光學(xué)教學(xué)中知識(shí)擴(kuò)展的探索

摘 要： 本文探討了光學(xué)教學(xué)中知識(shí)擴(kuò)展的問題，論述了如何將現(xiàn)代光學(xué)的主要內(nèi)容融合到光學(xué)的課程中，并結(jié)合實(shí)例討論了如何銜接基礎(chǔ)光學(xué)知識(shí)與現(xiàn)代光學(xué)知識(shí)問題。

關(guān)鍵詞： 光學(xué)教學(xué) 現(xiàn)代光學(xué) 教學(xué)改革 知識(shí)擴(kuò)展

一、前言

光學(xué)作為物理學(xué)的一門基礎(chǔ)學(xué)科，在幫助本科物理類專業(yè)學(xué)生知識(shí)框架的構(gòu)建過程中有著極其重要的作用，光學(xué)在現(xiàn)代物理學(xué)已經(jīng)成為發(fā)展最快的一門學(xué)科。然而長期以來，該課程的教學(xué)總是以傳統(tǒng)的幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)為主，現(xiàn)代光學(xué)部分和最新光學(xué)發(fā)展雖然在一些教材中有所體現(xiàn)［１］，但涉及面不廣，學(xué)生對(duì)光學(xué)課程學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)為內(nèi)容陳舊、與實(shí)際有所脫離。光學(xué)課程沒有其他普通物理課程的后續(xù)課程，導(dǎo)致物理類專業(yè)本科生在大學(xué)期間對(duì)現(xiàn)代光學(xué)方面的知識(shí)框架不夠完善。

本文針對(duì)目前光學(xué)課程中缺少現(xiàn)代光學(xué)內(nèi)容的問題進(jìn)行了探討，提出了教學(xué)中知識(shí)擴(kuò)展的方法和原則，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了論述。

二、適當(dāng)精簡(jiǎn)傳統(tǒng)光學(xué)部分

目前大部分高校光學(xué)課程的課時(shí)安排緊湊，教師沒有非常充足的時(shí)間去講解，故而需要對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)木?jiǎn)，在保證基本內(nèi)容的前提下，壓縮和刪除基礎(chǔ)光學(xué)中的非主體部分、與其他學(xué)科重復(fù)的部分和內(nèi)容過時(shí)陳舊的內(nèi)容。對(duì)于刪除部分，可以適當(dāng)講解其基本概念和應(yīng)用，以便學(xué)生需要時(shí)方便查詢。

傳統(tǒng)光學(xué)部分在進(jìn)行精簡(jiǎn)的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)傳統(tǒng)部分的教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性，內(nèi)容上應(yīng)當(dāng)增加各章節(jié)知識(shí)本身的內(nèi)在規(guī)律性及相互聯(lián)系。例如教材［１］，幾何光學(xué)中應(yīng)當(dāng)以費(fèi)馬原理作為光線光學(xué)的理論基礎(chǔ)去分析或追究光線徑跡；從波動(dòng)光學(xué)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(gè)波動(dòng)光學(xué)，干涉、衍射、偏振均可看作不同條件下波的疊加結(jié)果。注重課程內(nèi)容的條理化，雖然波動(dòng)光學(xué)和幾何光學(xué)看似聯(lián)系不十分緊密，但是自始至終都離不開的兩個(gè)概念就是光程和相位差，所以在整個(gè)基礎(chǔ)光學(xué)部分的教學(xué)中要始終貫穿這兩個(gè)基本概念使教學(xué)內(nèi)容渾然一體。［２］

三、結(jié)合課程，適當(dāng)擴(kuò)展

在光學(xué)課程中，擴(kuò)展現(xiàn)代光學(xué)的內(nèi)容，不能為了現(xiàn)代光學(xué)部分的系統(tǒng)性和完整性而將所有現(xiàn)代光學(xué)的部分納入光學(xué)課程的教學(xué)中來，而是要有所選擇，并根據(jù)光學(xué)課程的內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展。在光學(xué)基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，講解某種光學(xué)器件應(yīng)用的研究和進(jìn)一步的發(fā)展、光的某種特性的應(yīng)用等。內(nèi)容擴(kuò)展要與光學(xué)課程中的基本知識(shí)相協(xié)調(diào)，不能盲目將現(xiàn)代光學(xué)知識(shí)“加塞”到基礎(chǔ)光學(xué)課程中。

擴(kuò)展的內(nèi)容要認(rèn)真統(tǒng)籌，合理規(guī)劃。首先，擴(kuò)展的現(xiàn)代光學(xué)知識(shí)要具有熱點(diǎn)性。根據(jù)當(dāng)今時(shí)代光學(xué)研究的熱點(diǎn)精心選擇，這就要求教師在教學(xué)同時(shí)，加大對(duì)當(dāng)今光學(xué)發(fā)展潮流的準(zhǔn)確把握，對(duì)教師基本能力等就有了較高要求。由于光學(xué)的發(fā)展十分迅猛，故而每年的擴(kuò)展知識(shí)點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際情況有一定的變化。其次，擴(kuò)展內(nèi)容不宜過難。短時(shí)間將難度較大的知識(shí)傳授給學(xué)生會(huì)導(dǎo)致學(xué)生無法消化理解，學(xué)習(xí)興趣降低。應(yīng)根據(jù)不同高校本科生的具體情況而設(shè)定，不宜將難度過大、理論推導(dǎo)較多的知識(shí)點(diǎn)作為擴(kuò)展內(nèi)容。最后，擴(kuò)展內(nèi)容不宜過多。近些年來，由于以提高學(xué)生綜合能力的其他課程課時(shí)量逐漸增多，作為物理學(xué)類專業(yè)本科生基礎(chǔ)課程的光學(xué)課程課時(shí)量有一定的減少，在本不充足的課時(shí)中加入過多的擴(kuò)展知識(shí)，會(huì)增加學(xué)生壓力，易導(dǎo)致其厭學(xué)。

四、堅(jiān)持引導(dǎo)而不展開的基本原則

現(xiàn)代光學(xué)中的一些結(jié)論，需要較復(fù)雜的數(shù)學(xué)推理過程，部分?jǐn)?shù)學(xué)理論知識(shí)較深較難，對(duì)于低年級(jí)物理類本科生學(xué)習(xí)難度大，不宜過多講解。在時(shí)間上，由于該課程的課時(shí)量講解全部光學(xué)內(nèi)容已經(jīng)不夠充足，沒有留給教師過多的時(shí)間進(jìn)行知識(shí)擴(kuò)展。因此，在光學(xué)課程中對(duì)現(xiàn)代光學(xué)部分的擴(kuò)展應(yīng)堅(jiān)持引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)而不深入展開的基本原則。

擴(kuò)展內(nèi)容應(yīng)當(dāng)以現(xiàn)代光學(xué)的基本知識(shí)點(diǎn)、基本原理和思路、應(yīng)用及未來發(fā)展方向、面臨需要解決的問題等方面為主要擴(kuò)展內(nèi)容，而對(duì)知識(shí)點(diǎn)中的基本公式的推導(dǎo)不予講解，但可以引導(dǎo)有興趣和學(xué)有余力的學(xué)生自行學(xué)習(xí)。在擴(kuò)展部分教師可以以科學(xué)普及的方式對(duì)學(xué)生講解。

五、擴(kuò)展實(shí)例

根據(jù)課程的實(shí)際教學(xué)內(nèi)容，適時(shí)地引入擴(kuò)展實(shí)例，本文以教材［１］為例，介紹在光學(xué)課程教學(xué)過程中如何引入擴(kuò)展知識(shí)。

1.光柵尺的引入

教材［１］在第二章第8節(jié)內(nèi)容中講解了光柵的基本特性，可以在此基礎(chǔ)上，引入莫爾效應(yīng)及其應(yīng)用——光柵尺。

人們將兩組條紋疊加在一起所產(chǎn)生的圖形稱為莫爾條紋。在光柵移動(dòng)過程中，莫爾條紋的個(gè)數(shù)與光柵移動(dòng)距離有關(guān)，通過計(jì)算莫爾條紋的個(gè)數(shù)可以得到光柵移動(dòng)的距離。［３］

2.光纖通信的引入

教材［１］在第三章第4節(jié)中講述了光學(xué)纖維的基本內(nèi)容，可以在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展光纖通信的知識(shí)及光孤子方面的研究成果。

光纖通信即光導(dǎo)纖維通信，就是利用廣島纖維傳輸信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞的一種通信形式。可以把光纖通信看作是以光導(dǎo)纖維為傳輸媒介的“有線”光通信。光纖通信具有在單位時(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)男畔⒘看蟆⒔ㄔO(shè)費(fèi)用低、體積小、重量輕、金屬少、抗電磁干擾能力強(qiáng)、抗輻射性強(qiáng)、保密性好、頻帶寬，抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)。［４］

光纖通信難以解決的兩個(gè)問題是能量損耗和色散，光孤子的非線性效應(yīng)可以和色散效應(yīng)相抵消，使脈寬基本保持不變。困難是如何補(bǔ)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(zhì)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(guān)于光與微粒子相互作用實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上于1986年發(fā)明的。單光束粒子阱實(shí)質(zhì)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(wǎng)羅住整個(gè)米氏和瑞利散射范圍粒子的勢(shì)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(xì)胞器等，并在基本不影響周圍環(huán)境的情況下對(duì)捕獲物進(jìn)行亞接觸性、無損活體操作。這使得在單個(gè)生物大分子及其復(fù)合體層面上對(duì)生命活動(dòng)進(jìn)行研究成為可能，事實(shí)上光鑷很快成為這方面研究的有力工具。利用光鑷技術(shù)很快取得了動(dòng)力原蛋白運(yùn)動(dòng)機(jī)制研究。DNA分子的非線性彈性拉伸應(yīng)變和DNA聚合鏈特征性運(yùn)動(dòng)對(duì)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(dāng)今最熱的納米激光器。

2001年美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員在只及人類頭發(fā)絲千分之一直徑的納米光導(dǎo)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(fā)射紫外光，經(jīng)過調(diào)整后還能發(fā)射從藍(lán)光到深紫外的光。［６］

納米激光器在很多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程中例如生物傳感器、顯微術(shù)和激光外科，以及也有可能把納米激光器用于鑒別化學(xué)物質(zhì)。同時(shí)納米激光器在光計(jì)算、信息存儲(chǔ)和納米分析等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。納米激光器可以用于電路，可以裝入芯片提高計(jì)算機(jī)磁盤信息存儲(chǔ)量，以及未來光子計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)量，加速信息技術(shù)的集成化發(fā)展。

5.信息光學(xué)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(xué)。

由于激光器的應(yīng)用，全息術(shù)獲得了新的生命。全息術(shù)和光學(xué)傳遞函數(shù)的概念結(jié)合，使光學(xué)研究不再限于用光強(qiáng)、振幅的空間分布來描述光學(xué)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(xì)節(jié)等比較高的“空間頻率”成分構(gòu)成的，用頻率的分布和變化來描述光學(xué)圖像。一門新的學(xué)科——信息光學(xué)從傳統(tǒng)的經(jīng)典波動(dòng)光學(xué)中脫穎而出。［３］

六、結(jié)語

文章論述了如何在光學(xué)課程中加入現(xiàn)代光學(xué)的知識(shí)擴(kuò)展問題，講解了在知識(shí)擴(kuò)展過程中應(yīng)注意的問題，并結(jié)合實(shí)例對(duì)如何銜接基礎(chǔ)光學(xué)知識(shí)與現(xiàn)代光學(xué)知識(shí)問題進(jìn)行了探討。目前光學(xué)內(nèi)容已經(jīng)略顯陳舊，對(duì)現(xiàn)代光學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)展應(yīng)主要引導(dǎo)學(xué)生自行學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)物理類本科生掌握現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)以提高綜合素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

［1］姚啟鈞.光學(xué)教程（第三版）.北京：高等教育出版社，2002.

［2］鄧文武，孫利輝.光學(xué)課程教學(xué)中開設(shè)現(xiàn)代科技知識(shí)“窗口”的探索.高等函授學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010.4，23，（2）:23-25.

［3］蘇顯渝，李繼陶.信息光學(xué).北京：科學(xué)出版社，2007.

［4］程黎軍.淺談光纖通信技術(shù).科技風(fēng)，2011，20:57.

［5］姚建銓，安源，趙海泉.光鑷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)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(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì).電子元器件應(yīng)用，2004，4：1-3，9.