光學教學中知識擴展的探索

摘 要： 本文探討了光學教學中知識擴展的問題，論述了如何將現代光學的主要內容融合到光學的課程中，并結合實例討論了如何銜接基礎光學知識與現代光學知識問題。

關鍵詞： 光學教學 現代光學 教學改革 知識擴展

一、前言

光學作為物理學的一門基礎學科，在幫助本科物理類專業學生知識框架的構建過程中有著極其重要的作用，光學在現代物理學已經成為發展最快的一門學科。然而長期以來，該課程的教學總是以傳統的幾何光學、波動光學為主，現代光學部分和最新光學發展雖然在一些教材中有所體現［１］，但涉及面不廣，學生對光學課程學習的評價為內容陳舊、與實際有所脫離。光學課程沒有其他普通物理課程的后續課程，導致物理類專業本科生在大學期間對現代光學方面的知識框架不夠完善。

本文針對目前光學課程中缺少現代光學內容的問題進行了探討，提出了教學中知識擴展的方法和原則，并結合實例進行了論述。

二、適當精簡傳統光學部分

目前大部分高校光學課程的課時安排緊湊，教師沒有非常充足的時間去講解，故而需要對傳統光學部分進行適當的精簡，在保證基本內容的前提下，壓縮和刪除基礎光學中的非主體部分、與其他學科重復的部分和內容過時陳舊的內容。對于刪除部分，可以適當講解其基本概念和應用，以便學生需要時方便查詢。

傳統光學部分在進行精簡的同時，應當加強傳統部分的教學內容的系統性，內容上應當增加各章節知識本身的內在規律性及相互聯系。例如教材［１］，幾何光學中應當以費馬原理作為光線光學的理論基礎去分析或追究光線徑跡；從波動光學眼光看，光線反映了光能流的傳播路線；以疊加原理為主線貫穿整個波動光學，干涉、衍射、偏振均可看作不同條件下波的疊加結果。注重課程內容的條理化，雖然波動光學和幾何光學看似聯系不十分緊密，但是自始至終都離不開的兩個概念就是光程和相位差，所以在整個基礎光學部分的教學中要始終貫穿這兩個基本概念使教學內容渾然一體。［２］

三、結合課程，適當擴展

在光學課程中，擴展現代光學的內容，不能為了現代光學部分的系統性和完整性而將所有現代光學的部分納入光學課程的教學中來，而是要有所選擇，并根據光學課程的內容進行擴展。在光學基本內容的基礎上，講解某種光學器件應用的研究和進一步的發展、光的某種特性的應用等。內容擴展要與光學課程中的基本知識相協調，不能盲目將現代光學知識“加塞”到基礎光學課程中。

擴展的內容要認真統籌，合理規劃。首先，擴展的現代光學知識要具有熱點性。根據當今時代光學研究的熱點精心選擇，這就要求教師在教學同時，加大對當今光學發展潮流的準確把握，對教師基本能力等就有了較高要求。由于光學的發展十分迅猛，故而每年的擴展知識點可以根據實際情況有一定的變化。其次，擴展內容不宜過難。短時間將難度較大的知識傳授給學生會導致學生無法消化理解，學習興趣降低。應根據不同高校本科生的具體情況而設定，不宜將難度過大、理論推導較多的知識點作為擴展內容。最后，擴展內容不宜過多。近些年來，由于以提高學生綜合能力的其他課程課時量逐漸增多，作為物理學類專業本科生基礎課程的光學課程課時量有一定的減少，在本不充足的課時中加入過多的擴展知識，會增加學生壓力，易導致其厭學。

四、堅持引導而不展開的基本原則

現代光學中的一些結論，需要較復雜的數學推理過程，部分數學理論知識較深較難，對于低年級物理類本科生學習難度大，不宜過多講解。在時間上，由于該課程的課時量講解全部光學內容已經不夠充足，沒有留給教師過多的時間進行知識擴展。因此，在光學課程中對現代光學部分的擴展應堅持引導學生學習而不深入展開的基本原則。

擴展內容應當以現代光學的基本知識點、基本原理和思路、應用及未來發展方向、面臨需要解決的問題等方面為主要擴展內容，而對知識點中的基本公式的推導不予講解，但可以引導有興趣和學有余力的學生自行學習。在擴展部分教師可以以科學普及的方式對學生講解。

五、擴展實例

根據課程的實際教學內容，適時地引入擴展實例，本文以教材［１］為例，介紹在光學課程教學過程中如何引入擴展知識。

1.光柵尺的引入

教材［１］在第二章第8節內容中講解了光柵的基本特性，可以在此基礎上，引入莫爾效應及其應用——光柵尺。

人們將兩組條紋疊加在一起所產生的圖形稱為莫爾條紋。在光柵移動過程中，莫爾條紋的個數與光柵移動距離有關，通過計算莫爾條紋的個數可以得到光柵移動的距離。［３］

2.光纖通信的引入

教材［１］在第三章第4節中講述了光學纖維的基本內容，可以在此基礎上擴展光纖通信的知識及光孤子方面的研究成果。

光纖通信即光導纖維通信，就是利用廣島纖維傳輸信號，以實現信息傳遞的一種通信形式。可以把光纖通信看作是以光導纖維為傳輸媒介的“有線”光通信。光纖通信具有在單位時間內能傳輸的信息量大、建設費用低、體積小、重量輕、金屬少、抗電磁干擾能力強、抗輻射性強、保密性好、頻帶寬，抗干擾性好等優點。［４］

光纖通信難以解決的兩個問題是能量損耗和色散，光孤子的非線性效應可以和色散效應相抵消，使脈寬基本保持不變。困難是如何補充能量。

3.光鑷的引入

教材［１］在第七章講述了光的量子性，光子是有質量的粒子。此處可以引入光鑷的概念。

光鑷又稱單光束粒子阱，是在1969年以來關于光與微粒子相互作用實驗的基礎上于1986年發明的。單光束粒子阱實質上是光輻射壓梯度力阱，是基于散射力和輻射壓梯度力相互作用而形成的能夠網羅住整個米氏和瑞利散射范圍粒子的勢阱。它是由高度匯聚的單束激光形成的，可彈性地捕獲從幾nm幾十μm的生物或其他大分子微粒球）、細胞器等，并在基本不影響周圍環境的情況下對捕獲物進行亞接觸性、無損活體操作。這使得在單個生物大分子及其復合體層面上對生命活動進行研究成為可能，事實上光鑷很快成為這方面研究的有力工具。利用光鑷技術很快取得了動力原蛋白運動機制研究。DNA分子的非線性彈性拉伸應變和DNA聚合鏈特征性運動對生物材料的黏彈性影響等突破性研究成果。［５］

4.納米激光器

教材［１］在第八章論述了激光器的基本原理，此處可以引入當今最熱的納米激光器。

2001年美國加利福尼亞大學伯克利分校的研究人員在只及人類頭發絲千分之一直徑的納米光導線上制造出了世界上最小的激光器——納米激光器。這種激光器不僅能發射紫外光，經過調整后還能發射從藍光到深紫外的光。［６］

納米激光器在很多領域有廣闊的應用前景，化學和生物醫學工程中例如生物傳感器、顯微術和激光外科，以及也有可能把納米激光器用于鑒別化學物質。同時納米激光器在光計算、信息存儲和納米分析等領域也得到了廣泛應用。納米激光器可以用于電路，可以裝入芯片提高計算機磁盤信息存儲量，以及未來光子計算機的信息存儲量，加速信息技術的集成化發展。

5.信息光學的引入

教材［１］在八章論述了全息照相的概念，此處可以引入信息光學。

由于激光器的應用，全息術獲得了新的生命。全息術和光學傳遞函數的概念結合，使光學研究不再限于用光強、振幅的空間分布來描述光學圖像，而把圖像看做是由緩慢變化的背景、粗的輪廓等比較低的“空間頻率”成分和急劇變化的細節等比較高的“空間頻率”成分構成的，用頻率的分布和變化來描述光學圖像。一門新的學科——信息光學從傳統的經典波動光學中脫穎而出。［３］

六、結語

文章論述了如何在光學課程中加入現代光學的知識擴展問題，講解了在知識擴展過程中應注意的問題，并結合實例對如何銜接基礎光學知識與現代光學知識問題進行了探討。目前光學內容已經略顯陳舊，對現代光學內容的擴展應主要引導學生自行學習，鼓勵物理類本科生掌握現代光學技術以提高綜合素質。

參考文獻：

［1］姚啟鈞.光學教程（第三版）.北京：高等教育出版社，2002.

［2］鄧文武，孫利輝.光學課程教學中開設現代科技知識“窗口”的探索.高等函授學報（自然科學版），2010.4，23，（2）:23-25.

［3］蘇顯渝，李繼陶.信息光學.北京：科學出版社，2007.

［4］程黎軍.淺談光纖通信技術.科技風，2011，20:57.

［5］姚建銓，安源，趙海泉.光鑷技術的發展與應用.光電子.激光，2004，1，15，（1）:123-128.

［6］程開富.納米光電子器件的最新進展及發展趨勢.電子元器件應用，2004，4：1-3，9.