大学物理光学实验教学改革

摘"要：光学仪器本身的精密性要求实验者理论水平高、操作细致，高质量完成光学实验对学生综合素质的培养有极大帮助。结合实际教学经验，对物理光学实验中最常用的分光计、迈克尔逊干涉仪、读数显微镜光学三大件的调节展开讨论，分析操作过程中遇到的难点和问题，以加深学生对调节技术的认识和理解。改进光学实验授课模式，重视仪器的原理和操作，而不是局限于特定的实验方法。回归实验物理的基本理念，探索研究型教学的授课模式，创建基础与创新协同发展的大学物理光学实验课程教学新体系，切实增强学生从事科学实验工作的能力。关键词：大学物理；光学实验；分光计；迈克尔逊干涉仪；读数显微镜0"引言在高校应用物理学专业的实践课程中，物理实验主要包括力学、热学、光学、电学四部分实验内容，其中光学实验不同于其他几部分，有仪器精密性高、结构复杂、调节难度大等特点[1-2]。光学仪器操作需要理论知识的密切指导，对学生理论结合实际的能力要求较高。高质量完成光学实验对学生综合素质的培养有极大帮助，尤其是自主学习的思维能力。随着社会科技的快速发展，对高素质人才的需求更加迫切。传统的物理实验课堂教学过程中，学生掌握的仅仅是固有的实验方法，缺乏对实验内容深层次的思考。尤其是光学实验仪器调节难度大，加之课堂时间有限，不利于学生实践能力的培养和课程目标的达成。本文结合光学实验中最常用的分光计、迈克尔逊干涉仪、读数显微镜光学三大件的调节，对仪器调节常见问题展开分析；提出授课模式的改进方式，促进学生实践能力的锻炼和创新思维的开拓；设计思政元素的融入，培养学生精益求精的大国工匠精神；完善课程评价体系，落实全过程育人的教育理念。1"光学实验中常见的光学仪器调节1.1"分光计调节及常见问题分光计是一种能精确测量角度的典型光学仪器，在使用分光计测量角度前需要将仪器调至待测状态，即望远镜、平行光管的光轴在一条直线上，且垂直于载物平台的中心轴，平行光管射出平行光束，则可认为仪器调节完成[3]。学生在实际调节过程中经常出现一些问题。1）未按规范步骤逐步调节。有的学生没有完成目镜调焦和望远镜调焦，直接在目镜中寻找十字叉丝，更有甚者，在望远镜明显不垂直于三棱镜光面的位置寻找叉丝像，说明对自准直原理和调焦的必要性没有清晰认识，导致盲目操作。2）找不到叉丝像时随意调节螺钉，使仪器更加偏离待测状态。有的学生粗调未完成，在视野中看不到叉丝像就一味拧螺丝，载物台已明显倾斜还在寻找，说明没有理解仪器原理和每个调节步骤的目的。3）调节过程中容易出现只能在一个反光面找到十字叉丝的情况。学生初次接触仪器缺乏经验，调节时没有指导性的方向，可以采取依次突破的方法，即在保持原反光面能看到十字叉丝的同时，向上或向下调节载物台下方与另一反光面对应的螺钉，直至两个反光面都能找到十字叉丝。分光计的调节需要在掌握原理的基础上多次练习，只有理解了两向逼近的过程，明白为何要采用各半调节的方式，才能顺利完成调节，而不至于越调越偏。1.2"迈克尔逊干涉仪调节及常见问题迈克尔逊干涉仪是一种典型的分振幅的双光束干涉装置[4]。通过调整仪器固定镜（M1）和可动镜（M2）的位置关系，可以产生等倾干涉条纹和等厚干涉条纹，从而实现波长等物理量的测量[5]。迈克尔逊干涉仪的调节主要是这两种干涉条纹的调节。学生在课堂调节过程中经常出现两个问题。1）在调节M1方位时，视场中看不到任何条纹。出现该问题的原因可能是M1镜像和M2的夹角太大，条纹变得很密以至于观察不到条纹，此时需要校准M1的方位；也可能是M1镜像和M2距离过大或重合，导致观察不到干涉现象，需要转动干涉仪的粗调或微调手轮以改变M2的位置，使条纹清晰可见，方可进行下一步测量。2）在操作练习中向一个方向转动微调手轮，等倾干涉条纹圆心有明显的涌出或淹没现象，但反方向转动手轮时，观察不到这一现象。这是由于螺纹存在间隙，回轮一段距离内M2实际上并没有发生移动。因此，在测量过程中，要求微调手轮必须沿同一方向转动，中途不可倒转，就是为了避免螺距差。迈克尔逊干涉仪的调节难点主要在于等倾干涉条纹需要调节M1和M2相互垂直。1.3"读数显微镜调节读数显微镜是将测微螺旋和显微镜组合起来用于精确测量长度的仪器，在相关计量单位应用广泛。利用牛顿环测定透镜曲率半径和测定透明介质折射率是常见的使用读数显微镜的大学物理实验项目[6]。目前有研究对读数显微镜进行改进设计，如与图像采集系统联合使用，避免人眼观测的误差。学生在实际操作仪器时遇到问题、解决问题，这一过程可以让思维能力得到实质性训练。学生通过探索学会仪器调节，在获得成就感、激发求知欲的同时，对仪器的应用产生深入思考，提出新的实验想法，这都需要建立在对仪器操作足够熟练的基础上，因此，掌握调节技术是第一步。2"基于光学三大件的探究式实验教学改革2.1"改进授课模式回归实验物理的基本理念，探索研究型教学的授课模式。在光学实验中，让学生充分掌握仪器的原理、操作和应用，继而引发学生进一步思考，自行设计实验进行相关物理量的测量，培养学生研究性学习能力。借助虚拟仿真实验，让学生对复杂的实验仪器有较为深刻和清晰的认识，达到更好的教学效果[7]。把虚拟仿真实验应用到光学实验教学中，借助虚拟仿真技术层层剖析复杂的光学仪器，直观、形象地展现出仪器不同结构和调节螺钉的作用，增强学生对光学仪器结构、特性和原理的把握。比如，虚拟仿真实验的讲解和训练让学生可以充分了解分光计调什么、怎样调、为什么这样调，直观看到每个螺丝调节时绿色十字叉丝像如何变化，以免由于不熟悉仪器而在现场实验中盲目操作。光学仪器的调节需要反复练习，虚拟仿真实验可以为仪器调节的练习提供极大便利，方便学生利用任意课余时间练习，有助于学生在线下实验中高效、准确地掌握仪器操作，从而激发对实验的兴趣和进一步探索的热情。多次练习也能达到巩固知识的目的。虚实结合的教学模式能弥补传统实验教学存在的不足，使大学物理光学实验教学更有成效。探索研究型教学的课程体系，教师教授的内容回归仪器本身，由学生分组探讨并设计实验方法和研究内容，增强学生的主体作用，激发学生的自主探索精神和创新热情。由于光学实验的特点，传统的实验教学效果欠佳，一方面，有限的课堂时间无法保证学生掌握仪器操作；另一方面，固定的实验项目使学生思维受限。对于光学实验，仪器调节难度较大，应作为固定教学内容，线上线下相结合，确保学生熟练掌握基本仪器调节。帮助学生打好基本功，为进一步测量实验数据奠定基础。根据学生的年级和层次设立不同项目，具体实验项目可以由学生自主选择，对优秀的学生可以完全开放实验项目，由学生自主研讨设计实验方案。由传统的固定实验项目的教学转变为“指导性仪器操作+开放式实验项目”的新体系，如图1所示。集中开展一次理论课，对常见光学仪器的结构、原理、使用方法和应用进行详细讲解，让学生充分认识常见的光学仪器怎么调、为什么这样调之后，再进行开放实验。光学开放实验重在仪器调节本身，不同于常规实验项目按照既定实验方法测量数据，开放课堂更有利于教师因材施教，根据每位学生不同的特质进行差异化引导，激发学生主动学习、主动探索、实践与研究的热情，让学生不再拘泥于完成课堂任务，充分体现“以学生为中心，以产出为导向”的教育理念，培养符合社会需求的应用型人才。理论讲解与开放实验相结合的教学方式能使学生在掌握原理的基础上充分接触仪器和练习仪器操作，提高操作仪器的主观能动性，获得真正的技术本领。在学生掌握仪器的原理和使用方法后，引发学生进一步思考，让学生自行设计实验进行相关物理量的测量，培养研究性学习的能力，发展创新意识，对所学的基础知识和实验技能开展简单的应用和拓展练习[8]。研究型教学的授课模式一方面能提高创新型人才培养质量，切实增强学生从事科学实验工作的能力；另一方面使实验室资源得到充分利用，学院的实践教学氛围更加浓厚。研究型教学的授课模式不仅可以保证学生掌握基本知识和技能，又能让学生开放思维、大胆创新，提高实践动手能力。2.2"融入思政元素通过探究式实验培养学生自主学习、终身学习的能力[9]。在讲授迈克尔逊干涉仪等经典诺贝尔奖物理实验时，通过介绍诺贝尔奖获得者的实验研究过程及其设计灵感，向学生传递严谨的学术思想、坚持不懈的科学素养，培养学生的探究思维能力。在虚拟仿真实验自主探索仪器调节的过程中，学生通过思考、观察和反思，增强学习兴趣，端正做事态度，追求精益求精的大国工匠精神，在探索中培养思辨的科学思想，在实践中提炼真知。同时，将课程中涉及的实验技术与当前我国各领域科学技术的发展和科研成果联系起来，弘扬强国、大国精神，激发学生的民族自信心和爱国情怀。2.3"完善评价体系教学过程中设置多个线上或线下的反馈节点，借助虚拟仿真实验云平台，从预习到理论讲解、开放实验、自主研究，充分体现全过程育人理念[10]。1）在虚拟仿真实验环节，学生利用虚拟仿真平台对实验内容和仪器具有初步了解。虚拟仿真实验能提供在线预习手段，让学生随时进行仪器调节练习。在线调节是第一个反馈节点，教师通过后台数据，可以及时掌握学生的预习情况，及时改进线下教学策略和教学重点。2）在线下实验教学讲授完成后设置互动环节。互动环节是第二个反馈节点，通过互动环节，教师可以及时了解学生对仪器原理和操作的掌握程度，在学生实验过程中进行个性化指导。3）分组研讨和确定实验项目环节，针对同一物理量的不同测量方法、实验思想和方法的拓展应用等展开研讨。课堂研讨是教学质量管控的第三个反馈节点，以学生为主体，教师加以引导，帮助学生完善实验，促进学生对实验进行深层次思考。4）实验结束后以实验报告形式进行总结与反馈，这第四个反馈节点，教师以此为基础了解学生的掌握情况，持续优化以促进整体教学质量提高。完善评分体系，重视实践过程和学习效果。综合成绩由课堂表现、实践成绩、实验报告和期末考核多项组成：课堂表现包括课堂发言讨论和小组合作；实践成绩评价学生是否能够正确进行仪器操作和实施实验步骤；实验报告考查学生归纳概括、逻辑分析和规范记录实验数据与现象的能力；期末考核综合评价实验理论知识掌握程度、基本实验技能、自我学习与反思能力，可以采用研究汇报或研究答辩等多种方式。通过建立全方位、多角度的评价体系提高学生对实践过程的重视程度，调动学生的主观能动性，增强学生积极参与和思考的热情与活力，真正达到应用物理学专业的育人标准。同时，全方位、多角度的评价体系也为选拔实践和科研人才提供有效参考。3"结束语实验教学是培养学生动手能力、理论联系实际能力和创新能力的重要途径，光学实验是大学物理实验的重要组成部分。本文对三台常用光学仪器的调节进行详细讨论