趙玉連　左穎　周長宏

摘 要 本文討論了在光學實驗教學中引入CCD技術的必要性，介紹了CCD技術在光學實驗教學演示與講解中應用的兩個實例，認為CCD技術在光學實驗教學演示與講解中起到十分重要的作用，提出將CCD技術引入其它傳統(tǒng)光學實驗，使實驗更完善。

關鍵詞 CCD技術 光學實驗 教學演示 分光計

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.02.057

Abstract The need to use CCD technique in optics experiment teaching is discussed. Two examples of CCD technique in optics experiment teaching demonstration and explanation are introduced. Conclusion that CCD technique in optics experiment teaching demonstration and explanation plays an important role is drawn. The paper proposes to improve other traditional optics experiments by the use of CCD technique.

Keywords CCD technique； optics experiment； teaching demonstration； spectrometer

0 引言

大學物理實驗是大學物理教學的重要組成部分，物理實驗課是學生進行科學實驗訓練的一門基礎課程，是學生進入大學后接受實驗方法、技能訓練的開端，對培養(yǎng)學生實驗能力具有十分重要的作用。大學物理實驗包括力、熱、光、電等方面的實驗內容，光學實驗是大學物理實驗重要組成部分。光學實驗的特點是：必須掌握光學原理才能進行實驗，而且光學儀器結構復雜，難于調節(jié)，因此做光學實驗需要在理論指導下，耐心地反復操作，難度較大。對于基礎實驗，在學生做實驗之前，教師一般會介紹實驗所用到的儀器，簡單講解實驗步驟。有些實驗，眼睛可以直接觀察到，比如力學實驗，教師就比較容易講解，學生也容易理解。而對于一部分光學實驗，需要用眼睛貼近顯微鏡的目鏡去觀察實驗現象，學生不能直接觀察，教師講解時要把實驗想象用語言描述，所以這類實驗教師難講，學生也難懂，學生做實驗很困難，容易造成對光學實驗的畏懼心理。近幾年，CCD技術在教學中的應用越來越廣泛，將CCD技術引入到光學實驗中來，通過顯示器可以讓每個學生直接觀看實驗現象，使其更具直觀性。這種方式讓每個人都感受到現場操作，學生更容易理解，有助于提高實驗的效率。

1 在光學實驗中引入CCD技術的必要性

隨著現代教育技術的迅猛發(fā)展，計算機輔助教學的應用越來越廣泛，教師根據自己的教學內容自制教學課件，通過屏幕展示出來，學生通過屏幕進行觀看。一些枯燥、難懂的知識變得生動、直觀，不僅節(jié)省了時間，也提高了教學效果。在大學物理課程教學中，計算機輔助教學的應用獲得了良好的教學效果，不僅知識更容易理解，教師在課堂上有更多的時間增加更豐富的知識，開闊了學生的視野。在大學物理實驗教學中，計算機輔助教學也得到了一定的應用。應用計算機輔助物理實驗教學，教師編制實驗教學課件，在學生操作實驗之前，教師先用課件對實驗進行講解，如：實驗的儀器調節(jié)及需要注意的實驗步驟等，教學內容都通過大屏幕顯示，每位學生都能通過大屏幕進行觀看，之后學生進行現場操作，對于操作簡單的實驗，計算機輔助教學可以取得良好的效果。但對于一些光學實驗，儀器結構復雜而且難于調節(jié)，學生沒有看到真實的現場操作，僅憑教學課件很難理解實驗，課堂效率不高，因此，傳統(tǒng)的現場操作演示與講解是非常必要的。但是，現場操作有其不可避免的缺點，即直觀性差。采用現場操作演示與講解，有一些光學實驗，需要用眼睛靠近顯微鏡的目鏡去觀察現象，如果教師每講一步學生都依次去直接觀察，需要的時間較多，后面做實驗的時間就少了，因此很難做到讓每個學生觀看。這就要求教師講解時要把實驗現象用語言描述出來，所以這類實驗教師講起來比較難，學生在頭腦中也不容易建立起清晰的圖像，學生做實驗遇到問題，雖然已經講過，但仍然要用很長時間解決，或無法解決而向他人求助，錯誤操作也比較多，這樣就使學生對做光學實驗逐漸失去了信心。而CCD技術可以彌補這一缺點。CCD是電荷耦合器件的簡稱，具有光電轉換、信號存儲與傳輸功能，在實驗教學中的應用越來越廣泛。將CCD技術引入到光學實驗中來，光學儀器的目鏡與CCD連接，通過彩色監(jiān)視器可以讓每個學生直接觀看。教師操作實驗的每個步驟，所有學生都能通過顯示器觀看。這種方式不僅讓學生感受到現場操作，而且每個人都能觀察到，學生更容易理解，大大提高了課堂效率。

2 CCD技術在光學實驗教學中的應用

2.1 CCD技術在分光計中的應用

分光計是一種基本光學儀器，掌握分光計的基本結構和基本調節(jié)方法，對學習其它光學儀器具有指導作用，對培養(yǎng)學生對光學實驗的操作能力有重要作用。分光計是一種測定光線偏轉角度的儀器，可以測量三棱鏡的頂角，還可以通過測量最小偏向角求三棱鏡的折射率等。它主要由四部分組成：望遠鏡、 平行光管、載物臺和讀數圓盤。分光計在測量之前要進行調節(jié)，分光計的結構很復雜，調節(jié)過程步驟也比較多，而且對調節(jié)的要求很高。調整要求：望遠鏡能接收平行光、平行光管能發(fā)出平行光、望遠鏡光軸與載物臺轉軸垂直及平行光管光軸與載物臺轉軸垂直，其中望遠鏡光軸與載物臺轉軸垂直是最難調節(jié)的。在傳統(tǒng)的教學中，教師現場演示并講解時，僅依靠語言描述實驗現象，學生在頭腦中很難想象出來，而如果讓每個學生輪流觀察，實驗步驟較多，每一步都這樣做，耗時太長，影響后面的實驗操作時間。因此，學生做實驗時經常會遇到問題，特別是調節(jié)望遠鏡光軸與載物臺轉軸垂直這一步，有的用很長時間不能調整好，還要求助他人。學生普遍感覺此實驗難度大。如何讓這個實驗更容易學習是一個需要解決的問題，將CCD系統(tǒng)引入此實驗，讓這個問題得到了解決。將CCD系統(tǒng)與分光計連接，教師邊操作儀器邊講解，學生在彩色監(jiān)視器上可以同時觀察實驗現象，學生更容易理解，做實驗比較順利，最難調節(jié)的望遠鏡光軸與載物臺轉軸垂直，經過耐心地調節(jié)也能做好。采用CCD系統(tǒng)，提高了課堂效率，也增強了學生進一步學習光學實驗的信心。

2.2 CCD技術在牛頓環(huán)實驗中的應用

牛頓環(huán)實驗是光學實驗中的基礎實驗，牛頓環(huán)儀由一個平凸透鏡和一個平面玻璃組成。此實驗用讀數顯微鏡對干涉圓環(huán)進行觀察與測量，經計算得到光源的波長或待測透鏡的曲率半徑。教師在實驗講解過程中， 要介紹讀數顯微鏡的調節(jié)方法和牛頓環(huán)的測量步驟，因為有些學生對顯微鏡接觸很少，因此對顯微鏡的調節(jié)要介紹得詳細些。用傳統(tǒng)的方法，要邊操作邊描述實驗現象，即便如此，學生在頭腦中也很難建立清晰的圖像，由于時間限制也不能每個人都去現場觀察，在自己操作時就會遇到各種問題。在調節(jié)讀數顯微鏡尋找干涉圓環(huán)時，有些學生經過長時間調節(jié)，仍然觀察不到干涉環(huán)。在牛頓環(huán)的測量過程中，要避免回程誤差，用傳統(tǒng)的方法，教師雖然已提示學生注意，但學生不能完全理解，測量時有的學生仍然會出現錯誤，不得不重新測量。將CCD系統(tǒng)應用到牛頓環(huán)實驗中，這些問題得到了有效解決。CCD系統(tǒng)與讀數顯微鏡的目鏡相連，學生在顯示器上觀察實驗現象。在講解顯微鏡的調節(jié)方法時，教師操作的每一步，學生都能在監(jiān)視器上觀察到，學生更容易理解，學生自己操作就更順利。在講解牛頓環(huán)的測量時，對于如何避免回程誤差，教師通過實際操作并在監(jiān)視器上顯示出來，學生很容易理解，而且教師還可以把學生容易出現的錯誤操作演示出來，提醒學生，這樣測量時的錯誤也明顯減少了。通過將CCD系統(tǒng)應用到牛頓環(huán)實驗，不僅減少了錯誤操作，節(jié)省了時間，也提高了學習效率。

3 CCD技術的應用展望

CCD技術的優(yōu)勢使其應用越來越廣泛，我們將嘗試把其應用在其它光學實驗，例如：旋光儀。當偏振光通過一些透明物質時，光矢量的振動面繞著光傳播的方向旋轉，此現象為物質的旋光性，具有旋光性的物質為旋光物質。旋光儀用來研究物質的旋光性，研究物質旋光性的實驗包括旋光儀的調整與測量。與分光計、牛頓環(huán)相比，旋光儀的調整比較簡單，主要是調節(jié)目鏡，使視場清晰，容易出現問題之處是數據測量。當旋光儀調整好時，目鏡中能清晰看到“三分視場”，再轉動偏振片，觀察到“弱的零位視場”，就可以測量讀數了。雖然教師已經詳細講解什么是“弱的零位視場”，但是實驗操作時，有的學生由于動作太快仍然觀察不到“弱的零位視場”，有的學生則找的位置不夠準確，實驗的誤差比較大。如果我們把CCD系統(tǒng)連接到旋光儀的目鏡，每位學生在大屏幕上觀看實驗現象。教師邊操作邊講解如何調節(jié)“弱的零位視場”，學生既知道如何操作，也觀察到標準的圖像，必將提高實驗的效果。

4 結束語

以上是CCD技術在光學實驗中應用的幾個實例，通過應用CCD技術，教師的講解更生動、直觀，學生更容易理解、掌握，不僅提高了課堂效率，也增強了學生做光學實驗的信心，對提高學生的實驗能力有明顯促進作用。在其它光學實驗中也可以引入CCD技術，讓先進的教育技術在傳統(tǒng)實驗中發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢，進一步完善傳統(tǒng)實驗。

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