融入思政元素的邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

陳佳敏

(文華學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)部 湖北 武漢 430074)

熊永紅

(文華學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)部 湖北 武漢 430074;華中科技大學(xué)物理學(xué)院 湖北 武漢 430074)

2016年12月習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)“要堅(jiān)持把立德樹(shù)人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過(guò)程[1].為貫徹落實(shí)“立德樹(shù)人”根本任務(wù)，全面推進(jìn)高校課程思政建設(shè)，2020年5月28日教育部印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》明確指出要堅(jiān)持顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一，挖掘其他課程和其他方式中蘊(yùn)含的思想政治資源，實(shí)現(xiàn)全員全程全方位育人[2].高校是教學(xué)育人的主戰(zhàn)場(chǎng)，課程教學(xué)是高校教育的核心，我們要以各類(lèi)通識(shí)課、基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)課的課堂教學(xué)為課程思政建設(shè)的“主渠道”，努力挖掘符合其課程特點(diǎn)的思政元素，構(gòu)建各類(lèi)典型的思政案例，把思想政治教育貫穿到課堂教學(xué)全過(guò)程，全面提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量.

物理學(xué)本質(zhì)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，是自然學(xué)科許多領(lǐng)域和生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)，包含了豐富的世界觀和方法論，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的良好載體.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是一門(mén)面向全校大一、大二理工科專(zhuān)業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，是學(xué)生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開(kāi)端，在學(xué)生的能力提升和素質(zhì)培養(yǎng)方面有著其他課程不可替代的作用.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程知識(shí)豐富、實(shí)踐性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛，蘊(yùn)含了豐富的思政教育元素[3,4]，對(duì)該課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法等各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，在課堂教學(xué)中巧妙地加入一些思政元素，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和科學(xué)素養(yǎng)，對(duì)學(xué)生的世界觀、人生觀和價(jià)值觀進(jìn)行正確引導(dǎo).本文以邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)為例，深度挖掘該實(shí)驗(yàn)所包含的科學(xué)精神和科學(xué)方法，重點(diǎn)討論如何在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中合理地融入思政元素，進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì).

1 邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)的科學(xué)精神與科學(xué)方法

從邁克爾孫發(fā)明干涉儀的歷史背景和研究歷程中，感悟他在科學(xué)研究的過(guò)程中對(duì)真理的執(zhí)著尋求，為求證“以太”的存在，發(fā)明了精密的干涉儀，他的創(chuàng)新思維方法、精妙的設(shè)計(jì)思想和精湛的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，創(chuàng)造出多種美輪美奐的精密儀器.追尋他的腳步我們才能真正理解愛(ài)因斯坦贊美邁克爾孫為“科學(xué)中的藝術(shù)家”的真正含義.

1881年美國(guó)物理學(xué)家邁克爾孫為了證明“以太”的存在設(shè)計(jì)制造了一種精密干涉測(cè)量?jī)x器——邁克爾孫干涉儀[5]，這是一種分振幅的雙光束干涉測(cè)量?jī)x器，可通過(guò)干涉現(xiàn)象來(lái)測(cè)量光波波長(zhǎng)、液體折射率、物體的厚度及微小長(zhǎng)度變化等，其精度可與光的波長(zhǎng)相比擬.邁克爾孫干涉儀在物理發(fā)展史上具有里程碑的作用，邁克爾孫及其合作者曾用此儀器完成了3項(xiàng)著名的物理實(shí)驗(yàn)[6].第一項(xiàng)就是舉世聞名的邁克爾孫-莫雷“以太漂移”實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的，否定了“以太”的存在，這對(duì)當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界產(chǎn)生了巨大的沖擊，解決了關(guān)于“以太”的爭(zhēng)論，動(dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，也為愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的建立奠定了基礎(chǔ).第二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)就是用鎘紅線波長(zhǎng)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)米尺長(zhǎng)度，建立了以光波為基準(zhǔn)的絕對(duì)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)，即國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)米等于鎘紅線的1 553 163.5個(gè)波長(zhǎng)[7]，這是人類(lèi)首次找到了一種永遠(yuǎn)不變且毀壞不了的長(zhǎng)度基準(zhǔn)，而與之前用法國(guó)的米原器作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)相比，其穩(wěn)定性和精確度都提高了很多，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)度單位的標(biāo)準(zhǔn)化.第三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)就是研究光源干涉條紋可見(jiàn)度隨光程差變化的規(guī)律，并以此推斷光譜，他第一次系統(tǒng)地研究光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)，其成果對(duì)現(xiàn)代分子物理學(xué)、原子光譜和激光光譜學(xué)等新興學(xué)科都發(fā)生了重大影響.1907年，邁克爾孫因發(fā)明光學(xué)干涉儀并用其進(jìn)行光譜學(xué)和基本度量學(xué)的研究而成為美國(guó)歷史上第一位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者.

邁克爾孫干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光路直觀、精度高，其調(diào)整和使用具有典型性，巧妙地應(yīng)用了干涉法、分光法和放大法等多種實(shí)驗(yàn)方法.盡管邁克爾孫干涉儀發(fā)明至今已有100多年的歷史，但其精妙的設(shè)計(jì)思想與方法現(xiàn)在仍然廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、醫(yī)療和科研等各領(lǐng)域.邁克爾孫終其一生都在致力于干涉儀的研究，對(duì)待科學(xué)工作始終保持著實(shí)事求是的精神和精益求精的態(tài)度，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一次又一次的失敗沒(méi)有打敗他，反而激勵(lì)他不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置、提高儀器精度、繼續(xù)潛心研究，他的成功來(lái)源于面對(duì)困難的勇氣和無(wú)數(shù)次失敗中的堅(jiān)持與毅力.因此，在學(xué)習(xí)邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生不僅要掌握邁克爾孫干涉儀的設(shè)計(jì)思想和實(shí)驗(yàn)方法，而且更重要的是領(lǐng)悟科學(xué)家們獨(dú)特的人格魅力，學(xué)習(xí)他們實(shí)事求是、精益求精、堅(jiān)持不懈的科學(xué)品質(zhì).

2 融入思政元素的教學(xué)設(shè)計(jì)

要在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中有效開(kāi)展課程思政，我們必須找準(zhǔn)“課程思政”在實(shí)驗(yàn)課堂中的切入點(diǎn)，將思政元素以潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的方式融合在教學(xué)過(guò)程中.在邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們以課件、教材、動(dòng)畫(huà)和視頻等資源為教學(xué)載體，采用問(wèn)題導(dǎo)入、理論講授、課堂討論和直觀演示等方式來(lái)實(shí)施思政教育.

2.1 制定科學(xué)合理的教學(xué)目標(biāo)

邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中必做的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一，圍繞教學(xué)大綱的基本要求，教師應(yīng)該根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體內(nèi)容，從知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、價(jià)值引領(lǐng)3個(gè)方面制定教學(xué)目標(biāo).

(1)知識(shí)傳授目標(biāo)

讓學(xué)生觀察研究等傾干涉和等厚干涉現(xiàn)象，加深對(duì)光的干涉理論知識(shí)的理解；了解邁克爾孫干涉儀的結(jié)構(gòu)、條紋特性和工作原理.

(2)能力培養(yǎng)目標(biāo)

重溫經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握邁克爾孫干涉儀的調(diào)節(jié)和使用方法，學(xué)會(huì)用干涉儀測(cè)量激光波長(zhǎng)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)思維，提高學(xué)生獨(dú)立思考能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和自主創(chuàng)新能力，學(xué)會(huì)理論聯(lián)系實(shí)際，應(yīng)用干涉原理解決實(shí)際問(wèn)題.

(3)價(jià)值引領(lǐng)目標(biāo)

通過(guò)介紹邁克爾孫發(fā)明干涉儀的研制背景、實(shí)驗(yàn)開(kāi)展、歷史影響及應(yīng)用推廣等，啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家們實(shí)事求是的科學(xué)精神、精益求精的科學(xué)態(tài)度和堅(jiān)韌不拔的工作作風(fēng)，培養(yǎng)學(xué)生積極主動(dòng)的探索精神和勇于實(shí)踐的創(chuàng)新精神，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注前沿科技發(fā)展，樹(shù)立為實(shí)現(xiàn)中國(guó)夢(mèng)不斷奮斗的理想和信念.

2.2 問(wèn)題導(dǎo)入 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

利用視頻和動(dòng)畫(huà)，展示宇航員在太空行走時(shí)隔空對(duì)話的情景和生活中水波和聲波的傳播現(xiàn)象，回顧學(xué)生都已熟悉的理論“真空不能傳聲，機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)”，再提出問(wèn)題“100多年前，人們已經(jīng)知道了光是一種電磁波，那光波的傳播是否也需要介質(zhì)”，由此引出20世紀(jì)初物理學(xué)上空的“兩朵烏云”之一的“以太假說(shuō)”.然后，以“以太假說(shuō)”的提出、發(fā)展、證偽的歷史背景為脈絡(luò)，利用視頻或故事的形式，講述邁克爾孫發(fā)明干涉儀的經(jīng)歷，以及邁克爾孫-莫雷“以太漂移”實(shí)驗(yàn)的歷史影響，讓同學(xué)們身臨其境感受到這些科學(xué)巨匠的人格魅力，驚嘆于邁克爾孫干涉儀的設(shè)計(jì)之精妙，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家熱愛(ài)科學(xué)、勇于探索、實(shí)事求是、精益求精、堅(jiān)持不懈的科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

2.3 內(nèi)容傳授 啟發(fā)學(xué)生思維

通過(guò)圖片、動(dòng)畫(huà)展示邁克爾孫干涉儀的結(jié)構(gòu)，對(duì)光路圖進(jìn)行分析，加深學(xué)生對(duì)邁克爾孫干涉儀工作原理的理解.在講解過(guò)程中多采用設(shè)問(wèn)的方式，啟發(fā)學(xué)生自主思考.例如，提問(wèn)“在光路中補(bǔ)償板的作用是什么”，學(xué)生從干涉儀的光路圖分析，回答“在光路中放置補(bǔ)償板時(shí)兩條反射光線都3次穿過(guò)了玻璃板，使得兩束光在玻璃中的光程相同，所以在討論干涉現(xiàn)象時(shí)，它們的光程差完全取決于在空氣中的幾何路程差”，然后再進(jìn)一步探究性提問(wèn)“若使用激光做光源，不加入補(bǔ)償板是否也能觀測(cè)到干涉現(xiàn)象”，讓學(xué)生在實(shí)踐操作的過(guò)程中找到答案，并理解其原因.

通過(guò)光路幾何關(guān)系可計(jì)算出兩反射光線之間的光程差，再利用等傾干涉原理和干涉極值條件，引導(dǎo)學(xué)生推出邁克爾孫干涉儀的光程差與波長(zhǎng)之間的關(guān)系，再結(jié)合動(dòng)畫(huà)展示等傾干涉圖樣形成過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析、歸納邁克爾孫干涉儀產(chǎn)生的干涉圖樣特點(diǎn)：其等傾干涉條紋是一系列明暗相間的同心圓環(huán)，內(nèi)疏外密，中心級(jí)次高邊緣級(jí)次低.然后，根據(jù)干涉儀的結(jié)構(gòu)、干涉圖樣的特點(diǎn)和中心干涉明紋的條件，引導(dǎo)學(xué)生思考用干涉儀測(cè)量激光波長(zhǎng)的方法：兩束相干光在空間上完全分開(kāi)，可用移動(dòng)反射鏡的方法改變兩光束的光程差.當(dāng)反射鏡沿儀器導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)，兩相干光束之間的光程差會(huì)增加或減少，干涉條紋會(huì)產(chǎn)生變化，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上可以觀察到不斷有圓環(huán)從中心“吐出”或“吞進(jìn)”.在觀察屏上每觀察到中心“吐出”或者“吞進(jìn)”一個(gè)圓環(huán)，反射鏡就相對(duì)移動(dòng)了半個(gè)波長(zhǎng)，由此可以推導(dǎo)出干涉儀測(cè)量激光波長(zhǎng)的公式.在講授實(shí)驗(yàn)原理與測(cè)量方法時(shí)，要充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，突出學(xué)生的主體地位，多設(shè)問(wèn)激發(fā)學(xué)生潛能，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)觀測(cè)、勤于思考、善于分析，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式，增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力.

在介紹實(shí)驗(yàn)儀器和測(cè)量調(diào)節(jié)主要步驟時(shí)，先結(jié)合儀器實(shí)物簡(jiǎn)要說(shuō)明儀器各重要組成部分，然后采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式，可以利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫(huà)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作模擬展示，讓學(xué)生對(duì)儀器和調(diào)節(jié)過(guò)程有更全面、直觀、清晰的認(rèn)識(shí).通過(guò)多媒體展示干涉儀的讀數(shù)規(guī)則，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到干涉儀高精度的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，同時(shí)突出實(shí)驗(yàn)操作時(shí)應(yīng)該注意的細(xì)節(jié)問(wèn)題，如“在移動(dòng)反射鏡測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，微調(diào)手輪只能單向轉(zhuǎn)動(dòng)，避免空程誤差”.在學(xué)生進(jìn)行課堂實(shí)踐操作過(guò)程中，鼓勵(lì)學(xué)生多提問(wèn)，可以采取提問(wèn)式、討論式和探究式的方法為學(xué)生講授疑難問(wèn)題，提高課堂的互動(dòng)性和學(xué)生的參與度，讓學(xué)生理解必要的物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)，熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作技能與方法，達(dá)到潛移默化的學(xué)習(xí)效果，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng).

2.4 應(yīng)用拓展 培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)

以邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)為例，很多生活中實(shí)際應(yīng)用和前沿科技都是與基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)密切相關(guān)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，教師既要立足基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的講解，也要增加一些拓展延伸的教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí).

介紹與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用、科技發(fā)展和前沿研究成果.邁克爾孫干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)精巧、測(cè)量精度高，所以，其設(shè)計(jì)思想與方法沿用至今，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域.在基礎(chǔ)測(cè)量方面，邁克爾孫干涉儀可用于測(cè)量微小位移量、氣體濃度、薄透明體的厚度及折射率等.在醫(yī)學(xué)檢測(cè)方面，基于邁克爾孫干涉儀工作原理的光學(xué)相干斷層掃描儀(OCT)[8]，空間分辨率可達(dá)微米級(jí)別，可應(yīng)用于眼部視網(wǎng)膜細(xì)節(jié)圖像、心臟病研究以及冠狀動(dòng)脈的疾病診斷，其優(yōu)勢(shì)在于分辨率高，而且無(wú)接觸、無(wú)侵入、無(wú)損傷.在科學(xué)研究方面，2016年美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)宣布人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波，證實(shí)了100多年前愛(ài)因斯坦的預(yù)言，宣告引力波天文學(xué)時(shí)代的到來(lái)，2017年這一發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[9].這項(xiàng)物理學(xué)上巨大的突破也離不開(kāi)邁克爾孫干涉儀的貢獻(xiàn)，LIGO實(shí)際上就是由兩臺(tái)相聚3 000公里的邁克爾孫干涉儀構(gòu)成，利用干涉原理探測(cè)引力波，其測(cè)量精度可以達(dá)到10-22量級(jí).

在學(xué)生已經(jīng)掌握邁克爾孫干涉儀的工作原理和使用方法的基礎(chǔ)上，除了完成基本的激光波長(zhǎng)測(cè)量，還可以增加一些提升性、進(jìn)階性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，比如利用邁克爾孫干涉儀測(cè)量透明材料的折射率：將待測(cè)物體放入其中一條光路中，可以導(dǎo)致兩個(gè)光路中光程發(fā)生變化，進(jìn)而引起條紋移動(dòng)，再根據(jù)條紋移動(dòng)數(shù)目可以測(cè)量透明材料的折射率，充分體現(xiàn)了邁克爾孫干涉儀的精妙之處.另外，給學(xué)生提供一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)思考題，比如思考如何利用邁克爾孫干涉儀可精確測(cè)量微小長(zhǎng)度這一特性測(cè)量楊氏模量、熱膨脹系數(shù)或者模擬引力波探測(cè)等.這樣可以增加學(xué)生學(xué)習(xí)的深度和廣度，進(jìn)一步與物理學(xué)科競(jìng)賽相關(guān)聯(lián)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和創(chuàng)新熱情，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.

最后，教師需要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注我國(guó)在物理方面的進(jìn)展，比如在探測(cè)引力波這一最前沿的科學(xué)問(wèn)題上，中國(guó)科學(xué)家們一直在積極探索引力波探測(cè)新方案，2021年中國(guó)科學(xué)家龔云貴、羅俊和王斌第一次在頂尖國(guó)際雜志《Nature Astronomy》(《自然·天文》)對(duì)中國(guó)空間引力波探測(cè)計(jì)劃作完整系統(tǒng)的介紹，如果中外的空間引力波探測(cè)計(jì)劃如期實(shí)現(xiàn)，到21世紀(jì)30年代，中國(guó)的天琴計(jì)劃、太極計(jì)劃和歐洲的LISA，通過(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互協(xié)作，將有望確定引力波波源等重大宇宙信息，從而為人類(lèi)揭開(kāi)更多宇宙奧秘[10].通過(guò)了解我國(guó)在前沿科技方面的發(fā)展和突出貢獻(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和自信心，激勵(lì)學(xué)生奮發(fā)向上，努力學(xué)好知識(shí)報(bào)效國(guó)家，為實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興奉獻(xiàn)自己的力量.

3 總結(jié)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是高校理工科專(zhuān)業(yè)的重要必修課程，蘊(yùn)含了豐富的思政元素，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中加入思想政治教育是十分必要的.以邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)為例，為更好地在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中開(kāi)展課程思政，教師應(yīng)該明確實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含的科學(xué)精神和科學(xué)方法，制定相應(yīng)的課程思政教學(xué)目標(biāo)，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，采用提問(wèn)式、討論式和探究式的教學(xué)方法，將思政元素巧妙融入教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié).在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要充分發(fā)揮課堂教學(xué)這一高校課程思政建設(shè)“主渠道”的作用，在傳授學(xué)生知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的愛(ài)國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)，真正實(shí)現(xiàn)立德樹(shù)人的教育根本目標(biāo).