劉志國 黃喜強(qiáng) 張伶莉 曹永印 王慶東 王曉鷗 張 宇 趙 遠(yuǎn)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

教育的目標(biāo)是“授之以漁”，而非“授之以魚”，也就是說，育人是教育的最終目的。在教育過程中，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教育目標(biāo)的達(dá)成，離不開學(xué)生的主動學(xué)習(xí)。因此，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生能夠主動地學(xué)習(xí)，在課堂教學(xué)中至關(guān)重要，在高等教育中更是如此。

我校的大學(xué)物理課程是在本科一年級的春季學(xué)期和二年級的秋季學(xué)期講授的。經(jīng)過高考前的緊張復(fù)習(xí)和磨練，加上高考后漫長的暑假，一部分學(xué)生在學(xué)習(xí)上比較懶散，甚至出現(xiàn)厭學(xué)情緒，在課堂上不夠?qū)Ｐ?，教學(xué)效果也不盡人意。如何改變這種狀況，讓這部分學(xué)生在教學(xué)過程中能夠積極主動，已成為大學(xué)物理課教師的任務(wù)之一。與此同時，提升課堂教學(xué)的效果，讓學(xué)生加深對所學(xué)知識的理解，也是任課教師需要重點考慮的事情。

大學(xué)物理課程中光學(xué)部分的內(nèi)容，主要是由波動光學(xué)構(gòu)成的，只有少量幾何光學(xué)的知識。從高中的幾何光學(xué)為主一下跳躍到波動光學(xué)為主的情況，學(xué)生需要一段時間適應(yīng)。而“光的偏振”一章，概念又比較多，如自然光、圓偏振光、偏振片、布儒斯特角、晶體的雙折射、偏振光干涉、旋光等；對于有些概念和問題，學(xué)生理解起來比較困難，如尋常光、非尋常光、惠更斯作圖法等。這些情況使“光的偏振”成為教學(xué)中的難點，如果不認(rèn)真對待，教學(xué)效果必然受到影響[1]。

2018年秋季學(xué)期，針對“光的偏振”一章，我們對課堂教學(xué)進(jìn)行了全新的設(shè)計和嘗試，目的是提升學(xué)生對相關(guān)知識的興趣，調(diào)動學(xué)生的積極性，讓復(fù)雜的問題簡單、直觀化，從而達(dá)到提升教學(xué)效果的目的。

1 指導(dǎo)思想

錢學(xué)森[2]曾經(jīng)說過，自然科學(xué)中最基礎(chǔ)的學(xué)問有兩門，一門是物理，是研究物質(zhì)運動基本規(guī)律的學(xué)問；另一門是數(shù)學(xué)，是指導(dǎo)我們推理、演算的學(xué)問。 應(yīng)用科學(xué)(工程技術(shù))利用基礎(chǔ)科學(xué)來解決生產(chǎn)實踐中的問題。因此，對工科院校的學(xué)生來說，扎實地掌握物理知識對從事進(jìn)一步研究工作是非常重要的。

讓學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識，首先要激發(fā)學(xué)生的興趣，讓他們對后續(xù)的講解充滿期待。怎樣才能做到這一點呢？我們知道，物理來源于生活，是一門實驗科學(xué)，因此演示實驗在大學(xué)物理教學(xué)中起到了重要的作用[3]。讓演示實驗產(chǎn)生良好的效果，甚至超過預(yù)期，是保證教學(xué)效果的關(guān)鍵。

既然物理來源于生活，那么物理知識應(yīng)該能夠解釋生活中的各種現(xiàn)象。所以，物理理論知識的講解應(yīng)緊密結(jié)合演示實驗，并能夠說明實驗中各種現(xiàn)象的緣由，讓學(xué)生感到物理知識并不是抽象和枯燥的，而是實實在在的，能夠感受得到的。否則，就不是成功的授課。

學(xué)習(xí)物理知識的目的是為了將其應(yīng)用到各行各業(yè)。介紹相關(guān)物理知識的應(yīng)用應(yīng)該成為課堂教學(xué)的一部分，對于工科院校的學(xué)生，尤其重要[4]。在課堂上適當(dāng)介紹一點兒知識的簡單應(yīng)用，或者一些儀器的基本原理，可大大地提升學(xué)生對所學(xué)知識的深入理解。如果能夠講解物理知識在最新科學(xué)研究成果中的應(yīng)用，對于學(xué)生的觸動是相當(dāng)驚人的。

總之，指導(dǎo)思想可以概括為：以演示實驗為主線講解物理知識；以實際應(yīng)用來加深物理知識的理解。

2 實施方案

在“光的偏振”部分，演示實驗比較豐富，為物理教學(xué)提供了大量的教學(xué)輔助材料。在具體的課堂教學(xué)過程中，我們盡量做到使知識講解和演示實驗有機(jī)地結(jié)合，充分發(fā)揮演示實驗的作用，以提升教學(xué)效果。

2.1 問題的引入

物理教學(xué)中，怎樣引入教學(xué)內(nèi)容，需要精心設(shè)計。最終目的是讓學(xué)生集中注意力，用心聽講。利用物理現(xiàn)象引入物理問題是一個不錯的選擇，關(guān)鍵是在課堂的一開始就能引起學(xué)生的興趣，并能引發(fā)他們的思考以及對接下來教學(xué)內(nèi)容的期待。因此，在選擇演示實驗時，我們選擇那些盡量接近生活，并能讓人感到出乎意料的例子，如果例子能讓人感到震撼，那么效果就更好了。因此，我們的課堂教學(xué)是從演示實驗開始的，并且按知識點進(jìn)行單元式教學(xué)。以下是我們教學(xué)過程的一些具體例子。

圖1 演示實驗“穿墻而過”

例1在講解“起偏和檢偏”部分內(nèi)容時，我們用到了圖1所示的演示儀器，稱為“穿墻而過”。其結(jié)構(gòu)是兩片透振方向垂直的偏振片，卷起來放進(jìn)透明的圓筒內(nèi)，各占一半空間，在交界的地方，由于光線經(jīng)過兩張偏振片后發(fā)生了消光，讓人感覺到中間部分有一塊“擋板”。當(dāng)使圓筒中的網(wǎng)球從一側(cè)滾到另一側(cè)時，網(wǎng)球穿過了“擋板”！

當(dāng)學(xué)生看到這個實驗現(xiàn)象時，無不感到驚訝，有的學(xué)生甚至想到近前仔細(xì)看看是怎么回事。這樣，學(xué)生的注意力一下子就被吸引過來，好奇心也被調(diào)動起來，對后面的講解也更加感興趣了。

例2在“反射和折射起偏”部分，如果只是按部就班地進(jìn)行理論講解，大部分學(xué)生會覺得不易接受，而且覺得枯燥。我們采用了與教學(xué)密切相關(guān)的演示，即讓學(xué)生從反光比較強(qiáng)烈的地方來看黑板上的字跡，他們會反映看不清。這時，我們遞給他們一片偏振片，調(diào)整好角度。當(dāng)透過偏振片能看清黑板上字跡的時候，他們都發(fā)出了驚嘆，其內(nèi)心的觸動是顯然的。對于那些坐在黑板正面的學(xué)生，讓他們觀察地面上日光燈的反光，如圖2所示。調(diào)整好偏振片的角度以后，反光被濾掉！與單純的理論講解相比較，利用演示實驗、用比較實用的方式來說明反射光是部分偏振光，往往使學(xué)生印象深刻，不易忘記。

圖2 利用偏振片觀察地面反光(a) 地面反射光； (b) 反射光通過偏振片； (c) 偏振片轉(zhuǎn)過90°

例3在講解“晶體的雙折射”一節(jié)時，“非尋常光”的概念非常難以理解，單單通過講授是不易達(dá)到教學(xué)效果的。我們在講授這部分內(nèi)容時，先讓學(xué)生在紙上畫一個點，然后讓他們閉上眼睛，將方解石蓋到黑點上。當(dāng)他們睜開眼睛時，看到了兩個黑點！不少學(xué)生有點不相信，還特意把方解石移開，看到底是幾個點。

圖3 方解石的雙折射(a) 雙折射現(xiàn)象； (b)(c) 轉(zhuǎn)動偏振片，兩個像交替出現(xiàn)

接著，讓學(xué)生透過偏振片來觀察這兩個點，轉(zhuǎn)動偏振片時，可以看到兩個黑點交替出現(xiàn)。也就是說，兩束光都是偏振光！而且，兩個點出現(xiàn)時偏振片的透振方向成90°角，說明這兩束光的偏振互相垂直。圖3給出了相應(yīng)的照片。這個實驗做完，課堂氣氛馬上活躍起來。

從我們的教學(xué)效果來看，從演示實驗開頭，以物理現(xiàn)象引入教學(xué)內(nèi)容，更容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。在好奇心的驅(qū)使下，學(xué)生往往能在課堂中表現(xiàn)得更為積極，物理知識的傳授也就變得輕松了。

2.2 知識的講解

在前面的演示實驗中，已經(jīng)把學(xué)生的積極性調(diào)動起來。接下來要做的就是相關(guān)知識的講解。物理理論的講解要緊密圍繞實驗中看到的現(xiàn)象，始終讓學(xué)生處于同一問題的思路中，注意力也一直處于集中狀態(tài)。講解中使用簡短的語言和公式，盡量做到通俗易懂。

例如，在例1的演示實驗完成后，先講授自然光和偏振光的區(qū)別，然后介紹從自然光中獲得線偏振光的方法，在此基礎(chǔ)上再講授其他種類的偏振光和偏振光的檢驗方法。當(dāng)光線連續(xù)通過兩塊偏振片時，透射光的強(qiáng)度與兩個偏振片之間夾角余弦的平方成正比，即馬呂斯定律。這樣，“起偏和檢偏”部分的內(nèi)容就完成了。

對于“反射和折射起偏”部分，通過實驗可知自然光反射后變成部分偏振光，接下來說明這是光的橫波性引起的，即光矢量的振動方向只能垂直于光的傳播方向。隨著入射角的改變，反射光的兩種偏振比例將發(fā)生改變，到特定角度，反射光中只含有垂直入射面的振動，成為完全線偏振光，這就是布儒斯特定律。再進(jìn)一步，講解折射光的偏振狀態(tài)，并介紹從折射光中獲得線偏振光的方法。

“晶體雙折射”部分的理論，從“尋常光”和“非尋常光”講起，接著介紹晶體的光軸(兩種光線不分開)，再介紹兩束光的偏振狀態(tài)。通過光矢量與光軸的方位關(guān)系，說明雙折射的起源，即晶體中非尋常光的光速隨偏振方向與光軸的夾角而改變。利用兩束光在晶體中的速度可以做出它們的波面，并由此引出惠更斯作圖法。

這種講解方式的優(yōu)點是與實驗現(xiàn)象聯(lián)系緊密，講解過程比較連貫，概念、公式和定律引出自然，學(xué)生接受起來比較容易。

2.3 理論和實驗的對照

物理知識講解完成后，再做一次演示實驗，觀察實驗現(xiàn)象，并用相關(guān)物理知識來進(jìn)行解釋。解釋實驗現(xiàn)象時要言簡意賅，讓學(xué)生有一種恍然大悟的感覺。

例如，對于“穿墻而過”實驗，需要介紹實驗儀器的結(jié)構(gòu)，說明中間的那個“隔板”其實并不存在(可以讓學(xué)生仔細(xì)觀察儀器)，而是透振方向相互垂直的兩個偏振片造成的視覺效果，即第一個偏振片實現(xiàn)了自然光的起偏，而第二個偏振片造成了消光，所以網(wǎng)球的運動沒有受到任何阻礙。

對于例2中的反射光，先和學(xué)生判斷入射面的方向。由于反射光中垂直于入射面的振動分量比較多，可以轉(zhuǎn)動偏振片的方向，讓這個分量消光，反射光的強(qiáng)度就會大幅度降低，黑板或者地面上的相應(yīng)位置就會看清楚。

方解石是晶體，是各向異性材料。兩種方向偏振的光在晶體中傳播速度不同，由惠更斯作圖法可知，其傳播方向不一樣，這就是雙折射現(xiàn)象，紙上的點也因此產(chǎn)生了兩個像。兩束光的偏振方向垂直，因此利用偏振片檢偏時均有消光現(xiàn)象，且透振方向成90°角。

至此，通過兩次給學(xué)生演示實驗，不僅加深了學(xué)生的印象，理論和實驗之間也實現(xiàn)了統(tǒng)一；理論知識很好地解釋了實驗現(xiàn)象，學(xué)生心里的疑問也因此得到解決。

2.4 展示實驗變化，加深理論理解

將前述物理規(guī)律進(jìn)行拓展，也就是改變相關(guān)實驗參數(shù)，就可以觀察到不同的物理現(xiàn)象，這有助于深入地理解物理知識。

例如，講解了“起偏和檢偏”內(nèi)容之后，可以問學(xué)生一個問題：透過兩個透振方向相互垂直的偏振片觀察，眼前一片漆黑，看不到任何光線，如果在兩者之間插入第三個偏振片，透振方向不同于這兩片，將發(fā)生什么現(xiàn)象？在學(xué)生回答之后，利用實驗說明加入第三個偏振片后就可以透光，再利用馬呂斯定律進(jìn)行解釋。經(jīng)過這樣的過程后，學(xué)生對馬呂斯定律就會更加熟悉。

如果入射光的偏振方向處于入射面內(nèi)，并且入射角等于布儒斯特角，反射光線將是怎樣的？這樣的問題對于理解布儒斯特定律是很有幫助的。通過實驗讓學(xué)生知道，這個時候只有折射光線，反射光線將消失。

光線通過方解石后分為兩束，那一束是非尋常光？變換入射光的方向，兩條折射光線將如何變化？第一個問題可通過轉(zhuǎn)動方解石來判斷，因為方解石直接接觸紙面，因此入射角為90°，尋常光的折射光線始終垂直于晶體表面，不改變方向，而非尋常光將繞著尋常光旋轉(zhuǎn)。對于第二個問題，可通過惠更斯作圖法給出，也可通過實驗驗證。在光軸方向和垂直光軸方向，兩束光不分開，隨著對這兩個方向的偏離，兩束光將逐漸分開。如果這些問題能弄清楚了，在實驗中也觀察到現(xiàn)象了，那么對雙折射的理解也就透徹了。

2.5 介紹知識的應(yīng)用

“學(xué)以致用”是學(xué)習(xí)科學(xué)知識的最終目的。物理知識在生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用。一些科學(xué)儀器的基本原理往往非常簡單，就是利用了課堂中講到的物理規(guī)律。在教學(xué)中給學(xué)生介紹這樣的應(yīng)用，對于啟發(fā)學(xué)生的思考，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神無疑是重要的。在以往的教學(xué)中，這部分的比例并不大。這次嘗試，我們大幅提高了知識應(yīng)用部分所占的比例，以拉近物理知識和實際之間的距離。以下是課堂中講解的一些例子。

晚上汽車在沒有路燈的路上行駛，打開遠(yuǎn)光燈是必要的，因為這可以讓司機(jī)的視野更開闊。但是，路對面來車的司機(jī)會感到炫目，容易引發(fā)交通事故。解決的辦法就是在汽車的照明燈和風(fēng)擋玻璃前面加裝一個和地面成45°角的偏振片，當(dāng)對向來車時，兩車的透振方向垂直，燈光互不影響。

根據(jù)反射光線和反射面可判斷入射面的方向，由布儒斯特定律可知反射光偏振的優(yōu)勢方向。在相機(jī)前面加裝一個偏振片，就能減小反射光的影響，這是高品質(zhì)攝影中經(jīng)常使用的方法。又如，在激光器內(nèi)部加兩片法線方向和光線成布儒斯特角的光學(xué)玻璃，出射的激光就是線偏振光，因為在諧振腔里經(jīng)過多次反射后，激光垂直光學(xué)玻璃入射面的偏振已經(jīng)沒有了，只有平行入射面的偏振。

將雙折射晶體切成表面平行于光軸的薄片，可制成波片。它利用尋常光和非尋常光傳播速度的不同，造成兩束光之間的相位差。若相位差為90°，稱為1/4波片，若為180°，則稱為1/2波片。因為這種情況下兩束光的偏振方向垂直，所以1/4波片的作用是使線偏振光變成圓偏振光，或者使圓偏振光變成線偏振光；而1/2波片的作用是使線偏振光的偏振轉(zhuǎn)過一定角度。

這些應(yīng)用的原理很簡單，用到的物理知識也不復(fù)雜，學(xué)生理解起來并不困難。在講授大學(xué)物理時加入這些內(nèi)容，對開拓學(xué)生視野、知識的活學(xué)活用會起到積極的促進(jìn)作用。

3 學(xué)生反饋

經(jīng)過這學(xué)期的教學(xué)實踐，學(xué)生對這種教學(xué)模式是認(rèn)可的。這種重視演示實驗和實際應(yīng)用的教學(xué)模式還是有非常好的前景的。以下摘錄了部分學(xué)生對這種課堂教學(xué)模式的反饋。

“……有趣至極。有時候真不知道他們是怎么設(shè)計出這樣那樣的實驗的，其中許多點子都是我考慮不到的，這也可以開拓我的思路……”；

“……效果蠻好的。因為展示時，頭不暈了，眼皮不打架了，手機(jī)也不玩了呢。大家都全神貫注地參與到實驗中……”；

“……課前課中都有展示，課前激起學(xué)生興趣和探知欲，在課中通過物理理論的講解指導(dǎo)學(xué)生逐步理解物理現(xiàn)象的本質(zhì)原因。在課中也有展示，可以加深學(xué)生印象……”；

“……相對來說新的物理過程能夠更全面地展示所學(xué)的內(nèi)容。兩次演示能加深我們對知識點的理解和掌握……”；

“……新的物理過程展示，給我們講的時候更有脈絡(luò)，邏輯更清晰易懂，而且確實更能激發(fā)我們的興趣。因為在了解現(xiàn)象之后，我們會更渴望知道為什么是這樣的，原理是怎樣的，而不是像以前那樣……”；

“……新的物理過程展示更好，在講解理論之前先展示實驗現(xiàn)象，能激發(fā)我們對問題的探索……，我認(rèn)為新的展示更能引發(fā)我們對問題的思考。

……可以讓我們感到物理現(xiàn)象好奇妙，使我們更專注地投入到課堂……”；

“……展示效果較好，能夠吸引注意力……”；

“……新的物理過程展示可以讓大家一起看現(xiàn)象，通過觀看實驗?zāi)芨械厝W(xué)習(xí)，在很大程度上減小了課堂分神……”。

4 結(jié)論

經(jīng)過一段時間的課堂教學(xué)，大學(xué)物理課程中“光的偏振部分”內(nèi)容已經(jīng)講授完畢。根據(jù)學(xué)生的反饋情況來看，教學(xué)效果還是很好的。教學(xué)回歸了“物理是實驗科學(xué)”這一根本，使抽象、枯燥的書本知識與實際聯(lián)系了起來，學(xué)生對物理也產(chǎn)生了“面對面”的了解。新的教學(xué)方式使學(xué)生的知識基礎(chǔ)更加牢固，思維更加活躍，視野也得到了拓展。