光學演示實驗在理論課教學過程中的實踐與探究

秦哲 張艷峰 王亞如 胡艷敏

摘要：闡述了演示實驗在理論教學課堂中對學生學習的重要性，探究大學課堂中波動光學演示實驗的實施方案與過程以及存在的問題。

關鍵詞：物理教學；演示實驗；波動光學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）31-0270-02

一、引言

教師開展教學活動都應本著“為了一切學生，為了學生一切，一切為了學生”的基本原則。物理演示實驗進課堂，也是本著這樣的原則。首先，傳統的課堂更注重講概念，講理論，講公式推導，但是很多概念都是抽象的，學生理解起來比較困難。其次，理論與實際脫節問題很嚴重。很多實驗課的開展都是在理論結束后很長時間才進行，有些甚至是對應理論課還沒有開始之前，各學校根據教學總體安排導致實驗課不是超前就是滯后，理論和實際結合不緊密，嚴重影響了學生的學習興趣和學習效率。最后，教學要以學生為中心。我們在課程講授過程當中學生需要什么樣的教學實驗來演示基本原理，教師要想盡一切辦法來開展教學設計和實施，以滿足學生的求知欲。物理演示實驗儀作為教學的輔助性手段，它具有體積小、質量輕、便攜帶等特點，在課堂教學需要的時候，隨時可以進行演示教學，不受地域和時間的影響。因此，物理演示實驗對理論教學具有非常重要的作用，因此演示實驗進課堂應該向各高校推廣。清華大學以及北京工業大學等高校具有完備的演示實驗樓和教學系統，在這方面他們已經走在了很多高校的前面[1]。

二、波動光學是一門以實驗為基礎的學科

波動光學理論的研究加深了人們對光的本質的認識[2]。它對實際的生產和應用具有很強的指導作用，以干涉原理為基礎的干涉計量術為人們提供了精密測量和檢驗的手段；而衍射理論則給出了提高光學儀器分辨本領的方法；衍射光柵可以用來實現光譜分辨和分離，這也推動了光譜分析的發展；偏振理論可以用來對巖礦晶體進行檢驗和測量，也是目前比較熱門的3D電影使用的基本原理等。

所有這些光學理論的產生離不開光學現象和實驗，實驗現象引發理論研究，而理論模型又要合理解釋實驗現象。因此，在教學過程中對實驗現象的引入和描述是非常重要的，它有助于培養學生的觀察能力，激發學習興趣，有助于他們擺脫傳統的乏味的理論推導，積極參與思考和創造，也有助于讓學生從已知領域向未知領域過渡。學生只有理解理論建立和發展的過程，才能去解決在未知領域遇到的難題。

三、波動光學演示實驗進課堂

《波動光學》課程中引入演示實驗，可以在一定程度上解決學生學習波動光學興趣不濃厚、理論和實際脫節的問題。楊廣武老師課題組發明的“便攜式波動光學演示儀”，具有體積小、重量輕、方便攜帶、便于進行課堂演示實驗教學等特點，在理論教學過程中收到了良好的效果。這套光學儀器套裝（實物圖如圖1所示）分別能完成以下演示實驗：

1.雙縫（不同間距）和多縫（三縫、五縫）干涉。

2.固定縫寬的單縫衍射（四種不同寬度的單縫）。

3.不同直徑的單絲衍射（三種不同直徑鋼絲）。

4.縫寬連續可變可測的動態單縫衍射。

5.小孔衍射（包括圓孔、矩孔、三角孔等）。

6.一維光柵衍射（三種不同光柵常數）。

7.正交光軸衍射（三種不同規格正交光柵）。

8.偏振（馬呂斯定律）。

此演示實驗采用便攜式大功率激光器作為光源，完全適用在任何教室進行課堂同步實驗，既能定性演示，又能定量地驗證相關物理規律，實現理論和實驗的有效結合。光源有紅、綠兩種波長同時工作，在課堂演示時同步進行，可以對比不同波長對應的實驗現象。可調單縫配合能磁性吸附在黑板上的標尺，可以動態、定量地測量和驗證相關的波動光學理論規律[3]。

此演示實驗儀包括《波動光學》課程所涉及的干涉和衍射理論的基本實驗。根據教學大綱，明確教學目標，在課堂通過演示實驗引入光學現象，提出問題，激發學生學習的興趣。課堂中帶著問題去進行課程基本知識和內容的講解和公式的推導，最后將推導結果與演示實驗結果做比較，對比異同，讓學生來分析和總結原因，學生通過有針對性地學習，也明確了學生目標，牢固掌握了基本概念，也提高了分析問題和解決問題的能力。

四、存在的問題

凡事都有兩面性，演示實驗雖然是物理教學的重要組成部分，雖然對教學有幫助，但不合理或不規范地使用，也會出現很多問題。

1.教學目標與過程匹配問題。從演示實驗的作用上來劃分，主要分為課前導入、獲取結論、原理應用三種類型。在實際的教學過程中，一定要明確這堂課使用演示實驗所要達到的教學目標，所用的演示實驗要用在哪個教學環節，為了使學生獲取什么知識，是物理現象的引入，還是現象的定性解釋，抑或是原理的應用？這些都要在課前搞清楚，否則在使用過程中，學生可能對概念或規律一知半解，最重要的結論也沒有學明白，最終白忙活一場。

演示實驗儀一般結構較為簡單、小巧、形象、真實、富有趣味性和啟發性，合理引入可以增強學生的學習興趣。但是如果老師使用不當，不能與教學目標結合起來，演示時過分重視演示實驗的技巧性和觀賞性，而不去強調實驗的科學性和操作的規范性，可能讓學生感覺只是好玩、有意思，但是沒有起到啟發學生、引入思考的作用，更不要提展示物理的科學性和嚴謹性了。學生的學習態度自然無法端正，學習習慣也無法形成。

2.教師操作規范與安全問題。教師要加強學習和提高自身科學素養，對實驗儀器的使用和維護要符合規范，常用儀器的使用方法要明確[4]，比如光學實驗中的各種鏡片、激光光源、電源的使用一定要按照使用說明書規范操作，養成良好的操作習慣，這對于教師自身和學生的安全也是有好處的。

3.占用課堂時間比例問題。普通的課堂教學的課時基本都是固定的，教師根據教學大綱和教學內容完成教學任務。演示實驗進課堂必定會占用一定的課堂時間，這就需要合理把握課堂時間，教學內容也要詳略得當，對于比較簡單的內容不需要教師反復強調，學生認為很容易的知識概念可以略講，而與重點、難點以及與演示實驗相關的內容要詳講，只有課堂有松有緊、有詳有略，才能給實驗騰出時間。另外，演示時間也要控制好，不能因為實驗很有趣，感興趣的同學比較多，而耽誤太多時間影響教學進度。

五、結束語

“千萬萬語說不清，一看實驗就分明。”演示實驗是教師在理論教學過程中為學生展示物理現象、引導學生對實驗現象進行觀察、利用理論教學所學原理對物理現象進行定性或定量分析、幫助他們解決類似或更加復雜的問題的實驗過程。通過演示實驗，不僅可以激發學生的學習興趣，也可以使學生更好地理解和掌握物理規律或原理，從而培養學生發現問題、分析問題以及解決問題的能力。但是要想在平時課堂上利用好演示實驗，需要注意很多問題，比如課時安排、時間分配、操作安全等。因此，合理設計演示實驗教學環節也是非常重要的。

參考文獻：

[1]蘇欣紡.普通物理演示實驗教程[M].北京：清華大學出版社，2014.

[2]趙凱華，鐘錫華.光學[M].北京：北京大學出版社，1982.

[3]楊廣武，李穎，朱飛，等.便攜式雙波長同步對比波動光學課堂演示的實現[J].物理與工程，2016，（s1）：88-93.

[4]李洋洋，朱延楓，王春霞，等.電工實驗教學的安全問題與防范[J].實驗室科學，2015，18（1）：206-208.