1提出問題
學(xué)院化學(xué)實驗課程是國外大多數(shù)院校，非常是理工科類院校對中學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實驗基本訓(xùn)練的選修基礎(chǔ)課程之一[1]，主要講課對象為剛步入院校的1～2年級中學(xué)生，是大專生接收系統(tǒng)實驗技巧和實驗技能訓(xùn)練的開端。通過對學(xué)院化學(xué)實驗課程的學(xué)習(xí)，一方面可以培養(yǎng)院校中學(xué)生的實際動手操作能力；更重要的是，中學(xué)生通過學(xué)習(xí)學(xué)院化學(xué)實驗內(nèi)容的實驗思想、方法及手段等，才能進(jìn)一步培養(yǎng)中學(xué)生的科學(xué)實驗基本素質(zhì)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)心態(tài)[2]，為其在后續(xù)的研究生學(xué)習(xí)階段打下一個堅實的實驗基礎(chǔ)。同時，通過學(xué)院化學(xué)實驗課程的學(xué)習(xí)，才能進(jìn)一步提升中學(xué)生在日常工作和生活中剖析問題和解決問題的能力。為此，怎么充分地發(fā)揮學(xué)院化學(xué)實驗課程項目在院校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的重要作用，是值得每一個院校班主任深入思索的問題。
目前，分光計實驗(包括三棱鏡相關(guān)參數(shù)檢測及光柵常數(shù)檢測等)、金屬絲楊氏彈性撓度檢測實驗、邁克耳孫干涉儀實驗等幾個實驗項目是國外大多數(shù)院校均開辦的基本實驗內(nèi)容[3-5]。其中，分光計實驗項目提供了一個可精確檢測角度以及通過精確檢測角度從而檢測其他化學(xué)量(如折射率、光柵常數(shù)等)的方式。金屬絲楊氏彈性撓度檢測實驗項目提供了一種檢測微小伸長量(微米量級)的實驗技術(shù)。非常是，邁克耳孫干涉儀作為一個獲得過諾貝爾化學(xué)學(xué)獎的實驗項目，其解決“以太甩尾”問題的實驗思想，對現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。為此，可以看出，學(xué)院化學(xué)實驗課程中涉及的這幾個實驗項目，每一個都包含了豐富的化學(xué)實驗思想、方法或手段。假如院校班主任才能通過深入講授這種實驗項目中所包含的具體內(nèi)容，之后將這種實驗項目進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，或則說將其中一個實驗項目的思想或則技術(shù)手段應(yīng)用于另一個數(shù)學(xué)量的檢測中，必將才能對大專生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)提供有利的支持。
基于此，本文將從以上所提及的3個具體的實驗項目內(nèi)容為例出發(fā)，通過對某一實驗內(nèi)容進(jìn)行深入挖掘和探求，或則對兩個實驗項目進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，提出了一些創(chuàng)新性的實驗教學(xué)內(nèi)容。通過教學(xué)實踐發(fā)覺，這種創(chuàng)新性實驗教學(xué)內(nèi)容都可以取得如研究論文發(fā)表、發(fā)明專利授權(quán)等成果。因而，對學(xué)院化學(xué)實驗內(nèi)容的探求和創(chuàng)新可為院校創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。
2實驗項目的探求和創(chuàng)新
首先，我們以探求“分光計調(diào)整和使用實驗”為例進(jìn)行探討。一般而言，傳統(tǒng)的關(guān)于分光計的學(xué)院化學(xué)實驗項目內(nèi)容，常為分光計的調(diào)節(jié)方式、三棱鏡內(nèi)角的檢測(分光束法、自準(zhǔn)直法)以及折射率的檢測(最小偏向角法[6]、掠入射法[7]、垂直斜邊入射法[8])等。但是，值得中學(xué)生去探求的問題起碼有3個：第一，在三棱鏡折射率的檢測中，上述到底哪種檢測方式，可以得到更為精確的結(jié)果？第二，在某一特定檢測方式下光的折射實驗誤差分析，選定哪些樣的實驗參數(shù)，可以得到較為精確的檢測結(jié)果？第三，在實際的實驗檢測過程中，哪一個數(shù)學(xué)量的檢測偏差，將對折射率的檢測精度影響較大，以及其影響程度有多大？假如中學(xué)生能針對以上的3個問題進(jìn)行詳盡的研究，并給出合理的理論解釋，這能夠充分表明開辦“分光計調(diào)整和使用實驗”的必要性。
因此，我們將以上提及的3個問題，作為一個學(xué)院化學(xué)實驗課程的第二課堂作業(yè)，讓中學(xué)生去思索并完成。最終，中學(xué)生通過導(dǎo)論課小學(xué)習(xí)到的不確定度剖析和估算相關(guān)知識，對上述問題進(jìn)行了詳盡研究，并得出了一定的理論結(jié)果[9]，該結(jié)果已發(fā)表于《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊。
從圖1所示的剖析就可以清晰地得出上述3個問題的答案。比如，從圖1(a)可以看出，當(dāng)選擇三棱鏡內(nèi)角A從圖1(b)可以看出，不論采用何種檢測折射率的方式，內(nèi)角的檢測偏差，都將顯著地影響折射率檢測的相對不確定度值。非常地，對掠入射法而言，當(dāng)僅考慮內(nèi)角的檢測偏差約為5′時，將會造成折射率的相對不確定約為0.12%左右的推論。
圖1分光計檢測三棱鏡折射率的3種方式，(a)折射率相對不確定度與三棱鏡內(nèi)角選定大小的關(guān)系，以及(b)三棱鏡相關(guān)參數(shù)檢測不確定度對折射率相對不確定的影響關(guān)系[9]
由這一案例可以表明，假若能對傳統(tǒng)的分光計實驗項目進(jìn)行一個深入的探求，一方面可以發(fā)揮中學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，另一方面，也可以培養(yǎng)中學(xué)生的創(chuàng)新能力，并取得如研究論文發(fā)表的創(chuàng)新成果。
其次，我們以“金屬絲楊氏彈性撓度檢測實驗”和“邁克耳孫干涉儀實驗”這兩個學(xué)院化學(xué)實驗項目相結(jié)合為例，探討怎樣通過將某一實驗的實驗技術(shù)手段，用于另一實驗方案的改進(jìn)，以及怎樣借助某一實驗的實驗原理，設(shè)計出具有創(chuàng)造性的發(fā)明裝置，從而培養(yǎng)中學(xué)生的創(chuàng)新能力。
關(guān)于金屬絲楊氏彈性撓度檢測的實驗，雖然有多種不同的實驗原理來實現(xiàn)檢測，但目前國外大多數(shù)院校一直采用靜態(tài)拉伸法的原理來舉辦實驗[3-5]。該方式中最重要的一個檢測內(nèi)容就是金屬絲受一定拉力時的伸長量檢測。一般情況下，實驗中該伸長量在幾十微米量級，因而是一個微小伸長量，一般采用光杠桿的原理來進(jìn)行檢測。在借助光杠桿原理來進(jìn)行這一微小伸長量的檢測時，為了提高光杠桿的放大率，通常通過減小平面鏡到標(biāo)尺的距離來實現(xiàn)，但這樣導(dǎo)致的不利結(jié)果是，中學(xué)生須要在望遠(yuǎn)鏡和鋼絲之間來回操作和檢測，降低了實驗的不便捷性。另一方面，為了能降低鋼絲受力時的伸長量，也可以通過降低鋼絲的原長來解決。但這樣導(dǎo)致的后果是，鋼絲原長降低將會使其自然彎曲的可能性變大，最終造成楊氏彈性撓度值檢測偏差的減小。是否有好的實驗技術(shù)手段來克服這一問題，須要朋友們作出創(chuàng)新。
事實上，“邁克耳孫干涉儀實驗”也是國外大多數(shù)院校開辦的學(xué)院化學(xué)實驗項目之一[3，5]。此實驗的開辦，從理論角度而言，可以讓中學(xué)生理解分振幅原理形成相干光束的方式以及把握相關(guān)的干涉的原理。從實驗角度而言，當(dāng)微小改變動鏡和定鏡之間的距離時，即可在觀察屏上觀察到干涉同心圓環(huán)形成或則湮沒的現(xiàn)象。借助這一現(xiàn)象，就可以實現(xiàn)入射光波長的檢測。能夠借助邁克耳孫干涉儀的原理，來實現(xiàn)檢測金屬絲楊氏彈性撓度實驗中的微小伸長量？或則說能夠?qū)⑦~克耳孫干涉實驗的技術(shù)原理，應(yīng)用到金屬絲楊氏彈性撓度檢測實驗中，從而克服上述提及的，傳統(tǒng)金屬絲楊氏彈性撓度檢測實驗中的不利誘因？這是一個值得中學(xué)生去創(chuàng)新的問題。
基于此，我們同樣將此問題作為一個學(xué)院化學(xué)實驗課程的第二課堂項目，讓中學(xué)生進(jìn)行思索。最終，中學(xué)生們通過將這兩個實驗進(jìn)行綜合創(chuàng)新，設(shè)計出一個基于邁克耳孫干涉原理的金屬絲楊氏彈性撓度檢測方案(如圖2(a)所示)，并進(jìn)行了實際的實驗，對提出的方案進(jìn)行了檢驗，實驗結(jié)果可如圖2(b)所示。該創(chuàng)新結(jié)果發(fā)表于《物理實驗》期刊[10]。
圖2[10](a)實驗裝置圖；(b)實驗結(jié)果圖
從圖2(a)可以看出，采用未擴(kuò)束的He-Ne激光作為光源，通過將被檢測金屬絲的一端固定于邁克耳孫干涉儀的動鏡處，另一端聯(lián)接一拉力計對金屬絲的受力進(jìn)行檢測，最終可以得出如圖2(b)所示的邁克耳孫干涉峰出現(xiàn)個數(shù)隨金屬絲受力大小的變化關(guān)系曲線。從圖中可以看出，實驗結(jié)果(圖2(b)中的“+”號所示)呈現(xiàn)出完美的線性關(guān)系(圖2(b)中的虛線所示)，進(jìn)一步證明了該設(shè)計方案的有效性。值得注意的是，在此方案中，因為所采用的金屬絲寬度較短(約13cm左右)，因而一方面可有效減少傳統(tǒng)楊氏彈性撓度檢測實驗中，因為金屬絲原長較長所造成的自然彎曲不利情況的發(fā)生；另一方面，只須要施加較小的力即可完成楊氏彈性撓度的檢測。事實上，施加較小的力有兩個潛在的優(yōu)點：一是可以保證整個實驗過程中金屬絲處在彈性限度范圍內(nèi)；二是可有效減少因為動鏡受力而造成的邁克耳孫干涉結(jié)果影響。因為邁克耳孫干涉原理可以實現(xiàn)波長量級(可見光波長為幾百納米)的微小伸長量檢測，進(jìn)一步，因為邁克耳孫干涉儀的結(jié)構(gòu)較為緊湊，因而，該設(shè)計方案可有效地克服基于光杠桿原理檢測金屬絲楊氏彈性撓度實驗中的不利誘因。
同時，我們也鼓勵中學(xué)生借助所學(xué)到的實驗原理和技術(shù)，作出不局限于學(xué)院化學(xué)實驗項目的創(chuàng)新。比如，考慮到邁克耳孫干涉儀可檢測微小伸長量的原理，中學(xué)生還設(shè)計出了一種水災(zāi)等級及水災(zāi)位置的檢測裝置，如圖3所示[11]。其中，圖3(a)是設(shè)計檢測儀結(jié)布光，其主要工作原理就是邁克耳孫干涉光路，圖3(b)表示了將3個邁克耳孫干涉光路分別安裝在某市的xyz3個方向上，用于檢測空間3個垂直方向上的余震波造成的邁克耳孫干涉白色，因而判定出余震等級。圖3(c)表示了將多個如圖3(b)所示的裝置放置于空間中3個不同的位置，通過檢測水災(zāi)波抵達(dá)此3個位置的時間，就可以確定出余震的位置。目前，該裝置早已獲得了發(fā)明專利授權(quán)[11](授權(quán)號：2.2)。
圖3水災(zāi)等級及位置檢測儀發(fā)明專利[11]。其中，(a)表示檢測儀結(jié)構(gòu)示意圖；(b)表示檢測儀安裝位置圖；(c)表示余震位置檢測示意圖
3總結(jié)
本文以國外大多數(shù)院校開辦的3個學(xué)院化學(xué)實驗項目(分光計實驗、楊氏彈性撓度檢測實驗、邁克耳孫干涉儀實驗)為例，探討了怎樣通過將傳統(tǒng)的分光計實驗項目內(nèi)容進(jìn)行探求，從而使中學(xué)生才能對該實驗項目進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)。同時，本文也探討了怎樣將傳統(tǒng)的邁克耳孫干涉實驗項目的實驗原理和技巧應(yīng)用于傳統(tǒng)的金屬絲楊氏彈性撓度檢測實驗中，從而對原實驗方案進(jìn)行改進(jìn)。最后，本文也簡單論述了怎樣將邁克耳孫干涉實驗的實驗原理和技術(shù)光的折射實驗誤差分析，應(yīng)用于水災(zāi)等級及位置的測
量裝置設(shè)計中。通過這種實際案例的論述可以發(fā)覺，倘若能對傳統(tǒng)的學(xué)院化學(xué)實驗內(nèi)容進(jìn)行深入探求或有機(jī)結(jié)合，才能取得如研究論文發(fā)表、發(fā)明專利授權(quán)等創(chuàng)新性成果，從而為大專生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。
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