“物理建模”實驗教學(xué)模式的教學(xué)實踐
——以“邁克爾孫干涉儀測量激光波長”實驗為例

羅 劍 歐陽建明 彭 剛 劉振祥 鄭浩斌 江永紅 姚 筠

(國防科技大學(xué)理學(xué)院 湖南 長沙 410073)

科技創(chuàng)新與國防和軍隊的現(xiàn)代化建設(shè),需要大量創(chuàng)新型理工科人才[1],物理建模能力是理工科學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的重要基礎(chǔ).大學(xué)物理實驗是我校新生入校后第一門物理實驗課程,是培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)實驗技能、實踐能力和創(chuàng)新能力最基礎(chǔ)、最重要的一環(huán)[2],加強大學(xué)物理實驗對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)可以為實現(xiàn)國防和軍隊現(xiàn)代化建設(shè)奠定堅實基礎(chǔ).

在大學(xué)物理實驗教學(xué)中發(fā)現(xiàn),大部分低年級本科生仍習(xí)慣于使用中學(xué)階段形成的固有實驗思想進行大學(xué)物理實驗的學(xué)習(xí)[3],他們普遍缺乏物理建模思維,難以通過科學(xué)知識的建構(gòu)歷程獲得對知識的深刻而全面的理解,進而難以適應(yīng)新的實驗教學(xué)要求,更達不到實驗課程培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的目標.因此,在國防科技大學(xué)的大學(xué)物理實驗課程教學(xué)過程中,采用了“物理建模”的實驗教學(xué)模式進行針對性的教學(xué)設(shè)計,旨在培養(yǎng)學(xué)生物理建模思維能力,深刻認識物理實驗中如何發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,進而構(gòu)建牢固的實驗測量知識體系,培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力.本文以“邁克爾孫干涉儀測量激光波長”實驗項目的教學(xué)設(shè)計為例,對“物理建模”實驗教學(xué)模式的具體教學(xué)實踐進行詳細介紹.

1 “物理建?！睂嶒灲虒W(xué)模式的教學(xué)設(shè)計

大學(xué)物理實驗采用案例式教學(xué)方式,每個案例以物理量測量為牽引,以物理模型的構(gòu)建過程、驗證方法為教學(xué)重點,通過課堂研討,突出對物理模型內(nèi)涵的理解.教學(xué)實施過程以物理建模思想為指導(dǎo),借鑒精益思想的質(zhì)量管理理念[4],基于課程組構(gòu)建的“四元一體”物理實驗教學(xué)平臺進行教學(xué)實踐[5],學(xué)生完成一個具體實驗項目需要完成預(yù)習(xí)、測試、授課、互動、實驗、研討、報告這7個環(huán)節(jié),如圖1所示.

圖1 “7環(huán)節(jié)”物理實驗教學(xué)設(shè)計

首先,充分利用國家級精品MOOC——大學(xué)物理實驗和國家級虛擬仿真實驗中心——數(shù)理實驗中心進行課前預(yù)習(xí),學(xué)生通過線上虛擬仿真實驗和MOOC資源對實驗原理、實驗儀器、實驗操作等進行初步學(xué)習(xí),并以線上測評保障預(yù)習(xí)效果;其次,線下實驗教學(xué)突出物理建模能力訓(xùn)練,重點講解模型建立原理,討論模型成立條件,引導(dǎo)學(xué)生自主建立實驗?zāi)Ｐ?通過實驗測量及精度分析進行模型驗證;再次,學(xué)生進行實驗儀器操作實踐,并討論實驗操作過程中存在的問題,加深對實驗儀器與操作的理解;然后,學(xué)生進行自主實驗,完成后引導(dǎo)學(xué)生對模型內(nèi)涵(實驗思想、方法和技術(shù)等)以及實驗在軍事及前沿科技領(lǐng)域的應(yīng)用進行研討和拓展,提高學(xué)生綜合實踐能力;最后,課后學(xué)生自主完成實驗報告,對實驗結(jié)果進行分析,進一步深化對物理量測量的理解.

在整個教學(xué)過程中借鑒精益思想對教學(xué)品質(zhì)進行把控,“精益思想”源于企業(yè)精益生產(chǎn)方式,核心是消除生產(chǎn)過程中的一切浪費,通過對生產(chǎn)過程中每一環(huán)節(jié)實時檢測與管控、及時反饋與改進,達到降低成本、提高質(zhì)量、無浪費和零庫存等目的,確保企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和成本優(yōu)勢,在教育領(lǐng)域中也有著巨大的啟發(fā)和借鑒意義.

2 “物理建?！睂嶒灲虒W(xué)模式的教學(xué)實踐

大學(xué)物理實驗中講授部分的時長大約為20～30 min,主要涉及實驗思想、基本方法、實驗原理、基本儀器操作、實驗內(nèi)容,以及根據(jù)教學(xué)需要穿插的歷史背景或應(yīng)用舉例等部分.由于時間限制,教學(xué)設(shè)計需要有所側(cè)重,而“物理建?！睂嶒灲虒W(xué)模式的重點在于讓學(xué)生理解從理論到實驗、從物理模型到實際測量之間的差異與聯(lián)系,引導(dǎo)學(xué)生深入思考物理模型的內(nèi)涵.下面以“邁克爾孫干涉儀測量激光波長”實驗為例,詳細介紹以“物理建?！彼枷霝橹笇?dǎo)的教學(xué)設(shè)計.

課前通過大學(xué)物理實驗MOOC(圖2)和虛擬仿真實驗(圖3)的學(xué)習(xí)和測試,學(xué)生已經(jīng)對邁克爾孫干涉儀的干涉原理、儀器結(jié)構(gòu)、實驗操作等都有一定的了解.

圖2 邁克爾孫干涉儀MOOC

圖3 邁克爾孫干涉儀虛擬仿真實驗

這樣,學(xué)生能夠在課堂教學(xué)階段快速進入學(xué)習(xí)狀態(tài),從而簡化課堂教學(xué)中的原理講解部分.因此,在講授部分,重點將側(cè)重于如何建立邁克爾孫干涉儀測量激光波長的物理模型,并討論需要滿足測量模型和測量精度的實驗條件.

2.1 從理論到實際的物理模型構(gòu)建

首先,以邁克爾孫-莫雷實驗驗證以太存在作為實驗背景進行引入,突顯邁克爾孫干涉儀結(jié)構(gòu)簡單、測量精確的優(yōu)點,使得邁克爾孫干涉儀在測量光譜精細結(jié)構(gòu)和測量光波波長標定長度單位等方面具有廣泛應(yīng)用,從而引入實驗的關(guān)鍵——如何構(gòu)建測量激光波長的“物理模型”.

其次,在學(xué)生完成課前預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上,簡單回顧邁克爾孫干涉儀的光路組成,并以等效干涉光路簡單講解干涉原理,提出測量激光波長的基本原理,即邁克爾孫干涉儀產(chǎn)生明條紋的光程差δ需要滿足

δ=2dcosik=kλ

(1)

其中d為動鏡與虛定鏡之間的距離,ik為光線與兩虛光源連線的夾角,k為條紋級次,λ為激光波長.進一步分析干涉原理可以得到干涉條紋的特點有:(1)干涉條紋形狀為同心圓環(huán),且中心級次最高;(2)中心區(qū)域的條紋比較稀疏,周圍區(qū)域的條紋比較緊密;(3)改變動鏡與虛定鏡之間的距離d,中心條紋會出現(xiàn)“吞”“吐”的現(xiàn)象,d增大,中心“吐”出條紋,d減小,中心“吞”入條紋.

干涉原理式(1)即是激光波長的物理模型,但要使用該模型進行測量,需要深入討論模型滿足的條件和測量精度,如圖4所示.

圖4 邁克爾孫干涉儀的測量模型

利用式(1)測量激光波長,需要滿足d、ik、k3個參量能夠直接測量的條件,而在實際測量中,這3個參量都無法直接測量.其原因是,無法確定虛定鏡、虛光源的準確位置,使得d、ik難以直接測量,中心條紋的特點之一是級次最高,使得無法確定待測條紋的具體級次k,這就需要我們改進模型使其符合實際測量條件.在此部分可以引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)換思路,通過測量中心圓環(huán)(ik=0)的吞吐過程中d、k的改變量,即中心條紋吞吐一條時(Δk=1)動鏡的移動距離Δd,此時測量模型的改進為

λ=2Δd

(2)

這里體現(xiàn)了邁克爾孫干涉儀測量激光波長的第一個精妙之處,將激光波長尺度的位移變化轉(zhuǎn)換成了干涉圖樣的變化,進行了第一處放大.但需要注意的是,如何測量出半個波長的位移量成為需要解決的關(guān)鍵問題,這就是邁克爾孫干涉儀的另個一個精妙之處,采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)的標尺系統(tǒng),如圖5所示.

圖5 邁克爾孫干涉儀標尺系統(tǒng)

邁克爾孫干涉儀的標尺系統(tǒng)通過微調(diào)鼓輪、粗調(diào)鼓輪和主尺之間的機械齒輪傳動將激光波長尺度(百納米量級)的動鏡微小位移進行了兩級機械放大,先是將主尺到粗調(diào)鼓輪進行了第一級的100倍放大,測量精度達到0.01 mm,再是將粗調(diào)鼓輪到微調(diào)鼓輪進行了第二級的100倍放大,使得儀器測量精度可以達到0.000 1 mm,最后微調(diào)鼓輪進行估讀,達到百納米的測量精度,實現(xiàn)激光波長尺度位移的測量.

實驗測量的物理模型建立之后,即可根據(jù)不同實驗項目的具體情況,讓學(xué)生開展不同時長的實驗儀器操作實踐,加深對實驗儀器和操作的理解.例如,邁克爾孫干涉儀實驗的操作實踐時長為20 min,而具體的操作要點在課前預(yù)習(xí)和虛擬仿真實驗中都已學(xué)習(xí)過,講授部分中不再過多講述,簡單介紹儀器調(diào)節(jié)重點與實驗操作中的注意事項即可.對實踐過程中將會出現(xiàn)的共性問題,則在操作實踐結(jié)束后進行研討,進一步加深學(xué)生對儀器的理解.例如,調(diào)節(jié)邁克爾孫干涉儀時有的學(xué)生看不到干涉條紋,這是因為儀器調(diào)節(jié)不到位,使得兩束相干光未相遇沒有產(chǎn)生干涉;也會出現(xiàn)看到的條紋中心不在視場中央的問題,這是因為定鏡與動鏡沒有完全調(diào)節(jié)垂直,使得條紋中心未落在觀察屏上.另外,有的學(xué)生在旋轉(zhuǎn)微調(diào)或粗調(diào)鼓輪時,未觀察到中心條紋的吞吐現(xiàn)象,這往往是因為未消除空程差造成的結(jié)果.這些問題的出現(xiàn)體現(xiàn)了學(xué)生對實驗儀器基本構(gòu)造、工作原理、調(diào)節(jié)方法等方面的不理解,針對性地開展問題討論有助于加深學(xué)生對實驗儀器的理解.

2.2 從實際到測量的物理模型優(yōu)化

不同的實驗儀器測量精度不一樣,如何設(shè)計實驗方案實現(xiàn)最優(yōu)化的測量也是構(gòu)建物理模型中需要考慮的問題.學(xué)生在建立實驗測量的物理模型和了解實驗儀器的基礎(chǔ)上,需要分析模型的測量精度,進一步優(yōu)化實驗測量方案.分析過程以學(xué)生為主教師輔導(dǎo)的課堂研討方式進行,通過提出如何進一步改進測量方式、提高測量精度、完善數(shù)據(jù)處理方法等方面的問題,增強學(xué)生對實驗思想、實驗技術(shù)、實驗原理的理解,強化創(chuàng)新能力訓(xùn)練.例如,邁克爾孫干涉儀實驗中通過研討在待測激光波長約幾百納米,而邁克爾孫干涉儀測量精度約為100 nm,儀器最大允差為50 nm的條件下,如何設(shè)計測量方案,提高測量精度使得波長的不確定度小于0.5 nm,測量模型的精度分析如圖6所示.

圖6 測量模型精度分析

課堂研討過程中,教師可以提示學(xué)生利用累積放大法,測量吞吐多個條紋時的位移Δd,從而實現(xiàn)測量精度的提高,進一步讓學(xué)生自主思考,如何利用誤差理論分析吞吐條紋的數(shù)目Δd和條紋級數(shù)差Δk的取值,最終完成滿足實驗精度要求的測量方案.

確定實驗方案之后,學(xué)生進行自主實驗,按照實驗要求完成實驗內(nèi)容,并提出課堂思考題,讓學(xué)生在實驗過程中進行思考.例如:(1)邁克爾孫干涉儀中補償板的作用是什么?(2)邁克爾孫干涉條紋的疏密程度與哪些物理量有關(guān)?(3)與光杠桿測量微小位移比較,邁克爾孫干涉儀與其有什么相同處和不同處?實驗完成后,針對課堂思考題展開學(xué)生為主教師為輔的研討,加深學(xué)生對實驗思想、實驗技術(shù)等內(nèi)容的理解.

最后,介紹實驗原理、實驗技術(shù)、實驗儀器等方面在前沿科技領(lǐng)域中的拓展應(yīng)用,深化基礎(chǔ)物理實驗內(nèi)容的前沿性與創(chuàng)新性.例如,在邁克爾孫干涉儀實驗中通過介紹激光干涉引力波天文臺(LIGO)利用邁克爾孫干涉儀原理,測量引力波所產(chǎn)生的微小位移,實現(xiàn)引力波的觀測,LIGO的構(gòu)思和設(shè)計者也因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎.通過拓展應(yīng)用的介紹,深化了邁克爾孫干涉儀這樣一個簡單的實驗儀器在前沿科學(xué)研究中的應(yīng)用,拓寬了學(xué)生視野,提高了課堂內(nèi)容品味.

3 結(jié)論

在我校的大學(xué)物理實驗教學(xué)中采用“物理建模”實驗教學(xué)模式,教學(xué)效果得到充分提高,也體現(xiàn)了該教學(xué)模式的一系列優(yōu)點:

(1)“物理建?！睂嶒灲虒W(xué)模式可以將實驗理論與實際測量進行緊密結(jié)合,完成從理論到實踐的過渡,突顯出實驗課程的實踐性;

(2)在物理模型構(gòu)建過程中可以完美地融入研討式教學(xué),充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性,加深學(xué)生對實驗原理、實驗儀器、實驗思想的理解;

(3)學(xué)生在構(gòu)建物理模型過程中,不斷地發(fā)現(xiàn)問題并解決問題,將自己所學(xué)知識融會貫通,充分地鍛煉了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力;

(4)構(gòu)建物理模型的過程可以將實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗儀器、實驗內(nèi)容有機地串聯(lián)起來,形成一個邏輯清晰的物理實驗體系,使得學(xué)生對實驗項目有了一個整體的認識.

如何繼續(xù)完善拓展“物理建?！苯虒W(xué)模式,解決將前沿科學(xué)技術(shù)應(yīng)用和課程思政等內(nèi)容更好地融入“物理建模”實驗教學(xué)模式、運用信息化技術(shù)等手段豐富“物理建?！睂嶒灲虒W(xué)方式等問題是課程組下一步教學(xué)改革的重點工作,也希望為物理實驗教學(xué)改革提供一些借鑒之處.