分光计实验教学的改进

黄剑平 张小英

摘要    “分光计的调整与使用”是大学物理中重要的实验，也是难度比较大的实验。结合教学实践经验，从教学措施和实验技巧两方面，针对分光计实验存在的问题和难点进行了教学改进。教学措施包括：加强预习、摄像头辅助教学、分阶段教学、课后重视实验补做。实验技巧有：采用水准仪辅助调光和避免两个游标读数混淆的方法。这些改进措施简单、实用、有效，提高了学生学习的效率，改进了实验教学的效果。

关键词    分光计;三棱镜;调节;改进

中图分类号：G424    文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.04.038

Improvement of Spectrometer Experiment Teaching

HUANG Jianping，ZHANG Xiaoying

（Physics Teaching Experiment Center of Xiamen University of Technology，Xiamen，Fujian 361024）

Abstract “Adjustment and use of spectrometer”is not only an important experiment in college physics experiment，but also a difficult experiment. Combined with the author's teaching experience for many years，the teaching improvement is made for the problems and difficulties existing in the spectrometer experiment from the two aspects of teaching measures and experimental skills. Teaching measures include：strengthening preview，camera assisted teaching，phased teaching，and paying attention to supplementary experiment after class. The experimental skills are：using level to assist dimming and avoiding the confusion of two vernier readings. These improvement measures are simple，practical and effective，which improves the efficiency of students' learning and the effect of experimental teaching.

Keywords spectrometer;prism;adjustment;improvement

引言

分光计是精确测定光线偏转角的仪器。通过将分光计中的望远镜、载物台、准直管和各种光源搭配使用，可用于测量折射率、光栅常数、光波波长、光线偏转角、色散率等基本光学参量。[1-3]

“分光计的调整与使用”是各高校大学物理实验课都会开设的重要实验。分光计本身的结构特点和使用方法包含了许多光学基础知识、基本概念和基本调光技巧。[4]分光计实验可以让学生掌握精密光学装置的系统调整方法，很好地培养学生的观察能力、动手能力和思考能力。[5]掌握好分光计的调节和使用有助于进一步操作更复杂的光学仪器，如摄谱仪、单色仪、分光光度计等。[6]

但另一方面，分光计的构造精密、控制部件多、操作步骤复杂、调节精度要求高，對于学生的掌握和教师的教学都有很大的难度。学生普遍会比较“抵触”这个实验，老师也经常为教学效果不佳而“声嘶力竭”。这个问题也引起了广泛的重视，目前关于分光计的教学手段、调光技巧和仪器改进措施都有不少文献。本文根据作者十多年来的分光计教学经验结合现有文献，针对该实验的难点，从教学措施和实验技巧两方面进行了改进，取得了良好的效果。

1    教学措施的改进

1.1    加强预习工作

预习是实验取得主动的关键，对于分光计实验，预习更是实验能否顺利完成的重中之重。除了常规要求的阅读实验教材，撰写预习报告之外，我们还要求学生上高校邦网站观看实验视频。我们利用网络精品课程建设经费，录制了分光计实验的操作讲解视频，上传到高校邦网站。学生通过观看视频会对整个实验过程有更直观的印象。

此外，我们还特别要求学生在上课前完成分光计的仿真实验。我们利用仿真实验建设经费，购买了科大奥锐公司的虚拟仿真实验平台，可在个人电脑上运行。如图1（p118）所示，通过模拟操作，特别是实验的核心部分：利用平面镜调光和用自准法、反射法测量三棱镜顶角，同学们可以对实验原理和步骤有进一步的认识，知道实验重点和难点在哪里，处理的方法是什么。这样同学们在听课时会更有针对性，实际动手操作时也会避免盲目和慌乱。

1.2    采用摄像头辅助教学

课堂教学时，需要对分光计的实验操作进行演示和讲解。与其他物理实验仪器不同，分光计望远镜的视场只能够单人观察，这导致老师演示的效果有限，同学们看不到望远镜视场中的实验现象，不能很好地理解讲课内容，会影响后面动手操作的效果。为解决这个问题，有文献采用专门的分光计示教仪来进行演示。[7]这里，我们用普通分光计加装摄像头的办法，达到同样的效果。在分光计望远镜的目镜端，通过固定装置装上一个USB摄像头。这样目镜里的视场就可以在电脑屏幕上显示，并通过投影仪投影出来，如图2所示。这样，每一步示范操作产生的实验现象都可以让所有同学看得清清楚楚，提高了课堂演示的效果。

1.3    上课分阶段讲解

平时大部分的物理实验教学都是老师先讲解示范，然后学生再开始动手操作。对于分光计实验，仪器旋钮多，操作步骤复杂且难度大，需注意的事项较多。根据以往经验，如果一开始就把所有内容都一次性讲完再让学生动手操作，部分同学容易遗漏或混淆一些步骤。对此，我们改用分阶段教学的方法，把整个实验内容分解成几个阶段，每次只讲解并操作一个部分，完成后再讲解下一阶段的内容。

我们将整个实验根据内容和难度划分成以下几个阶段：（1）了解实验背景和实验原理;（2）熟悉各旋钮和部件的作用并完成粗调;（3）调整望远镜光轴与分光计中心轴严格垂直，调整载物台水平;（4）用自准法测量三棱镜的顶角;（5）调节平行光管并用反射法测量三棱镜的顶角。

开始讲解第1、2部分，有了预习和仿真的基础，这2个部分可以讲得快些，把时间留给后面的难点。同学们大约用3-5分钟就可以熟悉分光计的各个旋钮和部件，并顺便完成分光计的粗调。接着，结合老师示范，详细讲解第3部分，这也是整个实验最难的地方，完成这一部分大约需要30分钟甚至更长的时间。待大部分学生调光完成后，讲解第4部分，重点讲分光计游标盘的读数和一些注意细节。最后，讲解第5部分，平行光管的调节和反射法测量三棱镜顶角。有了前面阶段的调节基础，后面的阶段会越来越顺利。

通过分阶段教学，把实验内容分解，老师可以根据学生的操作情况把控上课进度，把课堂大部分时间留给最重要和最难的部分。如果某个阶段用时过长，可以及时加强指导并督促同学抓紧。同学们在每一个阶段里只集中聆听这部分的讲解，完成该阶段的任务。每个阶段安排的内容和难度都适中，便于掌握，学生在操作时可避免一些内容和细节上的遗漏，最后有序地完成整个实验。

1.4    重视课后补做

尽管我们做了改进，但难免有少数同学还是无法在课堂上完成實验的全部内容。为此，我们要求同学在一周内与老师预约补做实验。为了保证质量，补做时，老师尽量在场指导。如果老师无法在场，为避免个别同学编造数据，我们要求同学自己用手机拍摄调光效果和游标盘读数的视频，过后给老师检查。经过补做，基本上所有的同学都掌握了分光计的课程内容。

2    实验技巧的改进

2.1    利用水准仪辅助调光

分光计实验最关键也是最难的地方就是前述的第3阶段：调整望远镜光轴与分光计中心轴垂直，调整载物台水平。针对这个难点，有的文献采用可以直观观测光路的激光辅助调节方法，[8]也有的采用加装广角系统，扩大望远镜视场[9]等方法。但这些方法需要额外的设备和成本。这里根据作者的教学经验并借鉴一些文献的做法，采用水准泡辅助调光，[10，11]可以达到不错的效果。

分光计调光的第一步是目测粗调，但目测粗调没有固定标准，易受实验者主观影响，因此调节程度不好把握。这里利用水准仪或手机的水准功能APP辅助调节，把水准仪放置在载物平台上，如图3所示，调节3个支撑螺丝，使水准仪的气泡移到中央，这时载物台达到水平。然后把水准仪紧贴在望远镜镜筒上端，如图4所示，调节望远镜俯仰螺丝，也使之水平。这样操作后，再把平面镜放在载物台上，很容易就在两个面都看到绿色的亮十字的像，然后就可以顺利地进行后继的调光步骤。

2.2    避免两个游标窗口读数混淆

在自准法测三棱镜顶角的时候，仪器有两种读数方法：一是固定望远镜和刻度盘，转动里面的载物台和游标盘，分别在三棱镜两个光滑面垂直于望远镜光轴时读数;二是固定载物台和游标盘，而转动望远镜和刻度盘来读数。许多同学在读数时，为了不用站起来，多采用第一种方法。结果发现不少同学在读取三棱镜第二个光滑面读数的时候，容易把游标盘“左”“右”游标的读数弄反。究其原因，是第一次位于左边的“左游标”在第二次读数时有可能会转到右边;位于右边的“右游标”可能会转到左边，容易造成混淆。就此，我们强制要求学生采用第二种读数方法，即固定载物台和游标盘，而转动望远镜和刻度盘来读数。这样两次读数时，“左”“右”游标盘都固定不动，就不会造成混淆了。

3    结束语

本文根据作者多年来分光计实验的授课经验，从教学措施和实验技巧两方面提出了几点简单、实用、有效的改进措施。这其中，充分利用了网络课程和虚拟仿真实验平台，让学生在课前可以更深入地预习。采用摄像头辅助教学，使同学对实验现象的观察和了解更直观。采用分阶段教学，将整个实验的难度和步骤分解，让学生在每个阶段都易于操作，整节课更高效有序。课后重视实验补做，保证同学及时补缺补漏。另外，在调光时利用水准仪辅助调整仪器水平，提高调光的成功率。在读数时，采用固定游标盘而转动望远镜的读数方法，避免读数错误。经过这些教学改进，教师对教学进度更易于把控，上课的质量和效果明显改善。学生的掌握程度也显著提高，不再“抵触”分光计实验了。

参考文献

[1]赵宗坤.分光计调节方法的优化[J].实验科学与技术，2010，8（3）：31-33.

[2]何颖卓，翟琛.在玻璃棱镜折射率实验中测量最小偏向角方法的改进[J].物理实验，2004（05）：45-45.

[3]张艳亮，孙清珍.用分光计测量钠光灯谱线波长[J].大学物理实验，2008，21（03）：35-36.

[4]赵伟，张权，郑虹，等.分光计上物理实验分级设计与教学实践[J].物理实验，2017（01）：33-38.

[5]常相辉，魏云，刘其军等“分光计调整和使用”实验常见问题讨论[J]. 物理实验，2020，40（05）：21-24.

[6]陈小风，陈玉林.大学物理实验[M].北京：高等教育出版社，2015：253-262.

[7]唐春红，吴庆春，崔云康，等.分光计实验的教学探讨[J].科教导刊- 电子版（下旬），2019（11）：107，124.

[8]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）：34-35.

[9]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.

[10]李金花，管跃，陈玉林，等.分光计一种新的快速调节方法[J].实验科学与技术，2018，16（04）：66-70.

[11]张庆月，周培聪，熊新农，等.分光计教学实验改进[J].大学物理实验，2020，33（05）：29-33.