物理光學本科教學體會

黃元申，李柏承，徐邦聯，張大偉，倪爭技

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

物理光學本科教學體會

黃元申，李柏承，徐邦聯，張大偉，倪爭技

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

在深入調研歷屆、應屆本科生和碩士研究生物理光學的學習情況后，總結了上海理工大學光電信息與計算機工程學院工程光學A（2）（波動光學）本科教學經驗，提出了五點改進教學的方法，即：提高學生的學習興趣、明確物理定律的來龍去脈、實行多媒體與傳統板書的結合、加強物理概念和定律的理解以及保證習題練習的質量。通過實踐應用發揮了學生的創新能力，取得了比較滿意的效果。

物理光學；課程教學；教學實踐

物理光學和幾何光學是工程光學的兩大部分，是光學工程專業學生的專業基礎課程。學好物理光學對學生們進一步學習和理解其他光學專業課程內容十分重要。物理光學涉及光的電磁場理論、光的干涉和衍射、光偏振與晶體光學、傅里葉光學和金屬光學等等。根據大綱對于本科學生的要求，教學內容壓縮為四個章節，分別為光的電磁理論、光的干涉和干涉儀、光的衍射和光的偏振與晶體光學基礎，總學時為32學時。教學目標：使學生掌握波動光學的基本原理以及波動光學技術的應用，了解和掌握有關物理儀器的原理和相關測試技術的方法，為從事專業工作或進一步學習相關課程打下基礎。雖然大綱僅要求講解四部分內容，但在有限的32學時里講清楚各個物理原理，并進行實例分析和習題訓練，授課時間還是偏少。此外，大二學生剛剛開始接受專業課程的學習，還不適應，尤其是面對大量枯燥的公式，抽象的物理概念，普遍反映很難，不理解。因而，如何深入淺出地講好物理光學這門課是教師需要深思的問題。

從已畢業的本科生或碩士研究生反饋的信息可知，學生在學校學習時往往因不知道所學課程有何實際應用價值而調動不起學習的積極性，也沒有熱情去主動學會它掌握它，只是比葫蘆畫瓢應付考試。等到工作之后需要用這些知識的時候才會意識到它們的重要性，然而此時卻是追悔莫及。針對這種情況，課程組進行了一些探索，取得比較滿意的效果。

一、教學方法和手段

（一）提高學生的學習興趣

光學的發展本身就是人類科學發展中的重要組成部分，是人類認識宇宙，改造自然必須掌握的工具。一方面，正是由于光的存在才會使我們擁有五彩繽紛的世界，另一方面，我們若想更好地了解世界、發現自然界的規律，又必須要借助光學的手段。尤其是在我們現在生活的年代，大到對宇宙、空間、時間的探索，再到航空航天、導彈衛星、生物醫學等高科技領域的研究，小到照明裝飾、成像顯示、太陽能等與每個人生活息息相關的領域，都是屬于光學的研究范疇。通過在課程的初期向學生傳遞光學研究的重大現實意義，并向他們展示一些利用光學手段取得的重要研究成果，如向學生們展示利用哈勃望遠鏡和開普勒望遠鏡拍攝的星系照片，從而讓他們認識到光學在人類了解宇宙的過程中的特殊貢獻。當學生們意識到光學的重要性后，學習物理光學的興趣便會自然地得到提高。

其次，通過講解光學發展史，即從牛頓的粒子說到惠更斯的波動說，再到麥克斯韋的電磁場理論，最后是光的波粒二象性及量子光學，闡明雖然光的本性在于原子內部發生的事件，經典力學和光的電磁場理論都無法成功的解釋清楚，需要運用量子理論加以說明，但是光的波動理論在光的傳播方面仍然是觀察、分析、解釋自然光現象的理論基礎。量子光學理論并沒有使光的電磁場理論和技術失去作用，只不過是揭示了它們的能力限度。同時，通過回顧光的發展歷史，也可以向同學們解釋科學與實驗的關系。科學就是人們每天看見的東西的一種特別解釋。它起源于一個問題的出現和人們的好奇心。有些東西科學家不能用通常的理論解釋，就需要更努力的思考或更仔細的觀察也許能夠解決問題。如果仍然不行，就會激發科學家的想象力，是不是需要以一種完全不同的方式來看待這個問題？科學家們永遠在尋找更好的解釋。任何一種新的解釋不僅僅要講清楚新的問題，還需要與以前所有仍然有效的各種解釋相容。任何一種新的科學理論，除了必須成功地解釋科學家們已經觀察到的各種現象以外，還必須能夠正確預言沒有做過的試驗的結果。正是這種對新科學思想的嚴格檢驗，推動了自然科學的不斷發展。

麥克斯韋把電磁場的普遍規律總結為麥克斯韋方程組并以此預言光是一種電磁波的過程就是一個很好的例子。通過復習電場和磁場的高斯定律，尤其是安培環路定律和法拉第電磁感應定律，進一步闡述麥克斯韋引入的位移電流和渦旋電場的概念，從而進一步說明了導體中的感應電動勢只是電場作用的表現，即使沒有任何導體存在，只要磁場在變化，這種電場總是存在；同樣變化的電場 （位移電流）與穩恒電流一樣，也能產生磁場。麥克斯韋以此新理論為依據預言光是一種電磁波。1888年赫茲通過一系列的實驗證實這個預言，于是誕生了光的電磁場理論。麥克斯韋方程組是一種新的與過去理論相容的理論，并且正確地預言了未被實驗證實的結果，以后實驗證明了它的正確性，這樣的理論才是具有科學性的。

（二）明確物理定律的來龍去脈

教學實踐證明32個學時要講清楚四個章節的內容有難度。教材［1］在某些內容上進行了簡化，有些定律是直接給出的，這導致大多數學生反映聽不懂，搞不明白。針對這種情況，采取的方法是推薦兩本參考書［2－3］，并預先通知學生進行預習，在講課時避免大量的公式推演，扼要講解基本定律或公式的由來，使學生不會感到非常突兀，使講授的內容更具有連續性和系統性，便于學生的理解和接受。例如要學生理解1／4玻片的偏振特性和偏振光的干涉現象僅僅通過實驗演示或者定性分析單軸晶體的雙折射現象和原理，學生很難很快接受。必須講清楚菲涅耳方程的由來 （不需要詳細的推導）和由麥克斯韋方程組得出的波矢量k、坡印廷矢量s、兩個電感強度Do、De和兩個電場強度Eo、Ee所構成的兩組右手法則，再繼續說明單軸晶體菲涅耳方程解的兩個折射率no和ne在晶體中存在的不同物理意義，最后結合惠更斯作圖法解釋清楚在入射光垂直于晶體表面，而同時光軸又平行于晶體表面時，在晶體中產生的雙折射現象的特點，從而讓學生理解1／4玻片的傳播特性，進一步能夠理解光的偏振干涉。

（三）實行多媒體與傳統板書的結合

多媒體技術正在逐步變革著教師的教學方式、學生的學習方式、教學內容的呈現方式和師生的互動方式，也促使課程組對教學過程進行新的認識和思考。教師運用教學課件、互聯網絡、錄音錄像、視頻展示等現代教育技術進行教學，由于其形象直觀的表現形式，豐富多彩的課堂信息量，充分調動了教師的積極性和學生的學習熱情。在制作教學課件時，教師不僅僅局限于PPT幻燈片的播放，針對物理光學課程的特點，還添加了Flash動畫，模擬光線的傳輸，動態地解析物理過程。例如，在楊氏雙縫干涉中，讓光動態地逐步穿過單縫和雙縫到達觀察屏，以有區別的顏色表示相長和相消的光線，在觀察屏上顯示出明暗相間的條紋，而且通過改變雙縫距離、觀察屏和雙縫的距離以及光的波長（以光線顏色表示），來直觀形象地說明三者分別對干涉條紋的影響。通過這樣的動畫演示，既可非常清楚地把要說明的問題反映出來，幫助學生深刻理解較抽象和較復雜的教材內容，又能使學生在輕松愉快的教學氛圍中學習，收到很好的效果。

此外，利用多媒體教學雖然授課的信息量大了，但是在進行公式推導時，運用多媒體課件，鼠標一點就會有一個一個的公式出來，一個公式還未看清，下一個公式就蹦出來了，讓學生來不及思考，有一種囫圇吞棗的感覺，教師也感覺沒達到好的教學效果。為此，要根據實際情況認真研究，對于不同的授課內容研究如何將這種全新的教學手段與傳統的板書教學手段有機結合，相得益彰，各自發揮其優勢，使課堂教學得到事半功倍的效果。在重要公式推導上以板書為主，而對于物理現象的結果則以演示為主幫助理解。

（四）加強物理概念和定律的理解

許多文章都闡述了課堂演示實驗的重要性［4］。物理光學是一門應用十分廣泛的學科。因此實驗是授課中必不可少的內容。如各種光學零件的表面粗糙度、平面度、以及長度、角度的測量，至今最精密的方法仍然是光的干涉法。各種光學干涉儀器是光學儀器中最為精密的測量儀器之一。以光學衍射原理制成的光柵光譜儀，在分析物質的微結構和化學成分等方面起著十分重要的作用。此外，許多的自然現象都可以用物理光學的原理加以解釋。由于這些特點，在授課時要結合生活中觀察到的現象來幫助學生理解物理光學中的一些內容，以此來提高學生的學習的興趣，更重要的是讓學生知道這些知識具有實際應用價值。這些現象可以是多媒體演示，也可以是實驗演示。例如在講解光的干涉時可以用學生小時候玩過的肥皂泡和生活中經常看見的油膜形成的彩色條紋加以解釋，也可以用水中兩個振蕩源產生的干涉圖案形象生動的說明光的干涉現象。在講解光的散射時可以用自然現象加深理解，如晴朗的天空是藍色的，多云的天空是白色的等。實驗是學生用于驗證科學定律，理解并發揮創造力的很好辦法。例如應用光學樣板和平面干涉儀檢測光學零件的表面質量，搭建全息光柵曝光系統，通過曝光顯影蒸鍍反射膜等工藝，加工出反射全息光柵，來驗證光的干涉 （光柵條紋的形成）和光的衍射現象等。

（五）保證習題練習的質量

習題是幫助學生進一步理解和應用物理定律的過程。有選擇的選取相關題目進行練習對鞏固學到的知識十分必要。但是更為重要的是讓學生將學到的知識應用到實踐中去，只有這樣才能反映學生對知識的實際掌握程度，提高學習的熱情和興趣，培養學生的創新能力。課程組建議在每次講課后布置適量的練習題。在講完一個章節后，布置一道實踐題。這個題目可以由學生們自己選擇的，也可以是老師統一布置的；可以是生活中現象的再顯，也可以是實驗室里進行的科學研究用的。例如，在講完光的干涉章節后，可以布置學生們做一些干涉小實驗，如在水上滴一滴油，然后在陽光下觀察，將貼膜的手機放在太陽下，從某個角度觀察等等；同時，也可以由老師統一安排實驗課，做一個采用光的干涉原理來進行精密測量的實驗。如為了檢測隔振平臺上精密儀器或設備由于外界或平臺上的振動帶來的及其微量的相對位移量，讓學生搭建一套邁克爾遜干涉儀進行測量，觀察并記錄干涉條紋的偏移量，通過建立數學模型，計算出實際偏移量。通過這些實踐活動來加深學生對學到知識的理解，更好地掌握這些知識，從中體會到所學知識的實際應用價值，培養學生運用學到的知識解決實際問題的能力。這樣的學生才具有創造能力和創新精神。

二、總結

本文總結了上海理工大學光電信息與計算機工程學院工程光學A（2）（波動光學）本科教學工作，通過了解歷屆和應屆本科生、碩士研究生的學習情況和學習體會，提出以上五點的改進方法，在實踐中取得了一定的效果。

［1］ 李湘寧.工程光學［M］.北京：科學出版社，2007.

［2］ 梁銓廷.物理光學［M］.北京：電子工業出版社，2011.

［3］ 波恩，沃爾夫.光學原理［M］.北京：電子工業出版社，2005.

［4］ 張大偉，馬軍山，楊永才，等.光電信息技術課堂演示實驗運用與思考［J］.重慶科技學院學報（社會科學版），2007（6）：193－195.

（編輯：鞏紅曉）

The Teaching Experience of Undergraduate Course Physical Optics

Huang Yuanshen，LiBaicheng，Xu Banglian，Zhang Dawei，NiZhengji
（School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China）

After a profound investigation into many undergraduates’study of Physical Optics，some teaching experiences of Engineering Optics A（2）（Wave Optics）in School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science＆Technology，are summarized.Five ways to improve the teaching method are proposed as follows：First，increasing students’interest in learning；second，explaining the cause and effect of physical law；third，combining multi-media teaching w ith traditional board w riting；fourth，integrating daily-life observations into classroom experiments and then strengthen the comprehension of physical conception and law；finally，consolidating know ledge by doing appropriate exercises.Satisfactory effects are obtained through their practical applications to developing students’innovation ability.

physical optics；cause teaching；teaching practice

H 319.2

A

1009－895X（2014）03－0293－04

10.13256／j.cnki.jusst.sse.2014.03.019

2013－07－22

黃元申（1963－），男，副教授。研究方向：光柵的制作及應用。E-mail：hyshyq＠sina.com