基于素质教育的“全息照相”实验开设模式探讨与改革

摘要：结合湖南城市学院实际情况，从培养学生的创新能力及普及生活常识进行素质教育的角度出发，对“全息照相”实验的开设模式进行了探讨，并进行了相应的教学改革，效果良好。

关键词：创新能力；素质教育；实验室开放项目；开设模式

作者简介：熊翠秀（1980-），女，彝族，云南大理人，湖南城市学院通信与电子工程学院，讲师；徐兰云（1965-），女，湖南益阳人，湖南城市学院通信与电子工程学院，高级实验师。（湖南 益阳 413000）

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）29-0099-03

“全息照相”通过物光与参考光相干叠加形成干涉条纹，该干涉条纹记录了物光波前上各点的全部信息（包括振幅和相位），因此能再现与原物一致的三维立体图，并具有可分割性。[1]由于“全息照相”技术的特殊性，自1960年第一台激光器问世以来，全息技术得到了迅速发展，在医学、干涉计量、科研、影视、[2-4]商品防伪标签、身份证的防伪及钱的防伪等方面均有广泛的应用。

鉴于“全息照相”技术的应用价值，笔者本着提高学生创新能力，普及生活常识进行素质教育的目的，对“全息照相”实验的开设模式进行探讨，这也是湖南城市学院目前正在尝试的开设模式。

一、传统开设模式的不足

“全息照相”实验是物理学专业“光学”课程必开的实验，一般情况下只开设基本的暗室激光全息。实验过程包括调整光路、曝光、显影、水洗、停影、水洗、定影、水洗、漂白及水洗等一系列环节，对每个环节都有严格的要求，整个过程很繁琐，所需要的时间也比较长，成功率很低。由于实验难度较大，一般情况下给物理学专业开设4个学时。由于中间某个环节出错都有可能导致整个实验失败，因此即使学生认真做了实验都有可能实验不成功，再加上学生第一次接触该实验，对各个环节的时间把握不当，有可能一大组的所有学生都没有拍摄成功，导致学生对该项技术及指导教师的技术水平产生怀疑，同时也不可能激发学生的学习兴趣。

对于非物理学专业的理工科学生来说，“大学物理”是公共课，由于受到课时的限制，一般《大学物理》教材中没涉及到“全息照相”技术，[5]或只是以小字的形式出现在阅读材料中。[6]故湖南城市学院也没有开设相关的实验，学生对“全息照相”技术的认识完全是一片空白，对日常生活中的相应应用也知之甚少。

二、“全息照相”实验对工科学生开放的开设模式探讨与实践

1.“全息照相”实验对工科学生开放的内涵

素质教育强调要全面提高受教育者各个方面的素质，并注重受教育者的思想道德品质、身心健康和创新能力的培养等，是与传统的应试教育相对应的新时期主流教育方式。[7]学校必修的公共课和专业课的课堂教育主要传授基础知识与专业知识，虽然是素质教育，但始终离不开各种考试，因此很多学生以考试及格为目的。为了落实素质教育的职责，提高学生的综合素质和培养学生的创新能力及动手能力，各学校都分别提出了开放性实验室的举措，具体做法大致都是在正常上班的时间内向学生开放实验室，学生可以根据自己的爱好和兴趣进行课程规定之外的实验。[8，9]为了进一步落实素质教育的职责，除了普通意义上的开放性实验室之外，湖南城市学院提出了实验室开放项目的举措，且已执行两年。

由于“全息照相”实验所需时间较长，以及实验室能容纳的学生数有限，因此公共课和选修课都没有涉及该实验。但全息技术在现实生活中有广泛的应用，因此，湖南城市学院以实验室开放项目的方式对非物理学理工科专业的部分学生开放了“全息照相”实验，目的是实施素质教育，提高学生的综合素质。该部分学生掌握了日常生活中的一些相关的防伪技术后又可以向不同的人传达该技术，从而可以使更多的人掌握相关的防伪技术，也就达到了素质教育的目的。

2.基于素质教育的“全息照相”实验开设模式的实践

（1）指导教师申报与立项阶段。与“全息技术”相关的实验都需要一定的耗材，而由学生自己出钱买耗材则会为学生带来经济负担，也就不可能开展相应的实验。每年下半年，湖南城市学院组织教师申报实验室开放项目，指导教师根据自己的实验教学经验、实验室现有条件和学生的基础申报实验室开放项目。学校根据经费预算和实验的难易程度配备一定的经费，以保证实验室开放项目得以顺利开展。

（2）学生报名阶段。实验室开放项目立项之后，指导教师根据申报书中所写的招收对象，在相应专业的班级介绍与该实验相关的基础知识和日常生活中的具体应用，以激发学生的学习兴趣；介绍实验所需的时间和时间安排，让学生结合自己的实际情况自愿报名。

（3）学生具体实验阶段。学生自愿报名后，根据指导教师的实验时间安排，学生进实验室。首先，指导教师简单讲解“全息照相”技术的基本原理和对实验的基本要求；其次，指导教师详细介绍“全息技术”在日常生活中的具体应用（如防伪商标、身份证的防伪标签、钱的防伪标志及全息影像等），以及具体的制作方法；最后，以学生为主、教师为辅，设计出具体的实验方案。在不同的环境温度下由学生分小组完成激光全息和白光全息的单次曝光与重复曝光实验。分析实验结果，总结出不同环境温度下各个环节的比较合理的时间。

三、基于素质教育的“全息照相”实验开设模式的质量监控和成绩评价

对“全息照相”实验开放模式进行质量监控和成绩评价，一方面是为了确保实验室开放项目的顺利开展，保障素质教育的实施；另一方面是为了保护实验室的实验仪器，从学生实验方案的设计、学生实验过程、实验结果的分析再到实验报告的书写进行全程跟踪指导和实时质量监控。对整个项目从以下三方面进行质量监控和评价实验室开放项目的质量，即优化实验方案、规范指导过程和创新成绩评价体系。

1.优化实验方案

指导教师布置了实验内容后，学生通过相关书籍和网络查询资料，自行设计具体的实验方案。学生把已设计的实验方案交给指导教师，指导教师从以下三方面对学生的实验方案进行审核：一是现有的实验条件能否满足实验方案的需求。如果实验条件不具备，要把实验方案进行适当修改，直到湖南城市学院现有的实验条件能满足学生的实验方案。二是实验方案是否能起到普及日常生活常识，即达到素质教育的目的。三是实验方案对学生来说难度是否适当。由于是课余时间的实验室开放项目，如果难度太大，一方面学生不能顺利的独立完成，另一方面所需要的时间太长，则会影响学生对其他课程的学习。满足以上实验方案，既能保证学生在现有实验条件下顺利完成相关实验，又能起到普及日常生活常识进行素质教育的目的。

2.规范指导过程

为了有效地对实验室开放项目进行质量监控，从实验方案的设计、实验的操作环节到实验研究报告的书写都要进行严格的监控，具体就是要提供一些具体的过程材料，且过程材料以表格的形式提供。

（1）实验方案的设计过程。首先，通过网上查阅文献及阅读相关的书籍，学生画出所设计实验方案的光路图、列写所需的实验仪器、冲洗药水及相应的每个实验环节所需的时间。其次，指导教师提供实验室现有的实验仪器和相应的冲洗药品。结合指导教师提供的信息和学生自己设计的实验方案再次修改实验方案。所有材料都以表格的形式提供，以备以后参考和结题时提供过程材料。

（2）实验过程。指导教师不参与实验的操作过程，但对整个实验过程进行全程跟踪指导，实时记录学生操作过程中出现的各种实验现象，以便及时指出学生不当的操作方式，尽量使实验成功，如果实验不成功，学生对“全息技术”产生怀疑，也就不可能达到教学目的。此外，也可以让学生及时记录实验现象，指导学生分析实验成败的原因。

（3）学生书写实验报告的过程。实验结束后，书写实验报告是实验课的必须要求，是对实验课教学的书面考查。书写实验报告的过程能够培养学生实事求是的科学态度和作风，帮助他们树立学术意识，锻炼语言表达能力，有利于他们将来总结研究资料，撰写科技论文等等。[10]对于实验室开放项目，虽然不是必修的实验课程或课程实验，但仍然要书写实验报告，以便考查该项目的教学目的达到与否。另外，也方便指导教师对学生的实验给出更合理的评价。对于该实验室开放项目“全息照相”实验，笔者认为实验报告的形式和平时学生的课程实验或实验课程的报告大致一致，但内容的侧重点不同。本次学生书写的实验报告应包含：实验目的；实验原理；实验仪器；实验药品；实验方法及步骤；实验数据记录及数据分析（数据分析是本次实验报告的重点之一）；误差分析及问题讨论（误差分析是本次实验报告的重点之二，主要分析本次实验成功、失败或实验结果不太理想的原因及改进的措施，问题讨论可以分析一些具体的应用实例）。实验操作过程允许不成功，只要“实验数据分析”和“误差分析及问题讨论”两部分写好了，就达到了普及日常生活常识，进行素质教育的目的，也就达到了教学目的。

3.创新成绩评价体系

实验室开放项目“全息照相”实验的教学目标是素质教育，一方面培养受教育者的创新能力和动手能力，另一方面培养受教育者的认识水平，普及日常生活常识，而不是以传统的考试通过为目标。因此，成绩评价方式也要体现教学目的的两方面。笔者将本次实验室开放项目“全息照相”实验的成绩分为实验操作成绩和实验报告成绩两部分，且比例为70%和30%，把两部分成绩按该比例折合为总评成绩。实验操作成绩综合体现了两方面的教学目的，而实验报告成绩则体现第二方面的教学目的。

其中，实验操作成绩是对实验过程的评价，采用“表现性评价”方式。[11]该评价方式注重对学习过程的评价，包括学生实验方案的设计、实验仪器的合理选择、实验操作（包括光路的调整、曝光及冲洗等环节）和根据实验事实调整实验方案的能力等。笔者在本实验室开放项目中招收了8名学生，分2批做实验，每批4名学生，因此可以保证指导教师对每位学生的实验过程全程跟踪进行实时“表现性”评价。由于笔者在本实验过程中采用“表现性”评价方式，加上该实验过程比较繁琐，因此允许实验不成功。具体做法是：在不成功的情况下首先看学生的态度，学生认真对待从设计实验方案到最后整理实验仪器的每个环节，虽实验结果不理想，但学生认真分析了不理想的原因，且分析了原因之后调整各个环节再重新进行实验，实验结果有所改善，则达到了教学目的，因此也对其实验操作给予很好的评价成绩。

对于实验报告，一方面实验报告是学生对实验（实验目的、实验原理、实验仪器、实验方法及步骤、数据记录及数据处理和实验误差分析及问题讨论）内容和实验各个环节的一个汇总，[12]是对实验的总结。[13]另一方面实验报告又可以提升学生的认知水平。实验过程中可能会出现一系列预想不到的现象，写实验报告的过程中会对实验现象进行一一分析，对实验现象给出合理的解释，因此书写实验报告是学生提高认知水平的有效环节，是完成实验过程后必须的一项任务。结合该实验的特点和该实验室开放项目的教学目的，笔者对本次实验报告的成绩评定的具体做法是：在实验报告的各项内容完整的情况下，重点看“实验数据分析”和“实验误差分析及问题讨论”两部分。不管实验操作的结果如何，只要这两部分分析到位，则会对该份实验报告给予很好的评价成绩。

四、教学效果

1.基本情况

通过教师申报和立项，学生自愿报名的方式，实验室开放项目“全息照相”实验共招收了8名电子信息工程专业的学生，分2批，每批4名学生，每2名学生组成1个小组。其具体的实验内容是对激光全息和白光全息进行单次与重复曝光实验，其中激光全息的单次和重复曝光实验已完成，白光全息的相关实验将在下半年进行。

2.实验结果

首先由第一批的4个学生在白天进行激光全息的单次曝光实验，2个小组都没拍摄成功。学生结合实验过程分析原因，排除了实验过程出错的可能性，最后检查实验室发现实验室的门有微小的缝隙，此外，玻璃窗的遮光纸有多处破裂的地方，初步判断是因为漏光导致实验失败。于是把实验调整到晚上，测量室温之后，也重新调整了曝光、显影及定影所用的时间。在室温21℃下，曝光、显影和定影的时间分别用25s、4min和8min，成功拍摄了激光全息的单次曝光全息图，很清晰的再现了被拍摄物。在相同的室温下用单次曝光所用的各环节的时间制作了激光全息重复曝光的全息图，对每块干板曝光2次，第一块干板在拍摄过程中不小心动了参考光，导致只有一次成功曝光，第二块干板从两个不同方向成功曝了2次光。经过冲洗之后，第一块干板再现了一个三维小物，而第二块干板再现了两个三维小物。一个星期后，第二批学生进行激光全息的单次和重复曝光实验，其室温为17℃。在该室温下，曝光、显影和定影的时间分别取27s、4min和9min，成功制作了激光全息的单次曝光全息图。对于重复曝光实验，2个小组的学生都出现了相同的失误，即曝光之前不小心动了参考光，导致参考光没有投射到干板上，再次调整了参考光之后，又进行了1次曝光。因此重复曝光的干板都只再现了1个三维小物。

由于时间有限，湖南城市学院指导教师在“光学实验”的“全息照相”实验中一直没有涉及重复曝光，学生对书上的提法一直持怀疑态度，直到本次实验室开放项目成功制作了重复曝光的全息图之后才真正信服，这对教师和学生来说都是对知识的一种升华。

五、总结

本文以培养学生创新能力和动手能力，提高学生的认知水平，普及日常生活常识，提高学生的综合素质为目的，尝试对“全息照相”实验进行开设模式的探讨和改革，通过扩充实验教学内容、改进实验教学方法和采取“表现性”的实验过程评价方式，有效激发了学生思考问题的兴趣，进一步提高了学生发现问题和解决问题的能力，达到了良好的教学效果。

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