大学物理实验课堂教学探索

孙存英， 王宇兴， 王锦辉， 沈学浩， 贺莉蓉， 刘嘉滨

（上海交通大学物理与天文学院，上海200240）

0 引 言

在学校大力提升本科人才培养质量，促进学生创新实践能力的倡导下，本研究着眼于大学物理实验课的各个教学环节，以光学类物理实验为切入点，梳理具体存在的问题并探讨可行性解决方案，致力于提升大学物理实验课的课堂整体培养效果。

1 实验选课现状

随着教学环境、教学条件的改变，上课方式也由原来的固定班级改为网上选课的方式。在以往，学生按固定班级、确定的课程上课；而今，学生按照自己的意愿自主选择要完成的实验项目。学生在选择时多关注眼前利益，事先了解哪些实验容易做，哪些实验容易得分。选课结果是，相对简单容易完成得分高的实验总是几乎满额，而复杂一些的实验选课率只有50%左右。为有效遏制学生选课时的避重就轻现象，2017 ～2018 年度秋季学期工科实验根据实验内容本身的复杂程度大致分为A、B 两类。学生被要求在A、B 两类实验中各完成3 个实验。秋季学期共有14 个实验，12周，每周有6 个时间段可选，每个实验整个学期的最大容量为1 152 人次，根据网络选课数据，该学期每个实验实际选课人次如图1 柱状图所示。

图1 2017 ～2018年度秋季学期实际选课人次分布

由图1 可见，不同实验的实际选修明显不均衡，傅里叶综合实验和光栅的特性研究选修人次最少。光学类物理实验共有3 个：偏振光学实验，光栅特性的研究，全息干涉技术，选课率整体偏低。

光学类物理实验是大学物理实验的基本组成部分，光学元器件的使用，光路的调整，是工科大学生必须掌握的实验技能，所有高校都开设相关的光学类实验项目。为了改善学生选课分布不均衡的现状，提高学生的培养质量，从光学类物理实验作为探索起点，梳理具体实验自身的存在问题，逐一进行解决。

2 光栅的特性研究实验课堂情况

选取本学期工科学生的光栅的特性实验进行课堂情况调查。该实验在暗室中进行，涉及分光计的光路调整，且与实验项目相关的光学内容，大学物理课程还没有讲到，实验前需补充与实验内容相关的知识背景，加上复杂的仪器调节技巧等内容，正常讲授要比一般实验所需时间较长，且该实验讲授时间大部分老师需要35 ～40 min，在人数较多时，拖堂现象比较严重。

3 光栅实验存在的问题及改进

光栅实验的主要设备是分光计。分光计是一种精确测量光线偏折角度的常用光学实验仪器。光在传播过程中，遇到不同媒质的分界面（如平面反射镜、三棱镜、光栅等光学表面）发生反射、折射或衍射，从而改变传播方向，入射光和反射光、折射光或衍射光之间有一定的夹角，它们的关系遵循反射定律、折射定律和衍射规律。借助分光计并利用反射、折射、衍射等物理现象，可完成全偏振角、晶体折射率、光波波长等物理量的测量，其用途十分广泛。近代摄谱仪、单色仪等精密光学仪器也都是在分光计的基础上发展而成的［1-10］。所以，分光计的调整与使用是相关实验的主要课堂学习内容。

3.1 分光计的调节问题

分光计的调节是各相关实验项目完成的基础，调整的依据是刻划板上的各刻线及十字像、狭缝像即中央亮线或零级条纹是否清晰。当刻划板上的各刻线及十字像、零级条纹清晰时，就判断对应调节完成。实验时，有许多学生与老师反映，平行光管调好后，即刻划板上的零级条纹清晰，而当光栅置于载物台后，发现各级衍射条纹不清晰，给测量带来极大困扰。经过反复实验发现，光栅放置于载物台后，微调狭缝的前后位置，能使刻划板上零级条纹再度清晰，同样可以通过微调，可使高级次衍射条纹清晰，并且高级次衍射条纹清晰时，所有衍射条纹清晰。显然光栅的放入影响了狭缝的像位置，所以，调节过程应在高级次条纹清晰后结束，然后进行测量。光栅放入光路对狭缝像位置的影响原因还在探索中。

3.2 绿十字像问题

载物台放上光栅后，经光栅前后表面及其前后保护玻璃片的各反射面反射的多个绿十字像形成重影，影响视野里谱线的测量。从绿十字像的功用来说，当载物台和望远镜调好后，绿十字已经完成使命，这时可以考虑关掉十字照明小灯，使视野里的观察条纹更清晰，有利于观察和测量谱线位置。

3.3 实验讲义内容问题

第2 册讲义没有分光计的调整内容，给学生的预习带来不便，虽然有30% ～40%的学生用过分光计，但大部分都已忘记。所以应该将分光计的调整内容及光栅放入光路后的相关细节调整写进讲义，使学生在预习时能预先了解调节内容及注意事项，有利于学生上课时掌握调节技巧，减少拖堂现象。

4 目前的授课模式，需求及其改善工作

4.1 当前授课模式

目前实验课授课主要是老师结合挂图讲解、演示操作，学生围着老师听讲。对于调节步骤复杂的实验，学生只能看清自己一侧的调节操作，很难将挂图上的结果与各调节操作对应起来、全面理解所有调节过程，人多时，效果更差。目前的上课模式如图2 所示。

图2 目前的授课模式

4.2 新需求及其解决办法

为了使学生能将大学物理所学的理论知识和实验结合起来，相辅相成，提高学生的培养质量，学校设立了匹配项目。新项目要求物理实验也按力、热、电、光的顺序和大学物理的讲授基本同步，试行阶段参与学生的实验课改为必修，每个实验从目前的每次最多16人调整为每次20 人，在确定时段完成对应模块的实验。单次实验人数的增加，对实验教学过程和手段提出了更高要求。

为了满足教学需求，改善教学环境与条件，申请并获批了学校2018 咨询决策项目的实验技术重点项目。项目的目标是为Φ30 mm 分光计配备或改制配件，完成一套实验仪器，使教师的课堂演示操作过程和分光计的目镜视野里看到的画面双画幅同步显示于显示终端，使学生能坐在自己的实验桌前，跟随老师的讲解找到对应操作的部件，让学生能清晰地了解调节操作与视野里看到的现象的对应关系，更好地掌握实验调节技巧，高效地掌握实验技能。该项目所需主要硬件已经完成购置，进一步的工作是找到适合分辨率的图像捕获装置并将图像实时传输于终端，该部分工作计划在2019 年8 月前完成。2019 年9 月起投入实验课堂试用，并根据试用结果优化设备，项目将在2020 年6月完成，该项目的完成有望推广至其他课堂演示教学实践工作。

5 结 语

本研究以改善物理实验课堂教学效果为出发点，以光学类物理实验为切入点，从课堂教学的不同环节，探讨了实验课堂存在的问题并针对性地给出了对应解决方案与措施。具体包括：从选课环节而言，为了使学生的实验知识与技能尽可能全面，实验需要进一步根据完成难易、技能要求等分类，自由度限制在每一类实验中；从实验安排角度，尽可能与大学物理课程的进度匹配，同步开设不同类型的实验，使学生能将在大学物理课上所学理论知识和大学物理实验结合起来，有利于学生对所学知识深入理解并运用所学知识解释实验现象，研究实验规律，识别实验结果的正误及分析异常结果的可能原因；从讲义的角度，尽可能使讲义与实验内容无缝结合，便于学生通过预习了解实验内容；从仪器角度，尽可能使仪器及测量方法完备，保证学生顺利完成实验设计内容。所有工作为大学物理实验课程的全面优化提供了思路，课堂演示设备的研发有望推广至其他有课堂演示环节的教学实践，有利于切实促进学校关于提升本科教学质量，提高学生实践创新能力的教学目标的实现。