摘要：自制教具可以提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)新思維，對大學課堂教學具有十分重要的意義。在“光學”課程中自制布儒斯特定律演示儀，采用學生生活中常見的CCD攝像頭拍攝圖像，用激光切割亞克力板制作光學旋轉(zhuǎn)支架來控制入射角和出射角，通過Matlab編程處理計算光強，用相對光強極值來自動尋找布儒斯特角位置，進而計算角度大小和介質(zhì)折射率。該裝置既可直觀演示布儒斯特現(xiàn)象，又能定量驗證布儒斯特定律，在教學中應(yīng)用該演示儀，融入以學生為中心理念，制定了布儒斯特定律演示儀在“光學”課程中應(yīng)用的教學策略。

關(guān)鍵詞：“光學”課程；教學改革；CCD；布儒斯特定律；演示儀器

Abstract：SelfmadeteachingAIDScanimprovestudents'interestinlearning，cultivatestudents'practicalabilityandinnovativethinking，whichisofgreatsignificancetouniversityclassroomteaching.Inopticalcoursehomemadecloth's&nbSlbSUQ2folRvArYwF0VEzg==sp;lawdemonstrationinstrument，usingthecommonCCDcamerainstudentlifeimages，withlasercuttingacrylicplatemakingopticalrotatingbrackettocontroltheAngleandAngleofincidence，throughMatlabprogrammingprocessingtocalculatelightintensitywithrelativelightintensityvaluetoautomaticallyfindcloth，Anglecalculationandmediumrefractiveindex.ThedevicecannotonlyvisuallydemonstratetheBururstphenomenon，butalsoquantitativelyverifyBurorst'slaw.Itappliesthedemonstrationinstrumentinteaching，integratesthestudentcenteredconcept，anddevelopstheteachingstrategyofburorst'slawdemonstrationinstrumentinopticalcourse.

Keywords：opticalcurriculum;teachingreform;CCD;Brewster'slaw;demonstrationinstrument

1概述

光學是物理學的重要分支，是自然科學中發(fā)展最早的學科之一，它與人類生產(chǎn)生活密不可分，光學在當今科技發(fā)展中具有重要地位。“光學”課程是理工科大學生的基礎(chǔ)課程，通過課程學習使學生掌握光的干涉、衍射、偏振等基本現(xiàn)象、原理和規(guī)律，培養(yǎng)學生的學習能力、科學探究能力和分析解決問題的能力。作為光學重要的章節(jié)之一，光的偏振在科技前沿領(lǐng)域、生產(chǎn)和國防上的應(yīng)用越來越廣泛，在教學中結(jié)合實驗進行教學改革，用實驗現(xiàn)象使學生構(gòu)建正確的物理圖像是“光學”課程的重要任務(wù)之一。

為了讓學生深刻體驗和理解光的偏振現(xiàn)象，在教學中引入光的偏振演示實驗?zāi)苡行Т龠M教學效果，但目前大部分演示教具只能演示基本的實驗現(xiàn)象，比如用兩個偏振片疊加后旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生不同的消光現(xiàn)象，這些儀器無法進行定量測量。在講解布儒斯特定律時，會涉及入射角、折射角以及反射角的定量關(guān)系問題，這就需要對角度進行定量計算，設(shè)計能定量驗證布儒斯特定律的演示儀對加深學生理解光的偏振至關(guān)重要，是教學難點問題。傳統(tǒng)光學實驗室里的布儒斯特定律測量裝置對設(shè)備和環(huán)境要求較高，教師難以攜帶到課堂中進行演示，如果能配套便攜式布儒斯特定律定量演示儀，那么教學效果將會明顯提高。基于此，本教學團隊結(jié)合多年教學經(jīng)驗，開發(fā)出基于CCD的布儒斯特定律演示儀，不僅能定性演示布儒斯特效應(yīng)，還能定量測量布儒斯特角，驗證布儒斯特定律，并且根據(jù)該演示儀器，設(shè)計了一套實驗教學策略。

2CCD在教具設(shè)計中的應(yīng)用

相較于廠家定制的儀器設(shè)備，自制教具是任課教師根據(jù)教學需求自己開發(fā)設(shè)計的實驗儀器，它凝聚著教師獨特的教學理念，在教學中的應(yīng)用價值更高［14］。在教學中使用自制教具，雖然有時會出現(xiàn)這樣那樣的問題，但是在分析問題解決問題、改進儀器的過程中，學生從中學到的知識更多，尤其光學是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，教學中引入教師自己設(shè)計的演示實驗是重要教學環(huán)節(jié)之一，能有效提升學生的參與度，根據(jù)教學團隊教學經(jīng)驗，當教師在課堂上拿出自制教具進行演示實驗時，課堂會立刻活躍起來，學生積極主動參與到實驗當中。這對形成以學生為中心的實驗探究氛圍，提高“光學”課程高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，提升學生學習主動性，進而提高教學質(zhì)量具有重要意義。

本文自制教具采用CCD攝像頭，通過USB連接到電腦，在電腦上顯示拍攝圖像，通過編程處理得到相關(guān)測量結(jié)果。CCD是能夠把光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的一種半導體器件，在航天、機械、醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。CCD上每個感光單元稱作像素，像素的數(shù)量決定畫面質(zhì)量，每個像素是一個金屬—氧化物—半導體構(gòu)成的MOS單元［57］。CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由CCD器件、時序驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)化、信號處理、存儲控制器和上位機等組成。常用的CCD根據(jù)分辨率、靈敏度、信噪比，彩色還原特性及自動功能等不同指標，其價格在幾十元至幾十萬元不等，本文采用物美價廉的普通CCD攝像頭，價格在百元左右。作為新型半導體光電轉(zhuǎn)換器件，CCD技術(shù)廣泛應(yīng)用于光學檢測當中，在“光學”課程里，采用CCD攝像頭可以完成單縫衍射、聲光效應(yīng)、牛頓環(huán)和分光計等實驗的顯示和測量。

3基于CCD的布儒斯特定律演示儀

在光學課堂中引入布儒斯特演示實驗?zāi)苡行Т龠M學生對知識的理解，但目前市面上缺乏一款攜帶方便、實驗條件要求低，并且能定量測量的演示儀器。針對這一問題，筆者制作了基于CCD的布儒斯特定律演示儀，用以拓寬學生的知識面，讓學生在教具制作和實驗中對光的偏振知識有更深刻的理解，同時能夠靈活運用這些知識。

3.1設(shè)計理論

當自然光入射到折射率分別為n1和n2的兩種介質(zhì)的分界面上時，隨著入射角的改變，反射光的偏振化程度也隨之改變，當入射角滿足tani0=n2/n1時，反射光中就只有垂直于入射面的光振動，而沒有平行于入射面的光振動，如圖1所示，圖中圓點表示垂直入射面的光振動，短線表示平行于入射面的光振動。此時反射光為線偏振光，而折射光仍為部分偏振光。這時的入射角i0稱為布儒斯特角。同時可以證明，當入射角為布儒斯特角時，反射光線與折射光線的夾角剛好為90°。因此，在設(shè)計儀器時，需要能連續(xù)調(diào)節(jié)入射角大小，并能檢測反射光剛好為線偏振光時的角度大小，得到布儒斯特角，進而計算得到介質(zhì)折射率。

3.2教具構(gòu)成

自制實驗教具的硬件主要由帶有坐標紙的玻璃板、激光器、CCD探頭、升降臺、裝有介質(zhì)的容器、電腦等，如圖2所示。

激光器產(chǎn)生激光，通過光闌后入射到介質(zhì)中，在介質(zhì)的反射光方向加上偏振片，濾去反射光的垂直偏振光，并用CCD探頭接收反射光。當CCD檢測到的光強為0或最弱（有干擾源）時，即為布儒斯特角所在位置。將CCD探頭另一端連接電腦上的Matlab光斑追蹤分析程序，改變?nèi)肷浣?，在電腦上繪制光強變化曲線，光強曲線的最低點就是介質(zhì)的布儒斯特角所在的位置。CCD探頭位置坐標為（x，y），空氣折射率近似為1，上述公式可化為n2=x/y，也就是說CCD探頭的橫縱坐標之比即為介質(zhì)的折射率。

布儒斯特定律演示儀的軟件程序界面如圖3所示，包含攝像頭采集、實時光斑、光強顯示和結(jié)果計算等模塊。整個實驗過程現(xiàn)象直觀，通過Matlab光斑追蹤分析程序?qū)⒉既逅固亟堑臏y量巧妙轉(zhuǎn)化為觀察光斑的明暗，將光強轉(zhuǎn)化為像素值，并且設(shè)計追蹤程序，自動化程度高，測量介質(zhì)的折射率更準確。

3.3教學策略

3.3.1原理講解與教具組裝

教師向?qū)W生介紹該教具測量介質(zhì)折射率的原理，即布儒斯特定律。然后學生分組實驗，根據(jù)教師介紹的原理和提供的實驗元器件，思考并交流如何組裝出教具。教師可以設(shè)置一些提示性的問題，如“偏振片應(yīng)該怎么裝？用什么采集光斑？激光發(fā)射器和CCD探頭的移動要注意什么？”等來幫助學生完成教具的組裝。

教具的組裝可以鍛煉學生的動手操作能力以及解決問題的能力，組裝出正確教具的這一過程也可以幫助學生加深對偏振、折射率等知識點的理解。通過分組實驗，學生之間互相討論交流，以團隊形式設(shè)計實驗和最終實驗匯報，培養(yǎng)學生團隊協(xié)作能力。

3.3.2開展實驗

在組裝好教具后，讓學生按照以下步驟進行實驗：（1）預(yù)熱激光器之后打開CCD探頭，連接電腦中的Matlab程序，實時追蹤光斑；（2）同時移動激光器和CCD探頭，繪制出光強變化曲線；（3）找到Matlab中光強曲線最小的點，即為布儒斯特角所在位置；（4）測量并記錄CCD探頭的坐標，其橫縱坐標之比即為介質(zhì)的折射率；（5）多次測量得出介質(zhì)折射率的平均值。

以玻璃的折射率測量為例，隨著激光器入射角度的改變，光斑從亮逐漸變暗，再變亮，所繪制的光強變化曲線先減小后增大（如圖4所示）。在光斑最暗處微調(diào)激光器的入射角度，找出所繪制的光強曲線上的最低點，就是玻璃的布儒斯特角，讀出該位置探頭的橫縱坐標，橫縱坐標之比即為介質(zhì)的折射率。

重復上述過程，進行多次實驗，可以得出所測玻璃的折射率。在得出介質(zhì)的折射率之后，將其與實際值進行比對9kq/a1NKXxnp2RZDGyql+A==，計算誤差并分析誤差產(chǎn)生的原因，尋找改進實驗的辦法，教師還可以更換不同的介質(zhì)讓學生進行實驗。

通過以上自制布儒斯特定律演示儀，學生能夠直觀體會到布儒斯特現(xiàn)象，并且能定量測量得到介質(zhì)的折射率，該裝置現(xiàn)象明顯，有利于學生更深刻地理解和運用相關(guān)知識。在完成實驗后，給學生介紹折射率測量在食品生產(chǎn)、油田開采、生化醫(yī)療等多個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，讓學生體會到光學與生活的密切聯(lián)系，從生活走向光學，從光學走向社會，加深對光學知識重要性的認識，從而燃起學生學習光學的興趣。此外，物理實驗與計算機工程的結(jié)合契合跨學科實踐的教育理念，有利于拓寬學生的視野，培養(yǎng)學生的工程思維和創(chuàng)新精神。

結(jié)語

自制教具有利于激發(fā)學生的學習興趣，加深學生對于知識的理解和運用，鍛煉學生的動手能力和解決問題的能力。因此，在光學課程中教師應(yīng)根據(jù)教學需要，不斷完善已有教具并探索研發(fā)新教具，本文基于CCD攝像頭和Matlab編程自制了布儒斯特定律演示儀，并簡述了在課堂中的使用策略，對提高課堂教學效果，增強學生學科素養(yǎng)和探索精神，促進立德樹人培養(yǎng)目標的達成具有一定的促進作用。

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基金項目：本文系2023年教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“電磁學高壓輸電實驗虛擬仿真平臺建設(shè)”（項目編號：230806071093324）；蘇州大學高等教育教改研究課題“電磁學實驗教學中創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的改革與實踐”（項目編號：202338）研究成果

作者簡介：羅杰（1989—），男，漢族，江蘇建湖人，博士，副研究員，研究方向：光學。

*通訊作者：孫寶?。?987—），男，漢族，江蘇連云港人，碩士，高級實驗師，研究方向：物理實驗研究。