基于演示实验推动大学物理理论教学的探索和实践——以光的偏振为例

李艳虹，罗小兵，丁光前，闫艳慈，唐笑，周贤菊

（重庆邮电大学理学院，重庆 400065）

大学物理课程是高校开设的一门基础公共课程，为理工科学生今后学习相关领域的专业知识奠定了一定的物理基础。众所周知，物理学是一门研究物理现象、物质结构、物质相互作用和运动规律的自然学科，它的研究范围大至宇宙，小至基本粒子，因此成为其他各自然科学学科的研究基础，具有重要的地位。然而，大学物理在实际学习中受到的重视程度远远不及其他公共基础课，在这样一个大环境下，如何增强高校物理学科的教学成效，塑造孩子们自主思考及解决实际问题的能力，为社会培养一批具有创新能力的人才是关键[1]。

1 大学物理理论教学中存在的主要问题

1.1 重视程度不够

笔者相信大多数任课教师都会在第一节课时对学生强调学习大学物理课程的必要性，以及学好该门课程对科学发展的重要性。但是理想是丰满的，现实是骨感的，由于考研和考博都不会涉及大学物理的考核，因此对于非物理专业的学生来说，他们从一开始学习这门课时就会将大学物理排在次要的地位。

1.2 学生的抵触心理

大学物理中的理论课涉及许多的复杂计算和逻辑推导过程，对数学知识也具有一定的要求，因此在一大堆符号和公式面前，学生往往会感到枯燥乏味，很难在课上跟着教师的授课节奏进行学习。此外，大学物理课程的内容更深、更广，所涉及的有些知识点本身也具有难理解和难消化的特点，给学生留下“难学”的刻板印象。

1.3 大学物理理论和实践的脱节

大学物理课程包含两个重要环节： 理论教学和实验教学。目前，理论课和实验课作为两门独立的课程，存在脱节问题，主要表现为：（1）教学内容的不统一： 一般情况下理论课和实验课的任课老师由不同的教学班子承担，而大多数理论课和实验课教师的交流互动较少，导致在制订教学计划时出现教学内容的不统一，理论知识缺乏实验的验证，实验得到不理论知识的支撑。（2）教学时间的不统一：理论课和实验课开设的时间往往不在一个学期，这会让理论知识和实验课之间得不到及时的相互支撑。可见，理课论和实验课的脱节让理论知识只是一纸空文，华而不实，无法让学生有效地理论联系实际，违背了我们培养新时代复合型人才的目标[2]。

针对大学物理课程所面临的现状，我们教师需要顺应时代的发展，借助有效地教学方式和手段，一步步消除学生们的抵触情绪，以兴趣为导向引导他们主动学习。目前，有大量的教学改革论文从如何提高学生学习兴趣，或者探索理论课和实验课一体化的教学方式来解决上述问题。然而笔者认为再生动的课堂，它仍然是物理，逃不脱大量的物理量、公式和逻辑推导过程，不可能完全做到像文科教学一样。因此笔者将借鉴“一体化教学”模式，针对上述存在的问题，着重探讨引入演示实验推动理论教学以及将理论与实践充分结合的策略，为大学物理理论教学提供新思路[3]。

2 如何推动理论教学

2.1 部分实验演示课搬到课堂

物理学科是一门实验型学科，大量的物理知识都在发现、总结和分析实验现象过程中得到的结论，因此教师可以根据相关章节的教学内容在课堂上进行实验演示或提前录制好演示视频，这将有利于（1）牢牢抓住学生上课时仅有的集中力。相比于烦冗的理论计算推导和空洞的实验现象描述，学生的注意力更容易被课堂上与理论知识无关的其他的事情所吸引。（2）采用演示实验进行授课，让丰富有趣的实验弥补理论课的枯燥乏味，激发学生的兴趣。（3）这种更为直观形象的展示，不仅可以学习和加深对知识点的理解和掌握，还可以启发学生进行思考，锻炼他们总结和解决问题的能力，在解决问题的过程中获得成就感，在学习过程中获得自我满足，进而提高学生对大学物理学习的热情，充分调动学生学习的积极性，增强他们学好物理的信心[4]。

将演示实验搬进课堂就需要加强理论课和实验课教师的交流学习，做到把握重难点，与理论教学在内容上实现统一和互补支撑，这样既可以在一定程度上减轻实验课的教学内容，将一些简单重复性实验可以调整为更具有创新性的实验，还有利于提高理论课的教学质量。通过紧密地结合理论和实验课，有效地提升学生的学习效率，实现教学内容的充实和完整。

2.2 理论与科学技术发展的结合

科学技术日新月异，教师们要根据前沿科技所涉及的物理知识，对所教授的内容进行实时调整，合理安排教学环节。切合社会发展的需求，紧密联系实际，拉近物理理论知识与现实的距离，让学生们深刻感受到书本上看似最平淡的物理知识也可以变得如此得高大上，在我们日常生活中发挥着重要的作用，从而认识到理论课的重要性。

要将理论和实际有机结合起来，适当鼓励学生进行创造性和探究性的研究，有意识地训练他们形成正确的科学思维方式，做到在本科教育中就开始培养他们的创新思维和科研素养，既可以为今后就业提供竞争力。“合抱之木，生于毫末，九层之台，起于垒土”。学好物理知识能为将来继续深造打下坚实的基础，成为新时代创新型高水平人才的主力军。

3 演示实验推动理论教学的实践——以光的偏振为例

3.1 指导思想

大学物理中的光学部分，不同于其他章节的教学内容，借助光学演示实验可以更直观、更形象和更生动地把抽象和复杂的光学现象和本质展现出来，不仅可以从感性认知上激发学生的兴趣，诱导他们进行主动的思考，还能从演示实验中领悟到理论指导实践和实践检验理论的意义，最终取得更好的教学效果[5-6]。

光的干涉和衍射现象说明了光是一种电磁波，但这些现象并不能告诉我们光是横波还是纵波。光的偏振现象从实验的角度上清楚地显示了光的横波特性，这是光的重要性质之一[5]。光的偏振现象已经得到了广泛的应用，尤其是偏振光立体电影，也叫作3D 电影，几乎每位学生都去电影院看过3D 电影，因为我们在讲解相关物理知识的同时，将学生们感兴趣的应用作为引入点，不但能够刺激孩子们的积极性，而且能够加深学生们对知识点的深入理解，让枯燥的知识从书本中“活”起来。

3.2 观察现象激趣引入

师生互动，先做一个小实验，证明人的左右眼看到的画面是不同的。能够区别人视力远近的理由是两只眼睛的不同。人眼被大约5 cm 的距离隔开。看到以前线为目标以外的东西，角度是不一样的，可参照图1。间隙非常小，但是它通过视网膜发送到大脑，大脑使用这个小间隙产生距离和距离的深度，产生立体图像。一只眼睛可以看到物体，但是很难区分远近的距离。按照这个原理，如果拍摄相同的场景，制作具有两只眼睛视点差异的两个图像，让每只眼睛看到自己的图像，大脑可以通过眼底使之具有三维的景深感。所有种类的三维实证技术都使用这个原则，本课程的内容是“光的偏振”[6]。

图1 人眼成像原理

通过展示网络图片，对比裸眼3D 电影图片和佩戴3D 眼镜的区别，提出问题：3D 电影是如何制作出来的呢？ 我们看3D 电影为什么要戴特殊的眼镜呢？ 让学生们戴着3D 电影的神秘感进入该次课学习内容——光的偏振。

3.3 知识讲解

通过小实验互动和举例实际生活中的3D 电影，已经把学生的积极性调动了起来。下面将以简短、精练的语言和公式对该节课的知识点进行讲解，主要包括自然光、线偏振光和部分偏振光的区别，如何检验和获得偏振光，最后引入马吕斯定律，完成本次课的讲授内容。

首先使用细绳、弹簧圈穿狭缝实验证明横波和纵波在穿过狭缝时的不同现象。那么检验光是什么波就需要一个对光来说是狭缝的物体，随之介绍偏振片并说明偏振片可以看成由细小的狭缝组成，它只允许与其偏振化方向的光通过。先使用单张偏振片观察光源，旋转偏振片发现没有什么特别的现象，再将另一张偏振片放在第一张偏振片前面，观察光透过两张偏振片后的现象，发现在旋转第二偏振片时，当旋转到一定角度时，光不能透过，在整个过程中光强由亮变暗，再继续旋转，光强又由暗变亮。

要求学生总结上述现象，尝试类比细绳、弹簧圈穿狭缝实验证明是横波或纵波的方法。自然光通过第一个偏振片P（起偏器），相当于通过了一个狭缝，只有振动方向跟狭缝方向平行的光波才能通过，自然光通过偏振片P 后变成了只有一个方向振动的光波，为线偏振光，但由于自然光沿各个方向振动的光波强度都相同，因此可以正交分解为垂直和平行于狭缝方向的光波，所以不论偏振片P 怎么转动，都会有相同光强的光波通过狭缝方向，光强不变。当通过第二个偏振片Q（检偏器）时，只有当两偏振片的偏振化方向平行，光波强度最强，当两偏振片的偏振化垂直时，没有光波通过，光强为零。在旋转过程中光强的变化可以通过电场矢量分解及光强与电场矢量的关系得到马吕斯定律：为透射光光强，I0为线偏振光光强，为两偏振片偏振化方向的夹角。

3.4 理论联系实际

理论联系实际，学以致用才是开设大学物理课程的初衷，因此在讲解完物理知识后，我们对3D 电影进行揭秘，让学生们深切地体会到物理知识在实际生产生活中的广泛应用。在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼镜一对透振方向相垂直的偏振片，这样观众从银屏上看到的景象才有立体感。立体电影是一种用两个相机的镜头像人眼一样从两个不同的方向同时拍摄场景的电影。在放映过程中，两台摄像机拍摄的两组胶片同时由两台放映机放映，这样两个略有不同的画面会重叠在屏幕上。这时，如果你直接用眼睛看，你看到的图片是模糊的。要想看到三维胶片，必须在每台胶片机前安装一个起偏器，从两个投影仪发射的光在穿过偏振器之后变成偏振光。在左和右投影仪前面的偏振器的振动传输方向是垂直的，因此产生的偏振光的偏振方向也是彼此垂直的。投射到屏幕上并反射到观众的偏振光的偏振方向不变。当观众戴着偏光眼镜观看时，每只眼睛只能看到相应的偏振光图像，也就是左眼只能看到左机器反射的图像，右眼只能看到右机器反射的图像，会产生像直接观看一样的立体效果。这就是立体电影的原理。

4 结语

经过课堂实践教学，大多数学生都会用“神奇、奇妙、有趣、生动、深刻”等字眼来形容本次课，随堂小测试结果也证实了该次课具有较好的教学效果。由上述理论分析和实践教学可知，通过引入演示实验推动理论教学以及将理论与实际应用充分结合的策略，可以在很大程度上激发学生学习物理的兴趣，调动学习的主动和积极性，加深对知识的理解和应用，有效地提高学习效率并提升学生的创新思维能力。在今后的大学物理教学中，应勇于探索，不拘一格，创新思维，灵活运用，努力引导学生学好大学物理知识，为国家培养拔尖的高层次创新型人才夯实基础。