物理實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生從原理到儀器的思維*
——以衍射光柵實(shí)驗(yàn)為例

呂昭月 李明達(dá) 謝湘華

(華東理工大學(xué)理學(xué)院 上海 200237)

新時(shí)代背景下，對(duì)人才培養(yǎng)提出了新的要求，不僅是傳授知識(shí)，更為重要的是培養(yǎng)能力，為此，高等教育工作者不斷探索和實(shí)踐如何培養(yǎng)新時(shí)代人才.物理實(shí)驗(yàn)是理工科基礎(chǔ)必修課，是知識(shí)到能力的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的絕佳課堂，在工程教育中具有不可替代的地位和作用.如何開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)使之更好地匹配新時(shí)代人才培養(yǎng)體系是廣大物理教師必須深入思考的問(wèn)題[1,2].

新時(shí)代新工科更注重學(xué)生思維和能力的培養(yǎng)，使學(xué)生在未來(lái)工程設(shè)計(jì)、研發(fā)、制作等工程實(shí)踐中能夠運(yùn)用恰當(dāng)?shù)乃季S解決實(shí)際問(wèn)題，如系統(tǒng)性、創(chuàng)新性、儀器制造等思維和能力.基于此，本文以衍射光柵實(shí)驗(yàn)為例，調(diào)整教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)適應(yīng)新時(shí)代新工科人才培養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，形成“基本原理→基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)→儀器制造→儀器應(yīng)用”模塊化閉環(huán)教學(xué)理念導(dǎo)圖如圖1所示，探索物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生系統(tǒng)性思維、儀器制造思維的培養(yǎng).

圖1 閉環(huán)知識(shí)體系教學(xué)理念導(dǎo)圖

現(xiàn)行的大部分物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，衍射光柵實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：衍射光柵置于分光計(jì)上，正入射條件下測(cè)定光柵常數(shù)和汞燈譜線(紫光、2條黃光)的波長(zhǎng)[3～5].通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)光柵分光性能具有直觀的認(rèn)識(shí)、對(duì)光柵衍射原理的理解更加深入，但對(duì)光柵在光譜儀中的應(yīng)用知之尚淺，光譜儀的構(gòu)造及應(yīng)用未涉及，知識(shí)體系尚未完整，能力培養(yǎng)不完善.雖然部分學(xué)?；?qū)I(yè)開(kāi)設(shè)了光譜儀相關(guān)實(shí)驗(yàn)，但衍射光柵實(shí)驗(yàn)較為分散，教學(xué)效果不佳，人才培養(yǎng)質(zhì)量尚可提升.換句話說(shuō)，目前的衍射光柵實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生系統(tǒng)性思維、儀器制造思維的培養(yǎng)尚有欠缺，增加光譜儀及其應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可解決上述問(wèn)題.

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與安排建議

衍射光柵實(shí)驗(yàn)?zāi)K化閉環(huán)教學(xué)體系包含兩個(gè)方面的教學(xué)內(nèi)容：其一，常規(guī)的衍射光柵實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分光計(jì)測(cè)量衍射角計(jì)算汞燈波長(zhǎng)(紫、綠、黃共4條譜線)，這部分內(nèi)容培養(yǎng)學(xué)生從原理到基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的思維能力；其二，光柵光譜儀測(cè)光源(顯示屏、手機(jī)閃光燈、發(fā)光二極管、汞燈等均可)的光譜，這部分內(nèi)容培養(yǎng)學(xué)生從元件到儀器的制造思維和能力，若學(xué)時(shí)允許(如物理類相關(guān)專業(yè))，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)各安排2～3學(xué)時(shí)，如表1所示.

表1 衍射光柵實(shí)驗(yàn)?zāi)K化閉環(huán)教學(xué)內(nèi)容

考慮很多高?；?qū)I(yè)的物理實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)也可合二為一，衍射光柵實(shí)驗(yàn)中測(cè)3條譜線的波長(zhǎng)是重復(fù)性能力要求，刪減為測(cè)2條，剩余一刻鐘左右的課時(shí)用于光柵光譜儀的教學(xué)，要求學(xué)生采集自己手機(jī)顯示屏的光譜.集成化光柵光譜儀采集數(shù)據(jù)，高效快捷、操作簡(jiǎn)便，三兩分鐘即可完成一次光譜采集，智能化操作、學(xué)生出錯(cuò)率低，因此一刻鐘可完成教學(xué)任務(wù).合二為一的教學(xué)形式，加“料”不加時(shí)，有限課時(shí)內(nèi)完成更高層次的培養(yǎng)目標(biāo)，增強(qiáng)學(xué)生課堂獲得感.同時(shí)，鑒于光譜儀采集數(shù)據(jù)高效快捷，無(wú)需人均一套，課堂內(nèi)學(xué)生們交替使用即可，20人的課堂2～3套足以.

針對(duì)合二為一的教學(xué)形式，光譜儀實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)如下：從光柵元件到光譜儀的思維啟發(fā)、光譜儀的應(yīng)用——解析手機(jī)顯示屏色域.

2 從光柵元件到光譜儀的思維啟發(fā)

光譜儀是采集待測(cè)樣品對(duì)光源的吸收、反射、透射或發(fā)射熒光等光譜數(shù)據(jù)的儀器.對(duì)樣品光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以定性或定量地獲得樣品的結(jié)構(gòu)、成分、光學(xué)性能等信息，在環(huán)境、食品、醫(yī)藥、材料、生物、化學(xué)、物理等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[6～8].

衍射光柵實(shí)驗(yàn)如何過(guò)渡到光譜儀？衍射光柵實(shí)驗(yàn)中，平行光管產(chǎn)生的平行光經(jīng)光柵衍射后分光，保持光源和光柵不動(dòng)，移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡和人眼測(cè)量對(duì)應(yīng)譜線的衍射角，可計(jì)算其波長(zhǎng)，波長(zhǎng)與衍射角一一對(duì)應(yīng).光譜儀所測(cè)光譜數(shù)據(jù)是光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的變化情況，即測(cè)量不同波長(zhǎng)處的光強(qiáng)，光強(qiáng)的數(shù)值測(cè)量通過(guò)光電探測(cè)器很容易實(shí)現(xiàn).因此，制造光譜儀時(shí)需用光電探測(cè)器替換衍射光柵實(shí)驗(yàn)中的望遠(yuǎn)鏡和人眼，依據(jù)衍射光柵的原理，光源和光柵不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)探測(cè)器逐波長(zhǎng)掃描，即可輕松實(shí)現(xiàn)光譜的測(cè)量.從光柵到光譜儀的設(shè)計(jì)和制造真如此簡(jiǎn)單？

圖2所示是光柵和簡(jiǎn)易光電探測(cè)器(探測(cè)面積2 mm×2 mm)的實(shí)物圖，探測(cè)器比光柵笨重，儀器設(shè)計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)探測(cè)器簡(jiǎn)單粗暴，不是好的設(shè)計(jì)方案，轉(zhuǎn)動(dòng)輕便靈活的光柵是更優(yōu)的選擇.注意，轉(zhuǎn)動(dòng)光柵后，光源不再正入射光柵平面，其光柵方程為

(a)衍射光柵

d(sinφk±sinθ)=kλ

(1)

其中：d為光柵常數(shù)；φk是k級(jí)衍射角；θ為入射角，入射光與衍射光同側(cè)時(shí)取“+”，異側(cè)取“-”，正入射時(shí)θ=0；k為衍射級(jí)次，光譜測(cè)量時(shí)常取一級(jí)衍射；λ是入射光波長(zhǎng).

光柵衍射光經(jīng)透鏡匯聚后，在空間不同位置產(chǎn)生單一波長(zhǎng)的光，光柵也稱為單色儀.綜合分析可知，光譜儀基本組成應(yīng)包含：光源、單色儀、探測(cè)器、控制單色儀轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電路和計(jì)算機(jī)軟件控制系統(tǒng)(如圖3所示)，這也是現(xiàn)行光柵光譜儀(如WGS-8光柵光譜儀、PE LS-55熒光光譜儀、Lambda 950紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì))的重要組成.

圖3 光譜儀的基本組成

除了轉(zhuǎn)動(dòng)光柵，光譜儀的設(shè)計(jì)是否有別的方案？若光源、光柵、探測(cè)器均保持不動(dòng)，如何測(cè)量光譜？前面提到，不同波長(zhǎng)的光經(jīng)光柵衍射后，通過(guò)透鏡匯聚于空間不同位置，如果在相應(yīng)空間位置均放置探測(cè)器也可實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)量，形成陣列探測(cè)器光譜儀，簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)如圖4所示，Konica Minolta CS2000分光光度計(jì)核心組成正是如此.陣列探測(cè)器光譜儀無(wú)需逐波長(zhǎng)掃描，數(shù)據(jù)采集效率更高.

圖4 陣列探測(cè)器光譜儀的基本組成

3 光譜儀的應(yīng)用——解析手機(jī)顯示屏的色域

這部分要求學(xué)生用光譜儀采集自己手機(jī)顯示屏白屏的光譜，通過(guò)Origin對(duì)光譜數(shù)據(jù)按峰位進(jìn)行高斯分解，計(jì)算分解后不同峰對(duì)應(yīng)光譜的色坐標(biāo)，標(biāo)于色坐標(biāo)圖中，并與NTSC (National Television System Committee, 美國(guó)國(guó)家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì))和sRGB (標(biāo)準(zhǔn)色彩空間)對(duì)比[9].

本文用Konica Minolta CS2000分光光度計(jì)采集不同手機(jī)的光譜，手機(jī)型號(hào)包括：iPhone 6S,7P,8P,X.圖5是不同型號(hào)手機(jī)白屏的發(fā)光光譜，以綠色發(fā)光峰為基準(zhǔn)進(jìn)行了歸一化處理(解析色域，只需考慮光的相對(duì)強(qiáng)度，也可不歸一化).圖中顯示所有手機(jī)光譜在420～680 nm范圍，覆蓋可見(jiàn)光(380～780 nm)的大部分，主要發(fā)光峰位于618±15 nm，530±7 nm，452±5 nm，分別對(duì)應(yīng)紅(Red, R)、綠(Green, G)、藍(lán)(Blue, B)三基色.iPhone 6S和iPhone X顯示屏的光譜有3個(gè)峰，對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯分解[10～12]，即假定手機(jī)顯示屏是由不同強(qiáng)度、具有高斯型發(fā)光譜線的紅、綠、藍(lán)三色獨(dú)立發(fā)光體線性疊加的結(jié)果，用高斯函數(shù)對(duì)光譜進(jìn)行分離，如圖6所示.分解獲得3個(gè)獨(dú)立發(fā)光體光譜，分別對(duì)應(yīng)R (peak 3:Red),G (peak 2:Green),B (peak 1:Blue)三色.RGB三基色的合成光譜(圖6中fitted curve所示)與實(shí)測(cè)光譜較好地吻合.

圖5 不同型號(hào)手機(jī)顯示屏的歸一化光譜

(a)

基于高斯分解的RGB三基色光譜計(jì)算出相應(yīng)的色坐標(biāo)，繪于圖7中.RGB三基色坐標(biāo)確定的三角形面積稱為色域(color gamut)，顯示屏只能顯示色域內(nèi)的顏色.圖7也繪制了NTSC和sRGB的標(biāo)準(zhǔn)色域，便于手機(jī)色域與之比較.從圖7中可看出，目前手機(jī)顯示屏普遍未達(dá)到NTSC標(biāo)準(zhǔn)，早期的手機(jī)(如iPhone 6S)顯示屏與sRGB標(biāo)準(zhǔn)也有較大的差距，僅覆蓋77.74%的sRGB，而iPhone X可以達(dá)到102.94%的sRGB，已實(shí)現(xiàn)廣色域.iPhone 6S的色域遠(yuǎn)小于iPhone X，因此6S再現(xiàn)紅色的能力極其有限，色彩視覺(jué)體驗(yàn)差.iPhone 6S用戶瀏覽購(gòu)物網(wǎng)站時(shí)，紅色和玫紅色商品會(huì)出現(xiàn)較大的色差(注：iPhone 6S已使用時(shí)間比iPhone X長(zhǎng)，未考慮顯示屏色彩衰減).

圖7 iPhone 6S & X的色域與NTSC和sRGB標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

類似地，iPhone7P，8P白屏光譜的高斯分解如圖8所示，與iPhone 6S，X稍有不同，7P，8P的光譜有5個(gè)峰，在紅光波段(600～700 nm)有3個(gè)峰，因此采用5峰高斯分解擬合.分解后的光譜疊加合成的光譜(圖8中fitted curve所示)與實(shí)際測(cè)得的光譜較好地吻合.5個(gè)峰對(duì)應(yīng)的光譜都可以計(jì)算出色坐標(biāo)，但是這里為了與iPhone 6S和X比較，600～700 nm波段只選取峰強(qiáng)最大的光譜作為紅色成分，與藍(lán)色和綠色成分構(gòu)成顯示屏的三基色.

圖8 iPhone 7P&8P白屏光譜的高斯分解

4款手機(jī)色坐標(biāo)繪于圖9，從圖9明顯看出，蘋(píng)果手機(jī)從iPhone 6S到iPhone X，隨著顯示技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，色域逐漸擴(kuò)大，具體色域值參見(jiàn)表2，相應(yīng)的顯示技術(shù)也列于表2中.

表2 不同型號(hào)蘋(píng)果手機(jī)顯示屏的色域

圖9 不同型號(hào)蘋(píng)果手機(jī)顯示屏的色域

手機(jī)屏顯示技術(shù)從液晶顯示(Liquid Crystal Display, LCD)到有機(jī)發(fā)光二極管(Organic Light Emitting Diode, OLED)[13～14]，色域?qū)崿F(xiàn)了質(zhì)的躍遷，已達(dá)到廣色域水平，因?yàn)镺LED采用有機(jī)發(fā)光材料，其顏色范圍廣、容易化學(xué)修飾進(jìn)行顏色調(diào)節(jié)[15].iPhone X之前，蘋(píng)果手機(jī)一直采用LCD，自iPhone X起 (包括XS和XS Max)，開(kāi)始采用“輕、薄、柔”的OLED技術(shù)，前沿科技悄然融入課堂.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以“基本原理→基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)→儀器制造→儀器應(yīng)用”模塊化閉環(huán)知識(shí)體系為教學(xué)核心，衍射光柵實(shí)驗(yàn)結(jié)合光柵光譜儀，提升光柵教學(xué)的高階性，培養(yǎng)學(xué)生從基本原理到儀器制造的思維.通過(guò)光譜儀采集手機(jī)顯示屏光譜，與時(shí)俱進(jìn)引入前沿科技，且富有趣味性和多樣性，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣，寓學(xué)于樂(lè)中使儀器制造思維、顯示技術(shù)的發(fā)展及其原理在學(xué)生心中扎根.這種閉環(huán)知識(shí)體系的教學(xué)理念可推及其他知識(shí)體系，尤其是工程類相關(guān)知識(shí)，對(duì)系統(tǒng)性、創(chuàng)新性、儀器制造等思維和能力培養(yǎng)大有裨益，助力新時(shí)代人才培養(yǎng).