偏振密码演示仪的设计与应用

王刚　杨广武　徐义爽　陆小翠　马增红

关键词 偏振密码;演示场景;应用案例

演示实验利用生动的实验现象阐释物理原理，在大学物理课堂教学中应用广泛[1-3]。光的偏振现象在日常生活中具有广泛的应用，利用偏振现象制作的演示仪器众多，传统演示实验仪器的使用一般以现象观察和理论分析为主[4]，学生缺乏实际操作尤其是设计制作演示仪器的機会。对于应用型本科院校来说，学生头脑灵活，动手能力较强，但理论知识储备相对薄弱，这种情况下如何给学生提供仪器设计制作机会又兼顾学生的理论知识水平成为了大学物理课程教学中不容忽视的问题。为了解决这个问题，本团队设计了偏振密码演示仪，并将该仪器应用于大学物理课堂教学和科普活动中。提出利用演示仪器构建场景吸引学生的注意力，促进理论知识的学习。同时通过小组讨论的形式分析偏振密码的原理;通过密码设计鼓励学生创新;通过密码拼接和仪器组装给学生提供参与仪器制作的机会;通过科普展演传播知识，提高学生服务社会的意识。

1 实验装置

偏振密码演示仪主要由光源、滤光膜、密码层和观察片制成，其结构如图1所示。偏振密码演示仪在框架底部上安装了磁铁可以直接吸在黑板上，光源前安装红色滤光膜产生红光，密码层用不同偏振化方向的方形偏振片拼接出两组密码图案，观察片为偏振化方向特定的偏振片。

密码层图案拼接及偏振化方向如图2所示。图中的小正方形代表偏振片，淡色表示背景，浅色和深色分别拼成“2021”和“100”。图中短线代表偏振化方向，背景的偏振化方向水平，“2021”和“100”的偏振化方向分别与背景的偏振化方向成-60°和+60°角。

偏振密码原理图如图3所示。可以看出，当观察片的偏振化方向与背景的偏振化方向成+30°角时，“2021”和背景的偏振化方向分别与观察片的偏振化方向成+30°和-30°角，由马吕斯定律可知，穿过观察片后，两者的光强相同，“2021”与背景融为一体，肉眼无法区分二者。而此时“100”与观察片的偏振化方向垂直，因消光而呈现黑色，可以看到“100”显现出来，见图4（a）。将观察片上下翻转，观察片的偏振化方向与背景的偏振化方向成-30°角，同理，此时只能观察到“2021”，见图4（b）。

2 偏振密码演示场景的构建思路

演示实验在大学物理课程中的使用由来已久，演示实验丰富多彩的实验现象可以迅速吸引学生的注意力[5，6]，提高教学效果。传统演示过程中，实验现象的观察和理论分析相互印证，具有一定的优势。但对于应用型本科院校的学生来说，理论分析这一环节略显枯燥。为了使演示实验的现象更加深入人心，本团队将认知心理学中的视觉注意的引导效应[7，8]和演示实验相结合，利用演示实验现象构建场景，以游戏或讲故事的形式进行实验现象演示。利用该演示仪构建的密室逃脱游戏场景见图5。

与传统演示方法相比，构建出的演示场景使演示实验变成了游戏，丰富了演示实验的内涵。这种演示形式新颖，内容更丰满，占用的课堂时间较传统演示实验，多出2分钟左右，却更加有效地激活了课堂，起到了引起学生的注意，激发学生学习兴趣的作用，便于教师进行后续的理论教学。同时，游戏场景中的这组密码来源于2021年建党一百周年，实现了在游戏中嵌套一个思政情景，这种小情景的思政教育模式可以将演示实验与思政教育很好的融合。

3 应用案例

本团队通过将偏振密码演示仪用于大学物理教学和科普活动中，提高学生应用偏振知识分析实验现象、利用偏振知识设计密码拼接方案、传播偏振知识的综合能力。

3.1 理论教学中的应用

在大学物理教学过程中，偏振密码演示仪的应用主要从实验现象观察、理论分析和应用实践三方面入手，通过对现象的分析和思考，解决前面提出的问题，引导学生在相对轻松的氛围中学习，使学生体会学习物理的乐趣和利用物理解决问题的成就感。

与传统演示手段不同，现象观察过程利用偏振密码演示仪构建了密室逃脱游戏场景，如图5中所示。通过在游戏中寻找密码的过程，将学生的注意力从“物理”引到“游戏”上，在轻松的游戏氛围下，即使不喜欢物理的学生也会表现出一定的兴趣。在游戏过程中提出问题：为什么透过薄片会出现数字？ 翻转薄片为什么显示的数字不同？ 学生自然地对其中所蕴含的奥秘非常感兴趣。这种情况下再进行理论讲解，学生是带着问题的，在求知欲的驱使下，理论知识不再乏味，配合度明显提高。

理论分析过程不再是教师主导，而是学生主导。理论知识讲解结束后，学生以小组为单位进行讨论，分析密码层偏振片的偏振化方向与观察片的偏振化方向之间的关系，解开密室逃脱游戏中提出的问题。讨论过程中鼓励学生从不同角度思考，给出不同的答案。学生通过小组讨论，画出背景、“2021”、“100”及观察片的偏振化方向，是学生主动利用理论分析实验现象的过程，实现了“学知识”到“用知识”的过渡，加深了学生对光的偏振特点尤其是马吕斯定律的理解。

通过前面的学习，学生已经掌握了光的偏振特性，理解了密码层偏振片的拼接原理，在此基础上学生可以根据已有知识和社会经历完成密码层设计，鼓励学生提出自己的见解。偏振密码演示仪结构简单，制作过程包括电脑画图、激光切割、密码层拼接、光源安装、磁铁安装及整体封装。大部分学生在了解其结构及原理后，都具有将其制作出来的能力，而且仪器组装拆卸过程都不繁琐，可以重复利用，适合学生动手制作。这个过程要求学生将物理知识、计算机、激光切割机的使用与仪器制作相结合，提高了学生的综合能力，为新工科人才培养奠定了理论与操作基础。具体的教学设计见表1。

理论教学过程中，以游戏场景引导学生观察实验现象，同时提出问题引导学生探究光的偏振原理与密码图案切换的关系，在此基础上进行理论讲解。随后结合课堂讨论引导学生进行深层次的思考，探究偏振密码的奥秘。最终要求学生完成应用实践：密码层设计。教学过程从观察开始到设计实验结束，以演示实验引导学生参与教学互动，体验从现象到本质，从特殊到一般，从定性到定量的思维模式，鼓励学生将学到的知识用于设计仪器和科普活动。同时，利用密码数字向建党百年致敬。

3.2 科普活动中的应用

科普活动主要面向中小学生，利用偏振密码演示仪构建了故事场景，通过讲出百年来，在中国共产党的领导下，人民从风雨飘摇的日子到今天的幸福生活的故事，对参与者进行爱国教育。生动的讲解与有趣的实验现象结合，给孩子们留下了深刻的印象，既增强了爱国教育效果，又引起了孩子的好奇心。在此基础上，介绍光的偏振现象，达到了普及物理知识的目的。科普展演由师生共同完成，学生通过演示实验现象，用儿童能够理解的语言介绍光的偏振知识的过程，将学到的知识讲出来，提高了自身的实验和理论水平。科普展演过程中，学生通过与儿童的互动，可以提高自身的成就感和获得感，这些都有利于提高学生学习物理的兴趣。同时，科普展演活动的公益性也提高了学生服务社会的意识。图6是参加物理科普展演的师生。

4 效果分析

针对应用型本科院校教学过程中，学生提高动手能力的需求强烈，但理论知识储备薄弱的问题，本团队设计出偏振密码演示仪。该仪器原理与教学内容密切相关，仪器结构清晰，可重复组装拆卸，适合应用型本科院校学生体验仪器制作过程。将该仪器应用于教学和科普过程中，为检验其使用效果，本团队将偏振密码与“穿墙而过”演示仪（见图7）进行了演示效果对比，发现偏振密码演示仪较“穿墙而过”演示仪具有实验现象明显，演示场景色彩鲜明，且有效观察距离远的特点。

本团队采用电子问卷的形式，对451人进行了演示效果喜爱度调查，汇总结果见图8。可见偏振密码演示仪得到了大多数学生的喜爱，说明利用偏振密码演示仪构建场景的方式，符合应用型本科院校学生的认知水平，且教学效果更好。

5 结语

本文针对应用型本科院校学生特点及教学需求，设计偏振密码演示仪，并根据该仪器构建演示实验的场景，将其用于大学物理教学及科普活动中。学生在实验演示场景的氛围下学习偏振知识，利用偏振知识设计仪器，通过科普活动传播偏振知识，提高了应用知识的能力。通过与穿墙而过演示仪进行对比发现：偏振密码演示仪实验现象明显、场景色彩鲜明、有效观察距离远，符合应用型本科院校教学要求。