“虛實互嵌 實驗模式助力光學課堂教學創(chuàng)新

光學作為物理學的重要分支，其理論深度和實驗精度對學生的科學素養(yǎng)提出了較高要求。然而，傳統(tǒng)光學課程教學往往受限于實驗條件、教學資源等因素，難以滿足學生全面、深入學習的需求。

光學是物理學專業(yè)的一門必修課，不僅具有深厚的理論基礎，還廣泛應用于科技、醫(yī)療、通信、軍事等多個領域。隨著科技的不斷發(fā)展，光學領域的新理論、新技術層出不窮，對光學課程的教學提出了更高要求。然而，光學課程的傳統(tǒng)教學方式主要為理論講授，缺乏實驗現(xiàn)象的即時展示，學生難以理解光學現(xiàn)象背后深奧且抽象的理論規(guī)律。特別是波動光學部分，如光的干涉與衍射等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象在日常生活中難以直接觀察到，與人們熟知的光學三大基本定律一光的直線傳播定律、反射定律及折射定律之間存在著顯著的差異，這種差異不僅加深了理解的難度，還容易在學生的既有知識體系與新知識之間產(chǎn)生認知沖突，從而進一步增加了學習的難度。

雖然大學本科物理學專業(yè)開設了物理實驗課程，但實驗教學與理論課程的教學進度往往存在脫節(jié)的現(xiàn)象。學生在理論學習過程中缺乏及時且直觀的實驗驗證，導致他們對光學原理的理解停留在表面層次，難以深入掌握。此外，實驗室中配備的光學實驗儀器種類繁多且精度極高，這些設備不僅操作復雜，對實驗環(huán)境的要求也極為苛刻。這些高精度儀器并不適宜作為理論教學課堂上的現(xiàn)場演示實驗工具。

“虛實互嵌” 實驗模式助力光學課堂教學創(chuàng)新

本文將“演示實驗觀現(xiàn)象”與“虛擬實驗探規(guī)律”巧妙融合，構建“虛實互嵌”實驗模式，打破傳統(tǒng)光學理論教學的局限，為學生提供更加豐富、多元的實驗學習體驗。該模式結合PhET虛擬仿真實驗和自制教具演示實驗，既保留了實體實驗的直觀性和操作性，又發(fā)揮了虛擬實驗的靈活性和可重復性優(yōu)勢，為光學課程的教學改革提供了新的思路和實踐路徑。

演示實驗觀現(xiàn)象。在光學理論教學的范疇內(nèi)，波動光學因其抽象性和非直觀性，成為學生學習過程中的一大難點。傳統(tǒng)講授法往往局限于理論闡述，缺乏即時且直觀的實驗支撐，導致學生難以形成深刻認知。盡管實驗室配備有精密的波動光學實驗儀器，但因其操作復雜、現(xiàn)象難以觀察，不適宜作為課堂演示工具。

鑒于此，本文利用激光器和日常物品，設計并制作了一系列便攜式波動光學演示實驗教具。這些教具不僅簡化了實驗流程，還顯著提升了實驗現(xiàn)象的可見度，使波動光學的課堂演示成為可能。下文將詳細闡述四種波動光學實驗教具的制作方法及演示效果。

圓孔衍射。實驗器材：深色紙片，細鋼針，手機手電筒。實驗過程：用針在深色紙片上扎出小孔，打開手機手電筒對準小孔，投射在白紙上，觀察到圓孔衍射現(xiàn)象如圖1（a）所示。單縫衍射。實驗器材：深色紙片，剪刀，手機手電筒。實驗過程：用剪刀在深色紙片剪出寬度小于 0.5mm 的狹縫，打開手機手電筒對準狹縫，投射在白紙上，觀察到單縫衍射現(xiàn)象如圖1（b）所示。雙縫干涉。實驗器材：三支 0.5mm 鉛筆芯，一支激光筆。實驗過程：將三支鉛筆芯并排握住，使筆芯間形成寬度可調(diào)的狹縫，將激光束照射在狹縫上，觀察墻上形成的干涉圖樣，如圖1（c）所示。光柵衍射。實驗器材：手機，激光筆。實驗過程：將激光筆照射在手機屏幕上，通過屏幕反射后投影在墻上，觀察墻上形成的光柵衍射圖樣，如圖1（d）所示。

虛擬實驗探規(guī)律。自制教具在光學教學中扮演著重要角色，能夠直觀地展示光學現(xiàn)象，促進學生對相關原理的理解。然而，自制教具往往受限于其設計的固定性和參數(shù)調(diào)整范圍的局限性，難以全面滿足通過控制變量法深人探究光學現(xiàn)象規(guī)律的需求。虛擬仿真實驗正好彌補了演示實驗的這一缺陷，它可以有效控制變量，分析實驗規(guī)律。PhET虛擬仿真實驗平臺憑借其多方面的顯著優(yōu)勢，成為了多學科有效的教學輔助工具。

PhET仿真實驗平臺由美國科羅拉多大學波爾德分校物理教育技術研究小組精心打造，是一個集豐富實驗資源、高度直觀性、卓越仿真度、簡便操作性和強大互動性于一體的交互式科學仿真程序平臺。相較于其他虛擬實驗平臺，PhET在互動性方面展現(xiàn)出獨特魅力。學生可以通過手機就能實現(xiàn)實驗操作，可自由調(diào)整實驗參數(shù)，實時觀察并分析參數(shù)變化對實驗結果的影響。這種動態(tài)、即時的反饋機制不僅極大激發(fā)了學生的探索欲和求知欲，還促使他們在動手操作的過程中深化對光學原理的認知，逐步構建起自主探究的能力框架。

PhET仿真實驗涵蓋了從小學到高中乃至大學的多學科知識體系，物理、數(shù)學、化學、生物等一應俱全。特別是在物理領域，PhET提供運動學、聲音與波動、能量與功、熱學、量子物理以及光學等眾多虛擬實驗項目，極大滿足了物理教學的需求。

PhET仿真實驗平臺界面簡潔明了，無需復雜的安裝程序和額外的硬件設備支持，只需在電腦或手機上打開網(wǎng)頁即可輕松使用。同時，平臺還提供多種語言選項，方便全球不同地區(qū)的師生使用和交流。

將PhET仿真實驗程序與《光學》課程深度融合，不僅能夠幫助學生更加深入地理解和掌握光學相關知識，還能有效提升物理課堂的教學效率和質(zhì)量。更重要的是，這種教學模式能夠激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和合作精神，培養(yǎng)他們的自主學習能力和問題解決能力，為他們未來的科學探索之路奠定堅實的基礎。

“虛實互嵌”實驗模式給傳統(tǒng)光學課堂教學帶來的轉(zhuǎn)變。本文將“演示實驗觀現(xiàn)象”與“虛擬實驗探規(guī)律”兩大教學策略巧妙融合，創(chuàng)新性地構建了“虛實互嵌”實驗模式，這一模式為傳統(tǒng)光學課堂教學帶來了深刻的轉(zhuǎn)變，不僅豐富了教學手段，更優(yōu)化了學生的學習體驗，提升了教學效果。

首先，“虛實互嵌”實驗模式極大拓寬了光學理論教學的邊界。在傳統(tǒng)光學教學中，學生往往難以即時且直觀地觀察到實驗現(xiàn)象，而自制教具的引入在一定程度上彌補了這一缺陷，它能夠生動展現(xiàn)光學現(xiàn)象，增強學生的直觀感受。自制教具雖能直觀展示光學現(xiàn)象，但受限于教具設計的固定性和參數(shù)調(diào)整范圍，難以全面探究光學規(guī)律。而虛擬仿真實驗雖然提供了靈活的實驗環(huán)境和豐富的實驗資源，卻缺乏實物操作的真實感和直觀性。通過“虛實互嵌”，學生可以先利用自制教具進行初步觀察，建立對光學現(xiàn)象的直觀認識；隨后，借助虛擬仿真實驗平臺，進一步調(diào)整實驗參數(shù)，深入探究光學規(guī)律。這種結合實物與虛擬的教學方式，既保留了實物實驗的真實感，又發(fā)揮了虛擬實驗的靈活性和深度，實現(xiàn)了實驗教學的全面升級。

其次，“虛實互嵌”實驗模式顯著提升了學生的學習興趣和參與度。自制教具的直觀性和趣味性能夠迅速吸引學生的注意力，激發(fā)他們的好奇心和探索欲。而虛擬仿真實驗的互動性和即時反饋機制則讓學生能夠在動手操作的過程中不斷試錯、修正，直至找到問題的答案。這種“做中學”的方式不僅增強了學生的學習動力，還培養(yǎng)了他們的自主學習能力和問題解決能力。

最后，“虛實互嵌”實驗模式有效促進了理論與實踐的深度融合。在“虛實互嵌”的教學模式下，學生不僅能夠通過觀察實驗現(xiàn)象來驗證理論知識，還能夠通過調(diào)整實驗參數(shù)來探究理論背后的深層次規(guī)律。這種理論與實踐相結合的教學方式，不僅加深了學生對光學原理的理解，還提高了他們運用理論知識解決實際問題的能力。

“虛實互嵌”實驗模式在光學課程教學中的應用案例

本文以雙縫干涉為例，展示“虛實互嵌”實驗模式在光學課堂中的應用。演示實驗觀察雙縫干涉現(xiàn)象。在進行楊氏干涉的理論教學時，教師可以利用自制教具進行楊氏雙縫干涉的演示實驗。

準備材料：三支 0.5mm 鉛筆芯，一支激光筆，如圖2（a）所示。

制作過程：將三支鉛筆芯并排握住，使筆芯間形成寬度可調(diào)的狹縫，如圖2（b）所示；將激光束照射在狹縫上，觀察墻上形成的干涉圖樣。

演示效果：圖2（d）為激光束直接照射在墻上所形成的光斑；圖2（e）為雙縫距離墻面約5米時形成的干涉圖樣，可以清晰看到明暗相間的干涉條紋；圖2（f）為雙縫距離墻面約8米時形成的干涉圖樣，條紋間距較大。干涉條紋在墻面擴展的長度范圍約為30cm ，可以讓整個教室學生同時觀察到。

虛擬實驗探究雙縫干涉規(guī)律。在進行演示實驗后，教師可以提問：楊氏雙縫干涉現(xiàn)象的強弱與哪些因素有關呢？進而引導學生利用PhET虛擬仿真實驗平臺來進行規(guī)律的探究與總結。

學生通過掃碼直接訪問官網(wǎng)獲得光的干涉仿真實驗資源。打開實驗界面，學生能看到簡潔直觀的操作面板，包含光源、狹縫、光屏等模擬元件。學生可直觀地觀察到雙縫干涉虛擬仿真實驗的界面，在界面中可以自主調(diào)節(jié)光源的波長，雙縫的間距，雙縫到屏幕的距離等參數(shù)，通過控制變量法，得出雙縫干涉的規(guī)律。為了避免學生盲目操作，教師可以提前布置以下探究任務，并讓學生分組進行完成：探究干涉條紋間距與入射光波長的關系，圖3（a）；探究干涉條紋間距與雙縫間距的關系，圖3（b）；探究干涉條紋間距與雙縫到屏幕距離的關系，圖3（c）。

學生通過虛擬仿真實驗探究得出結論：干涉條紋間距與入射光波長成正比，與雙縫間距成反比，與雙縫到屏幕距離成正比。教師進行理論講授和總結，給出條紋間距公式。

本文提出的基于PhET互動虛擬仿真實驗與自制教具演示實驗的“虛實互嵌”實驗模式，在光學課程教學中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。通過整合虛擬與實體實驗資源，該模式不僅豐富了教學手段，提升了教學效果，還有效培養(yǎng)了學生的理論與實踐能力?！疤搶嵒デ丁睂嶒災Ｊ酱蚱屏藗鹘y(tǒng)光學教學的局限，為學生提供更加多元、直觀的學習體驗。展望未來，我們將繼續(xù)深化這一模式的研究與應用，探索更多創(chuàng)新教學方法和有趣的光學實驗，以期進一步豐富光學教學內(nèi)容，全面提高學生的科學素養(yǎng)和綜合能力。同時，我們也將關注技術發(fā)展的新趨勢，不斷引入新技術、新工具，推動光學教育的持續(xù)發(fā)展。

作者簡介：

梁艷，1990年出生，女，講師，博士研究生，研究方向：量子光學。本文為廣西師范大學教育教學改革項目“多元實驗模式下《光學》課程的優(yōu)化與實踐研究”（項目編號：2024JGA28）；廣西師范大學教育教學改革項目“《電動力學》課程教學的改革與實踐研究”（項目編號：2024JGB30）；廣西高等教育本科教學改革工程項目“多課融合、顯隱雙效、多元量化的物理學專業(yè)課的課程思政實踐與探索”（項目號：2024JGA132）。作者單位：廣西師范大學物理科學與技術學院。