物理教具自制毋忘科學性是靈魂

教具自制，是豐富實驗室課程資源和全面提高學生科學素養的需要，是培養師生創新精神、增強實踐能力的一項重要工作，是實現和加快教師專業成長的重要實踐平臺和技術途徑，是青少年科技創新活動的可選領域，是課程素質教育的一種拓展態、延伸態和掘深態。學生參與教具(學具)自制活動，還能培養其創新精神和實踐能力，是走向科學發明、技術發明的宏偉橋梁和平坦鋪路石之一。長期以來，作為廣大師生智慧與勞作結晶的物理自制教具尤其是優秀自制教具，為教育改革特別是物理實驗教學改革做出了貢獻。原教育部副部長韋鈺指出：“制作教具是一種教研活動，自制教具是一項教育科研成果，應該鼓勵和保護。”

演示光的反射折射是中學物理課程光學部分的一個基本實驗，對于學生建立反射折射概念、認識光的反射折射規律具有重要意義。關于它的演示儀器，盡管有J2501光具盤、J2528光的反射折射演示器等標準化商品化儀器，另外《教學儀器與實驗》等專業刊物及自制教具獲獎作品集中也多有此類自制儀器介紹。但客觀事實表明這些儀器都存在一些較大的甚至根本性的缺陷，制作成本高，實際使用較為困難，效果也很是不佳。筆者認為，演示光的反射折射，核心困難在于在沒有“示光性添加劑”干擾的條件下光路被穩定清晰地顯示。有關刊物及獲獎作品集上介紹的同種自制儀器，有的根本不能顯示光路，純屬臆想之作。筆者拜讀《教學儀器與實驗》2001年第5期刊登的梁玉祥《半導體激光光路演示儀》、2009年第1期刊登的李鮒瑞《激光線狀演示光源》、2001年第6期刊登的李之應《多功能光學演示儀》和《物理教學》2005年第10期刊登的王立斌《光的反射折射實驗器材的改進》等文章，認為其中有以下幾處值得質疑和商榷。

第一，按《半導體激光光路演示儀》一文所述，激光光路是根本無法顯示出來的。而光路演示首先要顯示，光路演示又是該文、該儀器之要旨，所以該文、該儀器設計缺乏科學依據和事實支持。我們知道，激光電筒所射有色光束在空氣中是根本不能顯示其光的徑跡即光路的，只有光束經微粒散射后才能被我們肉眼察覺。激光電筒光束如果平行地貼射在涂有白漆的白色光屏上，也能顯示出其光路來。前后兩者是分別利用散射原理和漫反射原理實現光路顯示的。這是物理科學原理的應用，當然也是客觀事實證實和支持的。除此以外，沒有其他方法能顯示激光光束光路。《半導體激光光路演示儀》一文沒有提到貼射和散射，按其裝置圖示及文字說明，也不能作貼射操作，因而根本不能達到顯示光路的功效。而光路不能顯示，就談不上演示折射及透鏡成像規律了。

第二，《多功能光學演示儀》一文在介紹使用方法時稱：“接通電源，調節光源……使單束光沿光盤射向平面鏡，并讓光束與光盤上的零刻線重合。然后轉動光盤，可以觀察到反射光線和入射光線……”筆者認為，該文根據演示的目的、要求，所稱的單束光必然是指聚集成一細條狀的光束或稱“束光”，而該文介紹使用的平行光源筒是不能產生這種單束光的，并且即使是單束光，讓其沿光盤(鋁板制作的)射向平面鏡，實際上是不能觀察到入射光線，更不能觀察到反射光線的。因為即使將“沿”解釋為“貼射”，由于沒有特定的散射、漫反射及暗室等示光條件，入射光線(準確地講應稱為“入射光束”)及反射光線(應稱“反射光束”)是根本不會顯示出來的，即是不可能被肉眼觀察到的。這既是物理學原理所揭示的，也是客觀事實所證明的。同樣地按照《多功能光學演示儀》一文所介紹的做法，演示光的折射定律及反射現象都是不可能的。連光束都無法顯示。更何談“從反射光線和折射光線的明暗程度來說明的能量分配”。

另外，《多功能光學演示儀》一文稱其多功能光學演示儀能演示光的會聚與發散現象，從而演示透鏡的光學性質。又稱：“在光屏上放上一只雙凸柱面透鏡，讓五束平行光射向透鏡，可看見折射后中間一束光的傳播方向沒發生改變，其余四束光折向中間的光線，形成光的會聚現象。”《多功能光學演示儀》一文還稱演示“過焦光線平行”、凹透鏡對平行光的發散作用等。筆者認為，這些說法同樣是不能實際做到的，因為這五束平行光束都是根本不能顯示出來的。

第三，《半導體激光光路演示儀》一文稱：“用砂輪沾水將掰開的兩個半圓鏡片底面磨平，在磨平的底面上用‘粘得牢’粘上薄鐵皮。在演示實驗時可將半圓凸透鏡吸附在成像板上。”筆者認為，照此做法，即使激光光路能通過貼射在五合板上顯示出來，那么光束怎么能通過半圓凸透鏡呢?因為別忘記，本身光束是“貼”著五合板入射到半圓凸透鏡底部的，而底部是薄鐵皮和“粘得牢”膠層，圓柱形激光光束本身是很細的，加之通過貼射又有強度衰減，怎么能透射過呢?《半導體激光光路演示儀》一文說：“將激光器接通電源，調整方向，使光束通過分光鏡片組后在成像板上留下三條平行光束。”按此文介紹，成像板是用五合板制作的，正面刷白油漆(或白色塑料板)。這個五合板肉眼看上去是比較平整的。但如果用光學方法測量，例如用平行光平射，那是根本不平整的，就是說，從光學角度看是不平整的。不平整的(即平面度差的)五合板怎么通過貼射來顯示出半導體激光器所射激光光束之光路呢?這在理論上、實際上都是行不通的。因而“留下三條平行光束”之說也是客觀上不成立的，純粹是作者的一廂情愿。

第四，《光的反射折射實驗器材的改進》一文稱：“用兩用氣筒充入香煙煙霧……”筆者認為，該文所述“香煙煙霧”，在科學上叫做“示光性添加劑”，雖在一定程度上顯示了光路，但產生了無法解決的科學邏輯矛盾：加了諸如蚊香煙、甘油、牛奶等示光性添加劑后，傳光介質就相應地變成了“煙和空氣的混合氣體”、“甘油水”、“牛奶稀釋液(水溶液)”了。怎么能說看到的是“光在空氣、水中的傳播”呢?

第五，在拙作《<光的反射折射演示器>新型自制及使用》(獲南通市教育局論文評比一等獎)中，不用“示光性添加劑”，概念上將演示器中光束分成二劈(瓣)，“一劈”由“示光質”(不同于“示光性添加劑”)顯示光路，“另一劈”則真實地從空氣、水中傳播。“另一劈”通過“一劈”間接地顯示出來，它具有邏輯上的嚴密性，避免了“示光性添加劑”存在的科學邏輯矛盾。

綜上所述，筆者認為，教具自制絕對不能憑空想象，而應依據相關科學原理進行實際研制，并經過實際檢驗。實踐是檢驗真理的唯一標準。

科學研究人員如果缺乏一種“打破砂鍋問到底”的探索精神(科學精神的精髓)和深究能力，就出不了研究成果，更永遠也孕育不出諾貝爾獎來。毋庸置疑，包含科學精神在內的科學素養是理科教師必備的基本素養。

任何時候我們都應牢記，科學性是物理教具制作(實驗儀器自制)的靈魂，科學性原則是實驗教學的最高原則。

物理教師在其學科教學活動的全過程中，應當嚴謹治學，全面而深入地貫徹素質教育要求，強化科學精神，力求物理真諦，力戒虛浮訛謬，著力提高教學的“功率因數”，不辱科學教育之使命。高職稱教師尤其是物理名師更應樹立表率，垂范于人，為國民物理素養之切實提高與物理專門人才之前期性啟蒙性培養，作出與自己專業身份相稱的“有用功”，創造出真實有效而非虛擬化甚至虛假化、泡沫化的驕人業績。

謹以此共勉。