DIY模式的分光计实验教学尝试

许富洋，叶丽军, 陆肖励，邬汝宽

(浙江师范大学 数理与信息工程学院，浙江 金华 321004)

DIY模式的分光计实验教学尝试

许富洋，叶丽军, 陆肖励，邬汝宽

(浙江师范大学 数理与信息工程学院，浙江 金华 321004)

为有效解决分光计实验教学中存在的问题，进行了DIY实验模式的探索。以任务的形式让学生提前进行分光计改进研究，鼓励学生综合应用各种技术手段，在“做中学，学中做”；再用自制的辅助装置进行相关的实验，并交流评比，很好地调动了学生的积极性，取得了较好的教学效果。研制的内置式激光辅助调节装置及基于USB摄像头的数字化辅助观测系统具有制作简单、现象直观的特点，可很好地解决分光计调节及演示讲解的困难，有着很好的推广价值。

分光计；DIY教学模式；激光二极管；USB摄像头

分光计是高校普通物理实验中常用的典型光学仪器，是一种精密测角仪，常被用来测量折射率、色散率、光波波长等物理量；分光计的调节和使用是培养学生科学实验素质的典型实验。然而，在传统的教学过程中，虽然有教师的讲解，但由于分光计结构相对较为复杂，初学者仍会碰到很大的困难，存在学生调节难和教师教学难的双重问题[1-4]。因此，很多教学工作者对分光计进行了多种形式的改进，如增加激光辅助装置、CCD等[5-8]。这些改进给教师的讲解演示带来了很大的便利，但学生少有参与改进制作的机会，在使用过程中也往往一知半解，教学效果仍不尽理想。

针对上述问题，我们尝试在物理专业的实验中引入DIY(do it yourself)模式[9-10]，强调学生自己动手去做。首先，我们将制作分光计辅助装置以任务的形式提前布置给学生，鼓励学生综合运用所学的物理、计算机等各种知识和技术手段，利用实验室提供的相关材料在课外完成；然后，学生用自行制作的辅助装置进行相关的课堂实验，同时，教师进行一些交流评比，引导学生“自己去做，自己体验，挑战自我，享受快乐”。

1 分光计调节难的原因分析

在教学过程中，我们发现分光计调节难的主要原因在于望远镜视野较小，作为调节判据的“绿十字叉丝反射像”较弱，不易被观察到，使得学生在实验中难以建立起明确的调节操作与调节结果的因果联系。作为初学者，学生往往缺乏对分光计各组成部件的足够了解，且实验光路亦非直观可见，在很大程度上增加了分光计调节的难度。另一方面，在分光计调节中，由于作为基础的粗调凭借的是目测评判，学生很难把握粗调的质量，粗调不到位时，学生或束手无策，或盲目调节，使得分光计的调节难度大增。要快速有效地调节分光计，就要克服实验操作的盲目性，了解每步调节的实质作用。而最简单的方式就是将每步调节的结果直观地呈现出来，确保每个操作的有效性。在布置任务时，将普遍存在的一些不足、问题抛给学生，让学生有针对性地进行思考、改进。

2 DIY分光计辅助实验装置

2.1 内置式激光辅助调节装置

目前报道的辅助调节装置多是外置式的，即在分光计相关部件的外围设置直观可见的“调节判据”，如加装水准泡、激光准直装置等。这些措施可以大大提高粗调的质量，但无法有效应用于细调或具体实验。为此，有学生对阿贝式望远镜的原有光源进行了改进，制作了内置式的激光辅助调节装置，使原先的弱十字叉丝像变成了亮十字叉丝像，使望远镜的调节变得目的明确、简单易行。

图1为阿贝目镜式望远镜结构及光路原理图。由于望远镜发出的绿十字光强较弱，加上望远镜的视场很小，仅为3°22′，导致绿十字叉丝反射像经常不在望远镜的视场中，操作者无法直观地判断反射光的偏离方向。图2为改进的辅助调节装置示意图，包括改进的小灯泡光源、新增的激光二极管光源及塑料板观察屏。将图1中的绿色小滤色片拆下装入原配的光源套筒即为图2(a)所示的小灯泡光源。将激光二极管安装在另一个光源套筒上，由于二极管尺寸较小，需另外加定位固定装置，使其出光孔位于套筒中心，如图2(b)所示。这样激光可准确照到阿贝目镜式望远镜棱镜P上，再通过其物镜出射。由于激光发散角较小，出射光截面仍为十字形状，在此统称为十字叉丝像。如图2(c)所示的塑料板观察屏由磨毛的薄透明塑料板制作而成，通过固定接口固定在望远镜的物镜上，可在塑料板上绘制参照分划板，分划板的上下水平线对应于阿贝目镜中的调整叉丝与测量叉丝的水平高度。

图1 阿贝目镜式望远镜

图2 辅助调节装置示意图

另外，分光计由自身专用的变压器供电，电压为-6.3 V。因此，根据激光二极管的参量，还需制作电路板进行稳压，电路图如图3所示。这样，激光二极管就可以直接插到分光计专用变压器的接口上了。

图3 激光二极管稳压电路图

以激光二极管为光源，同时把塑料板观察屏固定在望远镜物镜上的内置式激光辅助装置由于光强较强，很容易在观察屏上找到十字叉丝像，如图4所示。在调节过程中，按各半调节法的要求，直接在观察屏上进行观察调节，每步操作目标明确，现象直观清晰；实验时确保十字叉丝像已调至观察屏上的相应叉丝位置，亦即对应于阿贝目镜中的相应叉丝位置。若要进行精确调节或定量测量，则可换上小灯泡光源，此时，分光计已基本处于工作状态，若有偏差，只需作细微调节，快捷高效。

图4 辅助装置实验效果图

2.2 数字化辅助观测系统

为便于教师讲解演示以及缓解学生长时间实验的视角疲劳，目前有一些将CCD用于辅助观测的报道；但其成本相对较高，不易在分组实验中推广。为此，有学生利用较为普及的USB摄像头，并结合VB语言设计制作了辅助观测系统。

图5为数字化辅助观测系统软硬件构成示意图。因为一般实验室均配备有计算机，故额外增加的仅为USB摄像头及相应的连接套筒，成本低廉。实验时，可将摄像头当成数字化的眼睛，先将摄像头镜头及望远镜目镜进行调焦，使得摄像头拍摄到的分划板叉丝清晰，并且当摄像头镜头的入瞳与望远镜目镜的出瞳重合时观测效果最佳，此时再将连接套筒的相关螺丝拧紧。此外，结合VB语言及一些开源视频控件，如Avcapture，只需进行简单的编程即可完成观测界面的制作，如图5右下侧所示，可方便地实现实时观测，图像拍摄、保存等。经实验验证，目前市场上比较普及的USB摄像头能较好地满足一般的学生实验要求，可作为廉价的图像传感器件使用。

图5 数字化辅助观测系统软硬件构成示意图

3 结束语

在分光计实验教学中引入DIY模式，将原先

实验中普遍存在的一些问题抛给学生，让学生在课外查阅相关文献资料，设计制作辅助实验装置，在“做中学，学中做”，再用自制的辅助装置进行相关的实验，并进行一些交流评比，能很好地激发学生的实验兴趣，对培养学生的实验技能和创新能力大有裨益。DIY模式的分光计实验给学生创造了运用所学的光学及计算机等知识的机会，有利于引导学生将理论与实践真正联系起来。学生通过分光计辅助实验装置的设计制作可以深化对分光计构造原理、计算机观测手段等的认识，制作的分光计辅助装置又可作为实验成果或器件演示各种相关现象，从而能更好地激发学生的实验兴趣，提升实验效果。

[1]杨述武. 普通物理实验[M]. 3版. 北京:高等教育出版社, 2000:57-63.

[2]王小怀. 分光计调节和使用中的困难及解决措施[J]. 实验室研究与探索, 2007, 26(2): 35-37.

[3]刘丽飒, 李强, 朱江，等.示教分光仪在本科基础物理实验教学中的应用[A].教育部天文与物理学教学指导委员会，中国高校实验物理教学研究会.第六届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集(上)[C].西安： 2010: 217-219.

[4]陆改玲, 计晶晶, 陈霞. 分光计调整中的困难和解决方法[J]. 科技传播, 2012(8): 69-70.

[5]樊旭峰, 单亚拿, 卢雁，等. CCD摄像技术用于分光计实验的研究[J]. 大学物理实验, 2005, 18(1): 36-38.

[6]王国栋, 刘明熠, 刘静，等. 基于CCD成像的分光计演示实验设计与应用[J]. 物理与工程, 2009, 19(6): 45-47.

[7]夏湘芳, 陈光伟, 李陵伶.分光计的激光辅助调节装置[J]. 物理实验, 2007, 27(4): 34-36.

[8]王小怀, 李卓凡. 分光计快速调节辅助装置的设计与制作[J]. 大学物理实验, 2012, 25(1): 25-27.

[9]李玉峰, 熊建文. 综合物理实验中开设DIY低成本计算机辅助实验设计[J]. 实验室研究与探索, 2010, 29(2): 62-64.

[10]叶丽军, 许富洋, 郑建龙，等. 普物DIY实验模式的探索与实践[J]. 实验室科学, 2014, 17(2):130-133.

An Attempt of DIY Teaching Mode in Spectrometer Experiment

XU Fuyang, YE Lijun, LU Xiaoli, WU Rukuan

(College of Mathematics, Physics and Information Engineering, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China))

To overcome the problems in spectrometer experiments, an attempt of DIY teaching mode is employed. It is carried out as follows: Firstly, an assignment of improvement is given to students in advance, encouraging them to use different techniques, “Learning by doing, doing by learning”; Then, the students should do the experiment with auxiliary unit made by themselves, accompanying with some activities of communications and appraisals. Actually, enthusiasm of students and results in teaching are all greatly improved in this way. It is worth to recommending that built-in laser auxiliary unit and USB camera auxiliary observation system, which has the advantages of convenient fabrication and intuitive phenomenon, can improve adjustment and demonstration of spectrometer experiments well.

spectrometer; DIY teaching mode; laser diode; USB camera

2014-09-25；修改日期:2014-10-19

浙江省2014年度教育技术规划课题(JB004)；浙江师范大学科研项目(人文社科类)(JYGL201333)；浙江师范大学教改项目。

许富洋(1981-)，男，工程师，主要从事物理实验的教学与研究工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.005