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微课在分光计测量棱镜角实验中的创新实践

2021-04-30 94 上传者：管理员

摘要：以微课教学在分光计测量棱镜角实验中的创新实践为例，介绍了微课在大学物理实验教学中的应用情况和发展前景，以及微课教学在分光计结构、核心操作，望远镜和云台的粗调、细调，数据采集和处理等环节的物理原理和内容设计。

关键词：
分光计
实验教学
微课
棱镜角
结构构造
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2020年是实施2010—2020年《国家中长期教育改革与发展规划纲要》和《教育信息化十年发展规划》的收官之年，也是丰收之年。微课作为新时代的宠儿，大放异彩，微课资源和网络平台建设取得了很大的发展，教师有热情，学生爱参与，教学效果突出，充分展现了微课的核心价值和发展意义[1]。

1、微课与大学物理实验教学

大学物理实验是理工科必修的一门重要基础课程，它包括经典物理实验、近代物理实验和前沿物理科学技术实验等内容。随着当代大学生对学习的个性化需求(混合学习，移动学习，立体学习)日益强烈，传统的教学突出几大问题:(1)学生预习物理实验效果差。(2)课堂时间学生无法有效利用。(3)课前课后交流互动缺乏，学生易产生畏难情绪。(4)教学方式和手段比较单一。针对上述问题，结合微课的特点，把微课引入到大学物理实验的教学中，来提高大学物理实验教学的水平和质量[2]。因此，引入微课教学，同当下物理实验教学有机结合，扬长避短，充分发挥信息技术优势，优化资源配置，调动学生学习的主观能动性，落实分类型分层次教学，建设丰富有效的大学物理实验微课资源学习和互动平台，利用微课资源开展启发式、探究式、讨论式、参与式教学，鼓励发展性评价，探索建立以大学生为中心的大学物理实验教学新模式，以应对信息化时代下学习多样性、个性化的挑战，对切实提高大学物理实验教学质量具有重大意义。

2、微课在分光计测量棱镜角实验中的创新实践

分光计是可以用来精确测量角度的经典光学仪器，比如棱镜角、光束偏向角，结合分光元件还可以观察光谱、测量光谱波长。因此，分光计的调节和使用是大学物理实验课程中的必修实验内容，对学生的锻炼和提高非常有意义，其中测量棱镜角和折射率是必做的两个经典光学实验。但是该实验对初学者来说，上手较为困难，操作难度大，需要有正确的方法，还要有清晰的耐心。这里利用微课教学的优势，创新的把重难点立体的剖析清楚，让初学者得到充分的预习，达到理解并用的效果。简言之，就是把核心操作和技术通过精心制作的微视频结合实景和理论分析展示清楚、讲解明白，同时提供课前预习的互动交流，尽可能地让学生对仪器、实验原理、操作过程产生认知突破。

2.1 微课之分光计的结构构造和核心操作

设计了三个微课小视频，第一，录制讲解分光计的结构构造，如上图所示，分光计主要由望远镜系统、平行光管、载物可调云台、圆形刻度盘、光源、底座等构成，其中的望远镜系统包含目镜物镜、双十字线分划板、绿色十字叉丝以及可以调节水平仰角的调节螺丝A;载物可调云台由三个调节螺丝B、C、D调节云台台面的水平;圆形刻度盘由主尺外盘和游标内盘(因颜色为黑，也叫黑盘)构成，其中螺丝E锁定主尺外盘，螺丝F锁定黑盘，螺丝G锁定望远镜。

第二，录制分光计的基本操作方式:打开绿色十字叉丝光源，顺时针(逆时针)旋转，抬高(降低)目镜侧，从而降低(抬高)望远镜水平仰角。由于主尺外盘、游标内盘和望远镜都是可以自由转动，也可以被螺丝锁定不动，不同实验教材或指导老师使用的转动锁定方案也不尽相同，虽然核心原理是一样的，不影响测量的结果。这里都会在微课中演示，让同学们自己决定采取哪种转动方案。视频中，会着重介绍如下方案:拧紧螺丝E、G锁定外盘和望远镜，松开螺丝F，让黑盘自由转动，以转动云台上的双面平面镜、棱镜等光学元件，这样做的好处有:(1)操作简便;(2)操作人员可以坐在凳子上，不必跟随望远镜移动，减少体力消耗;(3)对仪器友好，尤其望远镜不易损坏。

第三，讲解平面镜和三棱镜的放置在云台的放置方式，以及不同放置方式背后所呈现的物理原理。云台上有三个调节螺丝B、C、D，即有三个调节自由度，合理放置平面镜对后面的调节十分重要，否则没有章法可循。多数实验教材采用的是平面镜与三角形BCD的高平行放置，比如过B点，垂直于CD，这样做的出发点是只有调节C、D便可以调节平面镜的垂直度，虽然也可以达到实验目的，但是事实上，云台并一定水平了，因为如此调节只能保证平面镜所在面的垂直度，平面换个位置就不一定垂直了，所以还需要在此基础上，重新放置平面镜过C点与BD垂直，然后再次调节B、D使得平面镜垂直，两番操作才能实现云台平面的真正水平。

然而，实际上采用平面镜过三角形BCD中心同时平行其任意边的放置方式更高效便捷，但是对初学者者难度稍大，各有优势，此种放置方式在后续调节会有重点体现。整个微课边录制边示范边配合讲解，后期加工优化视频内容和节奏，加入图文讲解，让微课既有科学性又有一定的趣味性，力求重点突出、简短高效、直观易懂，初学者自然乐于看、看得懂、学成快，学习的效率和教学质量也就有了保障。

2.2 微课之望远镜和云台的粗调、细调

望远镜和云台的粗调，这点很需要经验和技术。这里微课里面会演示正确的操作方式和技巧，也会演示常见的错误或不规范操作，以达到更加的示教效果。望远镜粗调主要是旋转螺丝A(顺时针\逆时针旋转，对应于降低\抬高仰角)调节望远镜水平仰角，操作时身体在望远镜侧边，眼睛要平时望远镜光轴，目光与望远镜光轴垂直，如有水平仪，可以放在望远镜镜筒上表面，协助调节水平。同理，云台的水平调节是如此，眼睛一定要平视云台，目光平行于云台台面，通过旋转螺丝B、C、D(顺时针\逆时针旋转，对应于抬高\降低台面)使得台面水平，也可以借助水平仪进一步检验和调节云台的水平。

然后打开绿色十字叉丝光源，放置双面平面镜使得镜面过三角形BCD的中心，平行CD，这样调节B和同时调节C、D即可调节镜面的垂直度。再转动黑盘，使得镜面垂直于望远镜，透过目镜观察再平面镜里面成的十字叉丝像。这个环节的微课设计架构如下表所示，课堂上发现，多数同学会遇到第一种情况，就是两面都看不到绿色十字叉丝，大多是因为没有掌握粗调的方法，或者是粗调不达预期效果，又不知道如何有效解决问题，做很多无用功，自然就会产生放弃甚至厌学情绪。又有部分同学经过调节会出现第二种情况，这时如果指导老师在场点拨一下，初学者便可以较快解决问题，但问题是指导老师分身乏术，往往是指导到一半就下课了，半途而废，这对学生的自信心是极不利的，教学质量也就无法得到保证。

只有少数同学会遇到第三种情况，像这种情况，指导老师可以指导学生进一步掌握调节技巧，细想这样的情况也是情理之中。最后，结合物理原理和光路图，把现象和操作归类划分，层层推进，逐个击破，编辑并优化整个微课，初学者无论是课前预习，还是实验中，亦是后面的实验报告过程，都可以对号入座，从而抓住他们的兴趣点、盲点、甚至是痛点，微课教学的优势也就显而易见了。

2.3 微课之分光计的读数和数据处理

分光计读数原理类似于游标卡尺，先读主尺，后读游标，微课中主要展示教材中很少提及的读数起点和旋转方向问题，例如θ1=30°16'、θ2=210°16'，此时往增加的方向旋转，但是反向转动黑盘时，教材公式不适用，需要修正。微课中将展示两个实例，分别讲解两种情况下对应的数据处理公式，实践中这个问题通过微课教学的效果非常好。

3、总结

创新实践证明微课教学在分光计测量棱镜角的实验中效果非凡，重难点突出，讲解清晰具体有代入感，学生参与度高，参与感强，传播迭代效果好，随时随地任意学、随心学。课前预习效果好，实验课过程自然轻松应对，教师和学生高校互动，教学相长落到了实处。微课短视频精悍高效、易于传播，对于当代信息课堂确实极具渗透力，随着更多高校在大学物理实验教学的创新实践，微课教学未来可期，如同昔日的微信和当前的抖音，这也给我们教学工作者带来很多启示。

参考文献：

[1]胡铁生,黄明燕,李民.我国微课发展的三个阶段及其启示[J].远程教育杂志,2013,31(4):36-42.

[2]唐艳妮,徐军,罗积军,赵云芳.微课在大学物理实验教学中的应用探索[J].实验物理与工程,2014:57-59.

詹强,许泳,杨源楷,徐维涛,邱彩虹.微课教学在分光计测量棱镜角实验中的创新实践[J].科技风,2021(12):77-78.