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關鍵詞 物理實驗;全息光柵;設計性實驗
中圖分類號:G652 文獻標識碼:B 文章編號:1671-489X(2012)03-0085-02
Study on Teaching Design of Designing Experiment of Holographic Grating//Hu Wei, Liu Yanan, Geng Xiaoqian
Abstract For the design and study on the manufacture method of Holographic Grating,Holographic Grating experiment is very designing experiment, it can train the ability of students in respect of coordination of work, gathering information,experiment design, research report, and so on.
Key words physical experiment; holographic grating; designing experiment
Author’s address Mudanjiang Teachers College, Mudanjiang, Heilongjiang, China 157011
普通物理實驗是對學生進行實驗教育的入門課程,可培養學生的動手能力、實驗技能等綜合素質[1],其中設計性實驗的目的就是提高學生創造性思維能力,好的設計性實驗的實施方案應具有靈活多樣性[2-4]。
自激光全息術發明以來,全息技術得到廣泛的應用和發展[5]。全息照相的方法從光學領域推廣到其他領域,如微波全息、聲全息等得到很大發展。地震波、電子波、X射線等方面的全息也正在深入研究中,且成功地應用在工業醫療等方面。全息圖也有極其廣泛的應用,如用于研究火箭飛行的沖擊波、飛機機翼蜂窩結構的無損檢驗等,對于當代的大學生來說有必要了解和學習此技術的原理及應用。
兩束相干平行光在全息干板上相干疊加,經適當的曝光、顯影、定影后就制成全息光柵。產生兩束相干平行光的方案有許多,制作全息光柵的實驗方案也有許多種,因此它是一個很好的設計性實驗。課題組通過對此實驗的綜合研究,開發了設計性實驗:全息光柵的制作方法研究。
1 教學過程安排
通過對其他高校開展的全息光柵實驗課程的調查,選擇4種實驗室常用的實驗方法:楊氏雙縫干涉方法、菲涅爾雙鏡法、馬赫-澤德干涉儀法、邁克爾遜干涉儀法。鑒于學時的限制,課前一周教師先布置學生復習光學及全息照相技術實驗的內容,8人一組,各大組選定組長后再2人一組分成4個小組,分別設計一套實驗方案。然后進行資料的搜集整理,確定實驗步驟、方法,到實驗室選擇儀器。利用2個下午進行實驗,包括光路的組裝、調試和測量,光柵常數的測定。實驗完成后匯總,對4種方法進行對比研究分析,做出研究報告。
雖然文獻、圖書、教材都有關于此項實驗較為詳細的資料,但是要把4種方法進行對比研究分析,需要學生橫向比較分析,選定合適的實驗參數,具有一定的難度。
實驗要求:1)全息光柵的制作要求自搭光路調試;2)沖洗;3)d的測定要用分光計,要求自擬數據記錄表格,寫出測量結果,撰寫實驗報告;4)對比研究4種方法的優劣,撰寫研究報告。
2 評價準則
作為設計性實驗的考核不能只依據報告的數據來評判,對于實驗前的準備、方案的設計、儀器的選擇到測量、分析等都實現了培養學生綜合素質的目的,可根據實驗所能實現的考核內容制定評分依據。
2.1 考查內容
1)考查學生閱讀使用參考資料的能力;2)考查學生利用分立光學元件自搭光路調試和拍攝沖洗技能掌握情況;3)考查學生對基本光學儀器(如分光計、邁克爾遜干涉儀等)的使用掌握情況;4)對學生獲得數據加以處理(如逐差法、最小二乘法等)、結果分析的能力進行考核;5)書寫完整實驗報告及研究報告能力的考核;6)考查學生分工協作的能力。
2.2 評分標準
1)報告的完整性、正確性(10分)。
2)全息光柵的制作:①搭光路調試拍攝(30分);②沖洗顯影吹干(20分)。
3)管柵常數d的測定:表格自擬,數據記錄正確(10分);數據處理結果表示正確(10分)。
4)研究報告(20分)。
3 四種方法的初步探析[6]
3.1 課題組對全息光柵4種制備方法的設計和研究,對比其優缺點(表1)
3.2 測量光柵常數的方法
1)用讀數顯微鏡測量。放大倍數可大一些,一般為80~100倍,而讀數顯微鏡為30倍。
2)可用分光計,根據光柵方程dsinθ=kλ來測量。
3)用衍射法測量。激光通過光柵衍射,在較遠處屏上測出零級和一級衍射光斑的間距Δx及屏到光柵的距離L,則光柵常數為d=λL/Δx。
方法一對于光柵常數大的光柵,測量方便;方法二測量準確度高,需把分光計調節好;方法三較方便,準確度不如方法二。應根據實際情況選用兩種方法對比。
4 收獲與體會
該實驗從實驗準備階段到方案的確定、儀器的選擇等,整個過程均需學生自主完成,增加了學生做實驗的自由度,也把對學生資料查閱及其吸收能力的培養引入該過程中。在實驗完成過程中,學生通過完成全息光柵的制備和方法的比較研究,不但使物理實驗的基礎知識教學內容得到體現,包括分光計、邁克爾遜干涉儀、讀數顯微鏡、光柵、全息照相等,而且也使光路設計、材料選擇、數據處理、數據分析等方面的能力訓練。通過研究報告的撰寫,還培養了學生的研究能力,再加上他們完成的實驗內容是他們熟悉且神秘的全息照相技術,使學生可以在愉悅的心境下進行實驗,綜合鍛煉了多方面的能力,培養了學生的創新精神,可以作為一個很好的綜合設計性實驗題材。
雖說此實驗需學生自主完成,但教師的主導地位不能動搖。設計性實驗是物理思想和教學思想指導下的創造性勞動,對任何實驗設計,教師都要引導學生先明確實驗的目的,根據實驗任務,解剖實驗課題,然后根據所學的相關知識與理論找出實驗原理,按照理論的指導去設計方案,還要合理地選配實驗儀器,使實驗效益最大化。比如在光柵常數d測量的方法選擇中,因為幾種制備全息光柵的不同方法制備的光柵常數大小有很大的區別,若均采用讀數顯微鏡測量,有些測量會失敗,學生若沒有教師的指引,可能會誤認為是制備實驗的失敗,又會從頭開始,則浪費時間和精力。所以設計性實驗仍需要教師起到主導作用,且對教師的要求也更高。
參考文獻
[1]楊述武.普通物理實驗(一)[M].北京:高等教育出版社,2000.
[2]薛長山.牡丹江師范學院普通物理實驗開放教學現狀調查研究[J].牡丹江師范學院學報:自然科學版,2010(2):67-69.
[3]胡巍.大學物理“基本-創新-應用”實驗課程體系的構建及應用[J].牡丹江師范學院學報:自然科學版,2008(4):67-69.
[4]黃品梅.開發綜合設計性實驗 促進創新人才之培養[J].實驗研究與探索,2010,29(6):93-95.
在提倡素質教育的今天,大學物理實驗已經成為國內各大高校全面開設的必修課,其在整個教學環節中的重要性顯而易見。然而,多年來該課程的教學模式卻一直沒有大的改變,其弊端也日益凸顯。
一、大學物理實驗教學的現狀及存在的問題
(一)大學物理實驗大多數是驗證性實驗,設計性實驗較少。通常整個實驗過程基本是對實驗講義所述內容的重復,實驗結果都在意料之中,缺少了進一步探究的過程。而且,不少學員認為實驗內容過于空洞,與社會實用技術差距較大。因而,對實驗課的重視不夠,缺乏獨立思考和參與的過程,很難激發其自身的創新思維。
(二)在傳統物理實驗教學中,教師與學員的任務分配不均勻。教師依然是實驗教學中的“主角”,而學員只是“配角”或者干脆就扮演起了“群眾演員”的角色。在實驗理論和動手操作上大部分乃至全部都由教師全權,學員不愿動腦思考或是動手操作,甚至不清楚實驗目的及其相關的理論依據。
(三)現行的實驗評價方法缺乏科學性。大部分教師僅僅依靠學員的實驗報告內容進行考核作為該課程成績的評定標準。這樣就無法避免一些學員為獲取高分而不獨立完成實驗的現象,無法真實反映學員的實際操作水平和創新能力。
(四)由于部分高校教學經費不足,致使一些實驗儀器過時陳舊。學員很難把握儀器的使用尺度,外界的環境因素也會對儀器的精確度造成很大影響。加之部分院校的師資力量水平有限,不免還會出現實驗項目和實驗手段老套單一的現象。
(五)實驗室不完全面向師生開放,學校教學自我封閉。由于先進實驗設備價格昂貴、易損壞,有些學校不愿開放這些實驗室,只是作為裝飾學校的飾品,只可遠觀不能近?。贿€有些學校自恃有一些優秀的實驗教學方法,不肯與外界交流。
這些問題在不同程度上加大了大學物理實驗教師的教學壓力,更加阻礙了學員自身科學素質和能力的發展。因此,大學物理實驗教學改革勢在必行。
二、大學物理實驗教學改革
(一)更新觀念,注重實驗教學。通過物理實驗教學,學員可以及時掌握物理學中的新概念、新技術和前沿科技的發展動向,提升自身與科學技術發展相適應的能力、理論聯系實際和創新的能力。在新的教學改革形勢下,教師、學員以及學校都必須更新其觀念,使理論教學和實驗教學相互促進、相互協作、相互彌補。
1、教師應改進教學方法,調整教學目標。教師是學員的引導者和指導者,要調整教學目標,不斷改變其教學角色、教學作用和教學方法。學生始終是中心體,教師應確立“為學而教”的教學思想,不應一味地甘做“雷鋒”、“父母”角色。應當創設不同的實驗教學情景,引導學員獨立思考問題并完成物理實驗,激發學員的創新思維,幫助其形成濃厚的學習興趣。另外,教師還要不斷更新自身的創新教學能力,不斷增加自身的知識儲備,并保持這些知識內容具有與時俱進的性質以及實驗內容的優化性。
2、引導學員調正自身的學習態度,提高學習積極性。學員是學習的主體,是知識的汲取者。在日常實驗教學中,應當循循善誘,不妨讓學員嘗試自己動手做一些富有創造性、研究性的實驗器材,培養其對實驗學習的興趣,使其主動端正學習態度,提高學習積極性。還要引導其主動獲取實驗教學中所教授的理論知識,積極思考這些知識在實驗中所起到的作用,不斷激發其自我拓展延伸的科研創新能力。
(二)改革課程體系,實現物理實驗內容的現代化。在21世紀的知識體系中,多學科之間相互滲透、相互結合。單一的力學、光學、電磁學等基礎實驗教學已無法滿足培養優秀人才所必需的條件。因此,要有機地將其他物理實驗課程的教學融合在一起,可以有條件、有目的地增設一些與前沿科技密切相關的實驗,如低溫超導體、液晶技術、光纖技術、激光全息照相等。真正使學員做到與時俱進,成為新世紀新形勢下的全新全能人才。
(三)優化實驗器材,先進實驗設備,全面面向學員開放實驗室?;趯嶒炂鞑睦匣?、實驗設備破舊落后、先進實驗室封閉的現象,學校應該積極為師生配備一些新的、先進的、符合當今實驗教學的實驗儀器,全面開放實驗室。教師和學員也要盡量避免損壞實驗器材,真正做到規范使用、操作實驗設備,愛護實驗設備。
(四)派遣實驗先進小組去往兄弟院校、企業單位、科研機構進行實驗交流。通過與其他科研單位實驗學習方面的交流,不僅可以及時更新知識信息,還可以加快學習先進實驗教學方法的步伐,適應社會的發展趨勢。因此,高校應積極與外界進行學術交流,在學習體會之余,也可以將各校富有特色、優秀的實驗教學模式傳授給他人學習與借鑒,這樣有助于更多學員在畢業后能更好的發揮才能、服務社會。
(五)科學使用師資力量,完善實驗考核方法。在理論和實驗課程教學中,盡可能做到由同一教師進行講授和指導。若條件限制時,一定要關注理論教師與實驗教師之間的交流,使彼此在教學上相輔相成,真正做到“理論服務實驗,實驗證明理論”。在實驗考核方面,應把考核重點放在學員自主創新、動手操作以及思維拓展等方面,從實質根本上鍛煉學員實際聯系實驗的能力,提高學員的科學素養。