物理學(xué)專業(yè)《光學(xué)》課程教學(xué)中的幾點建議

李萬俊

摘 要 光學(xué)是物理學(xué)的重要分支學(xué)科，是物理學(xué)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程。通過該課程的學(xué)習，能夠讓學(xué)生了解光學(xué)的基本現(xiàn)象和掌握光學(xué)基本原理的同時，能提高學(xué)生獨立分析和解決各種光學(xué)問題的能力。因此，對光學(xué)課程進行優(yōu)化與改革對物理學(xué)專業(yè)的人才培養(yǎng)有重要意義。本文總結(jié)了筆者近幾年實施該課程中存在的問題和不足，提出關(guān)于物理學(xué)專業(yè)光學(xué)課程教學(xué)的幾點建議。

關(guān)鍵詞 光學(xué) 教學(xué)改革 微課 光學(xué)實驗

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

物理學(xué)是研究物質(zhì)運動最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科。光學(xué)是研究光的本性、光的傳播和光與物質(zhì)相互作用的一門科學(xué)，是物理學(xué)的重要分支學(xué)科。光學(xué)課程主要講授幾何光學(xué)、光學(xué)儀器的基本原理、光的干涉、光的衍射、光的偏振、光的吸收、色散和散射、光的量子性、激光、變換光學(xué)與全息照相以及解決各種光學(xué)問題的基本方法。光學(xué)與原子物理學(xué)、電動力學(xué)、量子力學(xué)、相對論、現(xiàn)代光學(xué)、光電子技術(shù)、固體光譜學(xué)、激光原理等后繼課程有密切的關(guān)系。光學(xué)又是一門應(yīng)用性很強的學(xué)科，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、文化生活、軍事國防、科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。光學(xué)課程的教學(xué)目標是使學(xué)生充分了解光學(xué)的基本現(xiàn)象，深入掌握光學(xué)的基本概念、基本原理和基本規(guī)律，了解它們在科研、生產(chǎn)和實踐上的應(yīng)用，并為后繼課程奠定必要的基礎(chǔ);切實提高學(xué)生獨立分析和解決各種光學(xué)問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的世界觀、思維方法和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的科學(xué)文化及專業(yè)素質(zhì)。

1物理學(xué)專業(yè)《光學(xué)》課程教學(xué)中存在的問題和不足

在大學(xué)物理學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)方案中，光學(xué)是物理學(xué)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，其教學(xué)內(nèi)容較為豐富，專業(yè)性較強，這對任課老師提出較高的要求。筆者通過近幾年的光學(xué)課程教學(xué)，發(fā)現(xiàn)存在以下幾點問題。首先，由于學(xué)時有限，光學(xué)部分課程屬于選講內(nèi)容，比如變換光學(xué)與全息照相和部分量子光學(xué)等內(nèi)容。但盡管如此，要在48學(xué)時的課堂教學(xué)中，將幾何光學(xué)、波動光學(xué)以及量子光學(xué)進行系統(tǒng)性講解，是非常有難度的，這必然要求任課老師要把握課程的重難點，合理的分配課時，為物理學(xué)專業(yè)后續(xù)課程打下堅實基礎(chǔ)。其次，從筆者所在物理學(xué)專業(yè)生源來看，部分同學(xué)在中學(xué)已學(xué)習了光學(xué)的一些基礎(chǔ)知識，但有相當多的同學(xué)沒有涉及到，學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊，對光學(xué)基礎(chǔ)知識的講解也必將成為課堂教學(xué)的一部分。再者，盡管學(xué)生對光及光學(xué)表現(xiàn)興趣濃厚，但隨著光學(xué)中有大量抽象的概念和原理出現(xiàn)，比如光的本性、干涉、衍射、偏振、半波帶法等，學(xué)生的學(xué)習興趣有所降低，要使學(xué)生完全理解這些抽象概念和原理，需要任課老師對其進行精細設(shè)計和剖析。此外，光學(xué)本身含有大量的實驗課程，但往往理論課程和實驗課程銜接不上，如何在理論課上適當引入一些源自生活的光學(xué)實驗，加強學(xué)生對光及光學(xué)的感性認識，對學(xué)生更好的理解光學(xué)現(xiàn)象和原理有積極作用。

2物理學(xué)專業(yè)《光學(xué)》課程教學(xué)中幾點建議

2.1光學(xué)微課程的引入

隨著信息時代的蓬勃發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)的新興教育技術(shù)近年來發(fā)展迅猛，并已對現(xiàn)代課堂教學(xué)帶來了一場革命。微課是現(xiàn)代教育技術(shù)與現(xiàn)代教育思想相結(jié)合的產(chǎn)物，近年來在大學(xué)物理課堂中的應(yīng)用越來越廣泛。應(yīng)用微課，不僅能有效地激發(fā)學(xué)生的大學(xué)物理課堂參與積極性，提升物理教學(xué)的信息輸入，還能夠?qū)崿F(xiàn)對物理課堂教學(xué)時間的拓展與延伸，提升大學(xué)生的自助學(xué)習能力。針對物理學(xué)專業(yè)對光學(xué)課程的教學(xué)要求，在有限的課時量的情況下，應(yīng)把教學(xué)重點放在波動光學(xué)部分。然而，對于幾何光學(xué)和量子光學(xué)部分又不得不涉及到，特別是幾何光學(xué)。實際上，幾何光學(xué)是波動光學(xué)的一種特殊情況，要讓學(xué)生系統(tǒng)理解波動光學(xué)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生必須首先認知幾何光學(xué)。其中，理解光的直線傳播、反射、折射，以及費馬原理和惠更斯原理等，對后續(xù)波動光學(xué)教學(xué)有重要意義。相比而言，幾何光學(xué)中成像等相關(guān)教學(xué)內(nèi)容對后續(xù)波動光學(xué)教學(xué)影響不大，可將該章節(jié)內(nèi)容制作成微課視頻，并結(jié)合線上和線下實施教學(xué)，為波動光學(xué)教學(xué)內(nèi)容提供更多的課堂教學(xué)時間。筆者在最近的一次光學(xué)課程中進行了嘗試，課堂教學(xué)系統(tǒng)講解了光學(xué)發(fā)展簡史、幾何光學(xué)的基礎(chǔ)知識、以及波動光學(xué)部分，對幾何光學(xué)中成像相關(guān)問題則進行線上和線下結(jié)合教學(xué)。在考查方式上，為了督促學(xué)生線上認真學(xué)習成像章節(jié)，將該章節(jié)作為期中考試全部內(nèi)容，期末考試主要集中在波動光學(xué)部分，且題型難度較往年有所增加。從期中考試結(jié)果來看，卷面分在80分以上占40.8%，及格率達到77.1%，反映出絕大多數(shù)學(xué)生能較好掌握成像章節(jié)內(nèi)容。從期末考試結(jié)果來看，卷面分在80分以上占51.1%，及格率達到82.3%，表明絕大多數(shù)學(xué)生系統(tǒng)掌握了波動光學(xué)內(nèi)容，達到了教學(xué)預(yù)期目標。此外，筆者還將微課應(yīng)用到課后習題講解，通過學(xué)生后期反饋，習題微課能讓學(xué)生不斷反復(fù)學(xué)習，利于學(xué)生對習題進行深入理解，對學(xué)生熟練掌握對應(yīng)知識點起著重要的作用。

2.2光學(xué)趣味小實驗的引入

光學(xué)課程專業(yè)性較強，存有大量抽象的概念和原理。課堂教學(xué)中適當引入趣味光學(xué)實驗，有利于加強學(xué)生對光學(xué)的感性認識。例如，日常生活中，學(xué)生很難察覺到有關(guān)光的衍射現(xiàn)象，加大了學(xué)生理解光的衍射的難度。為此，課堂上有必要設(shè)計光的衍射小實驗，加強學(xué)生對光的衍射現(xiàn)象的認識。圖1所示是筆者設(shè)計的光的衍射小實驗，素材包括手機自帶電筒、針、錫箔紙等，用針在錫箔紙上扎一些小孔，小孔可按照麻將中“筒”花色進行排列，然后將手機電筒直射到錫箔紙上，即可看到如圖1所示的圖像。通過實踐教學(xué)后，筆者發(fā)現(xiàn)當學(xué)生看到“筒”花色形狀時，課堂氣氛非常好，學(xué)生專注度高，學(xué)生后期反饋較好。因此，設(shè)計有趣的光學(xué)小實驗，有利于學(xué)生對光學(xué)的感性認識，益于學(xué)生理解抽象的光學(xué)現(xiàn)象和原理。

2.3光學(xué)虛擬實驗的引入

虛擬實驗作為信息時代的產(chǎn)物，已被廣泛應(yīng)用到教學(xué)中，它能有效解決傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)受到的限制，充分發(fā)揮虛擬實驗?zāi)茱@示理想物理模型、保證實驗安全、打破時空和經(jīng)濟限制等一系列特性和優(yōu)勢等。圖2顯示的是圓孔衍射虛擬實驗的截屏，該實驗可以向?qū)W生展示小孔形狀、小孔大小、入射波長等參數(shù)變化對衍射現(xiàn)象的影響，同時還能演示更復(fù)雜的衍射現(xiàn)象。因此，虛擬實驗?zāi)苡行浹a傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限性，讓學(xué)生更好地理解抽象的光學(xué)現(xiàn)象和相關(guān)原理。

3結(jié)論

光學(xué)是物理學(xué)的重要分支學(xué)科，又是一門應(yīng)用性很強的學(xué)科，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、文化生活、軍事國防、科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。本文筆者結(jié)合近幾年的實踐教學(xué)，針對光學(xué)課程教學(xué)中存在的一些問題和不足，提出了微課輔助教學(xué)、趣味光學(xué)實驗設(shè)計以及虛擬實驗教學(xué)等手段。筆者通過實踐教學(xué)，提高了學(xué)生的自助學(xué)習能力，獲得了較好的教學(xué)效果，希望為今后更好的推動光學(xué)的教學(xué)提供參考。

注釋

① https：//phet.colorado.edu/zh_CN/.

參考文獻

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