淺談“光的偏振”教學(xué)中如何引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

曲芳++徐麗娟

摘要：現(xiàn)代教育思想認(rèn)為，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，在教學(xué)活動中要充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，從而提高教育教學(xué)效果。在《基礎(chǔ)光學(xué)》課程第五章“光的偏振”的課堂教學(xué)設(shè)計中，采用啟發(fā)式教學(xué)方法及類比思維方法，可以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動性。

關(guān)鍵詞：自主學(xué)習(xí)；教學(xué)設(shè)計；啟發(fā)式教學(xué)法；類比思維法

中圖分類號：G712 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-5727（2014）01-0086-03

《基礎(chǔ)光學(xué)》課程是我校電子工程學(xué)院電氣信息大類（高本）專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課，主要講述幾何光學(xué)和物理光學(xué)知識。本課程的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生掌握成像和光的波動的基本理論和計算方法，為進一步學(xué)習(xí)諸如光電子器件與技術(shù)、光信息處理技術(shù)、光纖通信和集成光學(xué)等課程奠定理論基礎(chǔ)，同時也為學(xué)生從事光學(xué)儀器的開發(fā)、光路的設(shè)計和從事光學(xué)教學(xué)等打下基礎(chǔ)。由于生源水平參差不齊，對于理論強、公式多、理解難、知識點繁的光學(xué)課程的學(xué)習(xí)有一定的難度。筆者針對《基礎(chǔ)光學(xué)》第五章“光的偏振”的課堂教學(xué)設(shè)計，從分析處理教材、選擇教學(xué)方法、設(shè)計教學(xué)過程等方面進行了積極探索，旨在使課堂授課能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，獨立完成分析、探索、實踐、質(zhì)疑、創(chuàng)造等學(xué)習(xí)階段，實現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。

工科專業(yè)光學(xué)教學(xué)存在的問題

光學(xué)課程的特點使工科學(xué)生學(xué)習(xí)起來有一定難度 《基礎(chǔ)光學(xué)》課程知識體系獨立，理論性強，加之工科專業(yè)學(xué)生物理、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識相對薄弱，對光學(xué)的學(xué)習(xí)有一定的難度。例如，在“偏振”一章中，利用菲涅爾公式推導(dǎo)反射光與透射光的偏振態(tài)，學(xué)生不僅要熟練運用三角公式進行推導(dǎo)，還要對物理概念如振動分量、傳播方向等有明確認(rèn)識，并要建立數(shù)學(xué)結(jié)果與物理結(jié)論之間的聯(lián)系。由于光學(xué)本身有一定難度，再加上學(xué)時減少、學(xué)生基礎(chǔ)薄弱等因素的存在，工科專業(yè)光學(xué)課程的教學(xué)模式往往會導(dǎo)致教師滿堂灌輸、學(xué)生死記硬背被動學(xué)習(xí)局面，直接影響教學(xué)效果。

與專業(yè)聯(lián)系不緊密，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高 《基礎(chǔ)光學(xué)》課程本身與電氣類專業(yè)方向聯(lián)系不夠緊密，特別是電氣信息大類二年級的學(xué)生對光電子學(xué)科了解不足，往往導(dǎo)致“重電輕光”的局面。對學(xué)生的調(diào)查顯示，超過60%的學(xué)生認(rèn)為模擬電路、微機原理等與電類緊密關(guān)聯(lián)的課程較光學(xué)課程更重要；大約30%的學(xué)生認(rèn)為光學(xué)與電學(xué)有一定聯(lián)系，同等重要；僅有約10%的學(xué)生認(rèn)為光電子技術(shù)是科技發(fā)展的前沿，而其基礎(chǔ)光學(xué)需要牢固掌握。學(xué)生不重視，學(xué)習(xí)積極性不高，就會出現(xiàn)曠課、消極學(xué)習(xí)等現(xiàn)象。

只注重理論知識的積累，不注重分析應(yīng)用能力的培養(yǎng) “授之以魚，不如授之以漁?！苯逃哪康牟粌H僅是教會學(xué)生知識，更重要的是學(xué)以致用，學(xué)會運用知識分析解決實際問題。比如，學(xué)生在掌握基本理論、基本概念的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出偏振光的產(chǎn)生方法、偏振態(tài)的檢驗方法以及偏振的應(yīng)用，教師引導(dǎo)學(xué)生將書本知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生分析解決實際問題的能力等等。但實際上由于學(xué)時有限、學(xué)生無法與教師進行有效互動等因素，導(dǎo)致教師采用“填鴨式”教學(xué)方式，使教學(xué)過程變成單純教師教的過程，束縛了對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

引導(dǎo)啟發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

《基礎(chǔ)光學(xué)》教學(xué)大綱對“光的偏振”一章的教學(xué)內(nèi)容和要求如表1所示。

“光的偏振”是在掌握光的干涉和衍射等基本波動理論基礎(chǔ)上講述的內(nèi)容，要求學(xué)生對光的波動本性、橫波性、振動態(tài)等有清晰的認(rèn)識。同時，“偏振”一章講述的內(nèi)容多且雜，包括偏振與橫波性關(guān)系、五種常見偏振態(tài)、反射光和透射光的偏振態(tài)、雙折射現(xiàn)象、光在晶體中的波面與波線、偏振態(tài)的實驗檢驗、偏振光的干涉等。教師要理清教學(xué)思路、設(shè)計教學(xué)過程、合理使用教學(xué)方法，安排講、學(xué)、練的時間，做到教師“講”得思路清晰、激發(fā)興趣，學(xué)生“學(xué)”得清楚明白、認(rèn)真投入。在授課過程中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生獨立思考、自主學(xué)習(xí)，更有效地學(xué)會知識，掌握分析解決實際問題的能力。

（一）分析教材、梳理思路、整合知識

教材中“光的偏振”一章分為9個小節(jié)，涉及知識點較多，但綜合起來可總結(jié)為以下4個問題：（1）光的偏振現(xiàn)象與橫波性的關(guān)系；（2）五種常見偏振態(tài)；（3）如何將自然光改造成偏振光；（4）偏振光的實驗檢驗。

對本章的整體知識結(jié)構(gòu)可作如下分解。

第一，明確偏振現(xiàn)象與橫波性的關(guān)系；理解為什么偏振現(xiàn)象可以作為區(qū)分橫波和縱波的標(biāo)志；分析為什么橫波有偏振現(xiàn)象而縱波沒有，進而總結(jié)偏振的基本概念（教材第一節(jié)）。

第二，了解橫波振動量振動狀態(tài)的多樣性，介紹五種常見偏振態(tài)，包括自然光、線偏振光、部分偏振光、橢圓偏振光和圓偏振光；詳細(xì)介紹自然光、線偏振光、部分偏振光，重點學(xué)習(xí)如何將自然光改造成線偏振光和部分偏振光，其中包括反射光和透射光的偏振態(tài)（教材第一節(jié)、第二節(jié)）。

第三，理解光在各向異性晶體中的雙折射現(xiàn)象、波面和波線，理解由各向異性晶體制作的偏振器件的基本光學(xué)特性。在此基礎(chǔ)上，進一步學(xué)習(xí)圓偏振光與橢圓偏振光的獲取方法（教材第三節(jié)到第七節(jié)）。

第四，偏振光的實驗檢驗和偏振光的干涉（教材第八節(jié)、第九節(jié)）。

其中，第一、第二部分用2學(xué)時，第三部分用5學(xué)時，第四部分用3學(xué)時，實驗用2學(xué)時。筆者僅就講解“偏振”的第一次課分析課堂教學(xué)程序設(shè)計。

本章知識框架如圖1所示。

（二）以教為輔、以學(xué)為主、教學(xué)相長

1.溫故引新、聯(lián)系實際、激發(fā)興趣。興趣是學(xué)生主動學(xué)習(xí)的前提。新課的引入要起到激發(fā)情感的作用，使學(xué)生受到感染，產(chǎn)生求知欲，產(chǎn)生主動學(xué)習(xí)的能動性。新課的引入分為兩個部分，即溫故引新和聯(lián)系實際。

首先，以三個關(guān)聯(lián)問題溫故引新，引發(fā)思考，使學(xué)生帶著問題開啟新課的學(xué)習(xí)，對新課的意義有清晰的認(rèn)識。（1）以復(fù)習(xí)回顧的形式，向?qū)W生提出“光的波動性如何得到證實”，學(xué)生在既有知識的基礎(chǔ)上回答“光的干涉和衍射都無可辯駁地證明光的波動本性”。（2）提出“光波是橫波還是縱波”的問題，引導(dǎo)學(xué)生思考振動與波動之間的聯(lián)系，即光的振動分量與光波的傳播方向之間是垂直的還是平行的關(guān)系。以學(xué)生的既有知識或經(jīng)驗知識會得到“光波是橫波，其振動量的振動方向垂直于光的傳播方向”。（3）“如何證實光的橫波性”，偏振現(xiàn)象可以證明光的橫波性，它是如何證明光的橫波性的？它與橫波間有何聯(lián)系？采用舊知引新知的方法，可以使學(xué)生了解知識間的連貫性，以問題的形式引入新課內(nèi)容，使學(xué)生帶著思考學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)目的明確。

其次，引用實例，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情。引用圖片等媒體資源向?qū)W生展示液晶屏、偏振片、3D立體電影等基于光的偏振的新技術(shù)，理論聯(lián)系實際地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和興趣。

2.設(shè)疑置問、引導(dǎo)思維、以學(xué)為本。本節(jié)新課程的內(nèi)容包括偏振與橫波性的關(guān)系，自然光、線偏振光和部分偏振光的基本特性，偏振光的獲取方法及實驗檢驗，其中偏振與橫波性的關(guān)系是本節(jié)的重點，更是關(guān)鍵點，只有概念明確，才能對偏振現(xiàn)象進行深入研究，而難點落在反射和透射光的偏振態(tài)上。關(guān)鍵點知識的講解采用啟發(fā)式的教學(xué)方法。啟發(fā)式教學(xué)法是教師在教學(xué)過程中扮演引導(dǎo)者的角色，通過設(shè)置幾個層層嵌套的問題，引發(fā)學(xué)生思考，在逐一解決問題的過程中使學(xué)生完成新課學(xué)習(xí)。為了學(xué)習(xí)偏振與橫波性的關(guān)系，可設(shè)計如下三個問題，層層深入，引發(fā)思考：（1）創(chuàng)造并分析機械橫波與縱波的偏振現(xiàn)象。學(xué)生很容易會設(shè)計出手握繩子上下抖動形成機械橫波；手推彈簧，沿彈簧往復(fù)振動形成機械縱波的例子。教師演示兩個實例的偏振實驗，由學(xué)生觀察與分析得到“只有橫波才有偏振現(xiàn)象”的結(jié)論。（2）為什么橫波有偏振現(xiàn)象而縱波沒有呢？學(xué)生經(jīng)分析得出橫波的振動方向相對于傳播方向具有不對稱性，而縱波的振動相對于波的傳播永遠呈對稱分布的結(jié)論，即“振動方向相對于傳播方向的不對稱性”是造成偏振的直接原因，就是偏振的概念。（3）光波是否具有偏振現(xiàn)象呢？在了解偏振片工作原理的基礎(chǔ)上，教師實驗演示自然光通過兩塊偏振片后出射光強隨第二塊偏振片轉(zhuǎn)動而發(fā)生周期性變化，學(xué)生得出“光波具有偏振現(xiàn)象，光波是橫波”的結(jié)論。

對于關(guān)鍵點知識的講解采用類比機械波的思維方法，形象生動，易于理解。同時，通過學(xué)生的分析探究，可加深學(xué)生對知識的理解。

自然光、線偏振光、部分偏振光的偏振態(tài)、通過偏振片后的現(xiàn)象及合成與分解等內(nèi)容雖是重點，但理解起來較簡單，主要采取繪制振動圖像，使學(xué)生建立感性認(rèn)知，對知識融會貫通。

課程知識的應(yīng)用與提高擬解決兩個問題：（1）如何將自然光改造成線偏振光和部分偏振光。這里主要采取教師引導(dǎo)、學(xué)生分組討論、教師適當(dāng)補充、學(xué)生綜合總結(jié)的方式，解決本節(jié)的重點同時也是難點的問題。將自然光改造為線偏振光，最簡單的方法是利用偏振片即可實現(xiàn)；也可以利用平面界面的反射和玻堆片的透射來實現(xiàn)。部分偏振光的獲得可利用平面界面的反射和透射來實現(xiàn)。反射光、透射光偏振態(tài)的確定需要借助菲涅爾公式進行三角運算和分析得到，理論性較強，運算過程較繁瑣，所以可適當(dāng)做詳略處理：對于反射光的偏振態(tài)，教師可引導(dǎo)學(xué)生進行詳細(xì)的推導(dǎo)，掌握方法；而對透射光的偏振態(tài)則可布置為小組作業(yè)，由學(xué)生仿照教師引導(dǎo)的方法獨立學(xué)習(xí)、分析完成。（2）如何用實驗的方法區(qū)分自然光、線偏振光和部分偏振光？可采用分組討論的方式提出解決方案，方案可以在后續(xù)的實驗課上通過動手操作得到驗證。

本節(jié)的課程結(jié)構(gòu)和課時安排，引入部分8分鐘，重點知識的講解30分鐘，難點知識20分鐘，例題及應(yīng)用練習(xí)27分鐘，課后總結(jié)5分鐘。

“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”，這是現(xiàn)代教學(xué)的指導(dǎo)思想。教師在教學(xué)過程中要充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使他們變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，變厭學(xué)為樂學(xué)。筆者通過“光的偏振”課堂教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計，引發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生積極參與到教學(xué)活動中，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

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（責(zé)任編輯：王恒）