淺談本科院校理工科光學課程教學改革與實踐

臧華平　梁二軍

【摘 要】本文根據(jù)光學課程的特點，從課程內(nèi)容，教學方式兩個方面探討了光學的教學改革方向。通過合理地設置教學內(nèi)容、增加實踐環(huán)節(jié)和引入學科前沿等來合理地構(gòu)造學生的知識架構(gòu)，提高學生的學習興趣。其任務是從現(xiàn)代物理實驗和量子光學理論來認識光的波粒二象性;從量子理論來建立光子與物質(zhì)相互作用—光的吸收與發(fā)射的物理基礎(chǔ);課程改革注重物理概念、物理圖像和物理過程，注重內(nèi)容的現(xiàn)代化及與現(xiàn)代科學技術(shù)接口。通過引入科學的教學方法和評價手段來提高教學效果。

【關(guān)鍵詞】光學;波粒二象性;教學改革

【中圖分類號】G642? 【文獻標識碼】A? 【文章編號】1671-8437（2019）22-0003-02

光學（Optics）是物理學的重要分支學科。光是一種電磁波，在物理學中，電磁波由電動力學中的麥克斯韋方程組來描述;同時，光具有波粒二象性，光的粒子性則需要用量子力學來描述。由于激光的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，產(chǎn)生了一系列新的光學分支學科，并得到了迅速的發(fā)展。除量子光學外，還有如非線性光學、激光光譜學、超強超快光學、激光材料和激光器物理學等。幾十年來的發(fā)展表明，激光科學和激光技術(shù)極大地促進了物理學、化學、生命科學和環(huán)境科學等學科的發(fā)展，已形成一批十分活躍的新興學科和交叉學科。

但是，光學課程的實際課堂教學過程中在教課內(nèi)容和教學方式上還存在著諸多弊端：如傳統(tǒng)教材偏重公式推導，隨著科技知識迅猛發(fā)展，新興知識不斷涌現(xiàn)[1]，課本內(nèi)容的更新?lián)Q代遠跟不上現(xiàn)代的科學發(fā)展。教學方式上，有些老師在上課過程中要講解大量的公式推導和計算，部分學生很難跟上老師的講課進度，容易感覺到枯燥無味，喪失學習的興趣。筆者在本校自編教材基礎(chǔ)上，結(jié)合多種現(xiàn)代教學經(jīng)驗，通過靈活控制授課形式，致力于提高光學課程教學改革和實踐研究。

1? ?光學課程教學內(nèi)容的改革方法

光學課程是物理類專業(yè)本科生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，課程的主要內(nèi)容有光的波粒二象性、光的吸收與發(fā)射、受激輻射與激光、自發(fā)輻射與自發(fā)輻射光源、半導體中的受激吸收與光電效應。通過對本門課程的學習，了解光學的發(fā)展歷史和發(fā)展規(guī)律，掌握光的波粒二象性的基本理論和研究方法，掌握激光在工程技術(shù)中的應用，了解激光發(fā)展的前沿和在高新技術(shù)中取得的新成果。

本課程的目的是使學生了解光學的研究對象和研究方法以及激光在近代科學技術(shù)和生活上的應用，了解激光的發(fā)展史。使學生比較系統(tǒng)的掌握光學的基本規(guī)律、基本概念，并能比較靈活地加以應用，為進一步學習后繼課程打下良好的基礎(chǔ)。通過吸收國內(nèi)外光學教學研究成果，對教學中的疑點、難點進行說明，以引導深入思考，培養(yǎng)教學能力。

從現(xiàn)代物理觀點認識光子及光子與物質(zhì)相互作用，主要包括三部分內(nèi)容。

（1）從現(xiàn)代物理實驗（單光子和多光子吸收、發(fā)射、激光冷卻原子）和量子光學理論來認識光的波粒二

象性。

（2）從量子理論來建立光子與物質(zhì)相互作用—光的吸收與發(fā)射的物理基礎(chǔ)。了解光的量子性：光子能量、動量、自旋。掌握光子與物質(zhì)相互作用過程：能量交換、動量交換、能級躍遷、能量守恒、動量守恒。

（3）學物理有什么用？掌握激光的應用，如：激光冷卻原子、激光、激光測距、激光先進制造、激光制導;自發(fā)輻射與光源、LED、光伏效應與太陽光伏電池、光電導

天線。

2? ?光學課程教學模式改革的構(gòu)想

2.1? 增加師生互動，師生互換角色

在課堂教學過程中，充分調(diào)動學生的求知欲和積極性，通過師生互換角色，讓學生以“老師”的身份向其他同學講授自己所理解的內(nèi)容，營造一種愉悅的學習氛

圍[2]。針對光學教改課程中“注重物理概念、物理過程的理解”“與現(xiàn)代科學技術(shù)相接軌”的教學思想理念，老師可以先選擇幾個學生容易自學或是感興趣的知識點，然后給學生時間去查閱資料或相互討論。以課本知識為基礎(chǔ)，對科學前沿問題理論知識給予科學的解釋，對其發(fā)展歷史和現(xiàn)狀進行總結(jié)和歸納，并探索未來該領(lǐng)域的發(fā)展方向。接下來老師可以將講臺讓出，鼓勵并引導大家積極參與。老師要對學生的理解和講授給予肯定和贊揚。通過師生互換角色，讓學生有機會講述自己的理解，可以有效激發(fā)學生的學習主動性，從而在很大程度上提高學生對所學內(nèi)容的重視，鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，還可以通過互相討論提升學生間的團隊合作能力。

以本改革課程為例，筆者在授課過程中提出以激光研究歷史和現(xiàn)狀為背景，探討激光技術(shù)在現(xiàn)代光學領(lǐng)域的應用前景和價值。給予學生充足的調(diào)研時間，并整理成文，安排師生互換課時，鼓勵學生積極討論和講授。試行結(jié)果表明，學生表現(xiàn)出異常的積極主動性，不僅廣泛調(diào)研了激光在不同領(lǐng)域，包括醫(yī)療、航天、遙感、核聚變、激光武器、超快成像等的應用現(xiàn)狀和前景，而且相關(guān)調(diào)研成果整理成文，有的同學甚至達到本科畢業(yè)設計論文水平。

此外，通過課堂講解，學生很快的了解了不同領(lǐng)域的研究內(nèi)容，加深了對激光原理基本知識點的理解，拓展了對現(xiàn)有光學知識的認知范疇，很好的驗證了本教改思想的正確性和有效性。

2.2? 傳統(tǒng)知識與現(xiàn)代科學前沿相結(jié)合

隨著科技知識的迅猛發(fā)展，新興知識不斷涌現(xiàn)，課本內(nèi)容的更新?lián)Q代遠跟不上現(xiàn)代的科學發(fā)展，而學生因視野的局限性對學科的前沿性嗅覺不足。筆者認為，為了讓學生能夠清晰地了解所學的知識點，授課教師可以關(guān)注大量的相關(guān)前沿知識，通過理論授課或?qū)嶒灲虒W方式向?qū)W生展示以提高學生學習的興趣，克服照本宣科式的傳統(tǒng)教學模式。

在本課程的講授過程中，筆者通過三光子吸收、光學冷卻原子、光電效應等實驗現(xiàn)象來講解光的粒子性，通過激光測距、激光先進制造、激光制導以及自發(fā)輻射與光源、LED、光伏效應與太陽光伏電池、光電導天線等先進技術(shù)為接口來講授激光的發(fā)展前景，激發(fā)學生的學習興趣，拓展學生的學習思維。此外，在提高激光能量和縮短激光脈沖寬度方面，以激光聚變和超快光學為例，詳細介紹了超強超快激光裝置的世界研究現(xiàn)狀和瓶頸，鼓勵學生大膽探索，科技創(chuàng)新。

3? ? 總結(jié)

光學課程教學活動應該以現(xiàn)代技術(shù)為接口，注重物理概念、物理圖像和物理過程的理解和掌握，從現(xiàn)代物理實驗和量子光學理論來認識光的波粒二象性和光與物質(zhì)相互作用過程;通過引入科學的教學方法和評價手段來提高教學效果，為培養(yǎng)新世紀尖端創(chuàng)新型人才提供保障。

【參考文獻】

[1]劉高福，王平瑞，陳德良.提高大學物理課堂教學效果的探討[J].貴州師范學院學報，2018（6）.

[2]唐春娟，韓東峰.提高大學物理教學效果的策略[J].高師理科學刊，2018（7）.