大學物理光學實驗教學改革

摘" 要：光學儀器本身的精密性要求實驗者理論水平高、操作細致，高質量完成光學實驗對學生綜合素質的培養有極大幫助。結合實際教學經驗，對物理光學實驗中最常用的分光計、邁克爾遜干涉儀、讀數顯微鏡光學三大件的調節展開討論，分析操作過程中遇到的難點和問題，以加深學生對調節技術的認識和理解。改進光學實驗授課模式，重視儀器的原理和操作，而不是局限于特定的實驗方法。回歸實驗物理的基本理念，探索研究型教學的授課模式，創建基礎與創新協同發展的大學物理光學實驗課程教學新體系，切實增強學生從事科學實驗工作的能力。

關鍵詞：大學物理；光學實驗；分光計；邁克爾遜干涉儀；讀數顯微鏡

文章編號：1671-489X（2025）04-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.04.

0" 引言

在高校應用物理學專業的實踐課程中，物理實驗主要包括力學、熱學、光學、電學四部分實驗內容，其中光學實驗不同于其他幾部分，有儀器精密性高、結構復雜、調節難度大等特點[1-2]。光學儀器操作需要理論知識的密切指導，對學生理論結合實際的能力要求較高。高質量完成光學實驗對學生綜合素質的培養有極大幫助，尤其是自主學習的思維能力。隨著社會科技的快速發展，對高素質人才的需求更加迫切。傳統的物理實驗課堂教學過程中，學生掌握的僅僅是固有的實驗方法，缺乏對實驗內容深層次的思考。尤其是光學實驗儀器調節難度大，加之課堂時間有限，不利于學生實踐能力的培養和課程目標的達成。本文結合光學實驗中最常用的分光計、邁克爾遜干涉儀、讀數顯微鏡光學三大件的調節，對儀器調節常見問題展開分析；提出授課模式的改進方式，促進學生實踐能力的鍛煉和創新思維的開拓；設計思政元素的融入，培養學生精益求精的大國工匠精神；完善課程評價體系，落實全過程育人的教育理念。

1" 光學實驗中常見的光學儀器調節

1.1" 分光計調節及常見問題

分光計是一種能精確測量角度的典型光學儀器，在使用分光計測量角度前需要將儀器調至待測狀態，即望遠鏡、平行光管的光軸在一條直線上，且垂直于載物平臺的中心軸，平行光管射出平行光束，則可認為儀器調節完成[3]。學生在實際調節過程中經常出現一些問題。

1）未按規范步驟逐步調節。有的學生沒有完成目鏡調焦和望遠鏡調焦，直接在目鏡中尋找十字叉絲，更有甚者，在望遠鏡明顯不垂直于三棱鏡光面的位置尋找叉絲像，說明對自準直原理和調焦的必要性沒有清晰認識，導致盲目操作。

2）找不到叉絲像時隨意調節螺釘，使儀器更加偏離待測狀態。有的學生粗調未完成，在視野中看不到叉絲像就一味擰螺絲，載物臺已明顯傾斜還在尋找，說明沒有理解儀器原理和每個調節步驟的目的。

3）調節過程中容易出現只能在一個反光面找到十字叉絲的情況。學生初次接觸儀器缺乏經驗，調節時沒有指導性的方向，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絲的同時，向上或向下調節載物臺下方與另一反光面對應的螺釘，直至兩個反光面都能找到十字叉絲。

分光計的調節需要在掌握原理的基礎上多次練習，只有理解了兩向逼近的過程，明白為何要采用各半調節的方式，才能順利完成調節，而不至于越調越偏。

1.2" 邁克爾遜干涉儀調節及常見問題

邁克爾遜干涉儀是一種典型的分振幅的雙光束干涉裝置[4]。通過調整儀器固定鏡（M1）和可動鏡（M2）的位置關系，可以產生等傾干涉條紋和等厚干涉條紋，從而實現波長等物理量的測量[5]。邁克爾遜干涉儀的調節主要是這兩種干涉條紋的調節。學生在課堂調節過程中經常出現兩個問題。

1）在調節M1方位時，視場中看不到任何條紋。出現該問題的原因可能是M1鏡像和M2的夾角太大，條紋變得很密以至于觀察不到條紋，此時需要校準M1的方位；也可能是M1鏡像和M2距離過大或重合，導致觀察不到干涉現象，需要轉動干涉儀的粗調或微調手輪以改變M2的位置，使條紋清晰可見，方可進行下一步測量。

2）在操作練習中向一個方向轉動微調手輪，等傾干涉條紋圓心有明顯的涌出或淹沒現象，但反方向轉動手輪時，觀察不到這一現象。這是由于螺紋存在間隙，回輪一段距離內M2實際上并沒有發生移動。因此，在測量過程中，要求微調手輪必須沿同一方向轉動，中途不可倒轉，就是為了避免螺距差。邁克爾遜干涉儀的調節難點主要在于等傾干涉條紋需要調節M1和M2相互垂直。

1.3" 讀數顯微鏡調節

讀數顯微鏡是將測微螺旋和顯微鏡組合起來用于精確測量長度的儀器，在相關計量單位應用廣泛。利用牛頓環測定透鏡曲率半徑和測定透明介質折射率是常見的使用讀數顯微鏡的大學物理實驗項目[6]。目前有研究對讀數顯微鏡進行改進設計，如與圖像采集系統聯合使用，避免人眼觀測的誤差。

學生在實際操作儀器時遇到問題、解決問題，這一過程可以讓思維能力得到實質性訓練。學生通過探索學會儀器調節，在獲得成就感、激發求知欲的同時，對儀器的應用產生深入思考，提出新的實驗想法，這都需要建立在對儀器操作足夠熟練的基礎上，因此，掌握調節技術是第一步。

2" 基于光學三大件的探究式實驗教學改革

2.1" 改進授課模式

回歸實驗物理的基本理念，探索研究型教學的授課模式。在光學實驗中，讓學生充分掌握儀器的原理、操作和應用，繼而引發學生進一步思考，自行設計實驗進行相關物理量的測量，培養學生研究性學習能力。借助虛擬仿真實驗，讓學生對復雜的實驗儀器有較為深刻和清晰的認識，達到更好的教學效果[7]。把虛擬仿真實驗應用到光學實驗教學中，借助虛擬仿真技術層層剖析復雜的光學儀器，直觀、形象地展現出儀器不同結構和調節螺釘的作用，增強學生對光學儀器結構、特性和原理的把握。比如，虛擬仿真實驗的講解和訓練讓學生可以充分了解分光計調什么、怎樣調、為什么這樣調，直觀看到每個螺絲調節時綠色十字叉絲像如何變化，以免由于不熟悉儀器而在現場實驗中盲目操作。光學儀器的調節需要反復練習，虛擬仿真實驗可以為儀器調節的練習提供極大便利，方便學生利用任意課余時間練習，有助于學生在線下實驗中高效、準確地掌握儀器操作，從而激發對實驗的興趣和進一步探索的熱情。多次練習也能達到鞏固知識的目的。虛實結合的教學模式能彌補傳統實驗教學存在的不足，使大學物理光學實驗教學更有成效。

探索研究型教學的課程體系，教師教授的內容回歸儀器本身，由學生分組探討并設計實驗方法和研究內容，增強學生的主體作用，激發學生的自主探索精神和創新熱情。由于光學實驗的特點，傳統的實驗教學效果欠佳，一方面，有限的課堂時間無法保證學生掌握儀器操作；另一方面，固定的實驗項目使學生思維受限。對于光學實驗，儀器調節難度較大，應作為固定教學內容，線上線下相結合，確保學生熟練掌握基本儀器調節。幫助學生打好基本功，為進一步測量實驗數據奠定基礎。根據學生的年級和層次設立不同項目，具體實驗項目可以由學生自主選擇，對優秀的學生可以完全開放實驗項目，由學生自主研討設計實驗方案。由傳統的固定實驗項目的教學轉變為“指導性儀器操作+開放式實驗項目”的新體系，如圖1所示。集中開展一次理論課，對常見光學儀器的結構、原理、使用方法和應用進行詳細講解，讓學生充分認識常見的光學儀器怎么調、為什么這樣調之后，再進行開放實驗。光學開放實驗重在儀器調節本身，不同于常規實驗項目按照既定實驗方法測量數據，開放課堂更有利于教師因材施教，根據每位學生不同的特質進行差異化引導，激發學生主動學習、主動探索、實踐與研究的熱情，讓學生不再拘泥于完成課堂任務，充分體現“以學生為中心，以產出為導向”的教育理念，培養符合社會需求的應用型人才。

理論講解與開放實驗相結合的教學方式能使學生在掌握原理的基礎上充分接觸儀器和練習儀器操作，提高操作儀器的主觀能動性，獲得真正的技術本領。在學生掌握儀器的原理和使用方法后，引發學生進一步思考，讓學生自行設計實驗進行相關物理量的測量，培養研究性學習的能力，發展創新意識，對所學的基礎知識和實驗技能開展簡單的應用和拓展練習[8]。研究型教學的授課模式一方面能提高創新型人才培養質量，切實增強學生從事科學實驗工作的能力；另一方面使實驗室資源得到充分利用，學院的實踐教學氛圍更加濃厚。研究型教學的授課模式不僅可以保證學生掌握基本知識和技能，又能讓學生開放思維、大膽創新，提高實踐動手能力。

2.2" 融入思政元素

通過探究式實驗培養學生自主學習、終身學習的能力[9]。在講授邁克爾遜干涉儀等經典諾貝爾獎物理實驗時，通過介紹諾貝爾獎獲得者的實驗研究過程及其設計靈感，向學生傳遞嚴謹的學術思想、堅持不懈的科學素養，培養學生的探究思維能力。在虛擬仿真實驗自主探索儀器調節的過程中，學生通過思考、觀察和反思，增強學習興趣，端正做事態度，追求精益求精的大國工匠精神，在探索中培養思辨的科學思想，在實踐中提煉真知。同時，將課程中涉及的實驗技術與當前我國各領域科學技術的發展和科研成果聯系起來，弘揚強國、大國精神，激發學生的民族自信心和愛國情懷。

2.3" 完善評價體系

教學過程中設置多個線上或線下的反饋節點，借助虛擬仿真實驗云平臺，從預習到理論講解、開放實驗、自主研究，充分體現全過程育人理念[10]。

1）在虛擬仿真實驗環節，學生利用虛擬仿真平臺對實驗內容和儀器具有初步了解。虛擬仿真實驗能提供在線預習手段，讓學生隨時進行儀器調節練習。在線調節是第一個反饋節點，教師通過后臺數據，可以及時掌握學生的預習情況，及時改進線下教學策略和教學重點。

2）在線下實驗教學講授完成后設置互動環節?；迎h節是第二個反饋節點，通過互動環節，教師可以及時了解學生對儀器原理和操作的掌握程度，在學生實驗過程中進行個性化指導。

3）分組研討和確定實驗項目環節，針對同一物理量的不同測量方法、實驗思想和方法的拓展應用等展開研討。課堂研討是教學質量管控的第三個反饋節點，以學生為主體，教師加以引導，幫助學生完善實驗，促進學生對實驗進行深層次思考。

4）實驗結束后以實驗報告形式進行總結與反饋，這第四個反饋節點，教師以此為基礎了解學生的掌握情況，持續優化以促進整體教學質量提高。

完善評分體系，重視實踐過程和學習效果。綜合成績由課堂表現、實踐成績、實驗報告和期末考核多項組成：課堂表現包括課堂發言討論和小組合作；實踐成績評價學生是否能夠正確進行儀器操作和實施實驗步驟；實驗報告考查學生歸納概括、邏輯分析和規范記錄實驗數據與現象的能力；期末考核綜合評價實驗理論知識掌握程度、基本實驗技能、自我學習與反思能力，可以采用研究匯報或研究答辯等多種方式。通過建立全方位、多角度的評價體系提高學生對實踐過程的重視程度，調動學生的主觀能動性，增強學生積極參與和思考的熱情與活力，真正達到應用物理學專業的育人標準。同時，全方位、多角度的評價體系也為選拔實踐和科研人才提供有效參考。

3" 結束語

實驗教學是培養學生動手能力、理論聯系實際能力和創新能力的重要途徑，光學實驗是大學物理實驗的重要組成部分。本文對三臺常用光學儀器的調節進行詳細討論，分析學生在操作過程中遇到的難點、問題及其出現的原因，對學生光學儀器調節能力的訓練具有一定的指導意義。結合光學實驗特點，提出“指導性儀器操作+開放式實驗項目”的新授課模式，該模式已被應用于天津師范大學應用物理學專業的實踐課堂中，并取得不錯的成果。實踐動手能力的充分訓練，對學生畢業論文的完成和進一步的科研工作具有極大幫助。創建基礎與創新協同發展的大學物理光學實驗教學新體系，將思政元素融入實驗教學，建立全方位、多角度的評價機制，更有利于培養創新型、應用型人才。

4" 參考文獻

[1] 王景武，梁桁楠.虛擬仿真技術在分光計實驗教學中的應用[J].大學物理實驗，2020，33（6）：21-23.

[2] 張秀英.提高高校光學儀器設備管理水平的途徑[J].物理之友，2018，34（8）：25-27.

[3] 李心婧，宋新兵.分光計調整對三棱鏡頂角和最小偏向角測量的影響[J].大學物理，2021，40（8）：72-76.

[4] 黨晨，李武軍，王黨社.基于邁克爾孫干涉儀的光波長自動測量系統[J].大學物理，2020，39（8）：31-34.

[5] 吳文娟，李致金.邁克爾遜干涉環紋自動計數系統設計[J].大學物理實驗，2020，33（4）：24-28.

[6] 顧吉林，黎娜，曹東躍.JCD2型讀數顯微鏡測量液體折射率實驗方法改進研究[J].大學物理實驗，2021，34（3）：10-13.

[7] 謝寧，明成國，任曉斌，等.關于大學物理虛擬仿真實驗線上教學的研究和思考[J].中國輕工教育，2020（3）：65-68.

[8] 朱潔蓮，儲鴻，劉湘，等.探究式教學法在有機化學綜合實驗教學中的應用[J].實驗室科學，2023，26（3）：133-137.

[9] 房川琳，熊慶，蘇燕.融合思政元素的無機化學實驗課程建設[J].實驗技術與管理，2021，38（1）：28-32.

[10] 楊浩偉，李迪，李麗，等.高?！白灾鲗W習”實驗教學模式探討[J].中國輕工教育，2020（1）：93-96.

*項目來源：天津師范大學教學改革項目“基于研究型理念的大學物理光學實驗教學改革”（項目編號：JG01222073）。

作者簡介：陸萍，實驗師；白海會，講師；吳杰，通信作者，副研究員，博士。