CCD技术在光学实验教学中的应用

赵玉连　左颖　周长宏

摘 要 本文讨论了在光学实验教学中引入CCD技术的必要性，介绍了CCD技术在光学实验教学演示与讲解中应用的两个实例，认为CCD技术在光学实验教学演示与讲解中起到十分重要的作用，提出将CCD技术引入其它传统光学实验，使实验更完善。

关键词 CCD技术 光学实验 教学演示 分光计

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.02.057

Abstract The need to use CCD technique in optics experiment teaching is discussed. Two examples of CCD technique in optics experiment teaching demonstration and explanation are introduced. Conclusion that CCD technique in optics experiment teaching demonstration and explanation plays an important role is drawn. The paper proposes to improve other traditional optics experiments by the use of CCD technique.

Keywords CCD technique； optics experiment； teaching demonstration； spectrometer

0 引言

大学物理实验是大学物理教学的重要组成部分，物理实验课是学生进行科学实验训练的一门基础课程，是学生进入大学后接受实验方法、技能训练的开端，对培养学生实验能力具有十分重要的作用。大学物理实验包括力、热、光、电等方面的实验内容，光学实验是大学物理实验重要组成部分。光学实验的特点是：必须掌握光学原理才能进行实验，而且光学仪器结构复杂，难于调节，因此做光学实验需要在理论指导下，耐心地反复操作，难度较大。对于基础实验，在学生做实验之前，教师一般会介绍实验所用到的仪器，简单讲解实验步骤。有些实验，眼睛可以直接观察到，比如力学实验，教师就比较容易讲解，学生也容易理解。而对于一部分光学实验，需要用眼睛贴近显微镜的目镜去观察实验现象，学生不能直接观察，教师讲解时要把实验想象用语言描述，所以这类实验教师难讲，学生也难懂，学生做实验很困难，容易造成对光学实验的畏惧心理。近几年，CCD技术在教学中的应用越来越广泛，将CCD技术引入到光学实验中来，通过显示器可以让每个学生直接观看实验现象，使其更具直观性。这种方式让每个人都感受到现场操作，学生更容易理解，有助于提高实验的效率。

1 在光学实验中引入CCD技术的必要性

随着现代教育技术的迅猛发展，计算机辅助教学的应用越来越广泛，教师根据自己的教学内容自制教学课件，通过屏幕展示出来，学生通过屏幕进行观看。一些枯燥、难懂的知识变得生动、直观，不仅节省了时间，也提高了教学效果。在大学物理课程教学中，计算机辅助教学的应用获得了良好的教学效果，不仅知识更容易理解，教师在课堂上有更多的时间增加更丰富的知识，开阔了学生的视野。在大学物理实验教学中，计算机辅助教学也得到了一定的应用。应用计算机辅助物理实验教学，教师编制实验教学课件，在学生操作实验之前，教师先用课件对实验进行讲解，如：实验的仪器调节及需要注意的实验步骤等，教学内容都通过大屏幕显示，每位学生都能通过大屏幕进行观看，之后学生进行现场操作，对于操作简单的实验，计算机辅助教学可以取得良好的效果。但对于一些光学实验，仪器结构复杂而且难于调节，学生没有看到真实的现场操作，仅凭教学课件很难理解实验，课堂效率不高，因此，传统的现场操作演示与讲解是非常必要的。但是，现场操作有其不可避免的缺点，即直观性差。采用現场操作演示与讲解，有一些光学实验，需要用眼睛靠近显微镜的目镜去观察现象，如果教师每讲一步学生都依次去直接观察，需要的时间较多，后面做实验的时间就少了，因此很难做到让每个学生观看。这就要求教师讲解时要把实验现象用语言描述出来，所以这类实验教师讲起来比较难，学生在头脑中也不容易建立起清晰的图像，学生做实验遇到问题，虽然已经讲过，但仍然要用很长时间解决，或无法解决而向他人求助，错误操作也比较多，这样就使学生对做光学实验逐渐失去了信心。而CCD技术可以弥补这一缺点。CCD是电荷耦合器件的简称，具有光电转换、信号存储与传输功能，在实验教学中的应用越来越广泛。将CCD技术引入到光学实验中来，光学仪器的目镜与CCD连接，通过彩色监视器可以让每个学生直接观看。教师操作实验的每个步骤，所有学生都能通过显示器观看。这种方式不仅让学生感受到现场操作，而且每个人都能观察到，学生更容易理解，大大提高了课堂效率。

2 CCD技术在光学实验教学中的应用

2.1 CCD技术在分光计中的应用

分光计是一种基本光学仪器，掌握分光计的基本结构和基本调节方法，对学习其它光学仪器具有指导作用，对培养学生对光学实验的操作能力有重要作用。分光计是一种测定光线偏转角度的仪器，可以测量三棱镜的顶角，还可以通过测量最小偏向角求三棱镜的折射率等。它主要由四部分组成：望远镜、 平行光管、载物台和读数圆盘。分光计在测量之前要进行调节，分光计的结构很复杂，调节过程步骤也比较多，而且对调节的要求很高。调整要求：望远镜能接收平行光、平行光管能发出平行光、望远镜光轴与载物台转轴垂直及平行光管光轴与载物台转轴垂直，其中望远镜光轴与载物台转轴垂直是最难调节的。在传统的教学中，教师现场演示并讲解时，仅依靠语言描述实验现象，学生在头脑中很难想象出来，而如果让每个学生轮流观察，实验步骤较多，每一步都这样做，耗时太长，影响后面的实验操作时间。因此，学生做实验时经常会遇到问题，特别是调节望远镜光轴与载物台转轴垂直这一步，有的用很长时间不能调整好，还要求助他人。学生普遍感觉此实验难度大。如何让这个实验更容易学习是一个需要解决的问题，将CCD系统引入此实验，让这个问题得到了解决。将CCD系统与分光计连接，教师边操作仪器边讲解，学生在彩色监视器上可以同时观察实验现象，学生更容易理解，做实验比较顺利，最难调节的望远镜光轴与载物台转轴垂直，经过耐心地调节也能做好。采用CCD系统，提高了课堂效率，也增强了学生进一步学习光学实验的信心。

2.2 CCD技术在牛顿环实验中的应用

牛顿环实验是光学实验中的基础实验，牛顿环仪由一个平凸透镜和一个平面玻璃组成。此实验用读数显微镜对干涉圆环进行观察与测量，经计算得到光源的波长或待测透镜的曲率半径。教师在实验讲解过程中， 要介绍读数显微镜的调节方法和牛顿环的测量步骤，因为有些学生对显微镜接触很少，因此对显微镜的调节要介绍得详细些。用传统的方法，要边操作边描述实验现象，即便如此，学生在头脑中也很难建立清晰的图像，由于时间限制也不能每个人都去现场观察，在自己操作时就会遇到各种问题。在调节读数显微镜寻找干涉圆环时，有些学生经过长时间调节，仍然观察不到干涉环。在牛顿环的测量过程中，要避免回程误差，用传统的方法，教师虽然已提示学生注意，但学生不能完全理解，测量时有的学生仍然会出现错误，不得不重新測量。将CCD系统应用到牛顿环实验中，这些问题得到了有效解决。CCD系统与读数显微镜的目镜相连，学生在显示器上观察实验现象。在讲解显微镜的调节方法时，教师操作的每一步，学生都能在监视器上观察到，学生更容易理解，学生自己操作就更顺利。在讲解牛顿环的测量时，对于如何避免回程误差，教师通过实际操作并在监视器上显示出来，学生很容易理解，而且教师还可以把学生容易出现的错误操作演示出来，提醒学生，这样测量时的错误也明显减少了。通过将CCD系统应用到牛顿环实验，不仅减少了错误操作，节省了时间，也提高了学习效率。

3 CCD技术的应用展望

CCD技术的优势使其应用越来越广泛，我们将尝试把其应用在其它光学实验，例如：旋光仪。当偏振光通过一些透明物质时，光矢量的振动面绕着光传播的方向旋转，此现象为物质的旋光性，具有旋光性的物质为旋光物质。旋光仪用来研究物质的旋光性，研究物质旋光性的实验包括旋光仪的调整与测量。与分光计、牛顿环相比，旋光仪的调整比较简单，主要是调节目镜，使视场清晰，容易出现问题之处是数据测量。当旋光仪调整好时，目镜中能清晰看到“三分视场”，再转动偏振片，观察到“弱的零位视场”，就可以测量读数了。虽然教师已经详细讲解什么是“弱的零位视场”，但是实验操作时，有的学生由于动作太快仍然观察不到“弱的零位视场”，有的学生则找的位置不够准确，实验的误差比较大。如果我们把CCD系统连接到旋光仪的目镜，每位学生在大屏幕上观看实验现象。教师边操作边讲解如何调节“弱的零位视场”，学生既知道如何操作，也观察到标准的图像，必将提高实验的效果。

4 结束语

以上是CCD技术在光学实验中应用的几个实例，通过应用CCD技术，教师的讲解更生动、直观，学生更容易理解、掌握，不仅提高了课堂效率，也增强了学生做光学实验的信心，对提高学生的实验能力有明显促进作用。在其它光学实验中也可以引入CCD技术，让先进的教育技术在传统实验中发挥其独特的优势，进一步完善传统实验。

参考文献

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