光学演示实验在理论课教学过程中的实践与探究

秦哲 张艳峰 王亚如 胡艳敏

摘要：阐述了演示实验在理论教学课堂中对学生学习的重要性，探究大学课堂中波动光学演示实验的实施方案与过程以及存在的问题。

关键词：物理教学；演示实验；波动光学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）31-0270-02

一、引言

教师开展教学活动都应本着“为了一切学生，为了学生一切，一切为了学生”的基本原则。物理演示实验进课堂，也是本着这样的原则。首先，传统的课堂更注重讲概念，讲理论，讲公式推导，但是很多概念都是抽象的，学生理解起来比较困难。其次，理论与实际脱节问题很严重。很多实验课的开展都是在理论结束后很长时间才进行，有些甚至是对应理论课还没有开始之前，各学校根据教学总体安排导致实验课不是超前就是滞后，理论和实际结合不紧密，严重影响了学生的学习兴趣和学习效率。最后，教学要以学生为中心。我们在课程讲授过程当中学生需要什么样的教学实验来演示基本原理，教师要想尽一切办法来开展教学设计和实施，以满足学生的求知欲。物理演示实验仪作为教学的辅助性手段，它具有体积小、质量轻、便携带等特点，在课堂教学需要的时候，随时可以进行演示教学，不受地域和时间的影响。因此，物理演示实验对理论教学具有非常重要的作用，因此演示实验进课堂应该向各高校推广。清华大学以及北京工业大学等高校具有完备的演示实验楼和教学系统，在这方面他们已经走在了很多高校的前面[1]。

二、波动光学是一门以实验为基础的学科

波动光学理论的研究加深了人们对光的本质的认识[2]。它对实际的生产和应用具有很强的指导作用，以干涉原理为基础的干涉计量术为人们提供了精密测量和检验的手段；而衍射理论则给出了提高光学仪器分辨本领的方法；衍射光栅可以用来实现光谱分辨和分离，这也推动了光谱分析的发展；偏振理论可以用来对岩矿晶体进行检验和测量，也是目前比较热门的3D电影使用的基本原理等。

所有这些光学理论的产生离不开光学现象和实验，实验现象引发理论研究，而理论模型又要合理解释实验现象。因此，在教学过程中对实验现象的引入和描述是非常重要的，它有助于培养学生的观察能力，激发学习兴趣，有助于他们摆脱传统的乏味的理论推导，积极参与思考和创造，也有助于让学生从已知领域向未知领域过渡。学生只有理解理论建立和发展的过程，才能去解决在未知领域遇到的难题。

三、波动光学演示实验进课堂

《波动光学》课程中引入演示实验，可以在一定程度上解决学生学习波动光学兴趣不浓厚、理论和实际脱节的问题。杨广武老师课题组发明的“便携式波动光学演示仪”，具有体积小、重量轻、方便携带、便于进行课堂演示实验教学等特点，在理论教学过程中收到了良好的效果。这套光学仪器套装（实物图如图1所示）分别能完成以下演示实验：

1.双缝（不同间距）和多缝（三缝、五缝）干涉。

2.固定缝宽的单缝衍射（四种不同宽度的单缝）。

3.不同直径的单丝衍射（三种不同直径钢丝）。

4.缝宽连续可变可测的动态单缝衍射。

5.小孔衍射（包括圆孔、矩孔、三角孔等）。

6.一维光栅衍射（三种不同光栅常数）。

7.正交光轴衍射（三种不同规格正交光栅）。

8.偏振（马吕斯定律）。

此演示实验采用便携式大功率激光器作为光源，完全适用在任何教室进行课堂同步实验，既能定性演示，又能定量地验证相关物理规律，实现理论和实验的有效结合。光源有红、绿两种波长同时工作，在课堂演示时同步进行，可以对比不同波长对应的实验现象。可调单缝配合能磁性吸附在黑板上的标尺，可以动态、定量地测量和验证相关的波动光学理论规律[3]。

此演示实验仪包括《波动光学》课程所涉及的干涉和衍射理论的基本实验。根据教学大纲，明确教学目标，在课堂通过演示实验引入光学现象，提出问题，激发学生学习的兴趣。课堂中带着问题去进行课程基本知识和内容的讲解和公式的推导，最后将推导结果与演示实验结果做比较，对比异同，让学生来分析和总结原因，学生通过有针对性地学习，也明确了学生目标，牢固掌握了基本概念，也提高了分析问题和解决问题的能力。

四、存在的问题

凡事都有两面性，演示实验虽然是物理教学的重要组成部分，虽然对教学有帮助，但不合理或不规范地使用，也会出现很多问题。

1.教學目标与过程匹配问题。从演示实验的作用上来划分，主要分为课前导入、获取结论、原理应用三种类型。在实际的教学过程中，一定要明确这堂课使用演示实验所要达到的教学目标，所用的演示实验要用在哪个教学环节，为了使学生获取什么知识，是物理现象的引入，还是现象的定性解释，抑或是原理的应用？这些都要在课前搞清楚，否则在使用过程中，学生可能对概念或规律一知半解，最重要的结论也没有学明白，最终白忙活一场。

演示实验仪一般结构较为简单、小巧、形象、真实、富有趣味性和启发性，合理引入可以增强学生的学习兴趣。但是如果老师使用不当，不能与教学目标结合起来，演示时过分重视演示实验的技巧性和观赏性，而不去强调实验的科学性和操作的规范性，可能让学生感觉只是好玩、有意思，但是没有起到启发学生、引入思考的作用，更不要提展示物理的科学性和严谨性了。学生的学习态度自然无法端正，学习习惯也无法形成。

2.教师操作规范与安全问题。教师要加强学习和提高自身科学素养，对实验仪器的使用和维护要符合规范，常用仪器的使用方法要明确[4]，比如光学实验中的各种镜片、激光光源、电源的使用一定要按照使用说明书规范操作，养成良好的操作习惯，这对于教师自身和学生的安全也是有好处的。

3.占用课堂时间比例问题。普通的课堂教学的课时基本都是固定的，教师根据教学大纲和教学内容完成教学任务。演示实验进课堂必定会占用一定的课堂时间，这就需要合理把握课堂时间，教学内容也要详略得当，对于比较简单的内容不需要教师反复强调，学生认为很容易的知识概念可以略讲，而与重点、难点以及与演示实验相关的内容要详讲，只有课堂有松有紧、有详有略，才能给实验腾出时间。另外，演示时间也要控制好，不能因为实验很有趣，感兴趣的同学比较多，而耽误太多时间影响教学进度。

五、结束语

“千万万语说不清，一看实验就分明。”演示实验是教师在理论教学过程中为学生展示物理现象、引导学生对实验现象进行观察、利用理论教学所学原理对物理现象进行定性或定量分析、帮助他们解决类似或更加复杂的问题的实验过程。通过演示实验，不仅可以激发学生的学习兴趣，也可以使学生更好地理解和掌握物理规律或原理，从而培养学生发现问题、分析问题以及解决问题的能力。但是要想在平时课堂上利用好演示实验，需要注意很多问题，比如课时安排、时间分配、操作安全等。因此，合理设计演示实验教学环节也是非常重要的。

参考文献：

[1]苏欣纺.普通物理演示实验教程[M].北京：清华大学出版社，2014.

[2]赵凯华，钟锡华.光学[M].北京：北京大学出版社，1982.

[3]杨广武，李颖，朱飞，等.便携式双波长同步对比波动光学课堂演示的实现[J].物理与工程，2016，（s1）：88-93.

[4]李洋洋，朱延枫，王春霞，等.电工实验教学的安全问题与防范[J].实验室科学，2015，18（1）：206-208.