试论基于光速测量培养科学精神的教学探索

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摘要：科学精神指的是反映科学技术发展内在要求并体现于科学工作者身上的一种精神状态，如理性思维、工作态度、信念、意志、勇气、人文关怀以及牺牲精神等，是理工科大学生必须具备的精神素养。大学物理实验，尤其是经典的近代物理实验对于大学生的科学精神的培养具有重要的作用.本文借助于具体的光速测量实验探讨了在实验教学中培养大学生科学精神素养的具体实施方法。

关键词：科学精神；光速测量；近代物理实验

中图分类号：G421 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）16-0061-02

一、引言

在大学中开展物理实验特别是近代物理实验，是培养大学生科学精神和科学素养的有效手段。由于近代物理实验课程所需的知识面广、实验操作难度大、实验仪器复杂精密、分析手段高端抽象，因此这门实验课程作为物理实验教学中一个非常重要的环节，一般被安排在物理专业本科生大学阶段的靠后阶段，是需要学生在有了一定基础后进行学习的必修实验课[1-3]。近代物理实验包含力、热、光、电等40多个大学物理实验项目，这些实验项目涉及到现代光学、材料科学、核物理、非线性科学、微电子学、真空技术、微弱信号检测技术、纳米技术等众多领域，很多实验内容来源于物理学发展历史中起过重大作用的著名实验[4]。其内容贴近科研前沿，是科学技术发展过程中科学工作者身上理性思维、工作态度、牺牲精神等科学精神的集中体现，对于大学生科学精神的培养具有非常重要的作用。关于提高学生素质的探讨，已经有不少的研究和报道[5]。本文尝试以近代物理光速测量实验为例，介绍几年来我们在培养学生科学精神方面进行的一些有益的尝试和探索。

二、通过多媒体教学，回顾光速测量实验发展历史

光在真空中的传播速度是一个重要的基本常数（真空中的光速等于299792458m/s），在量子力学和电磁学中大量的物理概念和物理量都用到它。如，麦克斯韦（Maxwell）电磁理论中光速等于电荷的电磁单位与静电单位的比值和爱因斯坦（Einstein）质能方程中质量与能量的比值的均方根。光速的概念与日常生活中对速度的概念理解有一定差异。例如，当两辆车以相同的速度迎面对开，司机会感觉对方的车以两倍于本车的速度行驶。但当速度接近光速时，简单加法计算速度不再奏效。例如，当两艘飞船以0.9倍光速的速度（对同一参照物来说）迎面相向飞行时，船上的观望者不会感觉到对方的飞船以1.8倍光速速度迎面飞来，而只是以稍低于0.995倍的光速速度行驶。自从17世纪伽利略（Galileo）首次尝试测定光速以来，几百年来，科研工作者都在不断尝试着使用当时最先进的技术和方法来精确测定光速。

光速的准确数值首次获得是通过观测木星对其卫星的掩食测量得出。本文中的近代物理实验光速测量法采用的是1966年卡洛路斯-赫姆伯格发明的声光效应法。此外还有旋转齿轮法、转镜法、克尔盒法、变频闪光法等光速测量方法。为了使学生在接触到光速测量这一概念时能从中体味科研工作者浇筑在每个实验中的科学精神，我们对每一个光速测量实验的具体细节和科研工作者探寻具体实验方法的艰辛历程进行了详细的讲解，其中配备了大量的图片和影音多媒体资料。了解光速测量发展的历史对学生来讲，不仅能激发他们对精确测定光速的先驱工作者的敬佩之情，而且潜移默化之下把科学精神作为一种向上的精神力量学习并继承。

三、开拓创新，立足专业知识预设光速测量实验方案

在充分了解光速的重要性和光速测量试验发展历史之后，教师应在此时要求学生根据自己物理专业知识动手设计一个能够测量光速的实验。一般实验课安排在理论课后一到两周，这段时间学生可以利用学校图书馆资源和网络资源有目的地查找所需资料，并自行拟定一套实验计划。教师把所有学生的实验计划集中后择优进行评讲。这一个过程充分调动了学生自主学习的能力，既能激发学生的科研热情，又使学生的知识在这一过程中得到巩固。大学本科生的知识储备和能力有限，因此极少有学生能提出比目前已有实验测试方法更好的实验计划。但是，在设计实验的过程中他们克服了实验过程中的困难，体味了实验设计过程的艰辛，锻炼了组织实践能力，更重要的是熟练了专业课知识的应用，感受了如何正确运用科学精神指导科研实践，对学生个人素养的提高起到了非常重要的作用。

四、针对声光效应测量光速实验，优化实验方案

声光效应法测量光速的原理是：Δφ=■=■测量转换成低频的光拍频波的远近光程差和位相差的对应关系：Δφ=2π，特殊情况下，当时，光程差恰为光拍低频波的波长，测量出光拍低频波的频率和光程差即可确定光速。在实验进行过程中，先要求学生按照实验步骤实施光速的具体测量，在实验结束后针对具体实验经历，鼓励学生在已有实验仪器的基础上进一步提出优化方案。在两年的实验授课过程中，笔者认为有两条优化建议的提出是非常值得肯定的。优化建议1：远程光经历了长距离旅行，由点状光源扩散成约大拇指大小的光斑，光强大幅减弱。如果能在光路中加入会聚透镜，光强将显著增强。优化建议2：远程光的调节非常繁琐，如果能在精确测定光拍频率的基础上提高拍频频率，则光程差为Δφ=2π时远程光的旅行距离要短很多，光路的调节可以少用反射透镜，以致简化实验操作步骤。提出建议的学生在有意识地用科学精神引导其实验优化这一科研实践活动的进行，通过理性思索和严谨的工作实践，获得了优化的实验方案。学生毕业几年后，我们非常欣喜地看到新型的光速测量仪与旧版相比做出的改进和当时学生的建议趋于一致。

五、结语

光速是自然界中的极速，它作为一个物理基本常量，对精确地测量对工业、航天、科技的发展具有举足轻重的作用。直到现在，很多发达国家中优秀的科学家们仍然在孜孜不倦地追求着如何精确光速的数值。2011年9月26意大利OPERA（中微子振荡乳胶径迹）小组宣布发现了中微子的速度能超越光速，这一结论如果成立将颠覆近代物理体系。后来科研工作者秉持着科学精神用理性思考和严谨的工作复查，这一结论被否定。科技工业的稳步发展需要科学精神，生产力的长足进步需要科学精神，因此很有必要从学生的每一个基本实验做起，培育大量拥有科学精神的创新性高层次人才。本文以近代物理光速测量实验为例，介绍了我们在培养学生科学精神方面进行的一些有益的尝试和探索，对实验教学方法进行必要的补充和实践。

参考文献：

[1]李喜贵，魏建宇，张豪峰.近代物理实验课分层次教学模式的设想与实施[J].实验室研究与探索，2001，20（5）：21-23.

[2]王海英，李喜贵，路庆凤，等.采用多元化教学模式开展高温超导实验[J].实验室研究与探索，2007，26（10）：101-102.

[3]李喜贵，路庆凤，魏建宇.以创新理念设置挑战性实验项目[J].实验室研究与探索，2004，23（10）：59-61.

[4]王海英，魏桂森，路庆凤，等.光磁共振实验测量地磁场方法的改进[J].实验室科学，2007，6：60-61.

[5]韩国防，杨信爱.多元化教学模式培养学生素质的实践与探索[J].新乡师范高等专科学校学报，2004，14（4）：68-70.