《薄膜光學(xué)》課程教學(xué)方法的研究

陳淑靜

摘要：作為材料物理、光學(xué)工程等專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，《薄膜光學(xué)》課程具有極強的專業(yè)性和交叉性，涉及數(shù)學(xué)、計算機、光電、材料和自動控制等領(lǐng)域。本文基于《薄膜光學(xué)》課程的教學(xué)目標(biāo)，對《薄膜光學(xué)》課程的教學(xué)方法進(jìn)行了研究，探討了自主學(xué)習(xí)、實例教學(xué)以及開放式教學(xué)等教學(xué)方法在《薄膜光學(xué)》課程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：《薄膜光學(xué)》；教學(xué)方法；教學(xué)目標(biāo)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）10-0203-02

《薄膜光學(xué)[1-3]是一門古老又充滿活力的學(xué)科，它是物理光學(xué)的一個重要分支，研究的是光學(xué)薄膜的光學(xué)特性，如對光的反射、透射以及吸收等作用。光學(xué)薄膜在提高或降低光學(xué)元件的反射率、吸收率、透射率，光束分離、合并，光束起偏、檢偏，光譜帶通過、阻滯以及相位調(diào)制等方面，均起著至關(guān)重要的作用。隨著前沿科學(xué)的不斷發(fā)展，光學(xué)薄膜的應(yīng)用也越來越廣泛，例如，超短脈沖的調(diào)控以及極紫外乃至X射線的反射?，F(xiàn)如今，薄膜光學(xué)與計算機技術(shù)、數(shù)學(xué)算法、材料科學(xué)、表面物理、真空技術(shù)、等離子體技術(shù)等結(jié)合密切，已成為現(xiàn)代光學(xué)不可缺少的組成部分。

作為材料物理、光學(xué)工程等專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，《薄膜光學(xué)》課程是一門具有極強專業(yè)性和交叉性的課程，其內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)、計算機、光電、材料和自動控制等多個領(lǐng)域，因此，《薄膜光學(xué)》課程在教學(xué)過程中通常出現(xiàn)教學(xué)課時緊張，教學(xué)內(nèi)容難以理解等問題。本文基于《薄膜光學(xué)》課程的教學(xué)目標(biāo)，探討《薄膜光學(xué)》課程教學(xué)方法的改革，以實現(xiàn)學(xué)生知識水平和實踐應(yīng)用能力的提高，從而達(dá)到教學(xué)效果提升的目標(biāo)。

一、教學(xué)目標(biāo)

在《薄膜光學(xué)》課程的教學(xué)過程中，始終貫徹理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)理念，通過分析、解決實際問題，提高學(xué)生的知識水平和實踐能力。在知識層面上，要求學(xué)生掌握光學(xué)薄膜的基礎(chǔ)理論，了解典型膜系及其應(yīng)用，掌握簡單光學(xué)薄膜的設(shè)計方法；了解薄膜制作技術(shù)、方法及相關(guān)工藝。在能力層面上，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究的能力，鍛煉學(xué)生的實踐能力，提高學(xué)生的學(xué)術(shù)表達(dá)能力。

二、教學(xué)方法的研究

1.自主學(xué)習(xí)方法。傳統(tǒng)《薄膜光學(xué)》課程的教學(xué)，以課堂上的理論教學(xué)為主。由于《薄膜光學(xué)》內(nèi)容豐富，專業(yè)性和交叉性強，教學(xué)課時比較有限，因此僅僅通過課上的學(xué)習(xí)很難取得良好的教學(xué)效果?？紤]到這些問題，可以將自主學(xué)習(xí)的方法應(yīng)用到《薄膜光學(xué)》課程的教學(xué)之中，通過為學(xué)生提供自主的學(xué)習(xí)條件，讓學(xué)生在課下時間也可自學(xué)薄膜光學(xué)的相關(guān)知識。下面介紹為學(xué)生提供的自學(xué)素材：（1）往年的教學(xué)課件：方便學(xué)生上課前預(yù)習(xí)課程內(nèi)容，從而提高課堂教學(xué)效果。（2）光學(xué)薄膜特性模擬的程序、軟件及其使用說明：對任意結(jié)構(gòu)光學(xué)薄膜特性參數(shù)的計算與模擬，不僅可以加深學(xué)生對光學(xué)薄膜基礎(chǔ)知識的理解，同時，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究能力的培養(yǎng)，以及分析問題、解決問題能力的鍛煉。（3）薄膜光學(xué)拓展資料：包括課堂上沒有介紹的薄膜光學(xué)相關(guān)的知識，例如光學(xué)薄膜主流制備工藝的介紹、國內(nèi)外光學(xué)薄膜前沿研究課題及研究現(xiàn)狀等，為學(xué)生拓寬知識面，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣提供幫助。

2.實例教學(xué)方法?！侗∧す鈱W(xué)》的理論知識相對比較抽象，學(xué)生理解起來比較困難。通過在理論教學(xué)過程中列舉與之相關(guān)聯(lián)的實際例子，以實例教學(xué)的方法加深學(xué)生對理論知識的理解，同時，利用理論知識實現(xiàn)對實例的解釋，從而實現(xiàn)理論與實踐的結(jié)合。下面介紹幾個在理論教學(xué)過程中的實例：（1）玻璃透光：在講解菲涅爾公式時，可引入玻璃透光的實例，將玻璃透光的物理現(xiàn)象看成是一個簡單的單界面模型，然后利用菲涅爾公式計算玻璃界面上的反射率，達(dá)到對菲涅爾公式的熟練掌握以及對玻璃透光原因的解釋。分析結(jié)果表明，當(dāng)光從空氣垂直入射到玻璃表面時，玻璃表面上的反射率僅為4%左右，透光率高達(dá)96%。由此可以說明，玻璃是非常好的透光材料，也是玻璃可用作窗戶材料的主要原因。（2）鏡子成像：在介紹金屬反射鏡時，可引入鏡子成像的實例，將鏡子成像模型簡化成一個簡單的金屬界面問題，然后利用菲涅爾公式分析金屬表面的反射率，從而揭示金屬反射鏡反光和成像的原理，鞏固學(xué)生對菲涅爾公式的理解。分析結(jié)果表明，一般的金屬材料，如金、銀等，在可見光波段可實現(xiàn)較高的反射率，從而證實了金、銀等金屬材料用作反射鏡的可行性。（3）全反射：通過分析光由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)上發(fā)生的全反射現(xiàn)象，并進(jìn)一步探索全反射產(chǎn)生的條件以及全反射條件下實現(xiàn)100%反射的原因，可加深學(xué)生對菲涅爾公式的理解。通過理論分析全反射條件下的菲涅爾公式，發(fā)現(xiàn)不管是s偏振光還是p偏振光，在全反射條件下的反射系數(shù)均為模為1的復(fù)數(shù)，進(jìn)而從理論上找到了全反射實現(xiàn)100%反射率的理論原因。（4）MgF2減反膜：在減反膜的講解中，可引入MgF2減反膜的實例，基于單層膜的理論結(jié)果，分析MgF2減反膜可實現(xiàn)減反效果的原因以及獲得最佳減反效果的條件。分析結(jié)果表明，MgF2單層膜實現(xiàn)減反效果的原因是其折射率比較小，且小于基底折射率。通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MgF2單層膜的有效光學(xué)厚度等于入射光波長的四分之一時，可實現(xiàn)最佳的減反效果。（5）邁克爾遜干涉儀分束鏡：在介紹分光鏡時，可引入大學(xué)物理實驗邁克爾遜干涉儀中分束鏡的實例，解釋能量分光鏡實現(xiàn)半透半反功能的原因以及分光鏡的應(yīng)用。分析發(fā)現(xiàn)，在厚度優(yōu)化的前提下，單層金屬膜和多層介質(zhì)膜都能夠?qū)崿F(xiàn)50%的能量分光，即兩種結(jié)構(gòu)的光學(xué)薄膜都可用作能量的分光鏡。通過該實例可加深學(xué)生對單層金屬膜和多層介質(zhì)膜光學(xué)性能的理解，熟悉它們在分光鏡方面的應(yīng)用。（6）薄膜型波分復(fù)用器以及解復(fù)用器：在介紹多層膜濾波片時，可引入光學(xué)通訊系統(tǒng)中的薄膜型波分復(fù)用器以及解復(fù)用器的例子。薄膜型波分復(fù)用和解復(fù)用的基本原理正是基于多層介質(zhì)膜對某個波長光波的濾波效果，然后，通過串聯(lián)多個多層介質(zhì)膜濾波片實現(xiàn)對波分復(fù)用光纖中多波長光信號的合成和分解功能。通過該實例，可加深學(xué)生對多層介質(zhì)膜用作濾光片原理的理解，以及多層介質(zhì)膜濾波片的應(yīng)用。

3.開放式教學(xué)方法?！侗∧す鈱W(xué)》課程的開設(shè)，不僅僅是讓學(xué)生掌握薄膜光學(xué)的基礎(chǔ)知識，還要通過該課程的學(xué)習(xí)提高自身的能力，其中包括學(xué)習(xí)能力、研究能力以及表達(dá)能力。開放式教學(xué)方法的應(yīng)用可幫助學(xué)生更好地鍛煉自學(xué)能力。（1）開放式作業(yè)：《薄膜光學(xué)》課程教學(xué)過程中，可通過為學(xué)生設(shè)置開放式作業(yè)的方法，提高學(xué)生的自學(xué)能力。例如，在講授多層膜光學(xué)特性時，要求學(xué)生基于所學(xué)知識，分析一個漸變式單層膜的反射與透射特性。學(xué)生可通過程序的模擬以及理論分析等多種方式獲得該問題的正確答案。另外，也可要求學(xué)生自主設(shè)計光學(xué)薄膜的結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)某一特定的功能。通過光學(xué)薄膜設(shè)計過程能夠鞏固學(xué)生所學(xué)的理論知識，掌握實踐環(huán)節(jié)中薄膜的設(shè)計方法。（2）學(xué)術(shù)報告：《薄膜光學(xué)》課程教學(xué)過程中，要求學(xué)生基于《薄膜光學(xué)》課程上所學(xué)的內(nèi)容，針對薄膜光學(xué)相關(guān)領(lǐng)域中的某一研究課題展開分析與討論，并基于所研究內(nèi)容準(zhǔn)備一次完整的學(xué)術(shù)報告。在學(xué)術(shù)報告準(zhǔn)備過程中，鼓勵學(xué)生通過基本理論知識學(xué)習(xí)→科技文獻(xiàn)查閱、分析與總結(jié)→科學(xué)問題提出→研究方法學(xué)習(xí)與驗證→研究結(jié)果分析與總結(jié)→學(xué)術(shù)報告與課題總結(jié)等一系列過程，培養(yǎng)學(xué)生正確的學(xué)習(xí)方法和研究思路，鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

三、結(jié)語

本文基于《薄膜光學(xué)》課程教學(xué)理念和教學(xué)目標(biāo)，對《薄膜光學(xué)》的教學(xué)方法進(jìn)行了討論，探討了自主學(xué)習(xí)、實例教學(xué)以及開放式教學(xué)等教學(xué)方法在《薄膜光學(xué)》課程中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，采用自主學(xué)習(xí)的方法，將課上學(xué)習(xí)和課下學(xué)習(xí)結(jié)合起來，可以最大限度拓展學(xué)生的知識量，保障《薄膜光學(xué)》課程教學(xué)任務(wù)的完成；采用實例教學(xué)的方法，可使《薄膜光學(xué)》課程中復(fù)雜的公式和概念變得簡單易懂，促進(jìn)學(xué)生對知識點的理解；采用開放式教學(xué)的方法，可鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生理論結(jié)合實踐的應(yīng)用能力。

參考文獻(xiàn)：

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Study on the Teaching Method of "Thin Film Optics"

CHEN Shu-jing

(School of Materials Science and Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

Abstract:As one of the basic courses of materials physics,"Thin Film Optics" course has a strong professional and cross,involving mathematics,computers,optoelectronics,materials and automatic control and other fields. In this paper,basing on the teaching aims of "Thin Film Optics" course,we studied the teaching methods of "Thin Film Optics" course,and discussed the application of self-study,case teaching and open teaching method in "Thin Film Optics" course.

Key words:"Thin Film Optics";teaching methods;teaching aims