“邁克爾遜干涉儀調(diào)節(jié)和使用”微課視頻設(shè)計與制作*

蔣 珊，王鳴鶴，呂鳳珍，劉富池，朱長明，余貴波，孔文婕，周厚兵

（廣西師范大學物理科學與技術(shù)學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

大學物理光學實驗因?qū)嶒炁c理論密切結(jié)合，儀器調(diào)節(jié)難度大等特點不同于其他物理實驗，光學實驗通常需要用特殊的實驗器材才能將光學圖像形象直觀展現(xiàn)出來，揭示光學的本質(zhì)和現(xiàn)象[1]。大學物理實驗涉及的實驗項目眾多，包括光具組基點的測定、交流電橋、邁克爾遜干涉實驗等，其中，邁克爾遜干涉實驗否定了“以太”的存在，解決了當時關(guān)于“以太”的爭論，并為愛因斯坦發(fā)現(xiàn)相對論提供了實驗依據(jù)，由于邁克爾遜干涉儀將兩相干光束完全分開，它們之間的光程差可以根據(jù)要求作各種改變，測量結(jié)果可以精確到與波長相比擬，因此在光學和近代物理的計量技術(shù)有著廣泛應用[2]。但該實驗在實際教學中，通常會面臨以下問題，第一，實驗需要學會儀器調(diào)節(jié)與使用，實驗原理也不容易理解，但由于時間關(guān)系，教師只能講解以及演示一次，如果學生聽不明白或是實驗演示時沒看清楚導致學生在操作過程中出現(xiàn)問題無法得到及時解決，取得的教學效果并不理想。第二，隨著實驗完成，久而久之學生容易忘記實驗內(nèi)容。第三，由于學生分組實驗教師需要重復講解實驗內(nèi)容，加重了教師工作量[3]。近些年，“微課”因其針對性強、形式多樣、重復性高等特點在課堂教學改革中備受關(guān)注，在優(yōu)化課堂教學方面展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢[4]。本文以“邁克爾遜干涉實驗”為研究對象，探究實驗課堂與微課教學的結(jié)合，讓學生實現(xiàn)在課前對實驗原理、儀器操作的有效預習，課中對實驗的問題有針對性的解決，課后可以復習、鞏固知識，拓展思維提高學生們對物理實驗的興趣。

1 前期分析

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

在實驗之前，充分了解實驗儀器的結(jié)構(gòu)非常重要，本次實驗需要用到的邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)如圖所示[5]。其中需要重點了解以下結(jié)構(gòu)：

（1）固定鏡M1和可動鏡M2：兩個互相垂直放置的平面鏡，鏡面鍍有金屬膜，具有很高的反射率，背面各有三個滾花螺絲，可以通過調(diào)節(jié)螺絲改變鏡面角度直到兩反光鏡嚴格垂直。

（2）分光鏡和補償片：平行放置的兩塊厚度與折射率相同的平行平面玻璃板，分光鏡可以將以45°入射的一列光分成兩列振幅近乎相等的反射光和透射光，它的第二平面上鍍有一層半透（反射）膜；補償片可以補償通過分光鏡的透射光與反射光之間附加的光程差。

（3）粗調(diào)轉(zhuǎn)輪和微調(diào)轉(zhuǎn)輪：旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪可以使導軌上的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而帶動鏡M2沿導軌移動。

（4）毫米刻度尺、讀數(shù)窗和微調(diào)轉(zhuǎn)輪：它們的讀數(shù)可以確定鏡M2的位置和移動的距離[6]。

1.2 原理分析

儀器光路原理如圖2 所示，光點O發(fā)出的光，穿過P1時，被分成相互垂直的反射光和透射光。反射光幾乎垂直入射到鏡M1后，沿原始路徑穿過P1到達E處；穿過P2后，透射光幾乎垂直入射到M2上，然后沿原始路徑返回。它被P1第二層的半透明反射膜反射到E處。這樣，到達E處的兩個光束的光學特性完全相同，它們之間的光程差不同，具備相干特性，經(jīng)觀察者的眼睛疊加就能形成干涉條紋。在M1附近形成的虛像M2’是由于M2被P1的半反射鏡反射，因此M1和M2的反射相當于M1和M2’的反射，與厚度為d的空氣膜產(chǎn)生的干涉相同[7]。

圖1 WSM-100 型號邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)圖[5]

圖2 邁克爾遜干涉儀光路原理

如圖3 所示，對于第k級干涉條紋，由M1和M2’反射光線的光程差為

圖3 等傾干涉原理圖

其中d為平面鏡M1和虛平面鏡M2’之間的間距。當d一定時，兩光程差決定于入射角i，凡以相同傾角i入射的光經(jīng)反射后就形成一個圓形干涉環(huán)，稱為等傾干涉。在圖2-2 中，用眼在E處正對P觀察以各種不同傾角入射的光線反射后的圖像，可看到一組明暗相間的同心圓環(huán)，通常稱其為等傾干涉條紋。形成明暗條紋的條件是：

對于任一第k級干涉條紋，當d增大時，必定以減小cosik的值來滿足2dcosik=kλ,故該干涉條紋將向ik變大的方向移動，即向外擴展，表現(xiàn)在條紋向外“涌出”，反之當d減小時，該干涉條紋將向內(nèi)“陷入”。且當d每增加1/2λ時就有一個條紋涌出，反之，當d每減少1/2λ時就有一個條紋向中心“陷入”。因此，只要數(shù)出涌出或陷入的條紋數(shù)，即可得到M1以λ為單位的移動距離為

若有N個條紋從中心涌出或陷入，則表明M1相對于M2′的距離改變了

處理1、龍粳38，株行距為10cm*30cm，水整地時施入二胺6公斤、50%硫酸鉀3公斤、尿素2公斤。插秧時側(cè)深施肥時加入19公斤云天化復合肥。

波長測量實驗中相應的條紋變化N可以數(shù)出，M1移動的距離dΔ 可以由干涉儀讀數(shù)系統(tǒng)讀出，從而代人式2-4，便可以求出待測光波波長[3]。

在實驗中，鈉燈發(fā)出的光將產(chǎn)生兩套干涉條紋，因為鈉光有兩條主譜線的波長(鈉雙線的波長分別為λ1=589.0nm 和λ2=589.6nm)和強度都很接近，得到的兩組條紋非相干性疊加的結(jié)果將隨著d的變化，呈現(xiàn)周期性的重合和錯開，使干涉條紋交替出現(xiàn)“清晰”和“模糊甚至消失”。在兩相鄰視見度最差位置之間，M1移動的距離λΔ 與Δd的關(guān)系為

2 微課設(shè)計

2.1 制作PPT課件

傳統(tǒng)課堂上，教師利用板書進行課堂教學，教學手段單一，且較為耗時，課堂效果不佳。特別是在實驗課上，很多內(nèi)容需要用圖像或是動態(tài)演示以將現(xiàn)象直觀展示，這時就需要用到PPT 輔助教學。PPT 課件通過明亮的色彩、更具表現(xiàn)力的動畫，將課堂變得更生動，提高學生注意力的同時節(jié)省了講述時間。優(yōu)質(zhì)的PPT課件的制作是本次微課制作重要前提。在此過程中，要做到以下四點，第一，課件背景要突出文字，所以背景一般選擇淺色為佳。第二，課件的頁面布局需要做到在屏幕上的對象力求上下左右達到平衡，不要顯得雜亂無章。第三，提供了足夠的信息即可，去除累贅的文字和圖片，以最少的數(shù)據(jù)顯示最多的信息，第四，要按照順序顯示，不要提前將內(nèi)容顯示出來，這就需要為PPT 加上動畫，這樣就能按照我們計劃的順序，一步一步顯示內(nèi)容。制作技巧有：

（1）PPT 背景設(shè)計：除了第一頁包含實驗名稱的PPT 以及最后一頁包含感謝觀看的PPT，其他PPT 背景統(tǒng)一選擇包含廣西師范大學圖標的半透明灰白色的我校王城校區(qū)大門的圖片，直接進行幻燈片母版設(shè)置。打開制作的PPT 課件，在視圖中選擇幻燈片母版，進入頁面后，選擇插入母版，將背景圖片插入，最后關(guān)閉母版視圖。將多次出現(xiàn)的內(nèi)容放在幻燈片母版中，就能避免重復添加，提高效率，使制作過程更方便快捷。

（2）PPT 文字設(shè)計：標題部分的字體顏色使用靛藍色，正文部分的字體顏色選擇黑色，正文字號要選擇大一點，但要小于標題的字號，才能在既美觀的同時又利于學生觀看，如圖4 所示。注意只需要將關(guān)鍵內(nèi)容展示在PPT 上，切忌將上課過程中的所有語句都放在PPT 中。對于重點的內(nèi)容可以用另外的顏色標出，從而引起學生的有意注意，如圖5 所示。

圖4 課件文字展示

圖5 重要內(nèi)容用其它顏色標出

（3）PPT 圖片設(shè)計：加入適當?shù)膱D片，能對教學內(nèi)容起到解釋說明作用，讓文字更有說服力，另一方面也能緩解學生觀看文字的視覺疲勞。

（4）PPT 動畫設(shè)計：合理為PPT 增加動畫效果，設(shè)置動畫樣式，入場順序，入場方向，以及持續(xù)時間，可以讓PPT 變得更加生動，更方便輔助教師教學。如圖7 所示的PPT，這是邁克爾遜干涉儀光學原理講解的PPT，將光線入射后的具體過程依次選中，光線為其選擇擦除的動畫效果，然后分清每條光線的移動方向，選擇擦除的方向，以及該過程的持續(xù)時間，這可以在講解時，配合教師的語言講解，逐條顯示，引導學生關(guān)注光線的移動，理解儀器的光學原理。

圖6 課件動畫展示

2.2 腳本設(shè)計

視頻錄制還需要撰寫腳本，它是微課設(shè)計中重要的環(huán)節(jié)，微課腳本相當于電影劇本，作為視頻拍攝的重要依據(jù)，統(tǒng)籌安排好每一步需要做的事情，為后面的視頻錄制提供清晰的思路，不僅能提高視頻拍攝的效率，如減輕工作量、節(jié)約時間，還能通過研究腳本提高視頻拍攝的質(zhì)量[8]。微課腳本的編寫主要以錄制表的形式展現(xiàn)，如圖7，該表詳細介紹了微課視頻中所包含的具體內(nèi)容，比如錄制時間、錄制過程中對應每一版PPT所展示的頁面應該配合的語言、畫面安排、教學環(huán)節(jié)安排（片頭、正文內(nèi)容講解、結(jié)尾）等。

腳本設(shè)計的制作技巧包括：

（1）畫面顯示：畫面顯示是對微課視頻中所要出現(xiàn)的畫面的表示，是有關(guān)教學內(nèi)容的畫面，可以是選擇文字進行描述，也可以插入課件的截圖等。設(shè)計好畫面可以為分鏡頭錄制提供依據(jù)，方便后面的視頻錄制。畫面的設(shè)計要清楚明白，符合教學內(nèi)容。本實驗微課畫面主要由PPT 課件講解、教師演示實驗操作組成。

（2）教學內(nèi)容：教學內(nèi)容是對出現(xiàn)的畫面進行講解的內(nèi)容，相當于教學語言，但并不是直接重復畫面上的文字。教學的語言要簡潔，要符合微課的特點，對畫面的描述要準確。實驗微課不同于平常在實驗室上課，微課中不能出現(xiàn)口語化的表達，語句不能太過羅嗦復雜[9]。如圖2-9 所示，在腳本中設(shè)計出錄制時的所有話語，在為視頻配音時，就可直接按照設(shè)計出的話語表述。

（3）時長分布：時長是根據(jù)教學內(nèi)容估計畫面出現(xiàn)的時長，同時也不能忽略PPT 課件中某些地方使用動畫后所消耗的時間以及演示儀器時消耗的時長。微課視頻時長較短，突出重點，結(jié)構(gòu)又必須完整，因此恰當?shù)姆峙涓鱾€教學環(huán)節(jié)中畫面持續(xù)的時間，才能確保整節(jié)微課的的正常進行。

3 微課制作

微課的核心內(nèi)容便是微視頻，是面向?qū)W習者最直接的部分，所以制作微課視頻這個環(huán)節(jié)極其關(guān)鍵，它直接就可以影響到微課的質(zhì)量。因此需要做好前期的微課設(shè)計，才能開始錄制視頻。本次微課視頻錄制采用手機拍攝實驗和錄制屏幕結(jié)合，在完成后利用剪映對視頻進行處理。

3.1 視頻錄制

（1）錄屏。本文采用的是ipad自帶的錄屏功能，如圖8所示，對PPT文稿演示的過程進行錄制。將準備好的課件按順序播放，點擊ipad控制中心找到視頻錄制點擊錄制，等待三秒就可以開始屏幕錄制了。在錄制PPT演示時，可以將整個過程分開錄制，避免錄制過程中出現(xiàn)失誤，也更方便剪輯視頻。

圖8 錄屏

（2）拍攝。本文采用手機的錄像功能，對實驗操作演示過程進行實錄如圖9所示。拍攝實驗操作時，多采用近景，需將具體的操作拍攝清楚，如圖10所示。出現(xiàn)實驗圖像時，就需要特寫，如圖11所示。保持鏡頭固定，確保不會發(fā)生晃動和畫像不會模糊，從而保證視頻的質(zhì)量。

圖9 手機拍攝實驗

圖10 近景拍攝

圖11 實驗圖像特寫

3.2 視頻剪輯

為了呈現(xiàn)更好的視頻效果，需要對拍攝后得到的多段視頻進行剪輯，本文采用“剪映”作為主要剪輯工具。該軟件是一款具有完整編輯功能的移動視頻編輯工具，支持視頻變速和文本編輯，操作簡單，功能多樣，可用于移動終端，iPad 終端，Mac 電腦，Windows 電腦。

在視頻編輯時對采集到的實驗視頻素材進行合理的取舍，首先剪去視頻中不理想的片段，同時剩下的實驗視頻拼接流暢無卡點。本次視頻剪輯使用剪映的過程如下：開始創(chuàng)作→選中視頻→點擊剪輯→點擊切割→選中片段→刪除，就可以剪去不理想的片段，如圖12 所示。錄屏的視頻也使用這樣的方法進行剪輯。如果需要的視頻片段時長不足或者時長過長但是又很重要，可以選中該視頻片段，點擊變速，選擇倍速，就可以改變視頻播放的速度，達到改變時長的目的。為了實驗視頻更美觀，在每個實驗前加入轉(zhuǎn)場效果，同時加入圖片，標記實驗開始。

圖12 視頻剪輯過程

其次，為每個視頻配音。按照腳本設(shè)計的語言，在剪映中操作如下：點擊音頻→選擇錄音→按中錄音。

為了更方便學習，可以為視頻添加字幕，操作如下：首先點擊文本，在文本中選擇識別字幕，勾選開始識別，該軟件就會開始識別語音，自動添加字幕，這時拖動識別出來的任一文本框，就能改變整個視頻所有的字幕位置。觀看視頻，找出字幕中的錯別字，再次點擊識別出來的字幕，選擇批量修改，就能進行更改，如圖13 所示。

圖13 視頻字幕

最后將每個視頻都導出，重新點擊開始創(chuàng)作，選中第一個視頻，然后按照順序加入視頻，合成一個完整的微課視頻，導出完整的視頻。

4 結(jié)論

本文以大學物理光學基礎(chǔ)實驗之一的“邁克爾遜干涉儀實驗”為例，從實驗分析、微課設(shè)計、微課制作三個環(huán)節(jié)詳細介紹了該實驗的微課制作流程。隨著科技的發(fā)展，微課將在教育領(lǐng)域中占有越來越重要的地位，教師學習微課制作，能夠促進教師個人專業(yè)發(fā)展，而制作出的微課則提供了一種新的教學方法，提高了教學效率，滿足了學生對知識的需求。