偏振密碼演示儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王剛　楊廣武　徐義爽　陸小翠　馬增紅

關(guān)鍵詞 偏振密碼;演示場(chǎng)景;應(yīng)用案例

演示實(shí)驗(yàn)利用生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象闡釋物理原理，在大學(xué)物理課堂教學(xué)中應(yīng)用廣泛[1-3]。光的偏振現(xiàn)象在日常生活中具有廣泛的應(yīng)用，利用偏振現(xiàn)象制作的演示儀器眾多，傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)儀器的使用一般以現(xiàn)象觀察和理論分析為主[4]，學(xué)生缺乏實(shí)際操作尤其是設(shè)計(jì)制作演示儀器的機(jī)會(huì)。對(duì)于應(yīng)用型本科院校來說，學(xué)生頭腦靈活，動(dòng)手能力較強(qiáng)，但理論知識(shí)儲(chǔ)備相對(duì)薄弱，這種情況下如何給學(xué)生提供儀器設(shè)計(jì)制作機(jī)會(huì)又兼顧學(xué)生的理論知識(shí)水平成為了大學(xué)物理課程教學(xué)中不容忽視的問題。為了解決這個(gè)問題，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了偏振密碼演示儀，并將該儀器應(yīng)用于大學(xué)物理課堂教學(xué)和科普活動(dòng)中。提出利用演示儀器構(gòu)建場(chǎng)景吸引學(xué)生的注意力，促進(jìn)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。同時(shí)通過小組討論的形式分析偏振密碼的原理;通過密碼設(shè)計(jì)鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新;通過密碼拼接和儀器組裝給學(xué)生提供參與儀器制作的機(jī)會(huì);通過科普展演傳播知識(shí)，提高學(xué)生服務(wù)社會(huì)的意識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

偏振密碼演示儀主要由光源、濾光膜、密碼層和觀察片制成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。偏振密碼演示儀在框架底部上安裝了磁鐵可以直接吸在黑板上，光源前安裝紅色濾光膜產(chǎn)生紅光，密碼層用不同偏振化方向的方形偏振片拼接出兩組密碼圖案，觀察片為偏振化方向特定的偏振片。

密碼層圖案拼接及偏振化方向如圖2所示。圖中的小正方形代表偏振片，淡色表示背景，淺色和深色分別拼成“2021”和“100”。圖中短線代表偏振化方向，背景的偏振化方向水平，“2021”和“100”的偏振化方向分別與背景的偏振化方向成-60°和+60°角。

偏振密碼原理圖如圖3所示?？梢钥闯?，當(dāng)觀察片的偏振化方向與背景的偏振化方向成+30°角時(shí)，“2021”和背景的偏振化方向分別與觀察片的偏振化方向成+30°和-30°角，由馬呂斯定律可知，穿過觀察片后，兩者的光強(qiáng)相同，“2021”與背景融為一體，肉眼無法區(qū)分二者。而此時(shí)“100”與觀察片的偏振化方向垂直，因消光而呈現(xiàn)黑色，可以看到“100”顯現(xiàn)出來，見圖4（a）。將觀察片上下翻轉(zhuǎn)，觀察片的偏振化方向與背景的偏振化方向成-30°角，同理，此時(shí)只能觀察到“2021”，見圖4（b）。

2 偏振密碼演示場(chǎng)景的構(gòu)建思路

演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理課程中的使用由來已久，演示實(shí)驗(yàn)豐富多彩的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以迅速吸引學(xué)生的注意力[5，6]，提高教學(xué)效果。傳統(tǒng)演示過程中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和理論分析相互印證，具有一定的優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于應(yīng)用型本科院校的學(xué)生來說，理論分析這一環(huán)節(jié)略顯枯燥。為了使演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象更加深入人心，本團(tuán)隊(duì)將認(rèn)知心理學(xué)中的視覺注意的引導(dǎo)效應(yīng)[7，8]和演示實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，利用演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象構(gòu)建場(chǎng)景，以游戲或講故事的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象演示。利用該演示儀構(gòu)建的密室逃脫游戲場(chǎng)景見圖5。

與傳統(tǒng)演示方法相比，構(gòu)建出的演示場(chǎng)景使演示實(shí)驗(yàn)變成了游戲，豐富了演示實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵。這種演示形式新穎，內(nèi)容更豐滿，占用的課堂時(shí)間較傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)，多出2分鐘左右，卻更加有效地激活了課堂，起到了引起學(xué)生的注意，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的作用，便于教師進(jìn)行后續(xù)的理論教學(xué)。同時(shí)，游戲場(chǎng)景中的這組密碼來源于2021年建黨一百周年，實(shí)現(xiàn)了在游戲中嵌套一個(gè)思政情景，這種小情景的思政教育模式可以將演示實(shí)驗(yàn)與思政教育很好的融合。

3 應(yīng)用案例

本團(tuán)隊(duì)通過將偏振密碼演示儀用于大學(xué)物理教學(xué)和科普活動(dòng)中，提高學(xué)生應(yīng)用偏振知識(shí)分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、利用偏振知識(shí)設(shè)計(jì)密碼拼接方案、傳播偏振知識(shí)的綜合能力。

3.1 理論教學(xué)中的應(yīng)用

在大學(xué)物理教學(xué)過程中，偏振密碼演示儀的應(yīng)用主要從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察、理論分析和應(yīng)用實(shí)踐三方面入手，通過對(duì)現(xiàn)象的分析和思考，解決前面提出的問題，引導(dǎo)學(xué)生在相對(duì)輕松的氛圍中學(xué)習(xí)，使學(xué)生體會(huì)學(xué)習(xí)物理的樂趣和利用物理解決問題的成就感。

與傳統(tǒng)演示手段不同，現(xiàn)象觀察過程利用偏振密碼演示儀構(gòu)建了密室逃脫游戲場(chǎng)景，如圖5中所示。通過在游戲中尋找密碼的過程，將學(xué)生的注意力從“物理”引到“游戲”上，在輕松的游戲氛圍下，即使不喜歡物理的學(xué)生也會(huì)表現(xiàn)出一定的興趣。在游戲過程中提出問題：為什么透過薄片會(huì)出現(xiàn)數(shù)字？ 翻轉(zhuǎn)薄片為什么顯示的數(shù)字不同？ 學(xué)生自然地對(duì)其中所蘊(yùn)含的奧秘非常感興趣。這種情況下再進(jìn)行理論講解，學(xué)生是帶著問題的，在求知欲的驅(qū)使下，理論知識(shí)不再乏味，配合度明顯提高。

理論分析過程不再是教師主導(dǎo)，而是學(xué)生主導(dǎo)。理論知識(shí)講解結(jié)束后，學(xué)生以小組為單位進(jìn)行討論，分析密碼層偏振片的偏振化方向與觀察片的偏振化方向之間的關(guān)系，解開密室逃脫游戲中提出的問題。討論過程中鼓勵(lì)學(xué)生從不同角度思考，給出不同的答案。學(xué)生通過小組討論，畫出背景、“2021”、“100”及觀察片的偏振化方向，是學(xué)生主動(dòng)利用理論分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過程，實(shí)現(xiàn)了“學(xué)知識(shí)”到“用知識(shí)”的過渡，加深了學(xué)生對(duì)光的偏振特點(diǎn)尤其是馬呂斯定律的理解。

通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了光的偏振特性，理解了密碼層偏振片的拼接原理，在此基礎(chǔ)上學(xué)生可以根據(jù)已有知識(shí)和社會(huì)經(jīng)歷完成密碼層設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)學(xué)生提出自己的見解。偏振密碼演示儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作過程包括電腦畫圖、激光切割、密碼層拼接、光源安裝、磁鐵安裝及整體封裝。大部分學(xué)生在了解其結(jié)構(gòu)及原理后，都具有將其制作出來的能力，而且儀器組裝拆卸過程都不繁瑣，可以重復(fù)利用，適合學(xué)生動(dòng)手制作。這個(gè)過程要求學(xué)生將物理知識(shí)、計(jì)算機(jī)、激光切割機(jī)的使用與儀器制作相結(jié)合，提高了學(xué)生的綜合能力，為新工科人才培養(yǎng)奠定了理論與操作基礎(chǔ)。具體的教學(xué)設(shè)計(jì)見表1。

理論教學(xué)過程中，以游戲場(chǎng)景引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)提出問題引導(dǎo)學(xué)生探究光的偏振原理與密碼圖案切換的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行理論講解。隨后結(jié)合課堂討論引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深層次的思考，探究偏振密碼的奧秘。最終要求學(xué)生完成應(yīng)用實(shí)踐：密碼層設(shè)計(jì)。教學(xué)過程從觀察開始到設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，以演示實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生參與教學(xué)互動(dòng)，體驗(yàn)從現(xiàn)象到本質(zhì)，從特殊到一般，從定性到定量的思維模式，鼓勵(lì)學(xué)生將學(xué)到的知識(shí)用于設(shè)計(jì)儀器和科普活動(dòng)。同時(shí)，利用密碼數(shù)字向建黨百年致敬。

3.2 科普活動(dòng)中的應(yīng)用

科普活動(dòng)主要面向中小學(xué)生，利用偏振密碼演示儀構(gòu)建了故事場(chǎng)景，通過講出百年來，在中國共產(chǎn)黨的領(lǐng)導(dǎo)下，人民從風(fēng)雨飄搖的日子到今天的幸福生活的故事，對(duì)參與者進(jìn)行愛國教育。生動(dòng)的講解與有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合，給孩子們留下了深刻的印象，既增強(qiáng)了愛國教育效果，又引起了孩子的好奇心。在此基礎(chǔ)上，介紹光的偏振現(xiàn)象，達(dá)到了普及物理知識(shí)的目的?？破照寡萦蓭熒餐瓿桑瑢W(xué)生通過演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，用兒童能夠理解的語言介紹光的偏振知識(shí)的過程，將學(xué)到的知識(shí)講出來，提高了自身的實(shí)驗(yàn)和理論水平?？破照寡葸^程中，學(xué)生通過與兒童的互動(dòng)，可以提高自身的成就感和獲得感，這些都有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。同時(shí)，科普展演活動(dòng)的公益性也提高了學(xué)生服務(wù)社會(huì)的意識(shí)。圖6是參加物理科普展演的師生。

4 效果分析

針對(duì)應(yīng)用型本科院校教學(xué)過程中，學(xué)生提高動(dòng)手能力的需求強(qiáng)烈，但理論知識(shí)儲(chǔ)備薄弱的問題，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出偏振密碼演示儀。該儀器原理與教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)，儀器結(jié)構(gòu)清晰，可重復(fù)組裝拆卸，適合應(yīng)用型本科院校學(xué)生體驗(yàn)儀器制作過程。將該儀器應(yīng)用于教學(xué)和科普過程中，為檢驗(yàn)其使用效果，本團(tuán)隊(duì)將偏振密碼與“穿墻而過”演示儀（見圖7）進(jìn)行了演示效果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)偏振密碼演示儀較“穿墻而過”演示儀具有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，演示場(chǎng)景色彩鮮明，且有效觀察距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。

本團(tuán)隊(duì)采用電子問卷的形式，對(duì)451人進(jìn)行了演示效果喜愛度調(diào)查，匯總結(jié)果見圖8?？梢娖衩艽a演示儀得到了大多數(shù)學(xué)生的喜愛，說明利用偏振密碼演示儀構(gòu)建場(chǎng)景的方式，符合應(yīng)用型本科院校學(xué)生的認(rèn)知水平，且教學(xué)效果更好。

5 結(jié)語

本文針對(duì)應(yīng)用型本科院校學(xué)生特點(diǎn)及教學(xué)需求，設(shè)計(jì)偏振密碼演示儀，并根據(jù)該儀器構(gòu)建演示實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景，將其用于大學(xué)物理教學(xué)及科普活動(dòng)中。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)演示場(chǎng)景的氛圍下學(xué)習(xí)偏振知識(shí)，利用偏振知識(shí)設(shè)計(jì)儀器，通過科普活動(dòng)傳播偏振知識(shí)，提高了應(yīng)用知識(shí)的能力。通過與穿墻而過演示儀進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：偏振密碼演示儀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、場(chǎng)景色彩鮮明、有效觀察距離遠(yuǎn)，符合應(yīng)用型本科院校教學(xué)要求。