光电子技术与信息 Optoelectronic Technology& Information2005Jun;18(3) 普物光学实验的现代化 马秀芳,沈元华 (上海复旦大学物理系,上海200133) 摘要:为了扩大学生的视野,增加实验的兴趣,充分调动学生学习的积极性和创新精神,我们将一些反映当 前光学发展的新内容、新技术引进到普物光学实验中,并在实验教学方法上进行了改革.本文介绍了我们的具体做 法和体会 关键词:光学实验;现代化;创新精神 中图分类号:G642.0 文献标识码:C 文献编号:1006-1231(2005)03-009203 Modernization of the General Physics Optics Experiment MA Xiu-fang, SHEN Yuan-hua (Department of Physics, Fudan University, Shanghai 2 04.3 China Abstract: In order to widen students'view, to increase their experiment interesting and fully mobilize their activ ity and creativity, we introduced some new contents and new technique reflected the present optical development into the general physics optics experiment. The teaching method and our feeling were introduced Key words: optical experiment; modernization; creativity 1引言 验设备及过死的教学方法是不相适应的.为了使普 随着激光的出现,光学学科呈现出蓬勃发展的物光学实验“与时俱进”、增加它的活力,我们尝试 新局面,光学学科与技术也得到了相应的发展.当将一些科研领域新出现的现代最新技术经简化的方 今,光学在应用技术方面的发展已成为一个国家国 式引入到普物光学实验中。光镊子实验就是我们成 民经济建设和军事国防建设中的重要环节,成为衡功引入的实验之 量一个国家先进程度的主要指标之一。但是传统的 光镊子就是以激光作为工具来操纵大小范围在 光学实验,由于教学内容陈旧,教学方法过死,不能 个单原子至100m左右微粒的位置和方向。可用 激发学生的兴趣和激情,更不利于创新人才的培养 它来操纵电介质球、病菌、细胞和DNA等,并可测 普物光学实验如何面对新时代的挑战,不断“与时俱出微粒的弹性、作用力、力矩、位置、表面结构及分子 进”,是当前实验教学改革的重大课题.近年来,为 的互作用1,2,在物理、化学、生物、医学等许多 了培养适应2世纪发展需要的人才,培养学生创新科学领域都有着重要的应用,把这样的内容引入实 意识、创新精神和创新能力,我们普物光学实验室积 验,让学生能较好地掌握新技术的原理,又能使他们 极改革实验内容,不断将反映当前物理实验方面的 得到现代化动手能力的训练,这是一个非常好的现 新内容和新技术引进到光学实验中,排出一系列新 代化实验。遗憾的是大多数的光镊子结构复杂、价格 实验,受到学生欢迎下面我们从普物光学实验内容贵,不可能引用到普物实验中,为此我们将这作为 的现代化、光学实验技术的现代化和光学实验教学 个课题在设计性、研究性实验和开放性实验的课 方法的现代化二个方面来谈一下我们的体会 题中提出来,为了适合普物实验的需求,我们在保证 光镊子基本构架完整,并具有一定的科研能力前提 2普物光学实验内容的现代化 下,对仪器进行简化,通过反复试验和研究,终于建 立了一台价廉物美适用于普物实验的光镊子装置 显然这与我们原来老化的教学内容、陈旧的实 收稿日期:200408-11 201994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnk.net
光电子技术与信息 Optoelectronic Technology& Information2005Jun;18(3) 我们让二年级的学生在自己建成的设备上做有关光3普物光学实验测试手段的现代化 镊子的调节、用光镊子排列小球和光镊子纵向镊陷力 的测量实验8,通过这种和现代科学技术紧密相连 随着科学技术的不断进步,像计算机、CCD 的实验,学生既得到了很好的三维光路调节的基本摄像机、数码相机等高科技产品不断涌现,如何将 训练,又对这项高新尖端技术的基本原理和应用获这些高科技的新设备适当地引进到实验中,是关系 得了较深入的了解,激发了学生探索科研的兴趣。以到光学实验现代化的一个重要问题.最近几年我们 后他们进入科研组,在资剑教授负责的“孔雀羽毛色 设法将计算机引入到光学实验中,如在单缝衍射实 彩机理”课题和对红细胞研究课题中,利用我们的光验、在激光发散角测量实验中用计算机取代原来的 摄子装置进行有关部分实验的研究,取得了一定的自动记录仪,学生通过自己测量和编程,不仅提高了 成果以物理系9级学生余心迪作为第二作者的文实验能力,同时也提高了他们计算机的运用能力.我 章 Coloration Strategies in Peacock Fenthers发表在们还将CCD引进到牛顿环、双棱镜、声光效应等实 美国PNAS杂志上 验中,物理系99级学生周亚俊等,在讨论“菲涅耳 液晶光阀实验是我们成功引入的又一例子.液双棱镜”实验中,双棱镜是否需要“均匀照亮”的题 晶光阀是当前飞速发展的光电子学中一种重要的空目时,用CCD和 Microview pci dem menstration 软 间光调制器,它在大屏幕投影显示、相干光定时处件代替测微目镜,对双棱镜干涉条纹清晰程度与双 理系统及红外导弹跟踪模拟等领域都有着广泛的应棱镜表面被照亮的情况进行仔细观察记录,得出了 用,是正在发展的高新技术基本元件之一,有着广阔只要双棱镜的中心(脊棱的附近)被“均匀照亮”即 的前景.而且液晶光阀涉及到液晶的光学性质,各种可的结论,有关文章发表在“物理实验”杂志上m 偏振光及其转换,光导材料的特性,偏振分光棱镜的照相技术是光学实验的一项基本功,由于底片冲洗 作用等,该实验物理思想丰富,物理图像清晰,并涉作只能在暗室中进行,为了使学生更好地掌握暗 及光学和电学的基本操作训练,把这样的实验引入普室操作技巧,我们利用摄像机能在暗室中进行拍摄 物光学实验,不仅具有现代化的气息,而且对增养学的特点,将暗室操作的标准过程拍摄下来,然后放给 生的动手能力、分析问题、银决间题的能力和创新精学生看,使学生对暗室操作过程一目了然.这样既提 神都有很大帮助.许多学生争先恐后地选做了该实高了学生的实验兴趣,又学会了暗室冲洗技术 验,通过这个实验他们不仅学到了有关液晶光阀这 把计算机应用于物理实验教学领域的另一成功 个现代光电子基本元件的有关知识,而且培养了 之处是计箅机辅助教学,我们利用摄象机和计算机编 定的科学工作能力.在“大学物理”和“物理实验”制了迈克耳孙干涉仪实验的预习光盘,将迈克耳孙干 杂志上先后发表了他们在这方面所做的工作,6 涉仪的结构、原理及调节过程用摄象机拍摄下来,编 随着信息技术的日新月异,人类社会已进入了制成光盘,让学生实验前先看光盘,或将光盘借给学 信息化时态,现代化的光通信系统已逐步取代原有 生,让他们带回寝室进行预习,大大提高了实验的效 的电气通信系统。为了使学生跟上时代的步伐,对光率.又如“高真空镀膜”实验,使用的仪器是真空镀 纤通信这门新兴技术有所了解,早在上世纪90年代膜机,单靠教材的文字和简单插图是很难使学生理 就对物理系93、94级学生开设了模拟光纤通讯实解的,加上抽真空整个过程时间太长,而且操作过程 验,要求学生自己设计组装一套光纤通信的发送系统中各种阀门开启有一定次序,一旦搞错就会酿成事 和接收系统,对整机进行装配和调试,并对有关参数 故。为了让初学真空技术的学生快速掌握高真空的 测试最近,我们还将光通信、激光监听等有关实验获得与测量方面的基本知识和技能,物理系98级学 引进到基础物理大平台实验中,通过这些实验使学生孙纯利用计算机多媒体优越性编制了“真空实验 生可了解到光通信中的最基本的光调制的原理,为预习CAI软件”,它改变了传统真空系统真空实现和 了使学生对光调制的原理有进一步了解,除上面介测量上的枯燥的教学方式,降低了实验成本、缩短了 绍的液晶光阀,我们还引进了声光调制和电光调制实验的时间、而且可以多次重复,还允许学生进行错 的有关实验。除此以外,我们还排出了X光衍射、 误操作,然后进行改进,从犯错误中吸取教训,可以 光学薄膜研制、全息和光信息处理,用CVD方法制体会到以往实际实验中教师尽量让学生避免出现而 备金刚石膜等实验,使原来“呆板枯燥”的实验内容无法体会的现象,使原来枯燥耗时的实验变得高效 增添了活力 简明了 总之,将计算机、CCD、摄像机、数码相机等 高科技产品引进到实验室,改变测试手段,提高了学 201994-2006ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse,Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
光电子技术与信息 Optoelectronic Technology& Information2005Jun;18(3) 生的实验兴趣、开阔了学生的视野,培养了学生的创发给学生就完事的做法,而是试行实验报告“面批 新能力,实现测量手段和数据处理的现代化,使实验方式。即将有问题的报告当面交给学生,如有错可及 更具有现代气息 时纠正,有问题也可及时讨论.这样不仅提高了批改 4普物光学实验教学方法的现代化 实验报告的效率,也进一步沟通了师生之间的关系 总之,教学内容和教学方法的改革受到学生的 由于长期以来,基础物理实验的教学模式单一、欢迎,物理系99级学生陈岳瑞做了液晶光阀实验后 教学方法过死,学生一般只是按照课本或按照教师要谈体会时写道:“通过本次实验,使我接触到了新的 求去做,没有时间,也很少有机会提出自己的想法 知识、新的理论,在实验过程中翻阅了一定的资料,使 因此在一定程度上限制了他们的主动性和积极性 我对光信息处理和光调制器件都有了一定的了解, 难以激发他们独立思考的兴趣和激情,抑制了他们拓宽了我的知识面,液晶光阀作为一种现代化器件 个性的发展,因此不利于创新人才的培养。为了培在现实生活中应用十分广泛,从民用投影仪到军用 养出适合21世纪发展需要的人才,除了要设法将一的红外跟踪技术,都有它的踪影.对于这样一种现代 些科研领域出现的现代化科学技术和一些高科技产化的光器件,我们能对其应用及工作特性做一定的 品引进到实验中,实现实验内容和测试手段现代化实验研究,特别是对于从中获得了许多现代光学和 外,实验教学方法的现代化也是至关重要的.因此前液晶方面的知识感到十分幸运.总之,这次实验无论 几年,我们首先对光学实验进行教学改革,在学生必是从提高动手能力还是从培养思考能力以及扩大知 修了一定基础实验的基础上,开设了“设计性、研究识面上,对我都有极大帮勛,是我进大学以来收获最 性的综合实验”和“小课题实验”等,由教师给出课大的实验”可见普物光学买险的现代化对发挥学生 题并介绍课题要求,学生自愿报名参加。在整个实验 主动性和积板性.培养了他们的科学研究能力和 过程中要求学生自己查阅资料、自己设计方案、自己创新神礁实是大有好处的。我们的改革已取得了 选择实验器材进行实验和测量,最后每课题都要初步的成效。当然,科学技术在突飞猛进,现代化是 求写出论文并进行交流。实践记明,通过迒祚的实验无止境的.我们将按照这一思路,经常从科研成果中 不仅扩大了学生的视,提高了他们动手能力,分析吸取新的内容,充实到教学实验中来,使普物光学实 问题和解决问题的能力,而且大大激发了他们创新验教学能与时俱进、不断发展 和科学研究能力,也结出了丰硕的成果,他们写出的 许多论文已正式发表在国内外学术杂志上。具体内 容请见我们的另一篇论文“在普物光学实验中开设 参考文献 研究性实验”(《光电子技术与信息》2005年第2 [1 Ashikin, Dziedzie J M, Yamane T. Optical trap- 期》 ping and munipulation of viruses and bacteria[J] 我们还对收发实验报告在时间上和方式上进行 Science,1987,235:1517~1520. 改革,过去是学生这星期做实验,下星期交实验报2 Ashkin. Forces of a single-beam gradient. laser 告,再下星期才能发还给学生.因此一个实验从做实 ap on a dielectric sphere in the ray optics 验到拿回报告所经历的时间周期太长了,学生拿到 regime[J]. Biophys J, 1992, 61: 569-582 报告后,对前面的实验已无多大兴趣,往往也不仔细3]陈敏智,余心迪,马秀芳,等.光镊子实验介绍物 看,错了不知道错在什么地方.这对他们掌握这个实 理与工程(专刊)2002:131~135 验来讲肯定是不利的.最近几年,我们将过一周交报 [4 Zi J, Yu X D, Li Y Zh, et al. Coloration strate- 告的规定,从时间上改为48小时内交报告,即要求 gies in peacock feathers J]. PNAS2003, 2003, 100 12576~12578. 学生做完实验后48小时内要将报告交上来,教师收 到报告后,及时改好,在学生下周来做实验时就 程翔,谢千里,等.介绍一个现代化的普物实 验一液晶光阀[J大学物理,199,18(12):31~33 将报告发还给他。由于时间周期缩短了,他们对上周 6甘巧强,周立辉,谢斌平,等液晶光阀图象输出特 做的实验还记忆犹新,如有什么问题马上就能搞清 性的研究[J]物理实验.2002,22(10):45 7周亚俊,王秦镜,马秀芳,等关于“双棱镜必须均匀照 在“方式”上,我们改变过去那种将改好的报告 亮”的深入探讨!J]物理实验.2003.23(7):46~48 作者简介 马秀芳(1946-),女,副教授,从事大学物理实验教学工作 201994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/www.cnki.net