趣味实验在大学物理光学教学中的应用

杨鹤，刘晓军，庄文漪

趣味实验在大学物理光学教学中的应用

杨鹤，刘晓军，庄文漪

（齐齐哈尔大学 理学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

分析了大学物理光学课堂教学的现状，结合光学学科特点以及教学中存在的薄弱环节，提出将趣味实验应用到大学物理光学教学中的教学方式．针对光学教学中的抽象物理规律以及重点和难点，分别从几何光学和波动光学2方面列举了趣味实验的实例，为学生随堂进行趣味实验提供了参考．通过这种教学方式引导学生对光学现象进行观察和思考，达到良好的教学效果，实现了课堂教学和实验的有效融合．

大学物理；光学；趣味实验

大学物理具有丰富的物理知识和技能，同时包含大量的社会科学知识，蕴含丰富的科学思维、科研方法、科学态度和科学精神．因此，大学物理教学不仅传授科学技术知识，也培养学生的科学素质[1]．光学作为物理学的一个重要分支，其教学手段和方法也正在向多样化方向发展．激发大学生对光学学习的兴趣，培养积极思考的习惯，提升学生的科学素养是大学物理的教学目标．为了改变传统的灌输式教学模式，在教学中应用趣味物理实验，使教学氛围更加适合大学生的心理特点，达到理想的教学效果．

1 大学物理光学教学现状

在大学物理光学教学中，学生面对繁杂的光学原理和难解的题目，其情绪有时多变且易产生厌烦心理．趣味实验利用最常见的生活物品设计简单的物理实验或物理模型，教师通过引导学生课上操作、布置动手作业等方法，激发学生对光学的学习兴趣，使学生投入更多的精力学习光学课程，更透彻地理解其抽象的概念和原理．物理是一门以实验为基础的学科，利用小实验这种直观且简单的方式进入到课堂中，使学生真正感受物理学的魅力且接受知识．

1.1 光学学科特点

从原始社会的篝火到现今各种复杂仪器下的光学现象，人类对光学的探索随着人类文明的进步而不断深入．大学课堂中的光学主要研究的是光自身在传播过程中的各种现象以及光和其他物质之间的相互作用．大框架下分为几何光学和波动光学以及量子光学3部分，在教学过程中把几何光学和波动光学作为教学的重点．波动光学，即以光的本性——波动性为基础，研究光的传播及其规律；几何光学则是运用几何知识处理光的折射、反射、色散等光学问题．在光学的教学内容中存在大量的光路和丰富的光学图像，而且光学图像大多复杂多变，采用手工黑板作图或者通过多媒体投影显示的光学图像都不够形象、逼真，并带有主观意识[2]．

1.2 教学现状分析

大学物理课堂具有班额较大、各个专业混合、学生程度参差不齐等特点，所以在光学课堂上教师为了便于管理主要是采用讲授法作为教学方法，这种方法虽然让整个物理课堂结构完整、思路清晰，但是缺乏一定的趣味性且学生参与感不强．这就导致在大班额的课堂环境下学生很容易分散注意力并失去兴趣，一个学生失去了学习的兴趣就会影响其身边的人，这样的连锁反应将导致整个班级学习氛围不高．学生对光学是否感兴趣，对学好光学部分就显得尤为重要，而趣味实验可以提高学生兴趣．从提高学生注意力和学生学习兴趣出发，继而带动整个课堂．光学实验是大学物理理论课程学习的一个重要补充，它使学生通过实际操作和观察获得比理论学习更直观的印象，加深对知识的理解[3]．本文选取现象较为明显的小实验穿插在课堂中，为真实的光学教学提供一定的参考．

2 趣味实验在光学教学中的应用

2.1 趣味实验在几何光学中的应用

几何光学作为人类最早形成的光学理论，以在同种均匀介质中光沿直线传播为物理依据，运用一定的几何知识解释一些光学现象和光学问题．大学物理光学中最重要的几何光学问题就是全反射，光的全反射作为几何光学中非常重要的部分，是对反射与折射的深化．全反射在教学过程中，学生尽管掌握了全反射的形成条件，但在实验中不易理解全反射的真实现象，所以教师在教学中存在一定的障碍．在讲授这一内容时教师在介绍完理论背景后，布置学生利用生活中触手可得的实验仪器，在课堂中让每个学生都进行全反射简易实验，教师简要介绍且督导学生完成实验，并对现象进行总结和解释，帮助学生更直观地理解这一光学问题，激起学生求知欲，有助于对概念的理解并为后续学习做扎实铺垫．

关于全反射小实验的设计，利用了当光从光密介质射向光疏介质时，若入射角大于或者等于临界角，会将光全部再反射回光密介质中，不会发生折射[4]．因此，选择水作为光密介质，空气作为光疏介质非常合适，不仅可以观察到光路，还可以实现全反射现象．当水从小孔中流出时，在水流与空气的边界处会形成一个“全反射”面．在水流里传播的光线，只要与全反射面的夹角小于它的全反射角，就不会穿出水流，而是沿着它传播（见图1）．进行全反射小实验时的装置主要由塑料瓶、激光笔、钉子、水等组成．首先，用钉子在塑料瓶中间位置扎个小洞．瓶身打的小孔不易过小或者过大，过小的小孔会使水流太小不易观察，过大则水流失过快，不宜观察到现象．向塑料瓶中注入适量的水，加水时水位要超过小孔一定高度，否则水无法从小孔流出．所以注水过程中用手按住小孔，防止水流出．其次，在瓶子小孔的另一侧用激光笔对准小孔，激光笔照射时一定要与小孔位置对准，否则将小孔松开则不会有光路流出．此时将手指松开，让水流出，观察到当激光笔从瓶子小孔的另一侧照射小孔时，可以看到一条光亮的通路，将手指放在流出的水柱，会发现用手指接住了流出来的激光（见图2）．

2.2 趣味实验在波动光学中的应用

图1 全反射原理

图2 全反射实验

2.2.1 光的干涉实验的设计 光的干涉是学生在学习完光波及其相干条件后接触的第一个特殊现象，在本节课之前，学生对几何光学中同种均匀介质中光沿直线传播牢记于心．所以在教学过程中将趣味实验放到引课部分，让实验现象与学生前概念背道而驰，使学生在学习知识前产生强烈的求知欲．

此部分趣味实验设计是利用生活中简单的器材来演示杨氏双缝干涉．课前让学生自行分好学习小组，每个小组准备一支激光笔和一把美工刀，课前教师给每个学生分发一张锡箔纸．首先，固定激光笔的位置，利用一个白纸作为光屏，打开激光笔目测激光笔在白纸上形成光斑的直径．然后，在锡箔纸上用美工刀刻出远小于光斑直径的2条足够细的缝（最好不超过1 mm），如果缝细过宽，激光将直接透过缝隙打在光屏上不会形成干涉图样．根据学生的前概念光沿直线传播，他们会认为在光屏上会出现2个光斑．此时操作实验，介绍著名的杨氏双缝干涉，说明激光在透过双缝后并没有沿直线传播．通过实验现象发现光斑明暗相间的特点，画出激光传播的光路图并计算光程差．

2.2.2 光的衍射实验的设计 除了光的干涉现象外，由于波动性光也会发生衍射现象．衍射现象主要分为菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射两大类，且菲尼尔衍射光强分布计算较复杂，在教学过程中把较为简单的单缝衍射、夫琅禾费衍射和光栅衍射作为教学的重点．在光栅衍射的实验中明条纹亮度高且界限清晰，并且生活中常见的物品光盘就可以作为光栅，不同光盘的光栅常量也不同，可以培养学生的动手能力．该部分设置的趣味小实验是在学习完整个光栅衍射后，在课上，每个学习小组利用光盘和一个激光笔设计一个光的衍射实验，计算最终所选定光盘的光栅常量，撰写完整的实验报告并将实验报告得分计入期末成绩．

在趣味实验的仪器选择上，为了更贴近大学生生活让器材更易获得，让学生课前准备一个光盘．由于光盘轨道间距很小，所以在一定区域可将光盘视为反射光栅．在实验开始前，调平整个光学系统，首先，固定光盘位置使其垂直于桌面．将激光调到常亮状态并水平射出激光，若发射激光不水平，后续对点调平困难，调节固定的光盘使光盘和激光笔处于同一平面，并且发射的激光处于光盘的适中位置．然后，调整光盘位置，使激光正好可反射回发射点．调平光学系统是实验最关键的一步，看似简单但需要学生足够耐心细心，调平后可以开始观察衍射现象．这一步需要学生自行制作一个适当大小的光屏，可以选用大小合适的硬纸板，若选用A4纸太软不利于数据的记录，若纸板太小不能承接足够多的实验现象，选取合适的光屏后在纸板中央用铁丝扎一个小洞，调整硬纸板小孔位置使发射激光恰巧通过纸板打在光盘上，此时固定光屏位置，可以在白纸板光盘一侧观察到衍射现象．

通过衍射现象的观察并测量数据，计算出光栅常量．根据学过的知识可知光栅方程为

实验模拟见图3．

图 3 实验模拟图

由图3可知

3 趣味实验教学效果及建议

3.1 趣味实验教学效果

光学萌芽于人们对自然现象和生活中的光现象的探索和研究[6]．人们之所以能看见物体，是因为有光进入到人们的眼睛．物理小实验在光学课堂中正是运用了光这一直观的特性，展开了实验和理论的交叉式教学．这样的教学安排提高了学生的积极性和主动性，使其尝试用具体的小实验分析理论问题，在实验过程主动思考、发现问题，并促进对相关理论知识要点的学习和理解[7]98．大多数学生体验到了趣味实验课堂的快乐后，其考试成绩以及对复杂知识的接受程度也证实了该趣味实验应用到课堂中具有较好的教学效果．

由理论分析和实践教学可知，通过引入实验推动理论教学以及将理论与实际应用充分结合的策略，可以在很大程度上激发学生学习物理的兴趣，调动学生学习的主动性和积极性，加深对知识的理解和应用，有效地提高学习效率并提升学生的创新思维能力[8]．并且本文的光学小实验与传统的大学物理光学实验相比，其实验仪器均来自于日常生活且易得，实验步骤简单实验现象易观察．通过操作完整的实验，学生对于实验目标的完成度和实验数据的处理也可以达到学生走进大学物理实验室进行实验的效果，所以光学小实验在课堂上的应用对学生综合素质的提高有着事半功倍的效果．与演示实验相比，小实验主要提倡学生动手操作，将演示实验的教师演示、学生观察这一模式进行了升华，使实验的操作和数据处理全权落到学生手中，实现真正的集趣味性、操作性、探究性为一体的师生共进的课堂．

3.2 应用趣味实验的教学建议

为了在课堂上高效合理地利用光学小实验，在小实验自身设置上需要注意一些问题．首先，要明确实验目的，引入这种操作性较强的小实验，是为了让课堂更直观、生动和新颖，进而激发学生的兴趣．如果能够很好地利用实验的趣味性、独特性和可变性，就可以设计制作出生动的场景，发展学生的思维[7]99．在不同的课堂上根据不同的教学内容和要求，设计和制作合理的小实验．所以说要明确做趣味实验的目的，不要为了做实验而做实验，这样学生只会观察到实验的表面，不能更深刻地理解实验规律，就更谈不上更好地掌握物理知识．

其次，光学小实验是通过学生操作观察体现它的功能．因此，在设计制作演示实验时，必须确保实验现象是可见的，进而让学生对实验原理有直观的认识．这需要在设计和制造过程中注意：为了使实验操作性更强，仪器必须尽可能地向生活靠拢，过程清晰，特别是在实验结果上现象必须要明显，让学生通过感受效果来得到满足感．这样学生能够更直观地了解物理现象的本质，更好地探究物理规律．

最后，课堂教学时间是非常宝贵的，学生在进行实验时所犯的错误不仅会耽误课程时间，还会让学生对他们的结论产生怀疑．因此，教师在进行课程规划时，可以适当地调整小实验的操作时间，例如：一些启发性的光学实验可以布置学生在上课前完成，教师可以通过学生上交的实验视频检查学生的完成效果，这样不仅保证了上课的时间还发挥了小实验的最大作用．一些创新探究型的实验，教师则可以在相应理论学习后以课后作业的形式将实验布置下去，学生运用相应的理论自行探索实验过程，培养学生的创造性．

4 结语

小实验在光学课堂中的引入，学生能学到研究物理的各种实验方法，为以后的学习打下坚实的基础，养成良好的学习习惯，提前感受实验操作的魅力[9]．因为光学实验教学的质量对于学生们学习光学方面知识十分重要，所以有关的高校和教育集团要根据国家现在的光学实验教学中的典型问题进行高效的分析，然后进行改进[10]．总体来说，我国大学物理在课堂中普遍地加入小实验还是有一定困难的，但是以现在的形势来看，它会受到高等物理教育研究者越来越多的重视，而对于理论和实践相交叉的课堂研究也会加快脚步．经过不断探索，小实验的加入一定会促使大学物理课堂中逐渐形成一套具有特色的教学模式．

[1] 赵春然，朱孟正，尹新国．大学物理光学部分形象化教学探索[J]．牡丹江师范学院学报（自然科学版），2013（3）：75-76．

[2] 严非男，施成龙，汤猛．新工科背景下大学物理教学与演示实验有机融合的探索与实践[J]．教育现代化，2020（34）：137-140．

[3] 杨昶，杨昌虎，黄伟荣．波动光学仿真实验设计及其在大学物理教学中的应用[J]．大学物理实验，2019（4）：113-115．

[4] Kettler，James E．Index of refraction by reflected and refracted rays[J]．Physics Teacher，1994，32（3）：190-193．

[5] 秦哲，张艳峰，王亚如，等．光学演示实验在理论课教学过程中的实践与探究[J]．教育教学论坛，2019（31）：270-271．

[6] 叶松，余建立，邵瑞．浅析“物理光学”课程中的几种教学方法的具体运用[J]．绵阳师范学院学报，2018（5）：32-34．

[7] 杨圆，肖沛，林季资．基于理论与实验融合模式的大学物理课程教学探索[J]．中国现代教育装备，2020（17）：98-99，103．

[8] 李艳虹，罗小兵，丁光前．基于演示实验推动大学物理理论教学的探索和实践：以光的偏振为例[J]．文化创新比较研究，2021（6）：41-43．

[9] 黎芳，魏京花．大学物理演示实验在光学中的探讨与实践[J]．教育教学论坛，2014（1）：198-199．

[10] 李瑞，刘鑫鹏，徐林轩，等．计算机仿真在光学教学中的应用[J]．大学物理实验，2020（5）：113-117．

Application of interesting experiments in university and college physics optics

YANG He，LIU Xiaojun，ZHUANG Wenyi

（School of Science，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Analyzes the current situation of university and college physical optics classroom teaching，combines the characteristics of optics disciplines and the weak links in teaching，and proposes a teaching method for applying interesting experiments to university and college physical optics teaching．Aiming at the abstract physics laws and key points and difficulties in optics teaching，examples of interesting experiments are listed from the two aspects of geometric optics and wave optics，which provides a reference for students to carry out interesting experiments in class，and guide students to optical phenomena through this teaching method．Observe and think，and then achieve a good teaching effect，and realize the effective integration of classroom teaching and experiment．

university and college physics；optics；interesting experiment

O4∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.02.021

1007-9831（2022）02-0106-05

2021-08-07

杨鹤（2000-），女，黑龙江哈尔滨人，在读硕士研究生，从事物理教学研究．E-mail：1055279889@qq.com

刘晓军（1972-），男，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，硕士，从事物理教学研究．E-mail：liuxiaojun@qqhru.edu.cn