“微视频”和“动画课件”在光的理论教学中的运用*



“微视频”和“动画课件”在光的理论教学中的运用*

摘 要：本文论述了“微视频”与“动画课件”在光的干涉、衍射及偏振教学中的应用及其研究.这些研究对《大学物理》有关光的内容教学可起到激发学生学习兴趣、提高学习质量的作用．

关键词：微视频大学物理动画课件

就一般地方普通本科院校而言，《大学物理》课程的教学时数普遍比较少，而学生的学习状况又普遍与重点院校存在差距，这就给《大学物理》课程的教学带来不利因素．《大学物理》课程的光学部分的一些教学内容由于比较抽象，有的学生理解这些物理现象存在一定困难，因而在这部分内容的教学过程中虽然教师在课堂上费时费力，却往往收不到较好的教学效果．尽管探讨大学物理课程的教学方法文献有很多[1~5]，但探讨利用“微视频”物理实验模式辅助讲解《大学物理》课程光学部分教学内容的文献却比较少．为此，文中通过实例分析探讨了“微视频”物理实验在《大学物理》课程“光的干涉、光的衍射”两个部分教学内容中的运用，这种探讨对提高《大学物理》课程的教学质量是具有实际意义的．

1“迈克耳孙干涉实验”微视频与“光的干涉”理论教学

“薄膜干涉”是“光的干涉”部分的教学内容之一，一般《大学物理》教材都会把“薄膜干涉”的典型应用实例“迈克耳孙干涉仪”作为编写内容．

这部分内容的讲解有些抽象，一些学生不容易理解和掌握．如果采取物理演示实验的形式进行这部分知识的教学，学校又不具备这个条件，且授课学时数较少，也不适合采用这种模式进行教学．

为此，这里以光学实验项目“迈克耳孙干涉实验”的“微视频”为例，探讨大学物理教学过程中如何利用实验“微视频”资料与授课内容有机结合的问题．

图1　迈克耳孙干涉仪原理图

图2　迈克耳孙干涉仪干涉图样

“迈克耳孙干涉仪”原理图如1所示，S为光源，G1为分束片，G2为补偿板，M1和M2为全反镜，E为出光口．“薄膜干涉”的相应教学内容不仅要讲解“迈克耳孙干涉仪”原理，还要讲解“迈克耳孙干涉图样”，即一组明暗相间的同心圆纹的干涉图样，如图2所示．还要给出M1移动的距离Δd与光源波长λ，“冒出”或“陷入”干涉图样中心的条纹数目ΔN的关系式

(1)

以及解释什么条件下“冒出”或“陷入”干涉条纹的现象等等．

另外，除了让学生观察现象，理解概念，总结公式外，在此基础上，教师还可以给出相关的测量数据，让学生课堂上计算出入射光源的波长．实验数据如表1所示．

学生根据式(1)较容易地计算出该实验光源的波长为0.000 635 9 mm，即635.9 nm．

通过“迈克耳孙干涉实验”的“微视频”播放，不仅可以激发学生的好奇心，还调动了他们的学习积极性．因此，学生不仅较易掌握“薄膜干涉”中“等倾干涉”的相应计算公式，理解“迈克耳孙干涉”现象产生的原因，还掌握“冒出”或“陷入”干涉条纹现象产生的条件，大大提高了《大学物理》课堂教学效率，也为学生将来在物理实验课中做此实验项目了做了较好的铺垫工作．

表1　实验数据及计算结果

2“光栅衍射实验”微视频与“光栅衍射”理论教学

一般《大学物理》教材中“光的衍射”这部分教学内容，都会编写光栅衍射方程、光栅衍射光强分布等内容，而这部分内容的讲解，如果只是通过语言讲解和多媒体课件演示相结合，有的学生不能较好地理解和掌握，也收不到较好的教学效果．为此，可采取“光栅衍射实验”的“微视频”播放与“光栅衍射”教学内容讲解相结合的教学模式，可以收到较好的课堂教学效果．

“光栅衍射”原理如图3所示，G为光栅，L为透镜，H为观察屏．f为透镜的焦距，θ为衍射角，b为狭缝宽度，b′为狭缝间距，b+b′为光栅常数．在这部分知识的教学过程中，除了要讲解“平行光垂直照射到透射光栅上时，在衍射角为θ时，相邻两缝发出的光到达透镜后面的焦平面处的屏H上P点时的光程差都是相等的，光程差为(b+b′)sinθ”等知识点外，还要给出光程差(b+b′)sinθ与波长λ的关系式，即光栅方程

(b+b′)sinθ=±kλk=0,1,2,3,…

(2)

利用光栅衍射方程(2)式，就可以计算出单色光的波长λ．而且要解释“光栅衍射图样是单缝衍射和多缝干涉的总合效果”以及“在观察屏上会看到什么样的现象”等等．由于语言讲解描述起来比较繁琐，且不直观，需要学生想象出光栅衍射图样．实际教学效果不算太好．

图3　光栅的多光束干涉

如果结合播放“光栅衍射实验”的“微视频”来讲解“光栅衍射”教学内容，不仅可以让学生通过观察屏直观看到衍射图样，而且让学生明确看到入射光为白光时，波长λ不同，衍射角θ不同，则产生色散，形成光谱．即除中央零级(k=0,θ=0)条纹O点，与波长无关，也就是说中央明条纹与波长无关由各色光混合为白色外，其他各级次(k≠0)条纹的衍射角θ与波长λ有关，在同级(k≠0)衍射条纹中，λ较大者，θ较大，λ较小者，θ较小．由于红橙黄绿青蓝紫色的波长是由大到小的，因此衍射角也是由大变小的，由此可以知道：两侧各级明条纹都从紫到红对称排列，紫光靠近中央明条纹， 红光远离中央明条纹，形成彩色光带，也称为衍射光谱，而且k级红光有可能与k+1级紫光重叠，甚至越过，如图4所示．

图4　白光衍射光谱

通过“光栅衍射实验”的“微视频”播放与“光栅衍射”教学内容的有机结合，不仅激发了学生的学习热情，还充分集中了他们的课堂注意力．而且通过这种方式，学生不仅较容易地掌握“光栅衍射”的相应计算公式，理解“光栅衍射实验”现象产生的原因，掌握彩色光带的形成原因和分布情况等．还为学生将来在物理实验课中做好“光栅衍射”实验打下了良好基础．

3“动画课件”与“光的偏振”理论教学

一般《大学物理》教材中“光的偏振”这部分教学内容，都会先编写自然光、线偏振光、部分偏振光、起偏器、检偏器、马吕斯定律等内容．这部分内容的讲解采用“动画课件”就可以收到非常好的教学效果．比如，利用如图5所示的“动画课件”可以演示“马吕斯定律”公式，其表达式如下

I=I0cos2θ

(3)

式中θ为“起偏器”和“检偏器”的偏振化方向之间的夹角．

图5　光的偏振

通过放映制作的“光的偏振”动画课件与课堂启发式的讲解，可以使学生较深刻地理解和掌握“自然光”、“线偏振光”、“起偏“、”检偏”等概念以及“马吕斯定律”计算公式，收到事半功倍的教学效果．

4结语

通过对“迈克耳孙干涉实验”微视频在“光的干涉”理论教学中的运用以及“光栅衍射实验”微视频在“光栅衍射”理论教学中的运用的探讨，以及“起偏器和检偏器”的“动画课件”在“光的偏振”理论教学中的具体运用，对于探讨“微视频”及“动画课件”在《大学物理》课程教学中的应用是一个有益的尝试．在《大学物理》课程教学中注意两种模式的分别运用，也可以把这两种模式有机结合起来进行课堂教学，不管哪种模式都可以激发学生的课堂学习兴趣，调动学生的积极性，还可以激发学生的潜能，对于提高少学时的《大学物理》课程的教学质量是有实际意义的，尤其是对于拓展学生的学习思路，启迪学生的理论与实验相结合创新意识也是具有积极意义的．

参 考 文 献

1倪燕茹.补偿法的运用与探讨.重庆工学院学报(自然科学版)，2007,21(7)：51~55

2倪燕茹.类比法和补偿法在大学物理教学中的的运用与探讨.内江师范学院学报，2009,24(8)：83~86

3孙厚谦，洪林，史友进，等.应用型工科“大学物理”课程教学改革的实践与思考.中国大学教学，2010(12)：49~51

4彭传正.基于CDIO理念的大学物理教学改革研究.物理通报,2013(10):24~25

5王慧君.地方院校大学物理“模块类·结构化·建构化”教学模式初探.河南科技学院学报，2011(12)：102~1031

(收稿日期：2015-09-28)

作者简介：倪燕茹**泉州师范学院教学改革研究项目，编号：201434倪燕茹(1965-)，女，学士，副教授，主要从事大学物理理论与实验研究．
(泉州师范学院物理与信息工程学院福建 泉州362000)