“迈克尔逊干涉仪调节和使用”微课视频设计与制作*

蒋 珊，王鸣鹤，吕凤珍，刘富池，朱长明，余贵波，孔文婕，周厚兵

（广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004）

0 引言

大学物理光学实验因实验与理论密切结合，仪器调节难度大等特点不同于其他物理实验，光学实验通常需要用特殊的实验器材才能将光学图像形象直观展现出来，揭示光学的本质和现象[1]。大学物理实验涉及的实验项目众多，包括光具组基点的测定、交流电桥、迈克尔逊干涉实验等，其中，迈克尔逊干涉实验否定了“以太”的存在，解决了当时关于“以太”的争论，并为爱因斯坦发现相对论提供了实验依据，由于迈克尔逊干涉仪将两相干光束完全分开，它们之间的光程差可以根据要求作各种改变，测量结果可以精确到与波长相比拟，因此在光学和近代物理的计量技术有着广泛应用[2]。但该实验在实际教学中，通常会面临以下问题，第一，实验需要学会仪器调节与使用，实验原理也不容易理解，但由于时间关系，教师只能讲解以及演示一次，如果学生听不明白或是实验演示时没看清楚导致学生在操作过程中出现问题无法得到及时解决，取得的教学效果并不理想。第二，随着实验完成，久而久之学生容易忘记实验内容。第三，由于学生分组实验教师需要重复讲解实验内容，加重了教师工作量[3]。近些年，“微课”因其针对性强、形式多样、重复性高等特点在课堂教学改革中备受关注，在优化课堂教学方面展现出了极大的优势[4]。本文以“迈克尔逊干涉实验”为研究对象，探究实验课堂与微课教学的结合，让学生实现在课前对实验原理、仪器操作的有效预习，课中对实验的问题有针对性的解决，课后可以复习、巩固知识，拓展思维提高学生们对物理实验的兴趣。

1 前期分析

1.1 仪器结构

在实验之前，充分了解实验仪器的结构非常重要，本次实验需要用到的迈克尔逊干涉仪结构如图所示[5]。其中需要重点了解以下结构：

（1）固定镜M1和可动镜M2：两个互相垂直放置的平面镜，镜面镀有金属膜，具有很高的反射率，背面各有三个滚花螺丝，可以通过调节螺丝改变镜面角度直到两反光镜严格垂直。

（2）分光镜和补偿片：平行放置的两块厚度与折射率相同的平行平面玻璃板，分光镜可以将以45°入射的一列光分成两列振幅近乎相等的反射光和透射光，它的第二平面上镀有一层半透（反射）膜；补偿片可以补偿通过分光镜的透射光与反射光之间附加的光程差。

（3）粗调转轮和微调转轮：旋转转轮可以使导轨上的转轴转动，从而带动镜M2沿导轨移动。

（4）毫米刻度尺、读数窗和微调转轮：它们的读数可以确定镜M2的位置和移动的距离[6]。

1.2 原理分析

仪器光路原理如图2 所示，光点O发出的光，穿过P1时，被分成相互垂直的反射光和透射光。反射光几乎垂直入射到镜M1后，沿原始路径穿过P1到达E处；穿过P2后，透射光几乎垂直入射到M2上，然后沿原始路径返回。它被P1第二层的半透明反射膜反射到E处。这样，到达E处的两个光束的光学特性完全相同，它们之间的光程差不同，具备相干特性，经观察者的眼睛叠加就能形成干涉条纹。在M1附近形成的虚像M2’是由于M2被P1的半反射镜反射，因此M1和M2的反射相当于M1和M2’的反射，与厚度为d的空气膜产生的干涉相同[7]。

图1 WSM-100 型号迈克尔逊干涉仪结构图[5]

图2 迈克尔逊干涉仪光路原理

如图3 所示，对于第k级干涉条纹，由M1和M2’反射光线的光程差为

图3 等倾干涉原理图

其中d为平面镜M1和虚平面镜M2’之间的间距。当d一定时，两光程差决定于入射角i，凡以相同倾角i入射的光经反射后就形成一个圆形干涉环，称为等倾干涉。在图2-2 中，用眼在E处正对P观察以各种不同倾角入射的光线反射后的图像，可看到一组明暗相间的同心圆环，通常称其为等倾干涉条纹。形成明暗条纹的条件是：

对于任一第k级干涉条纹，当d增大时，必定以减小cosik的值来满足2dcosik=kλ,故该干涉条纹将向ik变大的方向移动，即向外扩展，表现在条纹向外“涌出”，反之当d减小时，该干涉条纹将向内“陷入”。且当d每增加1/2λ时就有一个条纹涌出，反之，当d每减少1/2λ时就有一个条纹向中心“陷入”。因此，只要数出涌出或陷入的条纹数，即可得到M1以λ为单位的移动距离为

若有N个条纹从中心涌出或陷入，则表明M1相对于M2′的距离改变了

处理1、龙粳38，株行距为10cm*30cm，水整地时施入二胺6公斤、50%硫酸钾3公斤、尿素2公斤。插秧时侧深施肥时加入19公斤云天化复合肥。

波长测量实验中相应的条纹变化N可以数出，M1移动的距离dΔ 可以由干涉仪读数系统读出，从而代人式2-4，便可以求出待测光波波长[3]。

在实验中，钠灯发出的光将产生两套干涉条纹，因为钠光有两条主谱线的波长(钠双线的波长分别为λ1=589.0nm 和λ2=589.6nm)和强度都很接近，得到的两组条纹非相干性叠加的结果将随着d的变化，呈现周期性的重合和错开，使干涉条纹交替出现“清晰”和“模糊甚至消失”。在两相邻视见度最差位置之间，M1移动的距离λΔ 与Δd的关系为

2 微课设计

2.1 制作PPT课件

传统课堂上，教师利用板书进行课堂教学，教学手段单一，且较为耗时，课堂效果不佳。特别是在实验课上，很多内容需要用图像或是动态演示以将现象直观展示，这时就需要用到PPT 辅助教学。PPT 课件通过明亮的色彩、更具表现力的动画，将课堂变得更生动，提高学生注意力的同时节省了讲述时间。优质的PPT课件的制作是本次微课制作重要前提。在此过程中，要做到以下四点，第一，课件背景要突出文字，所以背景一般选择浅色为佳。第二，课件的页面布局需要做到在屏幕上的对象力求上下左右达到平衡，不要显得杂乱无章。第三，提供了足够的信息即可，去除累赘的文字和图片，以最少的数据显示最多的信息，第四，要按照顺序显示，不要提前将内容显示出来，这就需要为PPT 加上动画，这样就能按照我们计划的顺序，一步一步显示内容。制作技巧有：

（1）PPT 背景设计：除了第一页包含实验名称的PPT 以及最后一页包含感谢观看的PPT，其他PPT 背景统一选择包含广西师范大学图标的半透明灰白色的我校王城校区大门的图片，直接进行幻灯片母版设置。打开制作的PPT 课件，在视图中选择幻灯片母版，进入页面后，选择插入母版，将背景图片插入，最后关闭母版视图。将多次出现的内容放在幻灯片母版中，就能避免重复添加，提高效率，使制作过程更方便快捷。

（2）PPT 文字设计：标题部分的字体颜色使用靛蓝色，正文部分的字体颜色选择黑色，正文字号要选择大一点，但要小于标题的字号，才能在既美观的同时又利于学生观看，如图4 所示。注意只需要将关键内容展示在PPT 上，切忌将上课过程中的所有语句都放在PPT 中。对于重点的内容可以用另外的颜色标出，从而引起学生的有意注意，如图5 所示。

图4 课件文字展示

图5 重要内容用其它颜色标出

（3）PPT 图片设计：加入适当的图片，能对教学内容起到解释说明作用，让文字更有说服力，另一方面也能缓解学生观看文字的视觉疲劳。

（4）PPT 动画设计：合理为PPT 增加动画效果，设置动画样式，入场顺序，入场方向，以及持续时间，可以让PPT 变得更加生动，更方便辅助教师教学。如图7 所示的PPT，这是迈克尔逊干涉仪光学原理讲解的PPT，将光线入射后的具体过程依次选中，光线为其选择擦除的动画效果，然后分清每条光线的移动方向，选择擦除的方向，以及该过程的持续时间，这可以在讲解时，配合教师的语言讲解，逐条显示，引导学生关注光线的移动，理解仪器的光学原理。

图6 课件动画展示

2.2 脚本设计

视频录制还需要撰写脚本，它是微课设计中重要的环节，微课脚本相当于电影剧本，作为视频拍摄的重要依据，统筹安排好每一步需要做的事情，为后面的视频录制提供清晰的思路，不仅能提高视频拍摄的效率，如减轻工作量、节约时间，还能通过研究脚本提高视频拍摄的质量[8]。微课脚本的编写主要以录制表的形式展现，如图7，该表详细介绍了微课视频中所包含的具体内容，比如录制时间、录制过程中对应每一版PPT所展示的页面应该配合的语言、画面安排、教学环节安排（片头、正文内容讲解、结尾）等。

脚本设计的制作技巧包括：

（1）画面显示：画面显示是对微课视频中所要出现的画面的表示，是有关教学内容的画面，可以是选择文字进行描述，也可以插入课件的截图等。设计好画面可以为分镜头录制提供依据，方便后面的视频录制。画面的设计要清楚明白，符合教学内容。本实验微课画面主要由PPT 课件讲解、教师演示实验操作组成。

（2）教学内容：教学内容是对出现的画面进行讲解的内容，相当于教学语言，但并不是直接重复画面上的文字。教学的语言要简洁，要符合微课的特点，对画面的描述要准确。实验微课不同于平常在实验室上课，微课中不能出现口语化的表达，语句不能太过罗嗦复杂[9]。如图2-9 所示，在脚本中设计出录制时的所有话语，在为视频配音时，就可直接按照设计出的话语表述。

（3）时长分布：时长是根据教学内容估计画面出现的时长，同时也不能忽略PPT 课件中某些地方使用动画后所消耗的时间以及演示仪器时消耗的时长。微课视频时长较短，突出重点，结构又必须完整，因此恰当的分配各个教学环节中画面持续的时间，才能确保整节微课的的正常进行。

3 微课制作

微课的核心内容便是微视频，是面向学习者最直接的部分，所以制作微课视频这个环节极其关键，它直接就可以影响到微课的质量。因此需要做好前期的微课设计，才能开始录制视频。本次微课视频录制采用手机拍摄实验和录制屏幕结合，在完成后利用剪映对视频进行处理。

3.1 视频录制

（1）录屏。本文采用的是ipad自带的录屏功能，如图8所示，对PPT文稿演示的过程进行录制。将准备好的课件按顺序播放，点击ipad控制中心找到视频录制点击录制，等待三秒就可以开始屏幕录制了。在录制PPT演示时，可以将整个过程分开录制，避免录制过程中出现失误，也更方便剪辑视频。

图8 录屏

（2）拍摄。本文采用手机的录像功能，对实验操作演示过程进行实录如图9所示。拍摄实验操作时，多采用近景，需将具体的操作拍摄清楚，如图10所示。出现实验图像时，就需要特写，如图11所示。保持镜头固定，确保不会发生晃动和画像不会模糊，从而保证视频的质量。

图9 手机拍摄实验

图10 近景拍摄

图11 实验图像特写

3.2 视频剪辑

为了呈现更好的视频效果，需要对拍摄后得到的多段视频进行剪辑，本文采用“剪映”作为主要剪辑工具。该软件是一款具有完整编辑功能的移动视频编辑工具，支持视频变速和文本编辑，操作简单，功能多样，可用于移动终端，iPad 终端，Mac 电脑，Windows 电脑。

在视频编辑时对采集到的实验视频素材进行合理的取舍，首先剪去视频中不理想的片段，同时剩下的实验视频拼接流畅无卡点。本次视频剪辑使用剪映的过程如下：开始创作→选中视频→点击剪辑→点击切割→选中片段→删除，就可以剪去不理想的片段，如图12 所示。录屏的视频也使用这样的方法进行剪辑。如果需要的视频片段时长不足或者时长过长但是又很重要，可以选中该视频片段，点击变速，选择倍速，就可以改变视频播放的速度，达到改变时长的目的。为了实验视频更美观，在每个实验前加入转场效果，同时加入图片，标记实验开始。

图12 视频剪辑过程

其次，为每个视频配音。按照脚本设计的语言，在剪映中操作如下：点击音频→选择录音→按中录音。

为了更方便学习，可以为视频添加字幕，操作如下：首先点击文本，在文本中选择识别字幕，勾选开始识别，该软件就会开始识别语音，自动添加字幕，这时拖动识别出来的任一文本框，就能改变整个视频所有的字幕位置。观看视频，找出字幕中的错别字，再次点击识别出来的字幕，选择批量修改，就能进行更改，如图13 所示。

图13 视频字幕

最后将每个视频都导出，重新点击开始创作，选中第一个视频，然后按照顺序加入视频，合成一个完整的微课视频，导出完整的视频。

4 结论

本文以大学物理光学基础实验之一的“迈克尔逊干涉仪实验”为例，从实验分析、微课设计、微课制作三个环节详细介绍了该实验的微课制作流程。随着科技的发展，微课将在教育领域中占有越来越重要的地位，教师学习微课制作，能够促进教师个人专业发展，而制作出的微课则提供了一种新的教学方法，提高了教学效率，满足了学生对知识的需求。