鄭健

光學(xué)實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，從初中的鏡面反射、透鏡等到高中的折射定律、全反射，教學(xué)中需要通過一系列演示和分組實(shí)驗(yàn)才能滿足學(xué)生的認(rèn)知建構(gòu)規(guī)律。但是，演示器材不足、光路不易控制調(diào)整、可視性不高、維護(hù)不便等問題一直困擾著中學(xué)物理教師。本人經(jīng)過近2年教學(xué)實(shí)踐的多次改進(jìn)，嘗試融合機(jī)械自動(dòng)控制技術(shù)、移動(dòng)終端信息技術(shù)進(jìn)行突破創(chuàng)新，設(shè)計(jì)制作了可用于中學(xué)階段幾何光學(xué)所有定性現(xiàn)象和定量測(cè)量的全功能實(shí)驗(yàn)器（圖1）。

設(shè)計(jì)原理

配套光學(xué)組件

根據(jù)中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)要求，從8年級(jí)物理到高二年級(jí)選修3-4，教學(xué)中需要通過實(shí)驗(yàn)探究獲得的光學(xué)規(guī)律知識(shí)包括鏡面反射、漫反射、反射定律、凹面鏡、凸面鏡、凹透鏡、凸透鏡、潛望鏡、折射現(xiàn)象、折射定律、折射率、全反射、臨界角、光纖原理、彩虹原理等。將這些光學(xué)規(guī)律的探究實(shí)驗(yàn)整合在一套光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，只要設(shè)計(jì)統(tǒng)一的可控激光光源入射、在磁吸背板上更換不同的配套光學(xué)組件，就可以進(jìn)行各種光學(xué)現(xiàn)象的演示與探究。光學(xué)組件可以自制，有利于初高中連貫的光學(xué)體系實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

一體化霧化系統(tǒng)顯示光路

原本用于加濕、造景、藥劑霧化的霧化器由霧化片及驅(qū)動(dòng)電路組成。驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生100kHz的超聲波高頻振蕩，霧化片采用壓電陶瓷材質(zhì)，把周圍的水打散，從幾微米的細(xì)小孔徑噴出，形成水霧。通過風(fēng)扇將霧氣定向引導(dǎo)，可以用來顯示激光光路。霧化系統(tǒng)包括1個(gè)貯水箱、2個(gè)霧化器和1個(gè)引導(dǎo)風(fēng)扇，在風(fēng)扇對(duì)面開孔即可將霧氣釋放向光路系統(tǒng)。

光路系統(tǒng)由1個(gè)豎立的帶平面坐標(biāo)和角度的圓形鋼板及支架組成。在鋼板上的坐標(biāo)原點(diǎn)處可吸附不同的光學(xué)組件。圓形鋼板的后方是由電機(jī)控制的平行激光源，它可以沿著圓形鋼板的邊緣，始終指向鋼板圓心，在豎直平面內(nèi)進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，其產(chǎn)生的激光光路將在霧氣中顯示出來。

電機(jī)遙控控制平行激光源

平行激光源由3個(gè)50mW紅色激光模塊并聯(lián)組成，各設(shè)置開關(guān)通斷選擇入射激光條數(shù)。激光源設(shè)置在以鋼板中心為圓心的刻度面板邊緣上，后側(cè)由配套2.4G遙控驅(qū)動(dòng)的控制面板帶動(dòng)直流減速電機(jī)工作，從而能夠十分便捷準(zhǔn)確地用遙控器控制平行光源入射的方向和角度。

信息技術(shù)融合觀察與測(cè)量

通過移動(dòng)終端和無線互聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用融合，演示的光學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可全程同時(shí)分享在互動(dòng)屏幕上，便于觀察。移動(dòng)終端和無線互聯(lián)技術(shù)支持學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)用不同折射率的介質(zhì)進(jìn)行探究，APP所支持的數(shù)據(jù)分析和圖線擬合功能提高了科學(xué)探究的便捷性、趣味性。

實(shí)驗(yàn)演示

放入鏡面和漫反射面光學(xué)組件，用單束光或平行光入射，即可清晰觀察到2種反射現(xiàn)象。光學(xué)組件的正反兩面分別是鏡面和漫反射面，翻轉(zhuǎn)即可改變光路結(jié)果，磁吸在背板上很容易調(diào)節(jié)（圖2和圖3）。放入凹面鏡和凸面鏡光學(xué)組件，用平行光入射，即可清晰觀察到會(huì)聚與發(fā)散現(xiàn)象。光學(xué)組件的正反兩面分別是凹面和凸面，翻轉(zhuǎn)即可改變光路結(jié)果（圖4和圖5）。其他例如凹透鏡與凸透鏡現(xiàn)象見圖6和圖7，潛望鏡和全反射三棱鏡現(xiàn)象見圖8和圖9。另外，實(shí)驗(yàn)器還可以定量測(cè)量反射與折射定律。

創(chuàng)新點(diǎn)

◇自頂部向下的定向水霧化系統(tǒng)，覆蓋實(shí)驗(yàn)視野的開放立體空間，借助水霧漫反射直接顯示和觀察光路。

◇使用磁吸光學(xué)元件、自制平行激光源，2.4G遙控驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)直流減速電機(jī)工作，機(jī)械控制激光360°入射方向，實(shí)驗(yàn)過程便捷準(zhǔn)確。

◇信息技術(shù)深度融合，通過iPad和無線互聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用，演示的光學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可全程實(shí)時(shí)分享在教室的屏幕上，讓班級(jí)坐在各個(gè)位置的學(xué)生都能以正視視角觀察。

◇APP可攝錄采集入射角、反射角、折射角數(shù)據(jù)，并進(jìn)行圖像分析。支持學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)用不同折射率的介質(zhì)進(jìn)行探究，具有數(shù)據(jù)分析和圖線擬合功能。

◇能將中高考中出現(xiàn)的各種幾何光學(xué)問題進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)探究，輔助初高中教學(xué)。

總結(jié)

中學(xué)階段的絕大部分光學(xué)實(shí)驗(yàn)都能通過本實(shí)驗(yàn)器演示，在定量測(cè)量、數(shù)據(jù)處理方面能較好地完成高中所需的實(shí)驗(yàn)功能，實(shí)驗(yàn)誤差較小。今后可進(jìn)一步完善APP的采集和處理功能，將之應(yīng)用到學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)中;還可制作各種形狀的光學(xué)介質(zhì)，用實(shí)驗(yàn)還原試題中的理論光路圖。

該項(xiàng)目獲得第33屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作了可用于中學(xué)階段幾何光學(xué)所有定性現(xiàn)象和光的折射等定量測(cè)量的全功能實(shí)驗(yàn)器。項(xiàng)目原理科學(xué)、概念清晰.構(gòu)思巧妙、設(shè)計(jì)合理，作品實(shí)用性強(qiáng)。項(xiàng)目選題新穎，具有實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新，對(duì)傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價(jià)值。希望項(xiàng)目在工藝方面作出改進(jìn)和提升。