法國高等教育機構主要有兩大類,即面向大眾開放的綜合性大學和需要經過嚴格入學選撥考試纔能進入的高等專業學校即大學校(Grande Ecole)。大多數法國大學校的培養目標是高級工程技術人員以及具有商務管理能力的企業領導人。這類學校教學嚴謹,在社會上享有很高聲譽,同時對學生的理科基礎知識要求也很嚴格,入學前必須經過兩年的預科(等同於我國大學一二年級)學習,目的是讓學生打下扎實的理科知識基礎,之後還必須經過嚴格的選撥考試,以確保入選的學生初步具備接受精英教育的良好知識基礎和文化素質。
本教材是與預科物理課程群中光學理論課程關聯的實驗課,涵蓋了幾何光學和波動光學方面的知識。為滿足實驗課程獨立開設的需求,在中文版的編寫過程中,適當增加了一些關聯的知識和背景介紹。根據實驗課程教學特點,以專題形式編排實驗內容。每個專題包含多個(知識)由淺入深、(操作)由易到難、(繫統性或應用性)由簡單到復雜,關聯度很高的繫列實驗項目。通過觀察實驗現像,獲得客觀真實的實驗數據或特征,再對數據或特征進行分析以解釋物理現像,從而幫助學生形成物理世界觀。
全書共8章。第1章“薄透鏡和球面鏡焦距測量及諾莫圖法應用”,從實像到虛像、實物到虛物,從定性到半定量、定量測量薄透鏡和球面鏡焦距,介紹了基礎物理實驗中焦距的基本測量理念和方法,後根據光經過器件後的發散或彙聚特征,以諾莫圖法對各類薄透鏡和球面鏡的成像特點進行歸納總結,並以天文望遠鏡的研究作為應用拓展實驗。第2章介紹了色差和消色差透鏡組,並通過物像關繫分析和位置的精確測量,得到透鏡組的焦距,後以光學顯微鏡放大率測量作為探究性實驗。第3章介紹了分光計的基本調整方法,並用小偏向角法研究三稜鏡的折射率與波長的關繫以驗證柯西公式。第4章要求搭建並標定稜鏡光譜儀和光柵光譜儀,並以此測定汞燈、節能燈的譜線;此章的探究實驗是利用白光干涉法測量透明薄膜的厚度。第5章觀察光的干涉、衍射現像,用CCD相機測量濾光片中心波長和光盤的特性參數,並以手機顯示屏分辨率測量作為探究性實驗。第6章研究光的偏振特性,觀察瑞利散射和米氏散射現像,分析3D觀影眼鏡的結構,並以利用白光干涉譜法判定波片的快軸和慢軸作為探究性實驗。第7章介紹邁克耳遜干涉儀的基本結構和調整方法,觀察白光干涉現像。第8章要求搭建傅裡葉變換光譜儀,並以此分析白光的光譜特性,測量濾光片的中心波長和帶寬。其他高校采用本教材時,可以根據專業培養目標,結合課時和基於“兩性一度”的定位,為學生開設其中的部分實驗;而對於教師,則建議掌握本教材的全部實驗內容,以便根據需要靈活編排實驗項目。
本教材的編寫思路是通過基礎性實驗鞏固知識,培養光學實驗基本技能;通過拓展性實驗,培養歸納分析、建模和驗證模型以及利用模型進行實驗現像預測的能力;通過設計性實驗,培養學生在限定條件下,基於理論和實驗模型設計實驗、完成實驗並對結果進行有效性和局限性分析的能力;應用性探究實驗則培養學生基於教材中給出的需求建立模型、構建實驗,並通過比較模型、實驗結果與需求之間差異,修正模型、改進設計以逼近實際需求的能力。實驗中學生需要綜合運用各種知識和技能,包括數學、計算、實驗和實踐技能。
與國內同類教材相比,本教材在拓展性、綜合性以及數學與物理實驗的緊密結合等方面具有鮮明特色。數學工具在建模和實驗現像分析、實驗結果預測等方面的普遍應用,有利於學生繫統思維能力的培養;在應用性實驗中,強調物理思想,融入工程技術的方法,定性、半定量和定量分析相結合的實驗手段,現像-仿真-實驗結果之間差異分析和修正,對於工程能力的啟蒙、提升技術水平和實驗技能具有重要作用,為物理實驗與工程創新所需的技能之間構建了橋梁,也從某些側面讓學生了解到物理科學對現代技術的支撐作用,使STEM教育理念在實驗教學中得到具體的體現。
還需要強調的是,很多實驗專題中都設有討論題或討論環節,主要目的是培養學生批判性思維和學術交流能力。根據觀察到的實驗現像、得到的實驗數據,學生應在批判性地解釋這些數據和現像基礎上,得到基於實驗結果支持的結論;根據實驗課堂的組織形式,通過書面和口頭形式,陳述結果、推論或自己的觀點。
本教材編寫過程中,先由徐平、安煒、王崢、劉佳基於法文版和英文版講義,對內容進行了補充、修訂和完善;根據教學需要,安煒擴充了第二章的探究實驗內容,王崢對第五章內容進行了優化,安煒、王崢和徐平對第八章內容進行了重新整理,後由徐平完成統稿。講義的編寫也曾得到中法工程師學院2005級學生郭天鵬、李皓岩同學的幫助,在此表示感謝。
感謝中國科學技術大學張增明教授對全書的審閱並提出寶貴的修改意見。
盡管我們做了很大的努力,但由於學識和水平的限制,仍可能存在缺陷甚至錯誤,敬請讀者和專家批評指正。
編者
於北京航空航天大學中法工程師學院
2022年3月