是“教物理实验”还是“用物理实验教”①——对等厚干涉实验教学改革的探索

宋金王番 张 萍 仲志国

(南阳师范学院物理与电子工程学院,河南南阳 473061)

是“教物理实验”还是“用物理实验教”①
——对等厚干涉实验教学改革的探索

宋金王番 张 萍 仲志国

(南阳师范学院物理与电子工程学院,河南南阳 473061)

1 引言

物理实验课程是理工科大学的重要基础课程之一,这样的课程在许多大学的教学中还是比较重视的.很多优秀的物理实验教材和教学资料的出版、物理实验室设备条件的高水平更新等就是例证.长期以来,在物理实验教学中,使用课前预习实验讲义→课堂教师讲授实验原理、注意事项→学生按步骤操作→记录、整理实验数据→完成实验报告的教学模式,学生普遍反映实验单调,缺乏兴趣,如何改革实验教学,引发学生对物理实验的兴趣,从而培养学生的主动思考、积极探索的精神成为每一个实验工作者必须面对的问题.

我们在多年的教学中感到,要实现物理实验教学的改革,教师首先需要实现一个教学理念和教学方法的转变,即把原来“教物理实验中的内容”转变为“用物理实验既教内容,更点拨方法”,将理论与实践相结合,科研与教学相促进,形成以理论为主体、实验为载体、能力和素质培养为目标的教学体系.新的教学体系要通过新的理念和方法来实现,而物理的观念和方法不是外加在教材以外的附属品和点缀物,它渗透在教材内容的展开过程中,体现在教师的教学设计和实现的过程中.物理观念和方法不是教会的,而是学生在教师引导和点拨下通过努力思考自我建构起来的.

在物理实验中,“等厚干涉现象的研究”是研究干涉的典型例子,而在各高校物理实验中的通常做法是用钠光灯作单色光源,通过读数显微镜观察牛顿环,并测出各级牛顿环的直径,利用已知光波波长来计算牛顿环平凸透镜的曲率半径.这一实验,学生能很快按步骤完成,但实验的单调、乏味、无创新是学生的普遍反映,笔者通过长期的研究和实践,对牛顿环实验进行拓展和延伸,教学效果良好.

2 拓展实验内容

常规的牛顿环仪是在一平板玻璃上放置一平凸透镜,两者之间有一空气薄层,当用单色的平行光照射时,就会在空气层中形成等厚干涉条纹,这些条纹是一组同心圆环,即牛顿环.我们在此基础上对等厚干涉现象的研究实验进行扩充.

(1)定性观察.将平凸透镜和平板玻璃之间的空气逐渐抽去而形成真空,观察干涉环的变化(半径增大);若平板玻璃和平凸透镜之间注满液体,观察干涉条纹的变化情况(条纹变密);用白光代替钠光灯作光源,观察干涉条纹的变化(条纹呈现彩色);将平凸透镜在玻璃板的上方垂直平移,观察牛顿环条纹的变化规律(随着薄膜厚度的变化,条纹的明暗随之发生变化).

(2)用两个曲率半径很大的平凸透镜组成牛顿环仪(如图1),在单色光照射下观察干涉条纹,并测量透镜的曲率半径[1].

(3)将原来的平板玻璃换成由两部分(左边玻璃折射率n1=1.5,右边玻璃折射率 n2=1.75)组成,平凸透镜和玻璃板之间充满折射率 n3=1.62的二氧化硫(如图2),在单色光照射下,观察等厚干涉条纹的变化,并计算透镜的曲率半径[2].

(4)用汞灯代替钠光灯做实验,观察干涉条纹的变化,测量紫光和黄光的波长,并与光栅衍射测量结果进行比较.

图3

3 开放实验教学

由于实验内容由原来的利用牛顿环测量透镜的曲率半径扩展为现在的6项内容,学生的实验时间明显延长,为了保证教学效果,我们采用四步教学法.第1步,学生在学习等厚干涉内容时,将实验中的6项内容给予解答,这样既巩固了课堂知识教学,又为实验打下了理论基础.第2步,结合实验内容和本人的程度,选择4项以上作为必须测量的实验内容,其余部分只要求观察.第3步,实验室提供必须的实验仪器,让学生根据选题进行测量,同时对测量结果进行比较分析,找出产生误差的原因.第4步,如果在安排的实验时间内没能完成实验内容,学生可以在课余时间到实验室继续实验内容,实验室采用教师和学生共同管理的方式,为教师科研和学生学习提供一个交流平台.采用新的实验教学模式后,我们发现绝大多数学生对所有的实验内容都进行了测量,有的甚至还自己提出一些实验思想,比如,利用等厚干涉实验测量头发丝的直径、纸屑的厚度等微小长度[5].

4 学生学习方式的转变

通过教学模式和教学方法的转变,我们发现:改革前,学生对光学课提出了两条意见,(1)讲课的内容抽象,难以听懂;(2)教师课堂上讲的内容不是学生期望的,要求教师课堂上讲些有用的内容,尽可能多讲些如何解题的方法.改革后,在教学过程中出现了以下的新变化,(1)课堂上学生更专注听教师的讲解,并时有学生即席提问,甚至在课堂讨论中,学生能够按自己的理解发表见解;(2)课后答疑一改以前只问教材上的问题或只问如何解题的现象,出现了师生组成小群体讨论光学中一些深层次的理论问题的情景; (3)学生对课外小论文、科技小发明产生强烈的兴趣,自己也会主动寻找合理的选题,结合所学知识,利用实验条件进行研究,形成浓厚的科研氛围.

学生学习方式的初步变化使我们感到,物理实验改革要有教材的改革,更要有课堂教学的改革.课堂教学的改革要有教学方法、手段的改革,更要有教师教学理念的改革,而从“只教教材上的内容”转变为“用教材既教内容,更点拨方法”就是理念改革和方法改革的一个重要方面.

现代实验教学要求教师在有限的学时内使学生学到更多的知识.通过对等厚干涉实验的拓展,可以让学生观察到干涉条纹随薄膜折射率、薄膜厚度、入射光波长的变化规律,加深对等厚干涉的理解,同时学生可以按照自己的思想,设计实验过程,从而培养了学生分析、设计、操作的综合能力.由于增加了实验难度,实验操作能力也能得以提高,激发了学生的兴趣,收到很好的教学效果.

1 姚启钧.光学教程(第4版).北京:高等教育出版社,2008.

2 唐勤.对牛顿环实验教学的思考与探索.实验技术与管理,2007, 24(3):35-36

3 李正平,王广泰,李冬梅.新编大学物理实验.北京:中国石化出版,1999.

4 王洁.基于等厚干涉原理测量NaCl溶液浓度.浙江海洋学院学报(自然科学版),2008,27(2):246-248

5 马红,马延峰.综合设计性实验教学探讨——用等厚干涉法测量头发丝直径.物理与工程,2008,18(5):37-38

河南省高等教育教学改革研究项目(项目编号:2009SJGLX244).

2010-02-01)

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