物理光學(xué)課程內(nèi)容與教學(xué)方法研究與實(shí)踐

張志偉

[摘 要]物理光學(xué)課程是光電信息科學(xué)與工程，電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合。我們針對(duì)物理光學(xué)課程的特點(diǎn)和教學(xué)要求，探索如何把新的教學(xué)方法貫穿于課程的教學(xué)過(guò)程中。文章介紹了教學(xué)改革的具體方法和實(shí)施過(guò)程。實(shí)踐表明，新的教學(xué)方法能增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞]物理光學(xué)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法；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)] 2095-3437（2017）03-0073-02

物理光學(xué)課程是光電信息科學(xué)與工程和電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課[1][2]，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合。學(xué)好這門課程要求學(xué)生全面理解和掌握光的電磁理論、光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)知識(shí)和晶體光學(xué)基本知識(shí)和技術(shù)。[3][4]

隨著光電子技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)和光電子產(chǎn)品也呈飛快的速度發(fā)展，光纖通信系統(tǒng)的升級(jí)和CCD的不斷更新，一些新知識(shí)、新技術(shù)、新概念不斷涌現(xiàn)，體現(xiàn)了新知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái)，這些都在一定程度上沖擊著傳統(tǒng)的工作方式和生活方式。與此同時(shí)，對(duì)物理光學(xué)課程的教學(xué)方法也提出了新的挑戰(zhàn)。這就要求我們?cè)谥v授該課程時(shí)， 既要保持物理光學(xué)理論的基礎(chǔ)性和完整性， 又要突出其在光電子技術(shù)中的特色， 并適當(dāng)反映最新科技成果。[5][6]只有這樣，才能為光電信息科學(xué)與工程等專業(yè)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課程， 如激光原理與技術(shù)、光纖通信與傳感技術(shù)、紅外技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)、光電成像原理與技術(shù)及納米光子學(xué)等的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、教學(xué)內(nèi)容的安排

課程教學(xué)內(nèi)容的安排共分為九大教學(xué)模塊：（1）光波的基本特性（6學(xué)時(shí)）；（2）光波在各向同性介質(zhì)界面上的反射和折射（4學(xué)時(shí)）；（3）光波的全反射特性（2學(xué)時(shí)）；（4）光的干涉（8學(xué)時(shí)）；（5）光的衍射（8學(xué)時(shí)）；（6）光波在各向異性介質(zhì)中的傳播特性（6學(xué)時(shí)）；（7）晶體光學(xué)元件及其偏光干涉（4學(xué)時(shí)）；（8）晶體的感應(yīng)雙折射（6學(xué)時(shí)）；（9）光的吸收、色散和散射（4學(xué)時(shí)）。

針對(duì)上述重點(diǎn)和難點(diǎn)， 在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，采取如下教學(xué)方法：

1.融趣味性于知識(shí)傳授過(guò)程中，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。例如，在講解光與物質(zhì)相互作用的內(nèi)容時(shí)，結(jié)合髙錕研究光纖在通訊領(lǐng)域運(yùn)用的事例，以光纖通信發(fā)展為例，通過(guò)對(duì)光與光纖相互作用的深入研究，引導(dǎo)學(xué)生了解光纖的“三個(gè)窗口”導(dǎo)致了光纖通信系統(tǒng)的幾次升級(jí)換代，增添了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。在講解光的吸收定律時(shí)，介紹了布右厄與朗伯師生關(guān)系，用以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，然后在一定的前提條件下，推導(dǎo)出朗伯-比爾定律的定量公式，強(qiáng)調(diào)了“先有條件，后有結(jié)論”的規(guī)律[7]，并結(jié)合煤礦“瓦斯爆炸”這一現(xiàn)象，強(qiáng)調(diào)基于朗伯-比爾定律，可開(kāi)發(fā)吸收型瓦斯?jié)舛葴y(cè)量?jī)x器，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)好理論知識(shí)的重要性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。

2.采用多媒體技術(shù)， 充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)資源，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。例如，我們把美國(guó)麻省理工學(xué)院錄制的一些開(kāi)放視頻資源，如光的反射、干涉、衍射和光的偏振等運(yùn)用于教學(xué)過(guò)程中。這些視頻均是一個(gè)短小但完整的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了一個(gè)完整的知識(shí)點(diǎn)，這樣做的益處是把復(fù)雜的光學(xué)知識(shí)，以簡(jiǎn)單、形象的方式展現(xiàn)在課堂教學(xué)中，收到良好的效果。另外，我們也充分運(yùn)用仿真模擬軟件，把一些抽象的內(nèi)容，以仿真結(jié)果體現(xiàn)在課堂教學(xué)中。如利用Matlab仿真軟件把菲涅耳系數(shù)及反射率與入射角的變化規(guī)律，以及利用COMSOL Multiphysics5.1模擬軟件，把光在直角棱鏡中的全反射及在發(fā)生全反射時(shí)的古斯-漢欣位移展現(xiàn)在教學(xué)過(guò)程中。

3.把教師的科研成果與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)地融合在一起，以提高教師講課的生動(dòng)性和學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。例如，在講解倏逝波（消失波或表面波）的特性時(shí)，結(jié)合發(fā)明專利“一種棱鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器”，以SPR傳感器為例，通過(guò)對(duì)消失波與金屬薄膜中電子共振的深入研究，開(kāi)發(fā)了新型的光學(xué)傳感器，為測(cè)量介質(zhì)折射率的微量變化提供了新的檢測(cè)手段。由于教學(xué)過(guò)程中引入了教師在科研過(guò)程中的一些趣事，因此，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

二、合理選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)儀器，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力

結(jié)合物理光學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和我校光學(xué)工程的學(xué)科特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排有四大模塊：（1）光的干涉、衍射實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）；（2）偏振光產(chǎn)生與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)（1學(xué)時(shí)）；（3）聲光、電光調(diào)制參數(shù)測(cè)定及音頻聲光、電光通信實(shí)驗(yàn)（3學(xué)時(shí)）；（4）光外差干涉實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）。在這些實(shí)驗(yàn)中，第1實(shí)驗(yàn)?zāi)K是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，主要是幫助學(xué)生對(duì)光的干涉、衍射現(xiàn)象的深入理解與提高。第2實(shí)驗(yàn)?zāi)K采用了角向偏振片，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能觀察到光的偏振方向，結(jié)合CCD相機(jī)和角度計(jì)算程序，可精確計(jì)算出旋光角度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可鞏固學(xué)生對(duì)晶體光學(xué)元件及其偏光干涉和旋光現(xiàn)象的理解。第3實(shí)驗(yàn)?zāi)K，主要凸顯物理光學(xué)在光電子技術(shù)中的特色，以鞏固學(xué)生對(duì)晶體感應(yīng)雙折射現(xiàn)象的理解。第4實(shí)驗(yàn)?zāi)K是一個(gè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生綜合運(yùn)用光的偏振、光的干涉、光的衍射知識(shí)和晶體光學(xué)元件運(yùn)用的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。另外，在實(shí)驗(yàn)儀器的選擇上，既要保證較多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高實(shí)驗(yàn)效率，也要注意在客觀上加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦能力的培養(yǎng)。例如，支撐聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)的聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀，能提供顯示聲光調(diào)制波形，觀察聲光調(diào)制偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，測(cè)試聲光調(diào)制幅度特性，顯示入射光與衍射光的能量分布，測(cè)試聲光頻率偏轉(zhuǎn)特性，測(cè)試聲光調(diào)制衍射效率、帶寬等參數(shù)，測(cè)量超聲波在介質(zhì)中的聲速，模擬基于聲光調(diào)制的語(yǔ)音信號(hào)通訊實(shí)驗(yàn)；支撐電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)的電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀，能顯示電光調(diào)制波形，觀察電光調(diào)制現(xiàn)象，測(cè)試電光晶體的調(diào)制特性曲線，測(cè)量電光晶體的特征參量，模擬基于電光調(diào)制的語(yǔ)音光通訊實(shí)驗(yàn)。再比如，偏振光產(chǎn)生與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)儀，其基本光路采用的是共軸“籠式”結(jié)構(gòu)，可以完成旋光實(shí)驗(yàn)、線偏振光產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)、可視橢圓偏振光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)等。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以學(xué)生為主，教師適時(shí)加以指導(dǎo)，可充分發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性，以利于學(xué)生動(dòng)手能力的提高。

三、寓新技術(shù)于教學(xué)過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識(shí)

光學(xué)和光電子技術(shù)發(fā)展迅速，若完全依靠教材的內(nèi)容作為教學(xué)內(nèi)容，往往跟不上技術(shù)進(jìn)步的步伐，這就要求教師要緊密關(guān)注新技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)。一方面，除了選用最新出版的教材外，還應(yīng)當(dāng)在課堂上結(jié)合所講知識(shí)，適度補(bǔ)充當(dāng)前的新知識(shí)、新技術(shù)等內(nèi)容，以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。比如在晶體的感應(yīng)雙折射教學(xué)模塊，教材重點(diǎn)論述了聲光調(diào)制和電光調(diào)制原理等，而對(duì)其應(yīng)用論述的比重不大。為了讓學(xué)生較全面地掌握光調(diào)制技術(shù)知識(shí)，需要補(bǔ)充光調(diào)制技術(shù)的新應(yīng)用，如利用聲光調(diào)制或電光調(diào)制技術(shù)進(jìn)行激光大屏幕顯示以及基于光外差干涉原理的SPR相位檢測(cè)技術(shù)等。另一方面，要積極引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注相關(guān)技術(shù)資料，如《中國(guó)物理快報(bào)》《中國(guó)激光》《光學(xué)學(xué)報(bào)》《光子學(xué)報(bào)》等學(xué)術(shù)期刊，使學(xué)生能了解本領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的前沿動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識(shí)。比如在光波的全反射特性教學(xué)模塊，在講授古斯-漢欣位移及其特性的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生在課后閱讀《中國(guó)物理快報(bào)》2004年文章“Thin-film enhanced Goos-H？nchen shift in total internal reflection”；在晶體光學(xué)元件及其偏光干涉教學(xué)模塊，在講授波片和補(bǔ)償器的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生在課后閱讀《中國(guó)激光》2009年文章《一種標(biāo)定Soleil-Babinet補(bǔ)償器的新方法》。這樣，在學(xué)生了解相關(guān)研究和應(yīng)用動(dòng)態(tài)的同時(shí)，也使學(xué)生認(rèn)識(shí)到所學(xué)知識(shí)在科研工作中的重要性， 培養(yǎng)了學(xué)生的科研意識(shí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

四、結(jié)論

對(duì)于物理光學(xué)課程的教學(xué)改革，我們經(jīng)過(guò)多年的探索和創(chuàng)新，形成了一些理論與實(shí)踐相結(jié)合的行之有效的教學(xué)方法。以光電信息科學(xué)與工程和電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2010、2011、2012、2013級(jí)學(xué)生為試點(diǎn)，從反饋結(jié)果來(lái)看，該方法有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于提高課程的教學(xué)質(zhì)量。總之，對(duì)物理光學(xué)課程教學(xué)方法的研究，使我們深刻地認(rèn)識(shí)到只有通過(guò)進(jìn)一步深化教學(xué)改革才能有效地提高教學(xué)質(zhì)量，才能培養(yǎng)出能較快適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的研究和應(yīng)用型人才。同時(shí)，我們還深刻地認(rèn)識(shí)到物理光學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容和方法的研究尚處于探討階段，對(duì)物理光學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容和方法的改革是一個(gè)不斷探索、不斷完善的過(guò)程，但只要堅(jiān)持不懈的努力，一定可以獲得滿意的教學(xué)效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]