偏振密碼演示儀的設計與應用

王剛　楊廣武　徐義爽　陸小翠　馬增紅

關鍵詞 偏振密碼;演示場景;應用案例

演示實驗利用生動的實驗現象闡釋物理原理，在大學物理課堂教學中應用廣泛[1-3]。光的偏振現象在日常生活中具有廣泛的應用，利用偏振現象制作的演示儀器眾多，傳統演示實驗儀器的使用一般以現象觀察和理論分析為主[4]，學生缺乏實際操作尤其是設計制作演示儀器的機會。對于應用型本科院校來說，學生頭腦靈活，動手能力較強，但理論知識儲備相對薄弱，這種情況下如何給學生提供儀器設計制作機會又兼顧學生的理論知識水平成為了大學物理課程教學中不容忽視的問題。為了解決這個問題，本團隊設計了偏振密碼演示儀，并將該儀器應用于大學物理課堂教學和科普活動中。提出利用演示儀器構建場景吸引學生的注意力，促進理論知識的學習。同時通過小組討論的形式分析偏振密碼的原理;通過密碼設計鼓勵學生創新;通過密碼拼接和儀器組裝給學生提供參與儀器制作的機會;通過科普展演傳播知識，提高學生服務社會的意識。

1 實驗裝置

偏振密碼演示儀主要由光源、濾光膜、密碼層和觀察片制成，其結構如圖1所示。偏振密碼演示儀在框架底部上安裝了磁鐵可以直接吸在黑板上，光源前安裝紅色濾光膜產生紅光，密碼層用不同偏振化方向的方形偏振片拼接出兩組密碼圖案，觀察片為偏振化方向特定的偏振片。

密碼層圖案拼接及偏振化方向如圖2所示。圖中的小正方形代表偏振片，淡色表示背景，淺色和深色分別拼成“2021”和“100”。圖中短線代表偏振化方向，背景的偏振化方向水平，“2021”和“100”的偏振化方向分別與背景的偏振化方向成-60°和+60°角。

偏振密碼原理圖如圖3所示。可以看出，當觀察片的偏振化方向與背景的偏振化方向成+30°角時，“2021”和背景的偏振化方向分別與觀察片的偏振化方向成+30°和-30°角，由馬呂斯定律可知，穿過觀察片后，兩者的光強相同，“2021”與背景融為一體，肉眼無法區分二者。而此時“100”與觀察片的偏振化方向垂直，因消光而呈現黑色，可以看到“100”顯現出來，見圖4（a）。將觀察片上下翻轉，觀察片的偏振化方向與背景的偏振化方向成-30°角，同理，此時只能觀察到“2021”，見圖4（b）。

2 偏振密碼演示場景的構建思路

演示實驗在大學物理課程中的使用由來已久，演示實驗豐富多彩的實驗現象可以迅速吸引學生的注意力[5，6]，提高教學效果。傳統演示過程中，實驗現象的觀察和理論分析相互印證，具有一定的優勢。但對于應用型本科院校的學生來說，理論分析這一環節略顯枯燥。為了使演示實驗的現象更加深入人心，本團隊將認知心理學中的視覺注意的引導效應[7，8]和演示實驗相結合，利用演示實驗現象構建場景，以游戲或講故事的形式進行實驗現象演示。利用該演示儀構建的密室逃脫游戲場景見圖5。

與傳統演示方法相比，構建出的演示場景使演示實驗變成了游戲，豐富了演示實驗的內涵。這種演示形式新穎，內容更豐滿，占用的課堂時間較傳統演示實驗，多出2分鐘左右，卻更加有效地激活了課堂，起到了引起學生的注意，激發學生學習興趣的作用，便于教師進行后續的理論教學。同時，游戲場景中的這組密碼來源于2021年建黨一百周年，實現了在游戲中嵌套一個思政情景，這種小情景的思政教育模式可以將演示實驗與思政教育很好的融合。

3 應用案例

本團隊通過將偏振密碼演示儀用于大學物理教學和科普活動中，提高學生應用偏振知識分析實驗現象、利用偏振知識設計密碼拼接方案、傳播偏振知識的綜合能力。

3.1 理論教學中的應用

在大學物理教學過程中，偏振密碼演示儀的應用主要從實驗現象觀察、理論分析和應用實踐三方面入手，通過對現象的分析和思考，解決前面提出的問題，引導學生在相對輕松的氛圍中學習，使學生體會學習物理的樂趣和利用物理解決問題的成就感。

與傳統演示手段不同，現象觀察過程利用偏振密碼演示儀構建了密室逃脫游戲場景，如圖5中所示。通過在游戲中尋找密碼的過程，將學生的注意力從“物理”引到“游戲”上，在輕松的游戲氛圍下，即使不喜歡物理的學生也會表現出一定的興趣。在游戲過程中提出問題：為什么透過薄片會出現數字？ 翻轉薄片為什么顯示的數字不同？ 學生自然地對其中所蘊含的奧秘非常感興趣。這種情況下再進行理論講解，學生是帶著問題的，在求知欲的驅使下，理論知識不再乏味，配合度明顯提高。

理論分析過程不再是教師主導，而是學生主導。理論知識講解結束后，學生以小組為單位進行討論，分析密碼層偏振片的偏振化方向與觀察片的偏振化方向之間的關系，解開密室逃脫游戲中提出的問題。討論過程中鼓勵學生從不同角度思考，給出不同的答案。學生通過小組討論，畫出背景、“2021”、“100”及觀察片的偏振化方向，是學生主動利用理論分析實驗現象的過程，實現了“學知識”到“用知識”的過渡，加深了學生對光的偏振特點尤其是馬呂斯定律的理解。

通過前面的學習，學生已經掌握了光的偏振特性，理解了密碼層偏振片的拼接原理，在此基礎上學生可以根據已有知識和社會經歷完成密碼層設計，鼓勵學生提出自己的見解。偏振密碼演示儀結構簡單，制作過程包括電腦畫圖、激光切割、密碼層拼接、光源安裝、磁鐵安裝及整體封裝。大部分學生在了解其結構及原理后，都具有將其制作出來的能力，而且儀器組裝拆卸過程都不繁瑣，可以重復利用，適合學生動手制作。這個過程要求學生將物理知識、計算機、激光切割機的使用與儀器制作相結合，提高了學生的綜合能力，為新工科人才培養奠定了理論與操作基礎。具體的教學設計見表1。

理論教學過程中，以游戲場景引導學生觀察實驗現象，同時提出問題引導學生探究光的偏振原理與密碼圖案切換的關系，在此基礎上進行理論講解。隨后結合課堂討論引導學生進行深層次的思考，探究偏振密碼的奧秘。最終要求學生完成應用實踐：密碼層設計。教學過程從觀察開始到設計實驗結束，以演示實驗引導學生參與教學互動，體驗從現象到本質，從特殊到一般，從定性到定量的思維模式，鼓勵學生將學到的知識用于設計儀器和科普活動。同時，利用密碼數字向建黨百年致敬。

3.2 科普活動中的應用

科普活動主要面向中小學生，利用偏振密碼演示儀構建了故事場景，通過講出百年來，在中國共產黨的領導下，人民從風雨飄搖的日子到今天的幸福生活的故事，對參與者進行愛國教育。生動的講解與有趣的實驗現象結合，給孩子們留下了深刻的印象，既增強了愛國教育效果，又引起了孩子的好奇心。在此基礎上，介紹光的偏振現象，達到了普及物理知識的目的。科普展演由師生共同完成，學生通過演示實驗現象，用兒童能夠理解的語言介紹光的偏振知識的過程，將學到的知識講出來，提高了自身的實驗和理論水平。科普展演過程中，學生通過與兒童的互動，可以提高自身的成就感和獲得感，這些都有利于提高學生學習物理的興趣。同時，科普展演活動的公益性也提高了學生服務社會的意識。圖6是參加物理科普展演的師生。

4 效果分析

針對應用型本科院校教學過程中，學生提高動手能力的需求強烈，但理論知識儲備薄弱的問題，本團隊設計出偏振密碼演示儀。該儀器原理與教學內容密切相關，儀器結構清晰，可重復組裝拆卸，適合應用型本科院校學生體驗儀器制作過程。將該儀器應用于教學和科普過程中，為檢驗其使用效果，本團隊將偏振密碼與“穿墻而過”演示儀（見圖7）進行了演示效果對比，發現偏振密碼演示儀較“穿墻而過”演示儀具有實驗現象明顯，演示場景色彩鮮明，且有效觀察距離遠的特點。

本團隊采用電子問卷的形式，對451人進行了演示效果喜愛度調查，匯總結果見圖8。可見偏振密碼演示儀得到了大多數學生的喜愛，說明利用偏振密碼演示儀構建場景的方式，符合應用型本科院校學生的認知水平，且教學效果更好。

5 結語

本文針對應用型本科院校學生特點及教學需求，設計偏振密碼演示儀，并根據該儀器構建演示實驗的場景，將其用于大學物理教學及科普活動中。學生在實驗演示場景的氛圍下學習偏振知識，利用偏振知識設計儀器，通過科普活動傳播偏振知識，提高了應用知識的能力。通過與穿墻而過演示儀進行對比發現：偏振密碼演示儀實驗現象明顯、場景色彩鮮明、有效觀察距離遠，符合應用型本科院校教學要求。