改革物理实验教学_培养综合创新人才_迈克尔逊干涉仪的改装及应用_的设计与实践.pdf

10 3969 i issn 1008 6781 2011 03 032 收稿日期 2010 12 17 基金项目 浙江省新世纪教学改革项目 00309017 作者简介 单永明 1965 男 浙江绍兴人 嘉兴学院机电工程学院实验师 主要研究领域为实验物理 网络出版时间 2011 04 13 08 47网络出版地址 http www cnki net kcms detail 33 1273 Z 20110413 0847 008 html uid 改革物理实验教学 培养综合创新人才 迈克尔逊干涉仪的改装及应用 的设计与实践 单永明 孙红贵 嘉兴学院 机电工程学院 浙江嘉兴 314001 摘要 为了提高实验教学水平和人才培养质量 积极进行物理实验教学改革 提出了一种以物理实验 为基础 结合相关学科知识的创新型 综合性实验项目训练的新型教学模式 并通过 迈克尔逊干涉仪的改 装及应用 的具体设计与实践 详细叙述了实训开展过程中经历的重要环节和最终产生的良好效果 证明这 一改革模式在提高学生综合应用能力和创新人才培养方面的可行性及成效性 关键词 物理 实验教学 改革 创新 综合技能 迈克尔逊干涉 中图分类号 O411 1文献标识码 A 文章编号 1008 6781 2011 03 0140 05 A Comprehensive Reform of Physics Experiment Teaching and Training for Innovative Talents Design and Practice of Modified Michelson Interferometer and Its Application SHAN Yong ming SUN Hong gui School of Mechanical and Electrical Engineering Jiaxing University Jiaxing Zhejiang 314001 Abstract In order to improve the experimental teaching level and the quality of personnel training and to actively carry out the reform of physics experiment teaching this paper presents a new teaching model of innovative and compre hensive experiment project training based on physics experiments and combination of some relevant subjects The model is fully explored and verified by Modified Michelson Interferometer and Its Application to measure the feasibility and effectiveness of these designs and operations and improve the students comprehensive ability and innovation power Key words physics experimental teaching reform innovation comprehensive skills Michelson interferometer 0引言 传统的物理实验教学大多依附于理论教学 由于种种原因 造成了物理实验教学 四多四少 现象 即理论课时多 实验学时少 验证型实验多 综合性 设计型实验少 教师预先准备好的多 学生独立思考 自由发挥少 教学方式注入式多 启发式 探究式 讨论式 参与式少 1 学生缺少 独立思考的机会 不能发挥其主观能动性 不利于创新精神的培养 2 因此 为了紧紧围绕应用型人 才培养目标 积极推进实验教学模式改革 笔者认为 学生除了要完成常规的大学物理实验外 还需 进行以物理实验为基础并涉及相关学科知识的创新型 综合性实验项目训练 3 本文以 迈克尔逊 干涉仪的改装及应用 的设计与实践为例来探讨这一改革模式的具体设计和操作方案 并证明其可 行性和成效性 041 嘉兴学院学报 Journal of Jiaxing University 第 23 卷第 3 期 2011 年 5 月 Vol 23 No 32011 5 1 迈克尔逊干涉仪的改装及应用 的设计与实践 1 1项目设计 1 1 1设计目标 将迈克尔逊干涉仪实验由验证型转化为综合型 设计型 目前这个实验的主要内容是利用干涉测 量技术测定光的波长 要求物理 工业设计 机械及电子技术专业的学生结合各自的专业基础知识和 基本技能 将迈克尔逊干涉仪改制成为可以测定微小长度的微距测量仪 测量精度可达 10 8m 量程 可达 2 3cm 进而用来测量诸如压电晶体随电压的应变 微小物体的长度等 通过改装 把干涉原 理应用到实验中 实现多种高精度的测量 既可以进行实验创新 又可以实现学生跨专业综合性技能 训练 1 1 2 设计原则 1 可行性迈克尔逊干涉实验是理工科学生都做过的验证性实验 项目在此基础上进行改进 涉及的相关专业知识和技能有物理 压电晶体随电压的应变 微小物体的长度 物质的折射率等 工业设计 附加设施的外形设计 机械 附加设施的机械加工 及电子技术 光电测量 等 这 些都是各专业的基础知识和基本技能 符合学生现有水平 以其能力可以完成 不会挫伤学生的积极 性 物理实验室现有迈克尔逊干涉仪 20 余套 各类光电测试仪器若干 加上金工 先进制造等机械 加工实验室 为本项目研究提供了硬件保障 另外 指导教师曾负责或参与了 用改进后的迈克尔 逊干涉仪测量微小变化量 教改课题的研究 从而确保了指导质量 2 创新性创新实验从根本上来说就是要将设计性和自主性体现到整个实验过程之中 4 即没 有现成的实验步骤和具体方法 完全由学生自己动脑动手 自己设计 自己操作完成 没有严格规定 的使用教材和必须运用的知识要点 要求学生根据自己所学知识 在实验中去发现问题 认识问题 分析问题和解决问题 5 项目设计是让学生在对迈克尔逊干涉实验的知识背景充分理解和实验技巧完 全掌握的基础上 结合自己的专业知识 发挥丰富的想象力 进而创造出新的项目 3 实用和趣味性应用的发展始终是技术发展的动力 项目设计目标就是要将迈克尔逊干涉仪 实验由验证型转化为综合型 设计型 从实战出发 与技术发展和科研项目紧密结合 这必然会提高 学生的兴趣 激起他们的热情 6 4 主导和主体性项目设计完全遵循以学生为主体 教师为主导的原则 教师提供课题 并作 启发式指导 学生以探究式 讨论式 参与式进行研究与实践 唯有这样才能调动学生的学习主动 性 培养学生独立思考和动手的能力 充分发挥学生的创造性 1 2项目实践 在整个实训过程中 教师针对项目目标向学生提出要求 并对项目中的一些技术难点集中给予讲 解 同时坚持以学生为主体 教师为主导的原则 因而学生的积极性空前高涨 如有学生针对迈克尔 逊干涉仪反光镜调节螺丝容易打滑这一常见故障提出了改进意见 并具体设计了改进方案 另有学生 在查阅相关文献资料后提议在综合性实验设计内容方面增加 金属线膨胀系数的测量 7 利用迈克 尔逊干涉原理测量杨氏弹性模量 8 等项目 同时还出现了一些优秀的设计方案 周密的实施计划 精致的加工成品和精确的实验数据 案例 1干涉环变化自动计数装置设计方案 干涉环变化自动计数装置是由迈克尔逊干涉仪 带孔挡光板 光敏二极管及光控脉冲计数器组成 如图 1 所示 其工作原理是将干涉条纹 圆环 的中心直径调至比挡光板孔径略大些 使通过挡 光板照射到光敏二极管上的光正对干涉条纹的中心 随着反光镜的移动 中心将不断 冒出 或 淹没 干涉条纹 光敏二极管及计数器根据入射光的亮暗变化进行自动计数 141 单永明 孙红贵 改革物理实验教学 培养综合创新人才 图 1光控脉冲计数器电路 计数器包括降压整流电路 光脉冲发生器 计数电路 译码电路和显示电路 其中 由 555 时基 电路 R1 方向器 F 及光敏二极管 D 组成 RS 触发器 当中心入射光变亮时光敏管受光照 非门输入 呈低电平 反相后 6 脚呈高电平 2VDD 3 555 复位 3 脚呈低电平 当中心入射光变暗时 光 敏管因高阻呈高电平 反相后 2 脚呈高电平 VDD 3 555 置位 3 脚跃变为高电平 作为计数 脉冲加至计数电路 从而实现计数功能 案例 2学生部分加工成品展示 如图 2 所示 图 2学生部分加工及改进装置 案例 3学生实验数据 学生用改装后的仪器就 测量细铜丝的直径 进行了对比实验 见表 1 实验发现 用千分尺 测量铜丝的直径精度低且误差大 用劈尖干涉法测量精度较高 误差较小 而用改进后的迈克尔逊干 涉仪测量由于随机误差小 测量误差仅在 1 个环之间 即半个波长大小 所以精度更高 误差更小 根据测量结果的比对 说明装置改进成功 实验效果非常好 表 1测量细铜丝的直径 铜丝标称直径为 0 3 mm 测量方法测量项 测量次数 12345 平均值铜丝直径 D误差 ED 千分尺法D mm 0 3270 3250 3300 3290 3270 32760 328 0 0041 2 劈尖干涉法 L mm 36 02436 03136 02936 02836 03236 0288 LX mm 1 7541 7601 7621 7511 7581 757 0 3021 0 00080 26 改进后的装置n9529539529529539520 3012 0 00030 10 注 表中 L 为玻璃片的长度 LX 为 50 个干涉条纹的间距 n 为干涉圆环的变化数 劈尖干涉法所用的钠光波 长为 589 3nm 改进后的迈克尔逊干涉仪所用的激光波长为 632 8nm 1 3实验效果与收获 1 3 1项目考核 实训结束后对学生改进的装置进行验收并对项目训练全过程进行考核 给每个学生做出正确的评 241 嘉兴学院学报第 23 卷第 3 期 定 本次考核评定主要从结果评定和过程评定两方面入手 并采取自评与教评相结合的方式 9 详 见表 2 在 12 名学生考核结果中有 50 优秀 90 分数 100 41 7 良好 80 分数 90 8 3 合格 70 分数 80 表明本次实训尝试基本取得成功 表 2综合性技能实验训练考核表 项目名称 迈克尔逊干涉仪的改装及应用日期 2009 12 30 姓名 张敏班级 机械 071主要承担内容 设计加工用来承载被测物体的机械紧固组件和随动组件 基本指标具体指标满分自评分教师评分 结果评定 35 分 计划书的周密性和条理性887 设计方案的可行性 实用性和创新性151413 加工成品的选材 外观及加工精度555 实验的成功率及结果的准确性766 过程评定 65 分 资料收集 小组讨论的主动性和积极性888 创新能力1088 团队协作能力101010 加工制作的熟练程度和精确性877 实验操作的熟练程度和规范化877 实验数据及分析866 总结报告 或论文 887 出勤率544 合 计1009188 考核结果综合分数 自评分 30 教师评分 70 88 9考核等级 良好 1 3 2 调查分析 由于本次实训是物理实验教学改革创新的尝试项目 所以实训结束后 此教学模式在嘉兴学院进 行抽样式问卷调查 抽取了 200 份理工科学生及教师的答卷 经统计 有 99 的人认为这是一种创 新模式 90 的人认为有一定难度但愿意尝试 98 的人认为对学生的综合能力会有很大的提高 91 的人认为可以普及到其他专业 88 的人认为 32 学时数是合理的 还有 20 的人在课程设置 奖励制度 新项目开设等方面发表了自己的建议 总之 绝大多数学生和教师都高度认可并积极支持 这一教学模式 这是对我们前期工作的肯定和鼓舞 也更加坚定了我们对物理实验教学改革创新的 信心 1 3 3收获 1 有效地培养和提高了学生的综合能力 通过训练 激发了学生的求知欲 调动了学生学习的 积极性和主动性 加深了学生对理论知识的理解 扩大了知识面 培养了学生的科学兴趣 科研方法 以及创造性思维 得到了追求 探索科学之路的乐趣 肯定了自己的能力 增强了自信 责任心和团 体合作意识 6 2 促进了实验教师综合素质的提升 教师既是指导者 参与者 组织者 同时也是学习者和研 究者 要培养和提高学生的创新意识和动手能力 教师首先要提高这方面的能力 10 通过命题研究 和对学生训练指导 拓宽知识面 提升自身创新能力和业务水平 转变了教学理念 丰富了实验教学 经验 增强了责任心和敬业精神 3 改进了实验项目 提高了教学质量和综合性 设计性实验的比例 实验证明 改进后的迈克 尔逊干涉仪由于采用了光控脉冲自动计数 不仅在测量精度上有了明显的提高 而且在操作方法上更 为简便 同时 由于增添了新的辅助测量设施 使该仪器可以进行 压电晶体随电压的应变 测量 微小物体的长度 金属线膨胀系数的测量 利用迈克尔逊干涉原理测量杨氏弹性模量 等实验 实现了由验证型转化为综合型 设计型的目标 提高了综合性 设计性实验的比例 4 为实验教学改革积累了宝贵经验 通过训练 我们既看到了成果 也发现了存在的问题 这 341 单永明 孙红贵 改革物理实验教学 培养综合创新人才 为今后进一步完善和普及跨专业综合技能训练积累了宝贵经验 也为探索其他实践教学改革路径提供 了一定的借鉴 2结语 改革实验教学模式 实现人才培养模式创新已成为高校创新教育以适应社会对人才需求的迫切任 务 而实验室作为教学实践和科研实践活动的平台 在提高实验教学水平和人才培养质量方面 更是 责无旁贷 应积极探索新的教学方法和改革途径 本次实训就是对物理实验教学模式改革的一次新尝 试 它在较短时间内利用现有的教学条件 科学地将不同学科的知识和技能有机地结合起来 有效地 将学生所学的知识直接地运用于实践过程 实现了对学生进行综合能力的训练 实践证明该模式是可 行并有成效的 一切改革活动都是向现存规则的挑战 有目的 有意识地加强对实验课程教学改革 这既是重大的理论问题 又是非常艰苦的实践问题 11 虽然我们在创新实验教学的初步探索中取得 了一定的效果 但这仅是刚刚起步 实验教学改革任重道远 还需我们不断地进行探索研究 参考文献 1 刘国买 整合内容与强化主体 实验教学改革的思考 J 实验技术与管理 2002 2 101 104 2 张其标 陈申如 提高应用型实验教学质量的几点思考 J 集美大学学报 教育科学版 2007 8 2 89 91 3 姚惠琳 杨连峰 基于具体课程的跨专业合作教学模式初探 J 中国校外教育 2009 9 19 20 4 高智琛 高校实验室能本管理与创新人才的培养 J 实验技术与管理 2007 24 3 22 24 5 潘清 王磊 张伟 等 创新实验教学探索 J 实验技术与管理 2010 27 8 24 26 33 6 张铮 蒋水秀 用创新构建综合性设计实验 J 黑龙江科技信息 2008 17 155 241 7 王勇 汤剑锋 激光干涉法测固体的线膨胀系数 J 湖南文理学院学报 自然科学版 2009 21 3 48 49 8 罗洁 物理实验中微小位移量的几种光学测量方法 J 经营管理者 2009 14 335 9 王琦 改革课程设计 提高创新能力 J 中国科技信息 2010 4 217 218 10 楚希杰 赵丽红 浅谈实验教学