沈元华等光学基础实验课程的改革 了解了这一点后,用改变激光的偏振方向来控制误认为光学实验就是光学测量.他们往往只记录 微粒的方向,从而把“光镊子”变为“光螺丝刀”,又数据不记录现象;注重误差分析而忽略了对实验 成了我们新排的实验内容之一12, 现象的分析.这是不利于学生科学素质的全面提 除了排现代新内容的实验外,光学基础实验高的 的现代化还包括大量采用激光为光源、采用CCD 为了有利于训练学生观察自然现象的科学方 为探测器、采用计算机采集和处理数据等12.这法,培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能 些现代器材和手段的引入,也是光学基础实验现力,增强学生的科学洞察力和判断力,激发学生的 代化的重要组成部分 求知欲望和创新精神,我们近年来在基础光学实 当然,由于总学时数有减无增,为了要增加现验中适当减少了一些测量对象和测量次数,加入 代化的教学内容,减少其它实验在所难免为此,了一些定性与半定量性质的实验.例如,用功率 我们忍痛删除了不少传统实验,包括单色仪的定较大的氦氖激光在钢尺上反射可得到许多衍射光 标、摄谱仪的使用、感光乳胶特性的研究、瑞利干斑,原来是一个在大教室里做的演示实验我们把 涉仪等.但关于定标的思想、分光的概念、干涉仪它改为用小功率的半导体激光器在实验桌上做 的应用等还是在其它实验中体现了 通过测量这些光斑间的距离,就可以算出激光的 教学内容的现代化改革受到学生的普遍欢波长.虽然这并不是精确测量光波长的方法,只 迎.他们一致认为这些新实验拓宽了他们的视是一种半定量的测量,但其方法与工具都非常简 野,看到了光学研究的前沿,增加了做光学实验的单、物理概念又相当清晰,测量结果也很可靠.这 兴趣,提高了学习积极性 对于训练学生观察与分析物理现象的能力、加深 3关于定性与半定量光学实验 对物理光学的理解,都十分有利21 又如,“用迈克耳孙干涉仪测波长″实验,是典 许多光学测量是以光的波长来量度的,因而型的以测量为主的实验,过去要求学生读移动 是很精密的测量.但是,并不是所有光学实验都500个条纹时反射镜的移动距离,从而得到汞灯 是光学测量.实际上,不少光学实验是定性的或的波长,可达4位有效数字.实验虽精确,但内容 半定量的,即只要求看到明确的光学现象或只要相当枯燥,学生常读得头昏眼花,而实验的收获却 求很少的有效数字(例如1位有效数字)就够了.并不大.现在我们把实验要求改变为只读50条 这种实验虽然看似简单,但意义深刻.历史上许有效数字少了1位,但测量方法仍然学会了.省 多关键性的实验恰恰正是这种定性或半定量的实下的时间要求学生比较激光条纹与汞灯条纹的异 同、圆条纹与直条纹的异同、从圆条纹的长出与缩 例如,为了证明“光是一种波动”的学说,阿喇进判断两反射镜的相对位置;甚至要求学生取下 果设计了观察圆盘阴影中心有亮点的著名实验.近视眼镜(或带上远视眼镜)去观察汞灯圆条纹 显然,这是一个典型的定性实验,不必精确测量阴以判断条纹的定域等,使实验的物理内涵丰富了 影中的光强分布,只要看到阴影中心确有亮点就把学生的注意力从单纯追求测准波长引导到对迈 足以证明了菲涅耳的波动说的正确性.著名的迈克耳孙干涉仪原理的了解和对各种干涉的本质与 克耳孙莫雷实验则是个半定量实验,目的在于研特点等方面来,充实了这个传统基础实验的定性 究地球与“以太”的相对运动,其测量精度并不高,与半定量的内容2 结果也没有很多的有效数字,但却成了相对论的 重要实验基础 4关于设计性研究性实验 在某种意义上说,定性或半定量实验相当于 除了实验内容现代化和加强观察与分析以 粗调,定量实验相当于微调,而实验总是应该先粗外,实验教学方法、教学要求的改革也十分重要 调后微调的.因此,学习设计和进行定性或半定过去那种根据教材规定的步骤按部就班做实验的 量实验,是实验教学中不可缺少的环节,是素质教方式难以摆脱传统实验的框架,不能激发学生独 育的重要内容.但是在以往的光学实验教学中,立思考的兴趣和激情,不利于学生个性的发展,难 很少有这种类型的实验让学生做.以致有些学生以培养创新人才 2 C1995-2006 Tsinghua Tongfang Opical Disc Co, Ltd. All rights reserved.了解了这一点后 ,用改变激光的偏振方向来控制 微粒的方向 ,从而把“光镊子”变为“光螺丝刀”,又 成了我们新排的实验内容之一[2 ,3 ] . 除了排现代新内容的实验外 ,光学基础实验 的现代化还包括大量采用激光为光源、采用 CCD 为探测器、采用计算机采集和处理数据等[ 2 ,3 ] . 这 些现代器材和手段的引入 ,也是光学基础实验现 代化的重要组成部分. 当然 ,由于总学时数有减无增 ,为了要增加现 代化的教学内容 ,减少其它实验在所难免. 为此 , 我们忍痛删除了不少传统实验 ,包括单色仪的定 标、摄谱仪的使用、感光乳胶特性的研究、瑞利干 涉仪等. 但关于定标的思想、分光的概念、干涉仪 的应用等还是在其它实验中体现了. 教学内容的现代化改革受到学生的普遍欢 迎. 他们一致认为这些新实验拓宽了他们的视 野 ,看到了光学研究的前沿 ,增加了做光学实验的 兴趣 ,提高了学习积极性. 3 关于定性与半定量光学实验 许多光学测量是以光的波长来量度的 ,因而 是很精密的测量. 但是 ,并不是所有光学实验都 是光学测量. 实际上 ,不少光学实验是定性的或 半定量的 ,即只要求看到明确的光学现象 ,或只要 求很少的有效数字 (例如 1 位有效数字) 就够了. 这种实验虽然看似简单 ,但意义深刻. 历史上许 多关键性的实验恰恰正是这种定性或半定量的实 验. 例如 ,为了证明“光是一种波动”的学说 ,阿喇 果设计了观察圆盘阴影中心有亮点的著名实验. 显然 ,这是一个典型的定性实验 ,不必精确测量阴 影中的光强分布 ,只要看到阴影中心确有亮点就 足以证明了菲涅耳的波动说的正确性. 著名的迈 克耳孙2莫雷实验则是个半定量实验 ,目的在于研 究地球与“以太”的相对运动 ,其测量精度并不高 , 结果也没有很多的有效数字 ,但却成了相对论的 重要实验基础. 在某种意义上说 ,定性或半定量实验相当于 粗调 ,定量实验相当于微调 ,而实验总是应该先粗 调后微调的. 因此 ,学习设计和进行定性或半定 量实验 ,是实验教学中不可缺少的环节 ,是素质教 育的重要内容. 但是在以往的光学实验教学中 , 很少有这种类型的实验让学生做. 以致有些学生 误认为光学实验就是光学测量. 他们往往只记录 数据不记录现象 ;注重误差分析而忽略了对实验 现象的分析. 这是不利于学生科学素质的全面提 高的. 为了有利于训练学生观察自然现象的科学方 法 ,培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能 力 ,增强学生的科学洞察力和判断力 ,激发学生的 求知欲望和创新精神 ,我们近年来在基础光学实 验中适当减少了一些测量对象和测量次数 ,加入 了一些定性与半定量性质的实验. 例如 ,用功率 较大的氦氖激光在钢尺上反射可得到许多衍射光 斑 ,原来是一个在大教室里做的演示实验 ,我们把 它改为用小功率的半导体激光器在实验桌上做 , 通过测量这些光斑间的距离 ,就可以算出激光的 波长. 虽然这并不是精确测量光波长的方法 ,只 是一种半定量的测量 ,但其方法与工具都非常简 单、物理概念又相当清晰 ,测量结果也很可靠. 这 对于训练学生观察与分析物理现象的能力、加深 对物理光学的理解 ,都十分有利[2 ] . 又如“, 用迈克耳孙干涉仪测波长”实验 ,是典 型的以测量为主的实验 ,过去要求学生读移动 500 个条纹时反射镜的移动距离 ,从而得到汞灯 的波长 ,可达 4 位有效数字. 实验虽精确 ,但内容 相当枯燥 ,学生常读得头昏眼花 ,而实验的收获却 并不大. 现在我们把实验要求改变为只读 50 条 , 有效数字少了 1 位 ,但测量方法仍然学会了. 省 下的时间要求学生比较激光条纹与汞灯条纹的异 同、圆条纹与直条纹的异同、从圆条纹的长出与缩 进判断两反射镜的相对位置 ;甚至要求学生取下 近视眼镜(或带上远视眼镜) 去观察汞灯圆条纹 , 以判断条纹的定域等 ,使实验的物理内涵丰富了 , 把学生的注意力从单纯追求测准波长引导到对迈 克耳孙干涉仪原理的了解和对各种干涉的本质与 特点等方面来 ,充实了这个传统基础实验的定性 与半定量的内容[2 ] . 4 关于设计性研究性实验 除了实验内容现代化和加强观察与分析以 外 ,实验教学方法、教学要求的改革也十分重要. 过去那种根据教材规定的步骤按部就班做实验的 方式难以摆脱传统实验的框架 ,不能激发学生独 立思考的兴趣和激情 ,不利于学生个性的发展 ,难 以培养创新人才. 第 4 期 沈元华 ,等 :光学基础实验课程的改革 32 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved