基于演示實驗推動大學物理理論教學的探索和實踐
——以光的偏振為例

李艷虹，羅小兵，丁光前，閆艷慈，唐笑，周賢菊

（重慶郵電大學理學院，重慶 400065）

大學物理課程是高校開設的一門基礎公共課程，為理工科學生今后學習相關領域的專業知識奠定了一定的物理基礎。眾所周知，物理學是一門研究物理現象、物質結構、物質相互作用和運動規律的自然學科，它的研究范圍大至宇宙，小至基本粒子，因此成為其他各自然科學學科的研究基礎，具有重要的地位。然而，大學物理在實際學習中受到的重視程度遠遠不及其他公共基礎課，在這樣一個大環境下，如何增強高校物理學科的教學成效，塑造孩子們自主思考及解決實際問題的能力，為社會培養一批具有創新能力的人才是關鍵[1]。

1 大學物理理論教學中存在的主要問題

1.1 重視程度不夠

筆者相信大多數任課教師都會在第一節課時對學生強調學習大學物理課程的必要性，以及學好該門課程對科學發展的重要性。但是理想是豐滿的，現實是骨感的，由于考研和考博都不會涉及大學物理的考核，因此對于非物理專業的學生來說，他們從一開始學習這門課時就會將大學物理排在次要的地位。

1.2 學生的抵觸心理

大學物理中的理論課涉及許多的復雜計算和邏輯推導過程，對數學知識也具有一定的要求，因此在一大堆符號和公式面前，學生往往會感到枯燥乏味，很難在課上跟著教師的授課節奏進行學習。此外，大學物理課程的內容更深、更廣，所涉及的有些知識點本身也具有難理解和難消化的特點，給學生留下“難學”的刻板印象。

1.3 大學物理理論和實踐的脫節

大學物理課程包含兩個重要環節： 理論教學和實驗教學。目前，理論課和實驗課作為兩門獨立的課程，存在脫節問題，主要表現為：（1）教學內容的不統一： 一般情況下理論課和實驗課的任課老師由不同的教學班子承擔，而大多數理論課和實驗課教師的交流互動較少，導致在制訂教學計劃時出現教學內容的不統一，理論知識缺乏實驗的驗證，實驗得到不理論知識的支撐。（2）教學時間的不統一：理論課和實驗課開設的時間往往不在一個學期，這會讓理論知識和實驗課之間得不到及時的相互支撐。可見，理課論和實驗課的脫節讓理論知識只是一紙空文，華而不實，無法讓學生有效地理論聯系實際，違背了我們培養新時代復合型人才的目標[2]。

針對大學物理課程所面臨的現狀，我們教師需要順應時代的發展，借助有效地教學方式和手段，一步步消除學生們的抵觸情緒，以興趣為導向引導他們主動學習。目前，有大量的教學改革論文從如何提高學生學習興趣，或者探索理論課和實驗課一體化的教學方式來解決上述問題。然而筆者認為再生動的課堂，它仍然是物理，逃不脫大量的物理量、公式和邏輯推導過程，不可能完全做到像文科教學一樣。因此筆者將借鑒“一體化教學”模式，針對上述存在的問題，著重探討引入演示實驗推動理論教學以及將理論與實踐充分結合的策略，為大學物理理論教學提供新思路[3]。

2 如何推動理論教學

2.1 部分實驗演示課搬到課堂

物理學科是一門實驗型學科，大量的物理知識都在發現、總結和分析實驗現象過程中得到的結論，因此教師可以根據相關章節的教學內容在課堂上進行實驗演示或提前錄制好演示視頻，這將有利于（1）牢牢抓住學生上課時僅有的集中力。相比于煩冗的理論計算推導和空洞的實驗現象描述，學生的注意力更容易被課堂上與理論知識無關的其他的事情所吸引。（2）采用演示實驗進行授課，讓豐富有趣的實驗彌補理論課的枯燥乏味，激發學生的興趣。（3）這種更為直觀形象的展示，不僅可以學習和加深對知識點的理解和掌握，還可以啟發學生進行思考，鍛煉他們總結和解決問題的能力，在解決問題的過程中獲得成就感，在學習過程中獲得自我滿足，進而提高學生對大學物理學習的熱情，充分調動學生學習的積極性，增強他們學好物理的信心[4]。

將演示實驗搬進課堂就需要加強理論課和實驗課教師的交流學習，做到把握重難點，與理論教學在內容上實現統一和互補支撐，這樣既可以在一定程度上減輕實驗課的教學內容，將一些簡單重復性實驗可以調整為更具有創新性的實驗，還有利于提高理論課的教學質量。通過緊密地結合理論和實驗課，有效地提升學生的學習效率，實現教學內容的充實和完整。

2.2 理論與科學技術發展的結合

科學技術日新月異，教師們要根據前沿科技所涉及的物理知識，對所教授的內容進行實時調整，合理安排教學環節。切合社會發展的需求，緊密聯系實際，拉近物理理論知識與現實的距離，讓學生們深刻感受到書本上看似最平淡的物理知識也可以變得如此得高大上，在我們日常生活中發揮著重要的作用，從而認識到理論課的重要性。

要將理論和實際有機結合起來，適當鼓勵學生進行創造性和探究性的研究，有意識地訓練他們形成正確的科學思維方式，做到在本科教育中就開始培養他們的創新思維和科研素養，既可以為今后就業提供競爭力。“合抱之木，生于毫末，九層之臺，起于壘土”。學好物理知識能為將來繼續深造打下堅實的基礎，成為新時代創新型高水平人才的主力軍。

3 演示實驗推動理論教學的實踐——以光的偏振為例

3.1 指導思想

大學物理中的光學部分，不同于其他章節的教學內容，借助光學演示實驗可以更直觀、更形象和更生動地把抽象和復雜的光學現象和本質展現出來，不僅可以從感性認知上激發學生的興趣，誘導他們進行主動的思考，還能從演示實驗中領悟到理論指導實踐和實踐檢驗理論的意義，最終取得更好的教學效果[5-6]。

光的干涉和衍射現象說明了光是一種電磁波，但這些現象并不能告訴我們光是橫波還是縱波。光的偏振現象從實驗的角度上清楚地顯示了光的橫波特性，這是光的重要性質之一[5]。光的偏振現象已經得到了廣泛的應用，尤其是偏振光立體電影，也叫作3D 電影，幾乎每位學生都去電影院看過3D 電影，因為我們在講解相關物理知識的同時，將學生們感興趣的應用作為引入點，不但能夠刺激孩子們的積極性，而且能夠加深學生們對知識點的深入理解，讓枯燥的知識從書本中“活”起來。

3.2 觀察現象激趣引入

師生互動，先做一個小實驗，證明人的左右眼看到的畫面是不同的。能夠區別人視力遠近的理由是兩只眼睛的不同。人眼被大約5 cm 的距離隔開。看到以前線為目標以外的東西，角度是不一樣的，可參照圖1。間隙非常小，但是它通過視網膜發送到大腦，大腦使用這個小間隙產生距離和距離的深度，產生立體圖像。一只眼睛可以看到物體，但是很難區分遠近的距離。按照這個原理，如果拍攝相同的場景，制作具有兩只眼睛視點差異的兩個圖像，讓每只眼睛看到自己的圖像，大腦可以通過眼底使之具有三維的景深感。所有種類的三維實證技術都使用這個原則，本課程的內容是“光的偏振”[6]。

圖1 人眼成像原理

通過展示網絡圖片，對比裸眼3D 電影圖片和佩戴3D 眼鏡的區別，提出問題：3D 電影是如何制作出來的呢？ 我們看3D 電影為什么要戴特殊的眼鏡呢？ 讓學生們戴著3D 電影的神秘感進入該次課學習內容——光的偏振。

3.3 知識講解

通過小實驗互動和舉例實際生活中的3D 電影，已經把學生的積極性調動了起來。下面將以簡短、精練的語言和公式對該節課的知識點進行講解，主要包括自然光、線偏振光和部分偏振光的區別，如何檢驗和獲得偏振光，最后引入馬呂斯定律，完成本次課的講授內容。

首先使用細繩、彈簧圈穿狹縫實驗證明橫波和縱波在穿過狹縫時的不同現象。那么檢驗光是什么波就需要一個對光來說是狹縫的物體，隨之介紹偏振片并說明偏振片可以看成由細小的狹縫組成，它只允許與其偏振化方向的光通過。先使用單張偏振片觀察光源，旋轉偏振片發現沒有什么特別的現象，再將另一張偏振片放在第一張偏振片前面，觀察光透過兩張偏振片后的現象，發現在旋轉第二偏振片時，當旋轉到一定角度時，光不能透過，在整個過程中光強由亮變暗，再繼續旋轉，光強又由暗變亮。

要求學生總結上述現象，嘗試類比細繩、彈簧圈穿狹縫實驗證明是橫波或縱波的方法。自然光通過第一個偏振片P（起偏器），相當于通過了一個狹縫，只有振動方向跟狹縫方向平行的光波才能通過，自然光通過偏振片P 后變成了只有一個方向振動的光波，為線偏振光，但由于自然光沿各個方向振動的光波強度都相同，因此可以正交分解為垂直和平行于狹縫方向的光波，所以不論偏振片P 怎么轉動，都會有相同光強的光波通過狹縫方向，光強不變。當通過第二個偏振片Q（檢偏器）時，只有當兩偏振片的偏振化方向平行，光波強度最強，當兩偏振片的偏振化垂直時，沒有光波通過，光強為零。在旋轉過程中光強的變化可以通過電場矢量分解及光強與電場矢量的關系得到馬呂斯定律：為透射光光強，I0為線偏振光光強，為兩偏振片偏振化方向的夾角。

3.4 理論聯系實際

理論聯系實際，學以致用才是開設大學物理課程的初衷，因此在講解完物理知識后，我們對3D 電影進行揭秘，讓學生們深切地體會到物理知識在實際生產生活中的廣泛應用。在觀看立體電影時，觀眾要戴上一副特制的眼鏡，這副眼鏡一對透振方向相垂直的偏振片，這樣觀眾從銀屏上看到的景象才有立體感。立體電影是一種用兩個相機的鏡頭像人眼一樣從兩個不同的方向同時拍攝場景的電影。在放映過程中，兩臺攝像機拍攝的兩組膠片同時由兩臺放映機放映，這樣兩個略有不同的畫面會重疊在屏幕上。這時，如果你直接用眼睛看，你看到的圖片是模糊的。要想看到三維膠片，必須在每臺膠片機前安裝一個起偏器，從兩個投影儀發射的光在穿過偏振器之后變成偏振光。在左和右投影儀前面的偏振器的振動傳輸方向是垂直的，因此產生的偏振光的偏振方向也是彼此垂直的。投射到屏幕上并反射到觀眾的偏振光的偏振方向不變。當觀眾戴著偏光眼鏡觀看時，每只眼睛只能看到相應的偏振光圖像，也就是左眼只能看到左機器反射的圖像，右眼只能看到右機器反射的圖像，會產生像直接觀看一樣的立體效果。這就是立體電影的原理。

4 結語

經過課堂實踐教學，大多數學生都會用“神奇、奇妙、有趣、生動、深刻”等字眼來形容本次課，隨堂小測試結果也證實了該次課具有較好的教學效果。由上述理論分析和實踐教學可知，通過引入演示實驗推動理論教學以及將理論與實際應用充分結合的策略，可以在很大程度上激發學生學習物理的興趣，調動學習的主動和積極性，加深對知識的理解和應用，有效地提高學習效率并提升學生的創新思維能力。在今后的大學物理教學中，應勇于探索，不拘一格，創新思維，靈活運用，努力引導學生學好大學物理知識，為國家培養拔尖的高層次創新型人才夯實基礎。