羅 劍 歐陽建明 彭 剛 劉振祥 鄭浩斌 江永紅 姚 筠

(國(guó)防科技大學(xué)理學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

科技創(chuàng)新與國(guó)防和軍隊(duì)的現(xiàn)代化建設(shè),需要大量創(chuàng)新型理工科人才[1],物理建模能力是理工科學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的重要基礎(chǔ).大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是我校新生入校后第一門物理實(shí)驗(yàn)課程,是培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力最基礎(chǔ)、最重要的一環(huán)[2],加強(qiáng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)可以為實(shí)現(xiàn)國(guó)防和軍隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn),大部分低年級(jí)本科生仍習(xí)慣于使用中學(xué)階段形成的固有實(shí)驗(yàn)思想進(jìn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)[3],他們普遍缺乏物理建模思維,難以通過科學(xué)知識(shí)的建構(gòu)歷程獲得對(duì)知識(shí)的深刻而全面的理解,進(jìn)而難以適應(yīng)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求,更達(dá)不到實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的目標(biāo).因此,在國(guó)防科技大學(xué)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過程中,采用了“物理建?！钡膶?shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行針對(duì)性的教學(xué)設(shè)計(jì),旨在培養(yǎng)學(xué)生物理建模思維能力,深刻認(rèn)識(shí)物理實(shí)驗(yàn)中如何發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,進(jìn)而構(gòu)建牢固的實(shí)驗(yàn)測(cè)量知識(shí)體系,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力.本文以“邁克爾孫干涉儀測(cè)量激光波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)設(shè)計(jì)為例,對(duì)“物理建?！睂?shí)驗(yàn)教學(xué)模式的具體教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行詳細(xì)介紹.

1 “物理建?！睂?shí)驗(yàn)教學(xué)模式的教學(xué)設(shè)計(jì)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)采用案例式教學(xué)方式,每個(gè)案例以物理量測(cè)量為牽引,以物理模型的構(gòu)建過程、驗(yàn)證方法為教學(xué)重點(diǎn),通過課堂研討,突出對(duì)物理模型內(nèi)涵的理解.教學(xué)實(shí)施過程以物理建模思想為指導(dǎo),借鑒精益思想的質(zhì)量管理理念[4],基于課程組構(gòu)建的“四元一體”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐[5],學(xué)生完成一個(gè)具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要完成預(yù)習(xí)、測(cè)試、授課、互動(dòng)、實(shí)驗(yàn)、研討、報(bào)告這7個(gè)環(huán)節(jié),如圖1所示.

圖1 “7環(huán)節(jié)”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

首先,充分利用國(guó)家級(jí)精品MOOC——大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)和國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心——數(shù)理實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行課前預(yù)習(xí),學(xué)生通過線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和MOOC資源對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)操作等進(jìn)行初步學(xué)習(xí),并以線上測(cè)評(píng)保障預(yù)習(xí)效果;其次,線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)突出物理建模能力訓(xùn)練,重點(diǎn)講解模型建立原理,討論模型成立條件,引導(dǎo)學(xué)生自主建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量及精度分析進(jìn)行模型驗(yàn)證;再次,學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器操作實(shí)踐,并討論實(shí)驗(yàn)操作過程中存在的問題,加深對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器與操作的理解;然后,學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn),完成后引導(dǎo)學(xué)生對(duì)模型內(nèi)涵(實(shí)驗(yàn)思想、方法和技術(shù)等)以及實(shí)驗(yàn)在軍事及前沿科技領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研討和拓展,提高學(xué)生綜合實(shí)踐能力;最后,課后學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,進(jìn)一步深化對(duì)物理量測(cè)量的理解.

在整個(gè)教學(xué)過程中借鑒精益思想對(duì)教學(xué)品質(zhì)進(jìn)行把控,“精益思想”源于企業(yè)精益生產(chǎn)方式,核心是消除生產(chǎn)過程中的一切浪費(fèi),通過對(duì)生產(chǎn)過程中每一環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)檢測(cè)與管控、及時(shí)反饋與改進(jìn),達(dá)到降低成本、提高質(zhì)量、無浪費(fèi)和零庫(kù)存等目的,確保企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和成本優(yōu)勢(shì),在教育領(lǐng)域中也有著巨大的啟發(fā)和借鑒意義.

2 “物理建?！睂?shí)驗(yàn)教學(xué)模式的教學(xué)實(shí)踐

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中講授部分的時(shí)長(zhǎng)大約為20～30 min,主要涉及實(shí)驗(yàn)思想、基本方法、實(shí)驗(yàn)原理、基本儀器操作、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,以及根據(jù)教學(xué)需要穿插的歷史背景或應(yīng)用舉例等部分.由于時(shí)間限制,教學(xué)設(shè)計(jì)需要有所側(cè)重,而“物理建模”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的重點(diǎn)在于讓學(xué)生理解從理論到實(shí)驗(yàn)、從物理模型到實(shí)際測(cè)量之間的差異與聯(lián)系,引導(dǎo)學(xué)生深入思考物理模型的內(nèi)涵.下面以“邁克爾孫干涉儀測(cè)量激光波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)為例,詳細(xì)介紹以“物理建模”思想為指導(dǎo)的教學(xué)設(shè)計(jì).

課前通過大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)MOOC(圖2)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(圖3)的學(xué)習(xí)和測(cè)試,學(xué)生已經(jīng)對(duì)邁克爾孫干涉儀的干涉原理、儀器結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)操作等都有一定的了解.

圖2 邁克爾孫干涉儀MOOC

圖3 邁克爾孫干涉儀虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

這樣,學(xué)生能夠在課堂教學(xué)階段快速進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài),從而簡(jiǎn)化課堂教學(xué)中的原理講解部分.因此,在講授部分,重點(diǎn)將側(cè)重于如何建立邁克爾孫干涉儀測(cè)量激光波長(zhǎng)的物理模型,并討論需要滿足測(cè)量模型和測(cè)量精度的實(shí)驗(yàn)條件.

2.1 從理論到實(shí)際的物理模型構(gòu)建

首先,以邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以太存在作為實(shí)驗(yàn)背景進(jìn)行引入,突顯邁克爾孫干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精確的優(yōu)點(diǎn),使得邁克爾孫干涉儀在測(cè)量光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)和測(cè)量光波波長(zhǎng)標(biāo)定長(zhǎng)度單位等方面具有廣泛應(yīng)用,從而引入實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵——如何構(gòu)建測(cè)量激光波長(zhǎng)的“物理模型”.

其次,在學(xué)生完成課前預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上,簡(jiǎn)單回顧邁克爾孫干涉儀的光路組成,并以等效干涉光路簡(jiǎn)單講解干涉原理,提出測(cè)量激光波長(zhǎng)的基本原理,即邁克爾孫干涉儀產(chǎn)生明條紋的光程差δ需要滿足

δ=2dcosik=kλ

(1)

其中d為動(dòng)鏡與虛定鏡之間的距離,ik為光線與兩虛光源連線的夾角,k為條紋級(jí)次,λ為激光波長(zhǎng).進(jìn)一步分析干涉原理可以得到干涉條紋的特點(diǎn)有:(1)干涉條紋形狀為同心圓環(huán),且中心級(jí)次最高;(2)中心區(qū)域的條紋比較稀疏,周圍區(qū)域的條紋比較緊密;(3)改變動(dòng)鏡與虛定鏡之間的距離d,中心條紋會(huì)出現(xiàn)“吞”“吐”的現(xiàn)象,d增大,中心“吐”出條紋,d減小,中心“吞”入條紋.

干涉原理式(1)即是激光波長(zhǎng)的物理模型,但要使用該模型進(jìn)行測(cè)量,需要深入討論模型滿足的條件和測(cè)量精度,如圖4所示.

圖4 邁克爾孫干涉儀的測(cè)量模型

利用式(1)測(cè)量激光波長(zhǎng),需要滿足d、ik、k3個(gè)參量能夠直接測(cè)量的條件,而在實(shí)際測(cè)量中,這3個(gè)參量都無法直接測(cè)量.其原因是,無法確定虛定鏡、虛光源的準(zhǔn)確位置,使得d、ik難以直接測(cè)量,中心條紋的特點(diǎn)之一是級(jí)次最高,使得無法確定待測(cè)條紋的具體級(jí)次k,這就需要我們改進(jìn)模型使其符合實(shí)際測(cè)量條件.在此部分可以引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)換思路,通過測(cè)量中心圓環(huán)(ik=0)的吞吐過程中d、k的改變量,即中心條紋吞吐一條時(shí)(Δk=1)動(dòng)鏡的移動(dòng)距離Δd,此時(shí)測(cè)量模型的改進(jìn)為

λ=2Δd

(2)

這里體現(xiàn)了邁克爾孫干涉儀測(cè)量激光波長(zhǎng)的第一個(gè)精妙之處,將激光波長(zhǎng)尺度的位移變化轉(zhuǎn)換成了干涉圖樣的變化,進(jìn)行了第一處放大.但需要注意的是,如何測(cè)量出半個(gè)波長(zhǎng)的位移量成為需要解決的關(guān)鍵問題,這就是邁克爾孫干涉儀的另個(gè)一個(gè)精妙之處,采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)的標(biāo)尺系統(tǒng),如圖5所示.

圖5 邁克爾孫干涉儀標(biāo)尺系統(tǒng)

邁克爾孫干涉儀的標(biāo)尺系統(tǒng)通過微調(diào)鼓輪、粗調(diào)鼓輪和主尺之間的機(jī)械齒輪傳動(dòng)將激光波長(zhǎng)尺度(百納米量級(jí))的動(dòng)鏡微小位移進(jìn)行了兩級(jí)機(jī)械放大,先是將主尺到粗調(diào)鼓輪進(jìn)行了第一級(jí)的100倍放大,測(cè)量精度達(dá)到0.01 mm,再是將粗調(diào)鼓輪到微調(diào)鼓輪進(jìn)行了第二級(jí)的100倍放大,使得儀器測(cè)量精度可以達(dá)到0.000 1 mm,最后微調(diào)鼓輪進(jìn)行估讀,達(dá)到百納米的測(cè)量精度,實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)尺度位移的測(cè)量.

實(shí)驗(yàn)測(cè)量的物理模型建立之后,即可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體情況,讓學(xué)生開展不同時(shí)長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)儀器操作實(shí)踐,加深對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器和操作的理解.例如,邁克爾孫干涉儀實(shí)驗(yàn)的操作實(shí)踐時(shí)長(zhǎng)為20 min,而具體的操作要點(diǎn)在課前預(yù)習(xí)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中都已學(xué)習(xí)過,講授部分中不再過多講述,簡(jiǎn)單介紹儀器調(diào)節(jié)重點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)操作中的注意事項(xiàng)即可.對(duì)實(shí)踐過程中將會(huì)出現(xiàn)的共性問題,則在操作實(shí)踐結(jié)束后進(jìn)行研討,進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)儀器的理解.例如,調(diào)節(jié)邁克爾孫干涉儀時(shí)有的學(xué)生看不到干涉條紋,這是因?yàn)閮x器調(diào)節(jié)不到位,使得兩束相干光未相遇沒有產(chǎn)生干涉;也會(huì)出現(xiàn)看到的條紋中心不在視場(chǎng)中央的問題,這是因?yàn)槎ㄧR與動(dòng)鏡沒有完全調(diào)節(jié)垂直,使得條紋中心未落在觀察屏上.另外,有的學(xué)生在旋轉(zhuǎn)微調(diào)或粗調(diào)鼓輪時(shí),未觀察到中心條紋的吞吐現(xiàn)象,這往往是因?yàn)槲聪粘滩钤斐傻慕Y(jié)果.這些問題的出現(xiàn)體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器基本構(gòu)造、工作原理、調(diào)節(jié)方法等方面的不理解,針對(duì)性地開展問題討論有助于加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的理解.

2.2 從實(shí)際到測(cè)量的物理模型優(yōu)化

不同的實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量精度不一樣,如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的測(cè)量也是構(gòu)建物理模型中需要考慮的問題.學(xué)生在建立實(shí)驗(yàn)測(cè)量的物理模型和了解實(shí)驗(yàn)儀器的基礎(chǔ)上,需要分析模型的測(cè)量精度,進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)測(cè)量方案.分析過程以學(xué)生為主教師輔導(dǎo)的課堂研討方式進(jìn)行,通過提出如何進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)量方式、提高測(cè)量精度、完善數(shù)據(jù)處理方法等方面的問題,增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)原理的理解,強(qiáng)化創(chuàng)新能力訓(xùn)練.例如,邁克爾孫干涉儀實(shí)驗(yàn)中通過研討在待測(cè)激光波長(zhǎng)約幾百納米,而邁克爾孫干涉儀測(cè)量精度約為100 nm,儀器最大允差為50 nm的條件下,如何設(shè)計(jì)測(cè)量方案,提高測(cè)量精度使得波長(zhǎng)的不確定度小于0.5 nm,測(cè)量模型的精度分析如圖6所示.

圖6 測(cè)量模型精度分析

課堂研討過程中,教師可以提示學(xué)生利用累積放大法,測(cè)量吞吐多個(gè)條紋時(shí)的位移Δd,從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度的提高,進(jìn)一步讓學(xué)生自主思考,如何利用誤差理論分析吞吐條紋的數(shù)目Δd和條紋級(jí)數(shù)差Δk的取值,最終完成滿足實(shí)驗(yàn)精度要求的測(cè)量方案.

確定實(shí)驗(yàn)方案之后,學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn),按照實(shí)驗(yàn)要求完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,并提出課堂思考題,讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行思考.例如:(1)邁克爾孫干涉儀中補(bǔ)償板的作用是什么?(2)邁克爾孫干涉條紋的疏密程度與哪些物理量有關(guān)?(3)與光杠桿測(cè)量微小位移比較,邁克爾孫干涉儀與其有什么相同處和不同處?實(shí)驗(yàn)完成后,針對(duì)課堂思考題展開學(xué)生為主教師為輔的研討,加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)技術(shù)等內(nèi)容的理解.

最后,介紹實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)儀器等方面在前沿科技領(lǐng)域中的拓展應(yīng)用,深化基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的前沿性與創(chuàng)新性.例如,在邁克爾孫干涉儀實(shí)驗(yàn)中通過介紹激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)利用邁克爾孫干涉儀原理,測(cè)量引力波所產(chǎn)生的微小位移,實(shí)現(xiàn)引力波的觀測(cè),LIGO的構(gòu)思和設(shè)計(jì)者也因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).通過拓展應(yīng)用的介紹,深化了邁克爾孫干涉儀這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)儀器在前沿科學(xué)研究中的應(yīng)用,拓寬了學(xué)生視野,提高了課堂內(nèi)容品味.

3 結(jié)論

在我校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用“物理建模”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,教學(xué)效果得到充分提高,也體現(xiàn)了該教學(xué)模式的一系列優(yōu)點(diǎn):

(1)“物理建?！睂?shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以將實(shí)驗(yàn)理論與實(shí)際測(cè)量進(jìn)行緊密結(jié)合,完成從理論到實(shí)踐的過渡,突顯出實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)踐性;

(2)在物理模型構(gòu)建過程中可以完美地融入研討式教學(xué),充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性,加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)思想的理解;

(3)學(xué)生在構(gòu)建物理模型過程中,不斷地發(fā)現(xiàn)問題并解決問題,將自己所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通,充分地鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力;

(4)構(gòu)建物理模型的過程可以將實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有機(jī)地串聯(lián)起來,形成一個(gè)邏輯清晰的物理實(shí)驗(yàn)體系,使得學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有了一個(gè)整體的認(rèn)識(shí).

如何繼續(xù)完善拓展“物理建?！苯虒W(xué)模式,解決將前沿科學(xué)技術(shù)應(yīng)用和課程思政等內(nèi)容更好地融入“物理建?！睂?shí)驗(yàn)教學(xué)模式、運(yùn)用信息化技術(shù)等手段豐富“物理建?！睂?shí)驗(yàn)教學(xué)方式等問題是課程組下一步教學(xué)改革的重點(diǎn)工作,也希望為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供一些借鑒之處.