《光學(xué)》課程教學(xué)的幾點(diǎn)心得

□趙小俠

光學(xué)是物理學(xué)中最重要的基礎(chǔ)學(xué)科，以激光技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代光學(xué)是目前發(fā)展最迅猛、最活躍的現(xiàn)代科學(xué)研究前沿之一。光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)，包括傅里葉光學(xué)、非線性光學(xué)、光電子學(xué)和量子光學(xué)等許多新的分支學(xué)科學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代光學(xué)已經(jīng)滲透到國防軍事、科學(xué)研究以及人們?nèi)粘Ｉ畹确椒矫婷?，因此掌握光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)無論是對(duì)學(xué)生就業(yè)或者進(jìn)一步深造都具有重要意義。但是光學(xué)課程本身具有概念繁多、物理規(guī)律較為抽象、知識(shí)點(diǎn)多且零碎等特點(diǎn)，這也是在光學(xué)課程學(xué)習(xí)中大部分學(xué)生不容易掌握課程內(nèi)容，從而在學(xué)業(yè)考試或考研中失利的重要原因，結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐有以下幾點(diǎn)心得與大家一起探討。

一、合理安排課程內(nèi)容，滿足新形勢(shì)下小課時(shí)專業(yè)課的要求

在教育部減少理論課時(shí)增加實(shí)踐類課程課時(shí)精神的指導(dǎo)下，光學(xué)課程的理論課時(shí)也由最初的72學(xué)時(shí)減到64學(xué)時(shí)，目前又減到48學(xué)時(shí)，甚至有的專業(yè)減到32學(xué)時(shí)。隨著理論課時(shí)的減少，而面對(duì)的教學(xué)大綱和教材內(nèi)容又不變，作為一名一線教師只有合格安排教學(xué)內(nèi)容才能在實(shí)踐教學(xué)中達(dá)到好的教學(xué)效果。同蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院[1～2]相同，在光學(xué)課程內(nèi)容的安排中以物理光學(xué)為主，對(duì)幾何光學(xué)和光學(xué)儀器部分進(jìn)行了內(nèi)容的壓縮，這主要是為了滿足應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)后續(xù)課程激光技術(shù)以及信息光學(xué)等現(xiàn)代光學(xué)的內(nèi)容要求，在幾何光學(xué)教學(xué)中主要講解基本概念，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中的物、像、物空間、像空間等基本概念以及符號(hào)法則精講，力求讓學(xué)生概念清晰，這樣在后續(xù)的學(xué)習(xí)中如果學(xué)生遇到相關(guān)知識(shí)，需要自學(xué)來解決的相對(duì)來說就比較容易。刪除了相對(duì)論和光的量子性內(nèi)容，這部分內(nèi)容與后續(xù)課程重復(fù)。

二、以光程、光程差及相位差概念貫穿物理光學(xué)內(nèi)容講述的始終，將眾多的光學(xué)概念串聯(lián)起來

光學(xué)課程與力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等課程在物理思想上不能很好地保持密切的連貫，也不像電磁學(xué)或經(jīng)典力學(xué)有一個(gè)貫穿始終的思路從而形成相對(duì)比較完整的知識(shí)體系。光學(xué)中眾多的基本概念如果不合理的整理掌握起來對(duì)學(xué)生來說是有很大難度的。在物理光學(xué)的教學(xué)中我們以光程、光程差及相位差概念貫穿物理光學(xué)內(nèi)容講述的始終，將眾多的光學(xué)概念串聯(lián)起來。

Δφ是兩束光相遇時(shí)的相位差，它與光程差呈線性關(guān)系。這樣以光程差(相位差)為基礎(chǔ)，在討論兩束光或多束光相遇時(shí)的干涉問題包括衍射問題都是適用的。只是光的干涉是有限束光相遇的疊加，而光的衍射問題是無限束光的疊加。在波動(dòng)光學(xué)中的光的偏振中光程差(相位差)也起著重要作用，特別是光在晶體中傳播的相位面的繪制。

三、善于運(yùn)用作圖法使光學(xué)概念形象學(xué)生易于接受

作圖法在光學(xué)中的應(yīng)用主要是幾何光學(xué)和光的偏振，幾何光學(xué)的作圖法學(xué)生們?cè)谥袑W(xué)就非常熟悉，由于物像的共軛性，根據(jù)物體所在的位置按照幾何光學(xué)作圖可以很容易地確定光學(xué)系統(tǒng)的像的具體位置；反之根據(jù)光路可逆，由像按照幾何光學(xué)作圖可以很容易地確定光學(xué)系統(tǒng)中物的具體位置。在光的偏振中光在晶體中的傳播波面的問題也可以形象地解決，這些內(nèi)容在教材中都有詳細(xì)的講解。在學(xué)習(xí)半波片的性質(zhì)時(shí)，指出假如入射線偏振光的振動(dòng)面和晶體主截面之間的夾角為θ，則透射出來的線偏振光的振動(dòng)面從原來的方位轉(zhuǎn)過2θ角，對(duì)半波片的這個(gè)性質(zhì)由于線偏振光振動(dòng)面的抽象，學(xué)生總是不易理解。在講解這部分內(nèi)容時(shí)，合理運(yùn)用作圖法使該性質(zhì)形象學(xué)生易于理解。

假設(shè)E是入射到半波片晶體表面的一束線偏振光的振動(dòng)方向，它與晶體主截面的夾角為θ。在晶體內(nèi)部，因?yàn)殡p折射現(xiàn)象被分解為振動(dòng)方向平行于晶體主截面的Ee和振動(dòng)方向垂直于晶體主截面的Eo。如果入射的半波片為正晶體，則O光傳播速度大于e光，通過半波片后O光比e光光程差多λ/2，相應(yīng)的通過半波片后O光比e光相位超前了π，從晶體中出射時(shí)O光的振動(dòng)方向就變?yōu)镋o′，這時(shí)合成為振動(dòng)方向?yàn)镋′的線偏振光，由圖1可以看出相對(duì)于原來的線偏振光振動(dòng)面出射光的振動(dòng)方向從原來的方位轉(zhuǎn)過2θ角。

圖1 線偏振光通過正晶體波片的分解與合成圖

同理可以得出線偏振光通過負(fù)晶體半波片的情形如圖2所示。

圖2 線偏振光通過負(fù)晶體波片的分解與合成圖

入射的線偏振光在負(fù)晶體半波片內(nèi)仍然因雙折射而分解為O光和e光，因?yàn)閑光傳播速度大于O光傳播速度，出射晶體時(shí)e光光程比O光多λ/2，相應(yīng)e光相位超前O光π，e光的振動(dòng)方向就變?yōu)镋e′，從半波片出射時(shí)就合成為振動(dòng)方向?yàn)镋′的線偏振光，由圖2可以看出相對(duì)于原來的線偏振光振動(dòng)面出射光的振動(dòng)方向從原來的方位轉(zhuǎn)過2θ角。

四、將MATLAB軟件應(yīng)用于光學(xué)課程教學(xué)使光學(xué)內(nèi)容形象生動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

將MATLAB軟件和光學(xué)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來[4～5]，為了增強(qiáng)光學(xué)內(nèi)容的形象生動(dòng)，利用學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了MATLAB軟件課程的有利條件，在教學(xué)中應(yīng)用MATLAB軟件來模擬光波發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象后光強(qiáng)度的分布問題，應(yīng)用軟件中的圖形用戶界面(Graphical User Interfaces,GUI)實(shí)現(xiàn)交互式模擬，采用交互式滾動(dòng)條動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)各物理量對(duì)干涉和衍射結(jié)果的影響，有利于加深學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解和認(rèn)識(shí)。課堂教學(xué)之余，訓(xùn)練學(xué)生利用MATLAB軟件與自己所學(xué)的物理光學(xué)有關(guān)問題結(jié)合利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助手段，加深學(xué)生對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的理解，計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)將抽象難懂的光學(xué)規(guī)律和概念現(xiàn)象直觀展現(xiàn)，激發(fā)了學(xué)生的求知欲。同時(shí)在認(rèn)真掌握基本物理知識(shí)的基礎(chǔ)上逐步學(xué)會(huì)把所學(xué)的MATLAB軟件應(yīng)用于分析和解決實(shí)際問題，對(duì)學(xué)生后期的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)有很好的促進(jìn)作用，在此基礎(chǔ)申請(qǐng)《基于MATLAB的嘗試教學(xué)法在光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用與探索研究》校級(jí)教改項(xiàng)目一項(xiàng)，目前已經(jīng)順利結(jié)題。

總之，在近幾年的教學(xué)實(shí)踐中，我們緊緊圍繞光學(xué)特別是物理光學(xué)的基本內(nèi)容教學(xué)，在理論課時(shí)逐步減少的情況下，合理安排教學(xué)內(nèi)容，緊扣基本概念和基本物理規(guī)律，以光程、光程差及相位差概念貫穿物理光學(xué)內(nèi)容講述的始終，將眾多的光學(xué)概念串聯(lián)起來，同時(shí)借助作圖法和MATLAB軟件使抽象的光學(xué)概念形象生動(dòng)，學(xué)生學(xué)習(xí)效果明顯，并且對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及畢業(yè)論文的完成都有很好的促進(jìn)作用。