基于目标导向的分光计实验分步教学法

学习科学实验知识和技能的开端，通过对物理实验的观察、分析、测量，培养学生从事科学实验的初步能力。大学物理实验项目涵盖力学、热学、电磁学及光学四大板块。分光计的调节和使用实验既能够培养学生的基本实验技能，又能培养学生应用理论知识解决实际问题的能力。无论从教学还是学生训练的角度看，分光计实验都具有典型性[2]。然而，笔者在教学实践中发现，传统的教学法使分光计实验并未充分发挥其培养学生实验能力的目标，教学效果不佳。

2 分光计实验教学中存在问题及难点

2.1 结构复杂，调节精度高，实验步骤多

分光计是大学物理实验和专业光学实验中广泛应用的精密仪器，其结构复杂，零部件较多。本文以浙江光学仪器制造有限公司生产的JJY型分光计为例，根据其结构外形图[3]可知，其外形结构总共有31部分，还未包括光源、平面镜、光栅等光学元件。其中，分光计的调节螺钉达到14个之多，它们的位置和功能各不相同。在调节及使用过程中，有些螺钉根据不同要求需要作锁定或松动的变换，而有些螺钉需要作比较精细的调节。在实验过程中，有些学生找不到需要调节的螺钉而束手无策，有些学生调错了螺钉导致前功尽弃。

分光计的调节一般分为粗调和细调两大部分，每部分又分多个调节步骤。在调节平行光管使其产生平行光，并使其光轴与望远镜的光轴重合的过程中，需要调节狭缝的宽度，狭缝像的清晰度、竖直度及平行光管的倾斜度等。有些步骤需要进行多次反复的调节，如用逐次逼近法调望远镜光轴与中心转轴垂直[1]，需要用“各半法”[4-5]反复调节，使平面镜任一面反射回来的十字叉丝像均能和调整叉丝重合，如图1所示，标示1和标示2重合。同时，调节过程是学生手、眼、脑并用和协调的过程，是学生边操作边观察边思考再调节的一个反复过程。这对学生来说，容易把前后部分实验步骤搞混淆。

2.2 概念多，理论深，原理不直观

分光计的调节和使用实验过程中，涉及到较多的概念，如同轴、阿贝目镜（高斯目镜）、自准直、视差、偏心差及偏向角等。同时也涉及较深的理论知识，如正确理解望远镜的光路、反射和折射的光路分析、自准直、削除视差以及利用游标原理测角度等。开展大学物理实验的目标之一是在物理实验中培养学生应用理论知识解决实际问题的能力，在教学中哪些概念理论要讲解，哪些概念理论要深入讲解，将直接影响学生实验的开展情况及学生能力的培养。所以，这也是分光计实验教学的难点之一。

在分光计中，平行光管和望远镜进行了封装。尤其是望远镜组，内部装配有阿贝目镜或高斯目镜、物镜、棱镜等，自身是一个相对复杂完善的光学系统，学生只能通过图片来了解其内部构造及光路，较难形成清晰的物理图像。分光计的调节要求之一是读值平面、观察平面和待测光路平面这三个平面调节成相互平行。而在后面的调节步骤中，是要调节望远镜光轴和仪器中心转轴垂直，最终通过判断反射的“十”字像与双十字“╪”准线上部调整叉丝的重合来达到调节要求，如图1所示。这相互之间的转化，若不通过几何光学分析光路，学生很难“转过弯”来，不能把调节要求和调节目标联系结合起来，只是按实验步骤“依葫芦画瓢”。

2.3 课时少，内容多，学生物理基础较差

一般大学物理实验都设定在两个学时，这对于一些如长度测量、单摆实验等相对简单的实验来说时间绰绰有余。分光计实验包含分光计的调节及用调节好的分光计测量棱镜角等，内容较多，调节繁琐。在两个学时内完成分光计实验，对于物理专业的学生来说尚且勉为其难。大学物理实验一般面向非物理专业的理工科学生，学生物理基础较差，只具备中学物理的基础和从大学物理课程学到的一些物理理论知识，面对分光计这样复杂全新的仪器，常常会有无从下手的感觉。从实验目的到实验仪器，从仪器的构造到仪器的调节，从粗调到细调，从分光计的原理到仪器的使用和测量，为了使学生能顺利地开展实验，一般教师的讲解都比较详细，而这占用了两个学时近30%的时间。大部分学生调节分光计的时间占了实验课时间的50%以上，有的甚至最后也没有完成分光计的调节工作。为了赶时间，交实验数据，在分光计不在工作状态下就进行测量，草草了事，实验效果不理想。有的可能碰巧把状态调出来了，却没有进一步思考就赶着进行测量，导致只知其然不知其所以然，实验过后收获甚微。

2.4 人数多，交流少，教与学相脱节

纵观目前高校物理实验教学现状，实验资源相对有限，师资力量相对不足[6]。目前嘉应学院大学物理实验的教学方式为：一个班同时教学，由两名教师负责，分成两大组，各组分别完成一个实验。这样，每个实验每个教师要带领二十几个甚至更多的学生在两个学时内完成教学。在有限的教学时间内，教师很难做到为每个学生专门辅导。分光计的调节可以说“难者难，易者易”。在分光计的调节中，每位经验丰富的教师都有自己的“诀窍”“秘方”，但是这些方法是建立在多年的实验经验基础上的，初次上课的学生不易掌握，甚至听不明白[4]。传统的大学物理实验教学步骤是，先由教师讲解实验原理、实验仪器及操作、数据测量和实验过程中的注意事项，然后由学生按照教师的讲解完成实验，对实验过程中出现的问题由教师进行辅导。这样的教学方法，教与学与练的过程是相对独立、脱节的，对于一些简单的实验是适合的，但对于像分光计实验这样的教学，往往会出现学生“瞻前”而不能“顾后”的情况。讲解到后面时学生已经忘记前面讲到的操作方法和操作过程中的注意事项，最终操作时学生还是感觉无从下手或漏洞百出，教师只好不厌其烦地反复讲解、示范。这样，学生也失去了思考探索和应用理论知识分析问题、解决实际问题的机会。

3 基于目标为导向的分步教学法

通过分析分光计调节和使用中的重点、难点，以及传统实验教学中存在的问题，本文提出基于目标为导向的分步教学法。首先，将整个实验教学过程分成四大模块，分步实施，循序渐进。这样使学生在头脑中清晰构建整个教学过程，有助于指导学生实验操作的开展。简单明了，学生易于接受，而不至于听到一大堆理论、方法、步骤和注意事项，从而产生畏惧心理。其次，每个模块讲解完成后，穿插学生训练。分光计的调节和使用过程是一个“有机”过程，学生只有在掌握前一模块的操作并调节好仪器后才能顺利进行下一模块的操作。教师讲解、学生训练和教师示范相结合，使整个教学过程有序轻松地进行。同时可以在下一模块讲解中解决前一模块训练中普遍存在的难点问题。第三，在每一模块中提出训练目标，以目标为导向，使学生的操作有的放矢。同时，目标的提出也是为下一模块的讲解和实施作好铺垫。通过提出训练目标，引导学生思考探索，在实验过程中培养学生应用知识分析问题、解决问题的能力。基于目标为导向的分步教学法改变传统“填鸭式”教育方式，增强师生之间教与学的交流，给学生保留一定的空间，是一种相对开放的教学模式。

4 教学策略的实施

【模块一教学】了解分光计结构及基本操作功能。目标：调节螺钉，使载物面、平行光管和望远镜三者和中心转轴目测垂直，平行光管和望远镜在同一直线上。

分光计一般由底座、读数圆盘、载物平台、平行光管和望远镜这五大部分组成。首先让学生了解到分光计是几何光学中常用的测角仪器，并在头脑中快速构建分光计的基本光路，即钠（汞）灯光经平行光管后出射平远光并照射在载物平台上的光学元件（或空气），转动望远镜找到经直射、反射或折射后的光线，从而测定角度等相关量。只有让学生头脑中形成基本光路的简图，才能更好地指引学生去理解仪器结构、操作及测量等。在讲解过程中，对于每部分的具体结构可作略讲，主要是讲解其功能和作用。此模块重点要作讲解和示范的是分光计中螺钉的调节。由于调节螺钉数量较多，可引导学生对螺钉作适当的归类和类比。讲解、示范后，由学生进行操作训练，并提出训练目标：调节螺钉，使载物面、平行光管和望远镜三者和中心转轴目测垂直，平行光管和望远镜在同一直线上。要完成该目标，学生基本上要动用调节螺钉中的大部分。通过该目标的训练使学生了解仪器的主要构造，熟悉其基本操作，同时为后面调节读值平面、观察平面和待测光路平面这三个平面相互平行这一分光计调节要求的讲解和训练作好铺垫。

【模块二教学】望远镜和平行光管的调节。目标：转到平面镜任一面都能看到反射十字叉丝并尝试调节使反射十字叉丝均能与调整叉丝重合。

分光计是在平行光中观察有关现象和测量相关角度，因此调节要求之一是分光计的光学系统能适应平行光，即望远镜能接收平行光和平行光管发出平行光。望远镜和平行光管都是相对完善独立的封装光学系统，在讲解过程中，可配图讲解其内部构造，并用光路加以分析。望远镜和平行光管的调节主要涉及透镜的“聚焦”[6]。平行光管的调节还需要调节狭缝的宽度、狭缝像竖直度及平行光管的倾斜度等。平行光管的调节是以调好的望远镜为基准的。在这里，望远镜还没有完全调节好，还需要在模块三中细调其高低调节螺钉。但这并影响教学和学生的操作训练。在这一模块中提出训练目标：转到平面镜任一面都能看到反射十字叉丝并尝试调节，使反射十字叉丝均能与调整叉丝重合。虽然完成该目标的方法是在下一模块中讲解，但望远镜调节中已分析讲解了反射十字叉丝成像的光路，所以完成转到平面镜任一面都能看到反射十字叉丝这一目标是可能的，也可以引导学生分析光路去解决问题。要调节使反射十字叉丝均能与调整叉丝重合，可以激发学生尝试用不同的方法去解决问题。学生在调节过程必然会碰到一系列问题，而这也可以引起学生进一步去思考和探索的兴趣。

【模块三教学】粗调和细调。目标：调节使经三棱镜反射的十字叉丝与调整叉丝重合。

经过前两个模块的讲解和训练，粗调已基本完成。通过第二模块中的目标引导，学生将会饶有兴趣地听教师讲解如何调节使反射十字叉丝均能与调整叉丝重合，即细调。在各种教材和参考文献中提到的细调方法各有差异[7-9]，这里主要讲解用逐次逼近的“各半法”调节使望远镜光轴与中心转轴垂直。在讲解过程中，要重点分析望远镜与分光元件之间的几何光路的特点。反射十字叉丝是否出现在视场中及其出现的位置是由望远镜光轴和分光元件的光学面所处的位置所决定的。当望远镜光轴与分光元件光学面垂直或接近垂直时，反射十字叉丝才出现在望远镜有限的视场范围内。因此，望远镜的调节中，还必须同时调节载物台，光学元件也应按调节及测量要求来放置，如图2所示。本模块的训练目标是：调节使经三棱镜反射的十字叉丝与调整叉丝重合。这一目标是在细调完成的基础上提出的更高要求，也是棱镜角测量方法之一——自准直法的主要步骤。教师可根据课堂时间及学生进度灵活处理这一模块的训练目标。

【模块四教学】使用分光计进行测量。目标：采用不同方法测量棱镜角。

细调好后，还需要对平行光管进一步微调。至此，分光计的调节工作全部完成，可以用调节好的分光计进行各种相关角度的测量。角度的改变最终转化为望远镜和载物平台的相对位置的变化，可由读数圆盘上的读数确定。读数方法可指引学生参照游标原理。本节课主要完成棱镜角的测量，教材中提供两种参照测量方法，即自准直法和棱脊分束法。这里采用第一种方法，同时把第二种方法作为学生训练目标。通过对比分析，使学生进一步熟练用分光计测量角度的技巧。

5 结束语

分光计实验作为大学物理实验的一个重要实验内容，能有效培养学生的实验能力。在教学实践中，通过分析分光计调节和使用中的重点、难点，以及传统实验教学中存在的问题，提出基于目标为导向的分步教学法。该法将分光计实验教学分成四大模块，讲解与学生训练穿插，循序渐进，并在每一模块中提出训练目标，启发学生对于实验仪器和实验方法进行反思，帮助学生加深实验理解，顺利完成操作。将新教法应用到实验教学中，学生基本都能掌握分光计的调节和使用，同时也能带动学生积极思考，提高学生实验完成的质量，收到良好的教学效果，对教学实践有着重要的参考价值和指导意义。

参考文献

[1]杨述武.普通物理实验[M].4版.北京:高等教育出版社,2007.

[2]何颖君.如何解决分光计实验教与学的难点问题[J].中国科教创新导刊,2008(22):98-99.

[3]浙江光学仪器制造有限公司.JJY1′系列分光计说明书[M].2009.

[4]王颖.分光计实验教学方法研究[J].实验室科学,2008(4):138-137.

[5]廖艳林,赵艳,谌正艮,等.一种快速调节分光计的方法[J].大学物理实验,2010,23(1):28-29.

[6]王兴福,葛智勇,张文,等.分光计调节创新教法[J].科技信息,2009(11):128.

[7]樊俊义,王景衡.分光计调节技巧介绍[J].实验室科学,2011,14(1):168-169.

[8]谢银月.分光计调整方法的改进[J].物理与工程,2010,20(4):36-37.

[9]吴利华,梁高永,杨霖.分光计的分步调节法[J].大学物理实验,2011,24(4):37-39.

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