光電專業(yè)“物理光學(xué)”課程教學(xué)改革的探索

尹娟娟，俞 侃，包佳祺

（華中科技大學(xué) 文華學(xué)院信息學(xué)部，湖北 武漢 430074）

光電專業(yè)“物理光學(xué)”課程教學(xué)改革的探索

尹娟娟，俞 侃，包佳祺

（華中科技大學(xué) 文華學(xué)院信息學(xué)部，湖北 武漢 430074）

《物理光學(xué)》課程是光電信息工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課。為了培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)，具有創(chuàng)新精神和能力的光電專業(yè)應(yīng)用型人才，對該門課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法進(jìn)行了研究與探索。實(shí)踐證明該課程的改革措施對提高教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的求知欲與創(chuàng)新意識具有很大幫助。

光電信息工程專業(yè)；教學(xué)改革；物理光學(xué)；計(jì)算機(jī)仿真

隨著信息技術(shù)與信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，光電子產(chǎn)業(yè)已成為全球戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。加快建設(shè)我國的光電子產(chǎn)業(yè)和培養(yǎng)高層次光電子人才，是現(xiàn)代社會信息技術(shù)發(fā)展的需要，也是未來光電子產(chǎn)業(yè)的需要。為了適應(yīng)光電子產(chǎn)業(yè)日益增長的人才需求，國內(nèi)越來越多的高校開設(shè)了光電信息工程專業(yè)（簡稱光電專業(yè)）。光電信息工程作為教育部本科專業(yè)目錄中的重點(diǎn)學(xué)科，涉及光學(xué)、光電子、微電子、通信等高新核心技術(shù)。光電專業(yè)與其他專業(yè)一樣，側(cè)重于培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)，實(shí)踐能力較強(qiáng)，具有人文精神和創(chuàng)新意識的應(yīng)用型、復(fù)合型人才，為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展服務(wù)。

一、物理光學(xué)的課程特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀

物理光學(xué)是光電信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)等本科專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修課，起著承上啟下的銜接作用。其先修課程主要為高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、應(yīng)用光學(xué)、電磁理論等基礎(chǔ)課程。后續(xù)的專業(yè)課程則包括激光原理與技術(shù)、激光加工、光電檢測技術(shù)、光纖光學(xué)、信息光學(xué)、光纖通信等。該課程以光的電磁理論為理論基礎(chǔ)，講述光在各向同性和異性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，光的干涉、衍射、偏振特性以及光的吸收、色散和散射等內(nèi)容。專業(yè)的物理光學(xué)在大三第一學(xué)期開設(shè)，總學(xué)時(shí)為96學(xué)時(shí)，其中理論為72學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)為24學(xué)時(shí)。該課程內(nèi)容概念繁多，物理規(guī)律較為抽象，光學(xué)現(xiàn)象與規(guī)律講授難以生動形象。物理光學(xué)內(nèi)容包含大量的原理推導(dǎo)和數(shù)學(xué)公式，學(xué)生往往容易記住公式卻忘記了公式背后的物理意義和分析方法，無法舉一反三、學(xué)以致用。課堂中，如果采用填鴨式的方法將傳播條件與規(guī)律告訴學(xué)生，顯然沒有明顯的說服力。該教學(xué)方法既影響學(xué)生對課程內(nèi)容的理解掌握，也會影響學(xué)生的學(xué)習(xí)和探索興趣，阻礙學(xué)生創(chuàng)新能力和探究能力的培養(yǎng)。

二、課程建設(shè)改革的實(shí)踐與探索

針對物理光學(xué)在光電專業(yè)課程體系中的特殊地位，近幾年我校光電系對該課程的課堂教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面進(jìn)行了一系列的實(shí)踐和探索，取得了積極的效果。

1.一條紅線，八大現(xiàn)象。學(xué)生在經(jīng)歷了高中物理基礎(chǔ)和大學(xué)物理課程學(xué)習(xí)之后，對光的認(rèn)識上升到了一個(gè)新的科學(xué)高度。對于光的波動現(xiàn)象等理論，學(xué)生開始接受并有似懂非懂之感。物理光學(xué)的課程中，則是采用數(shù)學(xué)的方法描述光波的傳播特性。因此，在授課過程中可刪繁就簡，遇到重復(fù)的內(nèi)容可一帶而過。物理光學(xué)課程內(nèi)容繁多，在學(xué)習(xí)該課程時(shí)，需謹(jǐn)記一條紅線，即光波的傳播。光波在同性或異性介質(zhì)，自由或半自由空間傳播時(shí)呈現(xiàn)的八大傳播現(xiàn)象，即反射、折射、干涉、衍射、偏振、吸收、色散與散射現(xiàn)象。在進(jìn)行課堂講述時(shí)，先由光波的傳播現(xiàn)象，引出光波發(fā)生此現(xiàn)象的條件，進(jìn)而總結(jié)光波的傳播規(guī)律。為了理論知識與實(shí)際問題密切聯(lián)系，著重介紹光波理論的理論和所涉及的行業(yè)領(lǐng)域，通過豐富的課程內(nèi)容讓學(xué)生真實(shí)地感觸知識的應(yīng)用。

2.問題導(dǎo)入式的教學(xué)方法。物理光學(xué)作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有抽象性強(qiáng)、枯燥乏味等特點(diǎn)。同時(shí)，物理光學(xué)也具有較強(qiáng)的專業(yè)性，該學(xué)科的創(chuàng)建均來源于對實(shí)際光學(xué)問題的解釋。在介紹一個(gè)知識點(diǎn)之前，為了理論聯(lián)系實(shí)際，我們首先要有目的地設(shè)置問題。通過一步一步地啟發(fā)學(xué)生，讓學(xué)生帶著問題思考解決的方法與思路，進(jìn)而解決問題。例如，我們講授光波的衍射時(shí)，首先從白光通過指縫的衍射現(xiàn)象出發(fā)，提出產(chǎn)生衍射的條件。如果采用單色光源，指縫轉(zhuǎn)變?yōu)閳A孔、矩形孔或不規(guī)則孔，衍射條紋如何變化？引導(dǎo)學(xué)生思考如果采用多縫或透射光柵，衍射條紋又將如何變化？從而引出影響衍射現(xiàn)象的因素和采用數(shù)學(xué)模型描述衍射現(xiàn)象的問題。實(shí)踐證明，這種以實(shí)際問題為先導(dǎo)的模式，激發(fā)學(xué)生的思考和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，得到了良好的教學(xué)效果。

3.充分利用多媒體教學(xué)。多媒體教學(xué)在許多方面是傳統(tǒng)教學(xué)模式所無法比擬的，具有直觀性強(qiáng)、圖文聲像并茂、信息量大、生動活潑等特點(diǎn)。但運(yùn)用不當(dāng)，也會適得其反。為了彌補(bǔ)兩方面的不足，我們采用了多媒體課件與傳統(tǒng)板書相結(jié)合的教學(xué)方法。在物理光學(xué)課程中，采用PPT課件形式與FLASH動畫結(jié)合，生動描述光波的傳播現(xiàn)象與規(guī)律。多媒體課件重點(diǎn)介紹物理概念及方法，而大量的公式推導(dǎo)可在課后參考教材或其他課本。制作這種多媒體課件的教學(xué)方法不僅給學(xué)生留下深刻的印象，而且還給教師留下充足的時(shí)間來強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)、難點(diǎn)和核心內(nèi)容。

4.利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)提高教學(xué)效果。在課堂教學(xué)之余，訓(xùn)練學(xué)生利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)處理物理光學(xué)相關(guān)問題。利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助手段，加深學(xué)生對光學(xué)現(xiàn)象的理解，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)中的盲區(qū)和誤區(qū)，提高教學(xué)的針對性。計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)將抽象難懂的光學(xué)規(guī)律和概念形象直觀展現(xiàn)給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的求知欲。光學(xué)仿真設(shè)計(jì)軟件有很多種，MATLAB、TracePro、Zemax、Fred、OptiSystem，分別應(yīng)用于不同的光學(xué)領(lǐng)域。MATLAB是Mathworks公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，具有數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號處理和圖形顯示等功能，是工程界最流行的軟件工具，在大學(xué)理工課程教學(xué)中的應(yīng)用亦漸成熱點(diǎn)。目前，已有眾多文獻(xiàn)采用MATLAB軟件模擬光波發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象后光強(qiáng)度的分布。MATLAB軟件中的圖形用戶界面（Graphical User Interfaces，GUI），可以實(shí)現(xiàn)交互式模擬。采用交互式滾動條動態(tài)地展現(xiàn)各物理量對衍射結(jié)果的影響，有利于加深學(xué)生對物理規(guī)律的理解和認(rèn)識。TracePro是一款基于蒙特卡羅法的非序列光線追跡軟件，為美國Lambda Research公司開發(fā)。TracePro以實(shí)體對象來構(gòu)建光路系統(tǒng)，通過計(jì)算反射、折射、散熱、吸收和衍射等行為來模擬光線與實(shí)體表面的作用，對真實(shí)場景進(jìn)行計(jì)算和顯示。TracePro圖形使用界面簡單，且具有強(qiáng)大的仿真功能，能對光學(xué)鏡頭、背光板、照明燈具、投影顯示器、醫(yī)療儀器等進(jìn)行光學(xué)模擬及分析。目前，在校學(xué)生已采用TracePro仿真軟件成功對偏振棱鏡、衍射光柵進(jìn)行了模擬仿真，采用光線追跡方法形象直觀地展現(xiàn)光波傳播過程及特性的變化，加深對光波傳播規(guī)律的認(rèn)識和理解。

當(dāng)然，計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)只是物理光學(xué)教學(xué)的輔助，不能代替理論教學(xué)。學(xué)生應(yīng)該在認(rèn)真掌握基本物理知識的基礎(chǔ)上，逐步學(xué)會運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件，才能達(dá)到促進(jìn)學(xué)習(xí)的效果。計(jì)算機(jī)虛擬仿真的實(shí)際操作，培養(yǎng)了學(xué)生將理論知識應(yīng)用于分析實(shí)際問題的能力，檢驗(yàn)了學(xué)生專業(yè)知識的掌握程度，也為下一階段的課程教學(xué)提供了指導(dǎo)方向。

三、總結(jié)

在物理光學(xué)課程教學(xué)改革實(shí)踐中，針對課程內(nèi)容理論性與專業(yè)較強(qiáng)，數(shù)學(xué)公式與物理概念較多等特點(diǎn)，我們對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等進(jìn)行了積極探索和實(shí)踐。在學(xué)習(xí)過程中，始終圍繞光波的傳播這條紅線，介紹光波的傳播規(guī)律與現(xiàn)象。采用問題導(dǎo)入式的教學(xué)方法，充分利用多媒體教學(xué)和計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)手段，加深專業(yè)課程的抽象理論形象化。在教學(xué)中注重基礎(chǔ)理論和知識的應(yīng)用性，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新意識，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提高和發(fā)展，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用。

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G642.0

A

1674-9324（2014）36-0036-02

華中科技大學(xué)文華學(xué)院信息之光學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)建設(shè)（編號：j0900740421）。

尹娟娟（1984-），華中科技大學(xué)文華學(xué)院尹娟娟，女，湖北武漢人，碩士研究生，研究方向：非線性光學(xué)。