虛擬仿真的可視化物理光學(xué)課堂教學(xué)探索*

錢義先　任志君

(浙江師范大學(xué)數(shù)理信息工程學(xué)院　浙江 金華　321004)

1　引言

物理光學(xué)[1,2]是光電信息、光學(xué)工程、光電子技術(shù)專業(yè)本科生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是從事光學(xué)、光學(xué)工程及相關(guān)領(lǐng)域研究工作的基礎(chǔ)，也是激光光學(xué)、非線性光學(xué)、光電子學(xué)、量子光學(xué)、光通信技術(shù)、光纖光學(xué)等課程的基礎(chǔ)課程，具有十分重要的地位．由于物理光學(xué)需要豐富而又抽象的數(shù)理知識(shí)，又涉及諸多復(fù)雜的過(guò)程．學(xué)生要求具有較強(qiáng)的數(shù)理功底，因此學(xué)生普遍反映物理光學(xué)課堂講授較難理解，對(duì)于光學(xué)概念和光學(xué)現(xiàn)象感到很抽象和枯燥．雖然光作為一種物質(zhì)，但理論課堂上講授時(shí)，既看不見(jiàn)也摸不著，很難理解．同時(shí)，對(duì)任課教師也提出較高的要求，物理光學(xué)課程講授必須結(jié)合多種課堂教學(xué)方法，以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)提高教學(xué)質(zhì)量．多媒體教學(xué)、傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都一定程度上受到限制．

虛擬仿真技術(shù)[3]形象化的逼真演示效果，可以使得理論課堂教學(xué)變得生動(dòng)豐富，枯燥抽象的理論知識(shí)得到具體生動(dòng)形象的展示，從而對(duì)光學(xué)知識(shí)的理解和掌握得到加強(qiáng)，擴(kuò)大學(xué)生的感性認(rèn)知和視野，增強(qiáng)課堂教學(xué)效果，教學(xué)成本也低．本文以浙江師范大學(xué)物理光學(xué)課程課堂為例，探討以虛擬仿真的可視化教學(xué)來(lái)培養(yǎng)適合社會(huì)、企業(yè)所需求的高級(jí)專業(yè)人才．該課堂教學(xué)改革同樣可以應(yīng)用于該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)．

2　教學(xué)改革思路

為了全面提高物理光學(xué)課程的課堂教學(xué)，以及學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，提出基于VirtualLab軟件的虛擬仿真可視化教學(xué)改革思路．VirtualLab軟件是目前最先進(jìn)的建模光學(xué)軟件之一，顧名思義其本身就是為光學(xué)“虛擬仿真”而開(kāi)發(fā)的．VirtualLab是由德國(guó)LightTrans公司研發(fā)的、一款功能強(qiáng)大的光學(xué)仿真設(shè)計(jì)軟件．它基于電磁場(chǎng)核心理論，通過(guò)求解Maxwell方程組獲得整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)在空間各個(gè)部分的光波場(chǎng)矢量信息，即場(chǎng)追跡．該系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)用了有限元數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，在圖形化的交互窗口中統(tǒng)一用Light Path 流程圖的形式進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的建模與仿真分析，其中光源、光學(xué)元件、探測(cè)器都可以在光學(xué)元件庫(kù)中靈活調(diào)用，并且能隨時(shí)對(duì)其各種光學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行編輯，是一個(gè)統(tǒng)一化的光學(xué)建模與分析平臺(tái)．內(nèi)部集成了很多常規(guī)模塊化操作，無(wú)需復(fù)雜的建模，省去了煩瑣的理論建模、光學(xué)元件搭建、對(duì)準(zhǔn)、調(diào)整光路等工作，從而可以將更多的精力聚焦于光學(xué)的本質(zhì)理解上．

具體的虛擬仿真可視化課堂教改方案如下：

(1) 首先，基于先進(jìn)的VirtualLab軟件平臺(tái)，可以將物理光學(xué)中眾多具有復(fù)雜、抽象概念的課堂教學(xué)，通過(guò)簡(jiǎn)單的流程圖形式進(jìn)行建模、編程．將光在教學(xué)中不易展現(xiàn)的多種屬性和特征通過(guò)虛擬仿真軟件形象逼真地展現(xiàn)出來(lái)．同時(shí)，該軟件平臺(tái)使得教師及學(xué)生可以脫離復(fù)雜、煩瑣的實(shí)驗(yàn)搭建、對(duì)準(zhǔn)、調(diào)整光路等工作，從而更加直觀、方便地得到光的各種屬性，理解和感受光的本質(zhì)，進(jìn)而扎實(shí)掌握物理光學(xué)內(nèi)容．

(2) 其次，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出與物理光學(xué)課程所對(duì)應(yīng)的多個(gè)虛擬仿真系統(tǒng)．在本科生課堂教學(xué)中引入并演示，展現(xiàn)光的多種難以展示的特性，從而大大加深學(xué)生對(duì)光學(xué)知識(shí)的掌握和對(duì)光的本質(zhì)屬性的理解．

(3) 然后，教學(xué)課堂上闡述基于VirtualLab軟件的基本原理和理論．脫離復(fù)雜的理論公式，進(jìn)而讓學(xué)生自己學(xué)會(huì)搭建理論課堂中講授的光學(xué)例子，虛擬仿真出與現(xiàn)實(shí)光場(chǎng)一致的各種特性和屬性，這種循序漸進(jìn)的教學(xué)，逐漸引導(dǎo)學(xué)生并提高學(xué)習(xí)興趣．

(4) 最后，通過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)，使得學(xué)生自己能夠建模開(kāi)發(fā)出較為復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，虛擬仿真出所要實(shí)現(xiàn)的光場(chǎng)．通過(guò)鍛煉使得學(xué)生能夠充分理解光的本質(zhì)及各種光學(xué)應(yīng)用．以上操作可以在教學(xué)中的課堂中實(shí)現(xiàn)，也可以充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)機(jī)房進(jìn)行先進(jìn)光學(xué)虛擬仿真教學(xué)學(xué)習(xí)和演示．

3　虛擬仿真可視化實(shí)踐教學(xué)

以楊氏雙縫干涉為例．首先在理論課堂的講授中，闡明兩束光I1和I2的干涉的定義及其本質(zhì)，即光的疊加．并理論推導(dǎo)出兩束相干光疊加后的光場(chǎng)I分布公式

(1)

其次，在課堂中根據(jù)理論公式，結(jié)合VirtualLab軟件進(jìn)行干涉系統(tǒng)建模操作，既通過(guò)虛擬實(shí)現(xiàn)光學(xué)干涉的演示，提高學(xué)生對(duì)光干涉的理解，同時(shí)也通過(guò)演示實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)學(xué)生學(xué)習(xí)VirtualLab建模．虛擬實(shí)現(xiàn)軟件中有多種光源、光學(xué)元器件、探測(cè)器等，這些元器件分別可以對(duì)應(yīng)于理論公式中的參數(shù)，且直接拖曳到工作區(qū)作為建模使用．而軟件中沒(méi)有所需的雙縫元件，可以采用可編程理想元器件Program-mable Function代替，建立相應(yīng)的功能元件．同時(shí)可以對(duì)光源的波長(zhǎng)參數(shù)及各個(gè)光學(xué)元器件的參數(shù)進(jìn)行編輯和設(shè)置，以滿足實(shí)際需要．實(shí)例中光源為高斯光源，波長(zhǎng)為532 μm，束腰半徑為100 μm．探測(cè)器使用虛擬探測(cè)器Virtrual Screen．建模完成后點(diǎn)擊仿真計(jì)算按鈕即可獲得雙縫干涉面的光場(chǎng)的各種信息．

圖1為虛擬仿真獲得的光場(chǎng)．圖2(a)～2(d)分別為建模光路流程圖、光強(qiáng)分布、振幅分布、相位分布信息，這些信息非常直觀具體，對(duì)理解光的本質(zhì)屬性和基本概念極其有利．

圖1　雙縫干涉虛擬光場(chǎng)

圖2　雙縫干涉

與傳統(tǒng)相比，一般的虛擬仿真只能給出光強(qiáng)分布．而VirtualLab虛擬仿真則可以根據(jù)需要給出以往課堂教學(xué)中無(wú)法展現(xiàn)的信息，如波長(zhǎng)、相位、振幅、偏振等光的本質(zhì)特性．這些信息的展現(xiàn)使得枯燥抽象的光學(xué)理論課變得生動(dòng)活潑，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量．除了在課堂上理論結(jié)合VirtualLab軟件演示外，其次，學(xué)生可以在課后自己利用軟件將課堂教學(xué)的實(shí)例自己動(dòng)手復(fù)原，達(dá)到加強(qiáng)學(xué)習(xí)的效果．

另外，作為可視化仿真的另外一個(gè)例子，圖3(a)～3(d)分別為圓孔夫瑯禾費(fèi)衍射建模光路流程圖、光強(qiáng)分布、振幅分布、相位分布信息．圖4給出了典型的圓孔夫瑯禾費(fèi)衍射虛擬仿真光場(chǎng)．在以上的虛擬仿真系統(tǒng)中，通過(guò)改變光源類型、圓孔大小、形狀、結(jié)構(gòu)等參數(shù)，來(lái)實(shí)時(shí)地分析研究干涉或衍射光波場(chǎng)中任意位置的振幅、強(qiáng)度、相位分布等性質(zhì)．

圖3　圓孔夫瑯禾費(fèi)衍射

圖4　虛擬仿真衍射光場(chǎng)

4　結(jié)論

基于VirtualLab軟件平臺(tái)下，將復(fù)雜的虛擬仿真技術(shù)引入物理光學(xué)的課堂教學(xué)，學(xué)生自己可以親自動(dòng)手建模．將枯燥、復(fù)雜的物理光學(xué)課程變的生動(dòng)鮮活，像“搭積木”一樣容易．使得物理光學(xué)課程中各種枯燥抽象、難以理解的光的特征和屬性變得形象又逼真，學(xué)生可以脫離復(fù)雜的理論公式推導(dǎo)和計(jì)算，可將眾多復(fù)雜、抽象的物理光學(xué)概念和理論，通過(guò)簡(jiǎn)單的建模和可視化的形式逼真的展現(xiàn)，提高學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣以及增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果，從而明顯提高教學(xué)質(zhì)量．

ExplorationonPhysicsOpticsCourseTeachingbasedonVirtualSimulation

Qian YixianRen Zhijun

(College of mathematical and information engineering,Zhejiang Normal University,Jinhua,Zhejiang321004)

Abstract:Physics optics course is a very professional and required theory course for undergraduate students.It has the characteristics of abstract and bladness,which brings many difficulties in teaching.Aiming at the above characteristics,the paper mainly discusses the visual virtual simulation of physics optics based on VirtualLab software.Those complex and abstract concepts can be shown by using a simple optical modeling,so that we can improve students' learning interest and learning effect,also improve the teaching level of physical optics curriculum.

Keywords：physics optics;virtual simulation;virtualLab software;teaching reform