110 光电子技术与信息 Optoelectronic Technology& Information2005Apr;18(2) 在普物光学实验教学中开设研究性实验 沈元华,马秀芳 (上海复目大学物理系,上海200433) 摘要:为了提高学生的创新能力,我们在普物光学实验中开设了一些设计性、研究性实验,获得了较好的成 果。本文介绍了开设这类实验的教学方法、教学内容和教学成果 关键词:创新;光学教学;光学实验;研究性实验 中图分类号:G642.0 文献标识码:C 文献编号:1006-1231(2005)02-011003 Research Experiments in Optical Experimental Teaching SHEN Yuan-hua, MA Xiu-fang (Department of Physics, Fudan University, Shanghai 200433, Chin Abstract: In order to develop students' creativity, some designing and research optical experiments are set in general physics experiments. The teaching method, contents and results of these experiments are introduced Key words: creativity; optical teaching; optical experiments; research experiments 1引言 2设计性研究性光学实验的教学方法 由于基础不同、学时不同、要求不同,我们对 长期以来,普通物理实验中的光学实验常常被不同年级的学生采用了不同的教学方法。对于一年 学生认为是最难调节、最枯燥、最伤眼睛的实验之级学生,只能要求在教学实验中稍带一些设计和研 这些实验教学内容陈旧、教学方法过死调节读究的内容。我们在原来的实验中加入一些“选做实 数太多、设计研究缺乏因此,虽然光学学科迅猛发验”或“实验拓展”的内容,从而提高学生的研究能 展,在国民经济中的应用日益广泛,但光学教学实验力.例如,在“牛顿环”实验中,加入用汞灯代替钠 却仍然板着老面孔,以测量和验证为主的实验难以灯观察其干涉条纹异同并测量其绿光波长的选做内 摆脱传统实验的框架,不能激发学生独立思考的兴容,以及利用牛顿环类似装置测量头发直径的拓展 趣和激情,抑制了学生个性的发展,不利于创新人才内容.此外,又新排了一些“激光监听”、“光通信” 的培养 等较有趣的实验。规定学生可以少做一些常规的测 近年来,我们以努力培养创新人才为目的进行量性验证性实验而把另一些实验做深,包括选做与 了教学内容和教学方法的改革~,主要是开设了拓展及自己设想的内容等这样,学生的个性得以发 系列设计性、研究性光学实验对一二、三年级展,特别是一些优秀学生(如有的学生中学里参加过 学生分别采用不同的教学方法,所实施的光学设计各类竞赛的培训、做过相当多的实验),更可以发挥 性、研究性实验克服了上述弊端,使光学实验面貌焕他们的主动性、积极性,得到创新能力的培养 对于二年级的学生,我们拿出1/4的时间,让 要求多做这类实验,甚至愿意自费买“实验票”做实大多数学生有机会进行设计性研究性实验,具体做法 验.他们所做的实验确实获得了不少创新结果,有的 是把过去两个学期的实验内容压缩到一个半学期完 已写成论文并被《sPIE》、《光学仪器》、《大学成,在第二学期的期中,进行一次笔试和操作考试 物理》、《物理实验》等杂志发表,其中有的被国际实验与考试总成绩合格者(90%以上),均可按成 权威E收录,有的入选《二十一世纪中国社会发展绩次序挑选某一个“小课题”作为下半个学期的实验 战略研究文集》,有的获全国“挑战杯”一等奖 内容。这种“小课题实验”的教学方法与一般实验不 们感到,这类实验确实有利于提高学生发现问题、分同,是具有设计性或研究性的,内容较广泛,如“光 析问题和解决问题的能力,有利于培养他们的创新 学薄膜的研制”、“液晶光阀特性的研究”、“光学傅 精神。 稿日期:2004-081 C1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid. All rights reserved
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光电子技术与信息 Optoelectronic Technology& z Information2005Apr;18(2) 111 里叶变换与光信息处理”等,这些实验没有详细的实研究性实验,让学生在实际设计和安装一台显微镜 验教材供学习,而只有一些参考材料供选读;实验的或望远镜的过程中,受到科学研究工作的训练,得到 具体要求和实验方法不是由教师规定,而是由学生了学生的普遍欢迎 根据参考材料自己拟定;不是每次实验完成后都写3.2原有光学实验内容的深人 份实验报告由教师审阅,而是半个学期后写一篇 对一些常规光学实验进行深入的研究,都会有 论文在全组同学中宣读、答辩 许多新问题发现,从而开发出新的研究内容。例如, 对于三年级的学生,研究课题相对较大,要求“双棱镜测波长”是一个很传统的光学实验,在调光 较髙,这些实验难以在较短时间内完成。因此我们开路时,一般都要求使入射光均匀照亮双棱镜的两翼 设了一门独立的选修课,叫作“综合物理实验”对为什么一定要均匀照亮?不均匀照亮又会有什么结 于一些特别大的研究课题难以在规定的课程学时内果呢?一般都认为不均匀照亮则两束相干光强度不 完成,经教师同意,甚至可以把实验室钥匙交给学等,干涉条纹的对比度就会下降.但是,深入观察的 生,让他们随时可以进实验室工作,这种形式我们叫结果发现并非如此:当双棱镜两翼明显不均匀照亮 做“开放实验”。选修这些实验的学生一般要求有较时,干涉条纹依然清晰如前。那么,“均匀照亮”的 强的动手能力和活跃的思考能力(二年级的实验成绩意义何在呢?作为一个深入研究的內容,我们让学 至少在中等以上),两人一组选定课题后,教师一般生作了一个学期的设计性研究性实验。他们自己设 只对课题的意义、背景等情况作些介绍,完全由学生想研究方案、设计实验过程、提出各种假设并进行验 白己查阅相关资料,提出实验要求、实施方案和具体证,最后终于从理论上推导出,只要均匀照亮双棱镜 步骤。教师只对其进行审核,并对其中关键性内容进棱脊附近约±2mm就足够了,完全不必全面均匀照 行恰如其分的指导.在整个实验教学的全过程中,要亮两翼;并且用自己设计的实验,令人信服的证明了 求学生把在普通物理实验等基础课学到的知识和技上述推导的正确。有关论文已发表在《物理实验》 能,创造性地运用在实验的课题中,得到进一步巩固23卷7期 和提高。他们可以随时与教师交流想法,讨论问题, 又如,“迈克耳孙干涉仪”也是一个几乎所有 得到启发和帮助;但不能依赖教师,全部实验工作必学校都有的典型老实验,但也能挖掘出许多可以深 须由学生自已完成。实验结束时,每个课题都要写出入研究的新问题.多年来,我们让几届的学生分别研 正规的学术论文,并进行答辩和交流,其中大部分应究了补偿板对单色光有没有作用?测平行玻片折射 具有创新的成果,并能在正式学术刊物或全国性学率时,为什么不能调出直条纹?半反射镜的反射率 术会议上发表 对干涉条件有什么影响?等许多问题。有关的学生 论文发表于《光学仪器》20卷2期⑤、《大学物 3设计性研究性光学实验的教学内容理》19卷1期 设计性研究性实验的内容不限于测量数据、验3.3以现代化的新光学内容充实设计性研究性实验 证定律,而重在观察现象、设计方法、研究问题。这 除了传统实验的横向拓展与纵向深入,把一些 些内容主要来自三个方面。 现代新发展的光学研究课题引入教学实验,也是设 31原有光学实验内容的拓展 计性研究性实验内容的重要来源。实际上,这些内容 由于学时的限制,原来的光学实验内容一般比往往原理较深、仪器较复杂,因而直接引入一般教学 较局限.设计性研究性实验允许学生有较充裕的时实验相当困难;而设计性研究性实验的学时较长、教 镀制”实验原来只限于镀一块高反膜,现在作为设计法灵活,为这些内容的引入创造了十分有利的 间,因而可以把这些内容拓展。例如,“光学薄膜的 学方 性研究性实验,可以由学生自已设计各种多层介质 例如,上世纪90年代末,我们从浙江大学买入 膜,包括宽带增透膜、窄带滤光膜、偏振分光膜、彩液晶光阀,开设了关于液品光阀特性研究的设计性 色透光膜等等,并可以镀完后进行各种性能的测量 研究性实验,有关论文发表于《物理实验》22卷10 如不符合要求,则研究原因、改进工艺,重新再镀 期4;二十一世纪初,我们从美国哈佛大学的一篇 这样,学生就有了类似于从事科研工作的经历,实际论文得到启发,开设了关于光镊子的设计性研究性 工作能力显著提高 实验,以学生为主,自行研制了一台光镊子,并进行 又如,显微镜和望远镜是十分常用的光学仪器, 了其特性与应用的研究,有关论文发表于《物理与 它们的原理、结构都是学生早已熟悉的;但有许多实工程》2002年(专刊),这些现代内容的引入使 际问题却往往并不清楚.如物镜与目镜如何选择与光学实验生机勃勃、与时俱进,跟上了光学学科迅猛 搭配?镜筒长度如何确定?放大倍数受哪些具体条发展的雄健步伐.有关光学实验现代化的详细内容 件的制约?怎样测量实际放大倍数? 我们以请参阅作者的另一篇论文:“普物光学实验的现代 “显微镜和望远镜的组装”为题开设了一个设计性化”(待发表) C1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid. All rights reserved
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112光电子技术与信息 Optoelectronic Technology& Information2005Apr;18(2) 4设计性研究性光学实验的教学效果验中所取得的收获和达到的水平,是过去常规光学 实验中所不可比拟的 过去光学教学实验被许多学生认为是既伤眼睛参考文献 又枯燥乏味的“苦差事”,由于加入了设计性研究性 实验的活泼内容,它变成了一个兴趣盎然、富有挑战1]马秀芳,陈元杰,杨敏,等.开设设计性、研究性的 性的课程。不少学生因此对整个光学学科的看法也 光学实验,培养学生的动手能力和创新精神小J红 有了改变.过去好学生大多选择理论物理或凝聚态 外技术.2000,增刊:192~194 物理,很少愿意读光学的。自从开设了设计性研究性 2]沈元华改革实验教学,推进素质教育小实验室 光学实验以来,吸引了不少优秀学生到光学来做毕 研究与探索.2001,20(1):34~36. 业论文,以至来考光学的研究生 3]沈元华.基础物理实验教学的“与时俱进 近五年来,学生经设计性研究性光学实验共写 复旦大学物理实验课程改革介绍大学物理 出学术论文三十余篇,其中12篇616已正式发表 还有许多论文虽然没有发表,但学生通过写论文、宣 4]马世红,沈元华.设计性、研究性物理实验的研究与 读论文和答辩,也受到了较全面的训练.实践证明 开发.改革创新·发展(第一集)[M].北京:高等 在光学实验中开设设计性、研究性实验不仅扩大了 教育出版社.2003,260~263 学生的视野,提高了他们分析问题、解决问题的能张建卫,蒋玉龙,马秀芳,等,迈克耳孙干涉仪 中补偿扳对单色光干涉的作用J.光学仪器 力,而且大大激发了他们的创新激情,全方位地培养 199820(2):24~29 了他们的科学研究能力和创新精神 翔,谢千里,等介绍一个现代化的普物实 对参加了设计性研究性实验的学生进行了调 验-液晶光阀J]大学物理,199918(12):31~33 查。他们一致认为,设计性研究性实验是一种让他 [7 Fei Y, Xi Y G, Chen Y J, et al. Automa- 们有更多的独立自主,对实验方法进行设计、对实验 结果进行研究的实验,与传统的测量性或验证性实 SPIE,19983558:87~92 验相比,它更有利于培养他们的开拓精神和创新能8]邓道盛,庞举,徐新民,等改建CVD系统,制 力。他们普遍反映:“我们经过设计性研究性实验的 备金刚石薄膜小物理实验,200,020(4):3~5 磨练,感到它最大特点就是没有标准答案.实验的9LnsY,MaxF, Sheny h. Measuring a rotat 器材选择、步骤安排、数据获得、结果讨论,一切都 ng substrate temperature by laser[J]. The 4 In- 是开放的。这样的课题可谓是‘科学研究的小型化 ternational Conference on Thin Film Physics and 学生实验的拓展化的成功尝试,它对于我们的科学 精神、科学态度和意志力的培养都大有裨益许多科0陆思渊,马秀芳,沈元华旋转基板的微光测温 学家的成功都是从实验室中的独立思考开始的,设 光学仪器,200022(3):3~7 性研究性实验不正是为这种独立思考提供了最肥11栾兰,闪辉,马秀芳,等迈克耳孙干涉仪测 的土壤么?”(00级周亚俊);“在‘光镊子’的 玻片折射率实验的进一步研究小J大学物理 项目里,我最大的收获是学会了用书本上的知识来 200019(11):20~23 分析、解决实际的问题。这是以往的普物实验里不可 12】徐鹰,干正卿,马秀芳,等.谈实验设计如何提 能学到的。应该说是这个项目把我领进科研的门。” 高学生的兴趣 从X射线系列实验得到的启发 (99级余心迪);“我们可以做自己想做的事情,可 J物理实验,2002,22(7):25~29. 13 Chen M Z, Yu X D, Ma X F Frontier 以自己查阅资料、自己设计实验,并培养合作和团队 of science vitalizing undergraduate laboratory 精神”(99级周立辉);“最吸引我们的地方是可以 introduction of inexpensive optical tweezers as 充分发挥自己的动手能力”(98级曹荣根);“是素 a vasic experiment in physics lab[A]. International 质教育的一个好课程”(98级潘新竹)……在调查 Conference on Physics Education for " Reforming 中,许多学生都提出希望增加实验课时,有的甚至提 The Fundamental Physics Teaching" PROCEED- 出,要自己另外出钱,象计算机买“上机票”那样买 INGSIC,157~161 实验票”来做实验,虽然这样做的可行性还有待研 [14甘巧强,周立辉,谢斌平,等.液晶光阀图像输出特 究,要真正实施也还有许多问题要解决,但学生的这 性的研究[J]物理实验,200222(10:45~28 种要求充分表明,他们对实验的兴趣大大增加了 15]陈铭智,余心迪,马秀芳,等.光镊子实验介绍 通过这些实验,学生的动手能力和创新精神大为提 物理与工程(专刊),2002131~135 高,十多篇已发表的论文雄辩地证明,他们在这些实16]周亚俊,王秦镜,马秀芳等关于“双棱镜必须均匀照 亮”的深入探讨[]物理实验,20323(7:46~48 作者简介:沈元华(1939-),男,教授,研究方向为光学 C1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid. All rights reserved
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