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摘 要 对全息光栅制作方法进行设计和研究，全息光栅设计性实验是一个很好的设计性实验，可培养学生的分工协作、文献资料搜集、实验设计、研究报告等多方面能力。
关键词 物理实验；全息光栅；设计性实验
中图分类号：G652 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2012)03-0085-02
Study on Teaching Design of Designing Experiment of Holographic Grating//Hu Wei, Liu Yanan, Geng Xiaoqian
Abstract For the design and study on the manufacture method of Holographic Grating，Holographic Grating experiment is very designing experiment, it can train the ability of students in respect of coordination of work, gathering information，experiment design, research report, and so on.
Key words physical experiment; holographic grating; designing experiment
Author’s address Mudanjiang Teachers College, Mudanjiang, Heilongjiang, China 157011
普通物理实验是对学生进行实验教育的入门课程，可培养学生的动手能力、实验技能等综合素质[1]，其中设计性实验的目的就是提高学生创造性思维能力，好的设计性实验的实施方案应具有灵活多样性[2-4]。
自激光全息术发明以来，全息技术得到广泛的应用和发展[5]。全息照相的方法从光学领域推广到其他领域，如微波全息、声全息等得到很大发展。地震波、电子波、X射线等方面的全息也正在深入研究中，且成功地应用在工业医疗等方面。全息图也有极其广泛的应用，如用于研究火箭飞行的冲击波、飞机机翼蜂窝结构的无损检验等，对于当代的大学生来说有必要了解和学习此技术的原理及应用。
两束相干平行光在全息干板上相干叠加，经适当的曝光、显影、定影后就制成全息光栅。产生两束相干平行光的方案有许多，制作全息光栅的实验方案也有许多种，因此它是一个很好的设计性实验。课题组通过对此实验的综合研究，开发了设计性实验：全息光栅的制作方法研究。
1 教学过程安排
通过对其他高校开展的全息光栅实验课程的调查，选择4种实验室常用的实验方法：杨氏双缝干涉方法、菲涅尔双镜法、马赫-泽德干涉仪法、迈克尔逊干涉仪法。鉴于学时的限制，课前一周教师先布置学生复习光学及全息照相技术实验的内容，8人一组，各大组选定组长后再2人一组分成4个小组，分别设计一套实验方案。然后进行资料的搜集整理，确定实验步骤、方法，到实验室选择仪器。利用2个下午进行实验，包括光路的组装、调试和测量，光栅常数的测定。实验完成后汇总，对4种方法进行对比研究分析，做出研究报告。
虽然文献、图书、教材都有关于此项实验较为详细的资料，但是要把4种方法进行对比研究分析，需要学生横向比较分析，选定合适的实验参数，具有一定的难度。
实验要求：1）全息光栅的制作要求自搭光路调试；2）冲洗；3）d的测定要用分光计，要求自拟数据记录表格,写出测量结果，撰写实验报告；4）对比研究4种方法的优劣，撰写研究报告。
2 评价准则
作为设计性实验的考核不能只依据报告的数据来评判，对于实验前的准备、方案的设计、仪器的选择到测量、分析等都实现了培养学生综合素质的目的，可根据实验所能实现的考核内容制定评分依据。
2.1 考查内容
1）考查学生阅读使用参考资料的能力；2）考查学生利用分立光学元件自搭光路调试和拍摄冲洗技能掌握情况；3）考查学生对基本光学仪器（如分光计、迈克尔逊干涉仪等）的使用掌握情况；4）对学生获得数据加以处理（如逐差法、最小二乘法等）、结果分析的能力进行考核；5）书写完整实验报告及研究报告能力的考核；6）考查学生分工协作的能力。
2.2 评分标准
1）报告的完整性、正确性（10分）。
2）全息光栅的制作：①搭光路调试拍摄（30分）；②冲洗显影吹干（20分）。
3）管栅常数d的测定：表格自拟，数据记录正确（10分）；数据处理结果表示正确（10分）。
4）研究报告（20分）。
3 四种方法的初步探析[6]
3.1 课题组对全息光栅4种制备方法的设计和研究，对比其优缺点（表1）
3.2 测量光栅常数的方法
1）用读数显微镜测量。放大倍数可大一些，一般为80～100倍，而读数显微镜为30倍。
2）可用分光计，根据光栅方程dsinθ=kλ来测量。
3）用衍射法测量。激光通过光栅衍射，在较远处屏上测出零级和一级衍射光斑的间距Δx及屏到光栅的距离L，则光栅常数为d=λL/Δx。
方法一对于光栅常数大的光栅，测量方便；方法二测量准确度高，需把分光计调节好；方法三较方便，准确度不如方法二。应根据实际情况选用两种方法对比。
4 收获与体会
该实验从实验准备阶段到方案的确定、仪器的选择等，整个过程均需学生自主完成，增加了学生做实验的自由度，也把对学生资料查阅及其吸收能力的培养引入该过程中。在实验完成过程中，学生通过完成全息光栅的制备和方法的比较研究，不但使物理实验的基础知识教学内容得到体现，包括分光计、迈克尔逊干涉仪、读数显微镜、光栅、全息照相等，而且也使光路设计、材料选择、数据处理、数据分析等方面的能力训练。通过研究报告的撰写，还培养了学生的研究能力，再加上他们完成的实验内容是他们熟悉且神秘的全息照相技术，使学生可以在愉悦的心境下进行实验，综合锻炼了多方面的能力，培养了学生的创新精神，可以作为一个很好的综合设计性实验题材。
虽说此实验需学生自主完成，但教师的主导地位不能动摇。设计性实验是物理思想和教学思想指导下的创造性劳动，对任何实验设计，教师都要引导学生先明确实验的目的，根据实验任务，解剖实验课题，然后根据所学的相关知识与理论找出实验原理，按照理论的指导去设计方案，还要合理地选配实验仪器，使实验效益最大化。比如在光栅常数d测量的方法选择中，因为几种制备全息光栅的不同方法制备的光栅常数大小有很大的区别，若均采用读数显微镜测量，有些测量会失败，学生若没有教师的指引，可能会误认为是制备实验的失败，又会从头开始，则浪费时间和精力。所以设计性实验仍需要教师起到主导作用，且对教师的要求也更高。
参考文献
[1]杨述武.普通物理实验（一）[M].北京:高等教育出版社,2000.
[2]薛长山.牡丹江师范学院普通物理实验开放教学现状调查研究[J].牡丹江师范学院学报:自然科学版,2010(2):67-69.
[3]胡巍.大学物理“基本-创新-应用”实验课程体系的构建及应用[J].牡丹江师范学院学报:自然科学版,2008(4):67-69.
[4]黄品梅.开发综合设计性实验 促进创新人才之培养[J].实验研究与探索,2010,29(6):93-95.
[5]陈思平.略谈医学超声成像现状和今后的方向[J].影像诊断与介入放射学,1993(1).
[6]刘香茄.全息光栅制作光路的比较研究[J].大学物理实验,1993(1):20-22.
关键词 物理实验；全息光栅；设计性实验
中图分类号：G652 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2012)03-0085-02
Study on Teaching Design of Designing Experiment of Holographic Grating//Hu Wei, Liu Yanan, Geng Xiaoqian
Abstract For the design and study on the manufacture method of Holographic Grating，Holographic Grating experiment is very designing experiment, it can train the ability of students in respect of coordination of work, gathering information，experiment design, research report, and so on.
Key words physical experiment; holographic grating; designing experiment
Author’s address Mudanjiang Teachers College, Mudanjiang, Heilongjiang, China 157011
普通物理实验是对学生进行实验教育的入门课程，可培养学生的动手能力、实验技能等综合素质[1]，其中设计性实验的目的就是提高学生创造性思维能力，好的设计性实验的实施方案应具有灵活多样性[2-4]。
自激光全息术发明以来，全息技术得到广泛的应用和发展[5]。全息照相的方法从光学领域推广到其他领域，如微波全息、声全息等得到很大发展。地震波、电子波、X射线等方面的全息也正在深入研究中，且成功地应用在工业医疗等方面。全息图也有极其广泛的应用，如用于研究火箭飞行的冲击波、飞机机翼蜂窝结构的无损检验等，对于当代的大学生来说有必要了解和学习此技术的原理及应用。
两束相干平行光在全息干板上相干叠加，经适当的曝光、显影、定影后就制成全息光栅。产生两束相干平行光的方案有许多，制作全息光栅的实验方案也有许多种，因此它是一个很好的设计性实验。课题组通过对此实验的综合研究，开发了设计性实验：全息光栅的制作方法研究。
1 教学过程安排
通过对其他高校开展的全息光栅实验课程的调查，选择4种实验室常用的实验方法：杨氏双缝干涉方法、菲涅尔双镜法、马赫-泽德干涉仪法、迈克尔逊干涉仪法。鉴于学时的限制，课前一周教师先布置学生复习光学及全息照相技术实验的内容，8人一组，各大组选定组长后再2人一组分成4个小组，分别设计一套实验方案。然后进行资料的搜集整理，确定实验步骤、方法，到实验室选择仪器。利用2个下午进行实验，包括光路的组装、调试和测量，光栅常数的测定。实验完成后汇总，对4种方法进行对比研究分析，做出研究报告。
虽然文献、图书、教材都有关于此项实验较为详细的资料，但是要把4种方法进行对比研究分析，需要学生横向比较分析，选定合适的实验参数，具有一定的难度。
实验要求：1）全息光栅的制作要求自搭光路调试；2）冲洗；3）d的测定要用分光计，要求自拟数据记录表格,写出测量结果，撰写实验报告；4）对比研究4种方法的优劣，撰写研究报告。
2 评价准则
作为设计性实验的考核不能只依据报告的数据来评判，对于实验前的准备、方案的设计、仪器的选择到测量、分析等都实现了培养学生综合素质的目的，可根据实验所能实现的考核内容制定评分依据。
2.1 考查内容
1）考查学生阅读使用参考资料的能力；2）考查学生利用分立光学元件自搭光路调试和拍摄冲洗技能掌握情况；3）考查学生对基本光学仪器（如分光计、迈克尔逊干涉仪等）的使用掌握情况；4）对学生获得数据加以处理（如逐差法、最小二乘法等）、结果分析的能力进行考核；5）书写完整实验报告及研究报告能力的考核；6）考查学生分工协作的能力。
2.2 评分标准
1）报告的完整性、正确性（10分）。
2）全息光栅的制作：①搭光路调试拍摄（30分）；②冲洗显影吹干（20分）。
3）管栅常数d的测定：表格自拟，数据记录正确（10分）；数据处理结果表示正确（10分）。
4）研究报告（20分）。
3 四种方法的初步探析[6]
3.1 课题组对全息光栅4种制备方法的设计和研究，对比其优缺点（表1）
3.2 测量光栅常数的方法
1）用读数显微镜测量。放大倍数可大一些，一般为80～100倍，而读数显微镜为30倍。
2）可用分光计，根据光栅方程dsinθ=kλ来测量。
3）用衍射法测量。激光通过光栅衍射，在较远处屏上测出零级和一级衍射光斑的间距Δx及屏到光栅的距离L，则光栅常数为d=λL/Δx。
方法一对于光栅常数大的光栅，测量方便；方法二测量准确度高，需把分光计调节好；方法三较方便，准确度不如方法二。应根据实际情况选用两种方法对比。
4 收获与体会
该实验从实验准备阶段到方案的确定、仪器的选择等，整个过程均需学生自主完成，增加了学生做实验的自由度，也把对学生资料查阅及其吸收能力的培养引入该过程中。在实验完成过程中，学生通过完成全息光栅的制备和方法的比较研究，不但使物理实验的基础知识教学内容得到体现，包括分光计、迈克尔逊干涉仪、读数显微镜、光栅、全息照相等，而且也使光路设计、材料选择、数据处理、数据分析等方面的能力训练。通过研究报告的撰写，还培养了学生的研究能力，再加上他们完成的实验内容是他们熟悉且神秘的全息照相技术，使学生可以在愉悦的心境下进行实验，综合锻炼了多方面的能力，培养了学生的创新精神，可以作为一个很好的综合设计性实验题材。
虽说此实验需学生自主完成，但教师的主导地位不能动摇。设计性实验是物理思想和教学思想指导下的创造性劳动，对任何实验设计，教师都要引导学生先明确实验的目的，根据实验任务，解剖实验课题，然后根据所学的相关知识与理论找出实验原理，按照理论的指导去设计方案，还要合理地选配实验仪器，使实验效益最大化。比如在光栅常数d测量的方法选择中，因为几种制备全息光栅的不同方法制备的光栅常数大小有很大的区别，若均采用读数显微镜测量，有些测量会失败，学生若没有教师的指引，可能会误认为是制备实验的失败，又会从头开始，则浪费时间和精力。所以设计性实验仍需要教师起到主导作用，且对教师的要求也更高。
参考文献
[1]杨述武.普通物理实验（一）[M].北京:高等教育出版社,2000.
[2]薛长山.牡丹江师范学院普通物理实验开放教学现状调查研究[J].牡丹江师范学院学报:自然科学版,2010(2):67-69.
[3]胡巍.大学物理“基本-创新-应用”实验课程体系的构建及应用[J].牡丹江师范学院学报:自然科学版,2008(4):67-69.
[4]黄品梅.开发综合设计性实验 促进创新人才之培养[J].实验研究与探索,2010,29(6):93-95.
[5]陈思平.略谈医学超声成像现状和今后的方向[J].影像诊断与介入放射学,1993(1).
[6]刘香茄.全息光栅制作光路的比较研究[J].大学物理实验,1993(1):20-22.