的方式來(lái)說(shuō)明反射光是部分偏振光，往往使學(xué)生印象深刻，不易忘記。

圖2 利用偏振片觀察地面反光(a) 地面反射光； (b) 反射光通過(guò)偏振片； (c) 偏振片轉(zhuǎn)過(guò)90°

例3在講解“晶體的雙折射”一節(jié)時(shí)，“非尋常光”的概念非常難以理解，單單通過(guò)講授是不易達(dá)到教學(xué)效果的。我們?cè)谥v授這部分內(nèi)容時(shí)，先讓學(xué)生在紙上畫(huà)一個(gè)點(diǎn)，然后讓他們閉上眼睛，將方解石蓋到黑點(diǎn)上。當(dāng)他們睜開(kāi)眼睛時(shí)，看到了兩個(gè)黑點(diǎn)！不少學(xué)生有點(diǎn)不相信，還特意把方解石移開(kāi)，看到底是幾個(gè)點(diǎn)。

圖3 方解石的雙折射(a) 雙折射現(xiàn)象； (b)(c) 轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片，兩個(gè)像交替出現(xiàn)

接著，讓學(xué)生透過(guò)偏振片來(lái)觀察這兩個(gè)點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片時(shí)，可以看到兩個(gè)黑點(diǎn)交替出現(xiàn)。也就是說(shuō)，兩束光都是偏振光！而且，兩個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)偏振片的透振方向成90°角，說(shuō)明這兩束光的偏振互相垂直。圖3給出了相應(yīng)的照片。這個(gè)實(shí)驗(yàn)做完，課堂氣氛馬上活躍起來(lái)。

從我們的教學(xué)效果來(lái)看，從演示實(shí)驗(yàn)開(kāi)頭，以物理現(xiàn)象引入教學(xué)內(nèi)容，更容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。在好奇心的驅(qū)使下，學(xué)生往往能在課堂中表現(xiàn)得更為積極，物理知識(shí)的傳授也就變得輕松了。

2.2 知識(shí)的講解

在前面的演示實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)把學(xué)生的積極性調(diào)動(dòng)起來(lái)。接下來(lái)要做的就是相關(guān)知識(shí)的講解。物理理論的講解要緊密?chē)@實(shí)驗(yàn)中看到的現(xiàn)象，始終讓學(xué)生處于同一問(wèn)題的思路中，注意力也一直處于集中狀態(tài)。講解中使用簡(jiǎn)短的語(yǔ)言和公式，盡量做到通俗易懂。

例如，在例1的演示實(shí)驗(yàn)完成后，先講授自然光和偏振光的區(qū)別，然后介紹從自然光中獲得線偏振光的方法，在此基礎(chǔ)上再講授其他種類(lèi)的偏振光和偏振光的檢驗(yàn)方法。當(dāng)光線連續(xù)通過(guò)兩塊偏振片時(shí)，透射光的強(qiáng)度與兩個(gè)偏振片之間夾角余弦的平方成正比，即馬呂斯定律。這樣，“起偏和檢偏”部分的內(nèi)容就完成了。

對(duì)于“反射和折射起偏”部分，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知自然光反射后變成部分偏振光，接下來(lái)說(shuō)明這是光的橫波性引起的，即光矢量的振動(dòng)方向只能垂直于光的傳播方向。隨著入射角的改變，反射光的兩種偏振比例將發(fā)生改變，到特定角度，反射光中只含有垂直入射面的振動(dòng)，成為完全線偏振光，這就是布儒斯特定律。再進(jìn)一步，講解折射光的偏振狀態(tài)，并介紹從折射光中獲得線偏振光的方法。

“晶體雙折射”部分的理論，從“尋常光”和“非尋常光”講起，接著介紹晶體的光軸(兩種光線不分開(kāi))，再介紹兩束光的偏振狀態(tài)。通過(guò)光矢量與光軸的方位關(guān)系，說(shuō)明雙折射的起源，即晶體中非尋常光的光速隨偏振方向與光軸的夾角而改變。利用兩束光在晶體中的速度可以做出它們的波面，并由此引出惠更斯作圖法。

這種講解方式的優(yōu)點(diǎn)是與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象聯(lián)系緊密，講解過(guò)程比較連貫，概念、公式和定律引出自然，學(xué)生接受起來(lái)比較容易。

2.3 理論和實(shí)驗(yàn)的對(duì)照

物理知識(shí)講解完成后，再做一次演示實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并用相關(guān)物理知識(shí)來(lái)進(jìn)行解釋。解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)要言簡(jiǎn)意賅，讓學(xué)生有一種恍然大悟的感覺(jué)。

例如，對(duì)于“穿墻而過(guò)”實(shí)驗(yàn)，需要介紹實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)，說(shuō)明中間的那個(gè)“隔板”其實(shí)并不存在(可以讓學(xué)生仔細(xì)觀察儀器)，而是透振方向相互垂直的兩個(gè)偏振片造成的視覺(jué)效果，即第一個(gè)偏振片實(shí)現(xiàn)了自然光的起偏，而第二個(gè)偏振片造成了消光，所以網(wǎng)球的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有受到任何阻礙。

對(duì)于例2中的反射光，先和學(xué)生判斷入射面的方向。由于反射光中垂直于入射面的振動(dòng)分量比較多，可以轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片的方向，讓這個(gè)分量消光，反射光的強(qiáng)度就會(huì)大幅度降低，黑板或者地面上的相應(yīng)位置就會(huì)看清楚。

方解石是晶體，是各向異性材料。兩種方向偏振的光在晶體中傳播速度不同，由惠更斯作圖法可知，其傳播方向不一樣，這就是雙折射現(xiàn)象，紙上的點(diǎn)也因此產(chǎn)生了兩個(gè)像。兩束光的偏振方向垂直，因此利用偏振片檢偏時(shí)均有消光現(xiàn)象，且透振方向成90°角。

至此，通過(guò)兩次給學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)，不僅加深了學(xué)生的印象，理論和實(shí)驗(yàn)之間也實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一；理論知識(shí)很好地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生心里的疑問(wèn)也因此得到解決。

2.4 展示實(shí)驗(yàn)變化，加深理論理解

將前述物理規(guī)律進(jìn)行拓展，也就是改變相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，就可以觀察到不同的物理現(xiàn)象，這有助于深入地理解物理知識(shí)。

例如，講解了“起偏和檢偏”內(nèi)容之后，可以問(wèn)學(xué)生一個(gè)問(wèn)題：透過(guò)兩個(gè)透振方向相互垂直的偏振片觀察，眼前一片漆黑，看不到任何光線，如果在兩者之間插入第三個(gè)偏振片，透振方向不同于這兩片，將發(fā)生什么現(xiàn)象？在學(xué)生回答之后，利用實(shí)驗(yàn)說(shuō)明加入第三個(gè)偏振片后就可以透光，再利用馬呂斯定律進(jìn)行解釋。經(jīng)過(guò)這樣的過(guò)程后，學(xué)生對(duì)馬呂斯定律就會(huì)更加熟悉。

如果入射光的偏振方向處于入射面內(nèi)，并且入射角等于布儒斯特角，反射光線將是怎樣的？這樣的問(wèn)題對(duì)于理解布儒斯特定律是很有幫助的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生知道，這個(gè)時(shí)候只有折射光線，反射光線將消失。

光線通過(guò)方解石后分為兩束，那一束是非尋常光？變換入射光的方向，兩條折射光線將如何變化？第一個(gè)問(wèn)題可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)方解石來(lái)判斷，因?yàn)榉浇馐苯咏佑|紙面，因此入射角為90°，尋常光的折射光線始終垂直于晶體表面，不改變方向，而非尋常光將繞著尋常光旋轉(zhuǎn)。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，可通過(guò)惠更斯作圖法給出，也可通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在光軸方向和垂直光軸方向，兩束光不分開(kāi)，隨著對(duì)這兩個(gè)方向的偏離，兩束光將逐漸分開(kāi)。如果這些問(wèn)題能弄清楚了，在實(shí)驗(yàn)中也觀察到現(xiàn)象了，那么對(duì)雙折射的理解也就透徹了。

2.5 介紹知識(shí)的應(yīng)用

“學(xué)以致用”是學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的最終目的。物理知識(shí)在生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用。一些科學(xué)儀器的基本原理往往非常簡(jiǎn)單，就是利用了課堂中講到的物理規(guī)律。在教學(xué)中給學(xué)生介紹這樣的應(yīng)用，對(duì)于啟發(fā)學(xué)生的思考，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神無(wú)疑是重要的。在以往的教學(xué)中，這部分的比例并不大。這次嘗試，我們大幅提高了知識(shí)應(yīng)用部分所占的比例，以拉近物理知識(shí)和實(shí)際之間的距離。以下是課堂中講解的一些例子。

晚上汽車(chē)在沒(méi)有路燈的路上行駛，打開(kāi)遠(yuǎn)光燈是必要的，因?yàn)檫@可以讓司機(jī)的視野更開(kāi)闊。但是，路對(duì)面來(lái)車(chē)的司機(jī)會(huì)感到炫目，容易引發(fā)交通事故。解決的辦法就是在汽車(chē)的照明燈和風(fēng)擋玻璃前面加裝一個(gè)和地面成45°角的偏振片，當(dāng)對(duì)向來(lái)車(chē)時(shí)，兩車(chē)的透振方向垂直，燈光互不影響。

根據(jù)反射光線和反射面可判斷入射面的方向，由布儒斯特定律可知反射光偏振的優(yōu)勢(shì)方向。在相機(jī)前面加裝一個(gè)偏振片，就能減小反射光的影響，這是高品質(zhì)攝影中經(jīng)常使用的方法。又如，在激光器內(nèi)部加兩片法線方向和光線成布儒斯特角的光學(xué)玻璃，出射的激光就是線偏振光，因?yàn)樵谥C振腔里經(jīng)過(guò)多次反射后，激光垂直光學(xué)玻璃入射面的偏振已經(jīng)沒(méi)有了，只有平行入射面的偏振。

將雙折射晶體切成表面平行于光軸的薄片，可制成波片。它利用尋常光和非尋常光傳播速度的不同，造成兩束光之間的相位差。若相位差為90°，稱為1/4波片，若為180°，則稱為1/2波片。因?yàn)檫@種情況下兩束光的偏振方向垂直，所以1/4波片的作用是使線偏振光變成圓偏振光，或者使圓偏振光變成線偏振光；而1/2波片的作用是使線偏振光的偏振轉(zhuǎn)過(guò)一定角度。

這些應(yīng)用的原理很簡(jiǎn)單，用到的物理知識(shí)也不復(fù)雜，學(xué)生理解起來(lái)并不困難。在講授大學(xué)物理時(shí)加入這些內(nèi)容，對(duì)開(kāi)拓學(xué)生視野、知識(shí)的活學(xué)活用會(huì)起到積極的促進(jìn)作用。

3 學(xué)生反饋

經(jīng)過(guò)這學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生對(duì)這種教學(xué)模式是認(rèn)可的。這種重視演示實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用的教學(xué)模式還是有非常好的前景的。以下摘錄了部分學(xué)生對(duì)這種課堂教學(xué)模式的反饋。

“……有趣至極。有時(shí)候真不知道他們是怎么設(shè)計(jì)出這樣那樣的實(shí)驗(yàn)的，其中許多點(diǎn)子都是我考慮不到的，這也可以開(kāi)拓我的思路……”；

“……效果蠻好的。因?yàn)檎故緯r(shí)，頭不暈了，眼皮不打架了，手機(jī)也不玩了呢。大家都全神貫注地參與到實(shí)驗(yàn)中……”；

“……課前課中都有展示，課前激起學(xué)生興趣和探知欲，在課中通過(guò)物理理論的講解指導(dǎo)學(xué)生逐步理解物理現(xiàn)象的本質(zhì)原因。在課中也有展示，可以加深學(xué)生印象……”；

“……相對(duì)來(lái)說(shuō)新的物理過(guò)程能夠更全面地展示所學(xué)的內(nèi)容。兩次演示能加深我們對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握……”；

“……新的物理過(guò)程展示，給我們講的時(shí)候更有脈絡(luò)，邏輯更清晰易懂，而且確實(shí)更能激發(fā)我們的興趣。因?yàn)樵诹私猬F(xiàn)象之后，我們會(huì)更渴望知道為什么是這樣的，原理是怎樣的，而不是像以前那樣……”；

“……新的物理過(guò)程展示更好，在講解理論之前先展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，能激發(fā)我們對(duì)問(wèn)題的探索……，我認(rèn)為新的展示更能引發(fā)我們對(duì)問(wèn)題的思考。

……可以讓我們感到物理現(xiàn)象好奇妙，使我們更專注地投入到課堂……”；

“……展示效果較好，能夠吸引注意力……”；

“……新的物理過(guò)程展示可以讓大家一起看現(xiàn)象，通過(guò)觀看實(shí)驗(yàn)?zāi)芨械厝W(xué)習(xí)，在很大程度上減小了課堂分神……”。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的課堂教學(xué)，大學(xué)物理課程中“光的偏振部分”內(nèi)容已經(jīng)講授完畢。根據(jù)學(xué)生的反饋情況來(lái)看，教學(xué)效果還是很好的。教學(xué)回歸了“物理是實(shí)驗(yàn)科學(xué)”這一根本，使抽象、枯燥的書(shū)本知識(shí)與實(shí)際聯(lián)系了起來(lái)，學(xué)生對(duì)物理也產(chǎn)生了“面對(duì)面”的了解。新的教學(xué)方式使學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)更加牢固，思維更加活躍，視野也得到了拓展。