立体式教学的探究与实践

【摘 要】以预习提纲引导学生系统自学“光的偏振”,由学生形成观点,提出问题,在课堂讨论的基础上形成自愿参加的设计性实验小组,最后写出课程论文.

【关 键 词 】立体式教学,偏振光,设计性实验,自主式学习

0 前言

大学物理教学中两种传统方式是课堂教学和实验教学.在课堂教学中一个教师给几十甚至上百学生授课,师生之间、同学之间交流较少,实验教学中学生要用3～4小时完成教师安排的实验题目,时间紧迫.这两种教学模式都是以学生接受、理解、记忆的被动式学习为主,优点是教师对教学进程易于控制.

教育改革的形势提倡改变传统的以教师为中心的教学模式,注重以学生为主体、更多的激发学生自主学习和探索的热情,注重良好的沟通技能和团队合作精神的训练,关注学生成长和全面素质的提高.在物理实验中引入了设计性实验,实验室也逐步开放,以鼓励学生的自主式学习与探索.

1.立体式教学

我们在大学物理课程的偏振光的教学中尝试了“立体式教学”,将理论教学、实验教学以及分析总结融合起来,并充分发挥学生的主观能动性,通过4个阶段来完成一个主题内容的教学.（1）启发式的课前预习提纲,（2）课堂讨论,（3）设计性实验,（4）提交课程论文.

通过课前预习培养学生针对一类问题的调查研究能力和分析能力,课堂讨论培养学生的表达能力,设计性实验培养学生的创新能力和实践动手能力,提交课程论文培养学生的分析总结能力.从预习、课堂讨论、实验小组的建立、实验方案的形成与实施、提交课程论文,整个过程是完全开放的,以学生为中心自主完成的,教师只是指导者.教学过程中提高了学生学习兴趣并取得了很好的教学效果.

2.偏振光的立体式教学设计与实践

2.1 偏振光的理论预习提纲

（1）常见光源的发光机理,

（2）光的偏振性,

（3）偏振片的起偏与检偏,马吕斯定律,

（4）反射、折射时光的起偏与检偏,布儒斯特定律,

（5）双折射现象,

（6）区分自然光、线偏振光、部分偏振光的常见方法,

（7）透射光强与入射光强的比值为任意值的控制方法,

（8）偏振光的应用（对应用的原理和效果进行调研和总结）,

（9）完成教材上的常规作业.

2.2 设计性实验的参考题目

在只有常规的偏振光实验仪器的情况下（如光具座、偏振片、玻璃堆、钠光灯、1/4波片、1/2波片、He-Ne激光器、天平等）,收到了较好的教学效果.

（1）区分普通玻璃片、偏振片、1/4波片、1/2波片,

（2）确定偏振片通光方向或波片的光轴,

（3）测量透明或不透明材质的折射率（材质自备）,

（4）设计光路图,使透射光强为入射自然光强的1/n

（5）测量旋光物质的旋光系数、溶液浓度,

（6）应力分布探测.

2.3 预习报告

（1）常见光源是自然光,是大量原子的自发辐射跃迁形成的,激光为受激辐射形成的.

（2）光是电磁波,是横波,具有偏振性质,其偏振方向为电场强度的振动方向,光束按偏振性质可分为自然光、线偏振光和部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光.

（3）偏振片的起偏机理为透明基片上的导电分子链将其平行方向上的光振动分量吸收,只剩与其垂直方向的光振动透射而起偏的[1],对于自然光,理想的偏振片的透射光强为入射光强的1/2.

如果光振动方向与偏振片透光方向的夹角为α,入射光强为I0,透射光强为I,则偏振片上的入射光强与投射光强服从马吕斯定律：I等于I0cos2α

根据马吕斯定律,可以定量计算偏振片透射光与入射光的相对光强,利用偏振片的起偏原理也可以对一束光进行检偏.

（4）自然光遇介质界面时,反射光和折射光都成为部分偏振光,当反射光和折射光垂直时,只有垂直入射面的光振动能够被反射,折射光为平行于入射面的光振动为主的部分偏振光.

布儒斯特定律：当反射光和折射光垂直时,反射光为垂直入射面的线偏振光.入射角称i0为布儒斯特角,满足：

tani0等于

n为入射媒质折射率,n为折射媒质折射率.

根据布儒斯特定律,可以测量折射物质的折射率,玻璃堆也可以像偏振片一样对一束光进行起偏或检偏,或者对透射光强进行控制.

（5）双折射现象

自然光遇晶体时分成两束线偏振光的现象叫做双折射现象.利用双折射晶体做成尼科尔棱镜,也可以对一束光进行起偏和检偏.利用双折射晶体做成的1/4波片可以获得椭圆偏振光或者圆偏振光,1/2波片可以方便地使偏振光的振动面偏转任意角度.

（6）区分自然光、线偏振光、部分偏振光的常见方法可以利用偏振片、玻璃堆或者尼科尔棱镜的任何一个置于光路中并以光路为轴旋转360°观察透射光强的变化来判断.

（7）可以通过控制两块偏振片或者两个玻璃堆或者两个尼科尔棱镜的夹角来实现透射光强与入射光强的比值大小,也可以利用旋光物质的浓度或者厚度控制偏振光的振动方向再通过检偏器控制透射光强.

（8）偏振光的应用有立体电影、太阳镜、照相机镜头反射光的过滤,利用克尔效应做成光断续器等.

2.4 课堂教学

以学生在自学预习中形成的观点和遇到的问题为主进行讨论,教师适当讲解,锻炼学生的思维表达能力、倾听并寻找设计性实验的合作伙伴.

2.5 设计性实验的观察点

（1）区分普通玻璃片、偏振片、1/4波片、1/2波片.首先确定与波片对应的光源,考察点为普通玻璃片对垂直入射光的偏振性无明显影响,偏振片在自然光中呈灰色,其次偏振片改变入射线偏振光的透射光强和偏振方向,1/4波片对入射线偏振光的透射光强无影响,透射光可以仍是线偏振光（入射线偏振光振动方向平行或垂直波片光轴）或者椭圆偏振光、园偏振光,1/2波片只是使入射线偏振光振动面旋转2倍的入射光振动面、波片光轴夹角. （2）确定偏振片通光方向可利用已知布鲁斯特角的玻璃堆起偏的偏振光.

（3）测量透明或不透明材质的折射率（材质自备）,考察点为反射光偏振性的检测、布儒斯特定律tani0等于的计算及光路的设计.

（4）要使透射光强为入射自然光强的1/n. 两偏振片通光方向夹角为α等于cos-1,或者偏振片、玻璃堆和尼克尔棱镜中任意两个的组合,但光路要复杂一点.

（5）测量旋光物质的旋光系数、溶液浓度,利用光振动面通过旋光溶液时,光振动面转过的角度θ等于κcL,其中κ为旋光物质的旋光系数,c为溶液浓度,L为光在溶液中的路程,测量旋光系（下转第218页）（上接第187页）数κ时,可以是对θ、c、L、的单次测量或多次测量,也可以固定c改变L、θ或固定L改变c、θ用最小二乘法拟和得旋光系数κ.

（6）玻璃、透明胶片等各向同性介质中有应力时也可以产生人为双折射,偏振光入射到应力分布布均匀的透明胶片上时,透射光出现明暗不均匀的条纹,双折射的分布与应力分布有关,对应力分布进行应力的定性分析.

实验小组活动的方式和时间可以协商选择.实验方案自由讨论,相互批评,相互补充,相互完善,从中加深对理论的理解,起到课堂教学起不到的作用.形成统一方案后交与指导教师,教师形成建设性指导意见反馈回小组,不是简单的给出正确答案或解释.

2.6 课程论文

课程论文包括预习报告、实验目的、实验仪器、光路图、操作步骤、实验数据、实验现象、数据处理、偏振光应用的展望与综述等.

3.结束语

在整个教学过程中,偏振光的理论预习内容属于必修课内容,设计性实验是自愿参加的.对学生来讲,整个过程是自主的相互学习的过程,也是合作互动的过程,是交朋友和讨论物理问题的过程.物理知识是大家一起构建的,而不是被灌输的,轻松并总能获得帮助.在测量蔗糖的旋光系数时,组与组之间进行了合作,不同的光源、不同的实验方案配合节约了原材料,并对实验方法和结论进行了比较,体验合作的成果,与课程相关的设计实验成为大学物理课程的延伸,是学生理论联系实际以及科研的初级演练.

【参考文献】

[1]张三慧.大学物理学,第四册,波动与光学[M].北京：清华大学出版社,2001,218-9.

[责任编辑：刘帅]