“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”教學(xué)實(shí)踐與改革初探

摘要：“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”是電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，該課程為“光電子技術(shù)”“激光原理”“光纖通信”等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)目前學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，從“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的合理調(diào)整、現(xiàn)代教學(xué)手段的運(yùn)用以及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的加強(qiáng)等方面，進(jìn)行了課程建設(shè)與教學(xué)改革的探討。通過綜合利用這些措施，提高了“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程的教學(xué)質(zhì)量以及學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。根據(jù)目前存在的問題，提出了下一步努力和改進(jìn)的方向。

關(guān)鍵詞：物理光學(xué)；應(yīng)用光學(xué)；教學(xué)實(shí)踐；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）21-0077-02

“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”是信息光學(xué)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，是電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課。物理光學(xué)從光的電磁理論出發(fā)講述了光在各向同性介質(zhì)、各向異性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，光的干涉、衍射、偏振特性。應(yīng)用光學(xué)不涉及光的波動(dòng)本性，以光的直線、獨(dú)立傳播、折射、反射等實(shí)驗(yàn)定律為基礎(chǔ)，研究受限光束的成像，特殊光電傳播過程的規(guī)律；在光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行光路追跡，研究光學(xué)系統(tǒng)成像特性、應(yīng)用及初步設(shè)計(jì)。通過“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程的學(xué)習(xí)不僅使學(xué)生建立起有關(guān)光的電磁理論的完整體系，能夠運(yùn)用光的電磁理論分析光的波動(dòng)性、光在不同介質(zhì)（包括物理光學(xué)元件和幾何光學(xué)元件）中的傳播和控制問題，能夠解決光電工程中的基本光學(xué)技術(shù)問題；同時(shí)還能使學(xué)生了解現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展和前沿，以及在光電技術(shù)中的應(yīng)用；為“光電子技術(shù)”“激光原理”“光纖通信”等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。因此，“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程是“現(xiàn)代光電子”“光學(xué)信息處理”“光纖通信”“光電傳感技術(shù)”等課程的重要基礎(chǔ)理論課程，也是光通信、光電子、光信息、光學(xué)工程類專業(yè)的考研課程。

一、“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程的內(nèi)容及特點(diǎn)

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)從2006級(jí)學(xué)生開始開設(shè)“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課，其內(nèi)容包括：光在各向同性介質(zhì)、各向異性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，光的干涉、光的衍射，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，理想光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)的象差基礎(chǔ)，光學(xué)儀器等。從教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程時(shí)感到很吃力，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)主要因?yàn)橐韵聨讉€(gè)方面：一是由于中學(xué)的光學(xué)知識(shí)少而簡(jiǎn)單，與大學(xué)“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”知識(shí)跨度很大；二是物理光學(xué)部分涉及到的理論用到的數(shù)學(xué)知識(shí)太難；三是應(yīng)用光學(xué)部分概念、公式多且抽象難記；四是本課程數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)繁雜使學(xué)生望而生畏，難以提起興趣；五是內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程純理論，無相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)；六是教材和課堂教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用、當(dāng)今光學(xué)領(lǐng)域的前沿技術(shù)脫節(jié)，學(xué)生對(duì)光學(xué)的運(yùn)用和前景感到迷茫。因此，加強(qiáng)對(duì)“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”基礎(chǔ)課的教學(xué)研究、適應(yīng)教學(xué)要求和學(xué)生學(xué)習(xí)要求，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量十分必要。

二、教學(xué)內(nèi)容及方法的改進(jìn)

考慮到“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程的重要性，根據(jù)該課程理論性較強(qiáng)、概念較抽象的特點(diǎn)，為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程的積極性，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)課件、加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了調(diào)整。

第一，從教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行調(diào)整。自2007級(jí)學(xué)生開始，增加了ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的介紹。ZEMAX是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計(jì)與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射、折射等光學(xué)模型，并結(jié)合優(yōu)化、公差等分析功能。通過該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠初步設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的單鏡頭及雙單鏡頭，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，可以適當(dāng)輔助對(duì)概念的理解。

第二，在教學(xué)方法上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在物理光學(xué)部分適當(dāng)減少繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，注重物理思想的講解；物理光學(xué)部分?jǐn)?shù)學(xué)推導(dǎo)往往是繁雜、冗長(zhǎng)和枯燥的，要耗費(fèi)大量的課堂教學(xué)時(shí)間，而且容易使學(xué)生望而生畏。簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，以光學(xué)中的光學(xué)定律和物理問題為線索，讓學(xué)生了解光學(xué)定律的適用范圍可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。比如光的電磁理論部分菲涅耳公式的數(shù)學(xué)推導(dǎo)比較繁瑣，而且公式難記，為此在教學(xué)中不要求學(xué)生掌握推導(dǎo)公式，而要求學(xué)生會(huì)用公式分析反射系數(shù)、透射系數(shù)及反射率、透射率與入射角和界面兩邊折射率的關(guān)系即可。在教學(xué)過程中注重對(duì)比，如在講解邁克爾遜干涉儀、馬赫澤德干涉儀及法布里干涉儀時(shí)，對(duì)三種干涉儀的工作原理及應(yīng)用進(jìn)行比較，學(xué)生掌握起來更容易；在講解衍射問題時(shí)將單峰衍射、圓孔衍射、矩孔衍射及多縫衍射的實(shí)驗(yàn)裝置，衍射圖樣的特點(diǎn)及亮暗條紋的位置，條紋寬度等對(duì)比講解，學(xué)生在對(duì)比基礎(chǔ)上理解記憶的效果更好。在幾何光學(xué)的成像問題中，將單球面折射、球面反射及透鏡的成像進(jìn)行對(duì)比，包括成像公式、焦距的表達(dá)式及放大率的公式進(jìn)行對(duì)比，在光學(xué)儀器部分將放大鏡、顯微鏡及望遠(yuǎn)鏡的放大率進(jìn)行對(duì)比，這樣更有利于學(xué)生對(duì)公式的理解記憶及應(yīng)用。

第三，在課件制作上加入phy3D演示。如，講解凸凹透鏡的成像、球面鏡的反射成像、玻璃球的成像在推導(dǎo)完成像公式時(shí)要進(jìn)行相應(yīng)部分的光路圖的phy3D演示，這些演示可以任意改變物距、像距或焦距，學(xué)生能夠直觀地觀察到這些系統(tǒng)在成像過程中物距、像距和焦距之間的關(guān)系，彌補(bǔ)了枯燥的單純理論計(jì)算的缺點(diǎn)。再如，在講述邁克爾遜干涉儀時(shí)通過3D演示，學(xué)生可以清楚地看到光的傳播過程，通過調(diào)整兩鏡的距離及位置看到干涉圖樣的變化，有助于加強(qiáng)理解。光的衍射問題向來是學(xué)生理解的難點(diǎn)，通過phy3D的演示學(xué)生能夠清楚地看到障礙物尺寸變化時(shí)衍射圖樣的變化。

第四，加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。為了培養(yǎng)復(fù)合型的實(shí)用人才，要求學(xué)生必須具有一定的實(shí)際工作技能，以便走上工作崗位后能很快地適應(yīng)工作環(huán)境。因此，為鍛煉培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力，增強(qiáng)學(xué)生畢業(yè)后的工作適應(yīng)性，教學(xué)中必須高度重視實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，而畢業(yè)設(shè)計(jì)正好能增強(qiáng)學(xué)生的光學(xué)設(shè)計(jì)水平，從而培養(yǎng)出既有理論又有實(shí)踐水平的高級(jí)專門人才。自引入ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件以來，物理系三屆畢業(yè)生中已有七名學(xué)生用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)效果良好。

第五，改革考試內(nèi)容和考試方法，命題從以知識(shí)立意為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅芰α⒁鉃橹?，加?qiáng)了概念題、應(yīng)用題以及與圖形結(jié)合的判斷題，適當(dāng)出一些開放題、討論題；改變一卷定總評(píng)的情況，采取措施多元化測(cè)試學(xué)生的能力，比如將學(xué)生論文、平時(shí)作業(yè)成績(jī)、期中考試成績(jī)、期末考試的分?jǐn)?shù)折算計(jì)入總評(píng)等，每次考試后都堅(jiān)持進(jìn)行分析評(píng)估，找出教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)。

三、教學(xué)中還存在的問題及今后的計(jì)劃

第一，“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”是內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，目前沒有設(shè)置相應(yīng)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)，理論和實(shí)踐有所脫節(jié)，加大了學(xué)生對(duì)理論理解的難度。

第二，沒有將光學(xué)的最新發(fā)展融入教學(xué)。針對(duì)以上問題，一是應(yīng)盡快引入演示實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器設(shè)備進(jìn)行演示；通過實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生接觸并使用一些典型的光學(xué)系統(tǒng)為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和今后的工作中利用或組合這些光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)造性工作打下基礎(chǔ)。二是增加現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容，將光學(xué)的最新發(fā)展和研究成果融入講授內(nèi)容，使學(xué)生能緊跟科技發(fā)展步伐，這樣不但可以擴(kuò)展學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，還可以開闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)可以使學(xué)生了解學(xué)科前沿的概況及其發(fā)展動(dòng)態(tài)，進(jìn)一步拓寬學(xué)生的知識(shí)面，使他們的知識(shí)結(jié)構(gòu)更趨合理。三是教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)應(yīng)通過課前預(yù)留預(yù)習(xí)作業(yè)與課后作業(yè)的方式分解消化；上課時(shí)應(yīng)針對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)問題采用討論式等多種教學(xué)手段，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和自主學(xué)習(xí)的能力。四是充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，將傳統(tǒng)教學(xué)手段和輔助教學(xué)方式相結(jié)合，提高教學(xué)效果。針對(duì)課堂教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，利用CAI課件、錄像、網(wǎng)絡(luò)資源等增加學(xué)生對(duì)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生掌握教學(xué)內(nèi)容。五是在完成基本教學(xué)任務(wù)的前提下，針對(duì)不同層次學(xué)生的需求，適當(dāng)擴(kuò)充一些知識(shí)，這樣既可以鞏固所學(xué)知識(shí)，還可以提高學(xué)生的動(dòng)手動(dòng)腦能力，為將來的就業(yè)打下一定的基礎(chǔ)；對(duì)有志向考研的學(xué)生，可以提前給他們提供一些重點(diǎn)院校的考試真題，讓他們有所準(zhǔn)備，并能夠根據(jù)自己的能力選擇合適的院校，以免到了大四盲目選擇考研院校。

以上是筆者從事“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”教學(xué)的一些體會(huì)、所做的改進(jìn)與嘗試以及下一步努力的方向，希望通過改革使“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程的教學(xué)質(zhì)量有所提高。

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（責(zé)任編輯：孫晴）