“物理光學與應用光學”教學實踐與改革初探

摘要：“物理光學與應用光學”是電子信息科學與技術專業(yè)的學科基礎課，該課程為“光電子技術”“激光原理”“光纖通信”等后續(xù)課程的學習奠定了基礎。根據(jù)幾年的教學經(jīng)驗，針對目前學生的學習狀況，從“物理光學與應用光學”課程教學內(nèi)容、教學方法的合理調(diào)整、現(xiàn)代教學手段的運用以及實踐教學環(huán)節(jié)的加強等方面，進行了課程建設與教學改革的探討。通過綜合利用這些措施，提高了“物理光學與應用光學”課程的教學質(zhì)量以及學生解決實際問題的能力。根據(jù)目前存在的問題，提出了下一步努力和改進的方向。

關鍵詞：物理光學；應用光學；教學實踐；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0077-02

“物理光學與應用光學”是信息光學的重要技術基礎，是電子信息科學與技術專業(yè)的學科基礎課。物理光學從光的電磁理論出發(fā)講述了光在各向同性介質(zhì)、各向異性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，光的干涉、衍射、偏振特性。應用光學不涉及光的波動本性，以光的直線、獨立傳播、折射、反射等實驗定律為基礎，研究受限光束的成像，特殊光電傳播過程的規(guī)律；在光學系統(tǒng)中進行光路追跡，研究光學系統(tǒng)成像特性、應用及初步設計。通過“物理光學與應用光學”課程的學習不僅使學生建立起有關光的電磁理論的完整體系，能夠運用光的電磁理論分析光的波動性、光在不同介質(zhì)（包括物理光學元件和幾何光學元件）中的傳播和控制問題，能夠解決光電工程中的基本光學技術問題；同時還能使學生了解現(xiàn)代光學的發(fā)展和前沿，以及在光電技術中的應用；為“光電子技術”“激光原理”“光纖通信”等后續(xù)課程的學習打下基礎。因此，“物理光學與應用光學”課程是“現(xiàn)代光電子”“光學信息處理”“光纖通信”“光電傳感技術”等課程的重要基礎理論課程，也是光通信、光電子、光信息、光學工程類專業(yè)的考研課程。

一、“物理光學與應用光學”課程的內(nèi)容及特點

內(nèi)蒙古工業(yè)大學電子信息科學與技術專業(yè)從2006級學生開始開設“物理光學與應用光學”課，其內(nèi)容包括：光在各向同性介質(zhì)、各向異性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，光的干涉、光的衍射，幾何光學基礎，理想光學系統(tǒng)，光學系統(tǒng)的象差基礎，光學儀器等。從教學中發(fā)現(xiàn)學生學習該課程時感到很吃力，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)主要因為以下幾個方面：一是由于中學的光學知識少而簡單，與大學“物理光學與應用光學”知識跨度很大；二是物理光學部分涉及到的理論用到的數(shù)學知識太難；三是應用光學部分概念、公式多且抽象難記；四是本課程數(shù)學公式推導繁雜使學生望而生畏，難以提起興趣；五是內(nèi)蒙古工業(yè)大學的“物理光學與應用光學”課程純理論，無相應的實驗；六是教材和課堂教學與實際應用、當今光學領域的前沿技術脫節(jié)，學生對光學的運用和前景感到迷茫。因此，加強對“物理光學與應用光學”基礎課的教學研究、適應教學要求和學生學習要求，充分調(diào)動學生的學習積極性，提高教學質(zhì)量十分必要。

二、教學內(nèi)容及方法的改進

考慮到“物理光學與應用光學”課程的重要性，根據(jù)該課程理論性較強、概念較抽象的特點，為了提高學生學習“物理光學與應用光學”課程的積極性，從教學內(nèi)容、教學方法、教學手段、教學課件、加強實踐性教學環(huán)節(jié)等方面進行了調(diào)整。

第一，從教學內(nèi)容上進行調(diào)整。自2007級學生開始，增加了ZEMAX光學設計軟件的介紹。ZEMAX是一套綜合性的光學設計仿真軟件，可做光學組件設計與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射、折射等光學模型，并結合優(yōu)化、公差等分析功能。通過該部分內(nèi)容的學習，學生能夠初步設計出簡單的單鏡頭及雙單鏡頭，增強了學生的動手能力，可以適當輔助對概念的理解。

第二，在教學方法上進行適當調(diào)整。在物理光學部分適當減少繁雜的數(shù)學推導，注重物理思想的講解；物理光學部分數(shù)學推導往往是繁雜、冗長和枯燥的，要耗費大量的課堂教學時間，而且容易使學生望而生畏。簡化數(shù)學推導，以光學中的光學定律和物理問題為線索，讓學生了解光學定律的適用范圍可以提高學生的學習積極性。比如光的電磁理論部分菲涅耳公式的數(shù)學推導比較繁瑣，而且公式難記，為此在教學中不要求學生掌握推導公式，而要求學生會用公式分析反射系數(shù)、透射系數(shù)及反射率、透射率與入射角和界面兩邊折射率的關系即可。在教學過程中注重對比，如在講解邁克爾遜干涉儀、馬赫澤德干涉儀及法布里干涉儀時，對三種干涉儀的工作原理及應用進行比較，學生掌握起來更容易；在講解衍射問題時將單峰衍射、圓孔衍射、矩孔衍射及多縫衍射的實驗裝置，衍射圖樣的特點及亮暗條紋的位置，條紋寬度等對比講解，學生在對比基礎上理解記憶的效果更好。在幾何光學的成像問題中，將單球面折射、球面反射及透鏡的成像進行對比，包括成像公式、焦距的表達式及放大率的公式進行對比，在光學儀器部分將放大鏡、顯微鏡及望遠鏡的放大率進行對比，這樣更有利于學生對公式的理解記憶及應用。

第三，在課件制作上加入phy3D演示。如，講解凸凹透鏡的成像、球面鏡的反射成像、玻璃球的成像在推導完成像公式時要進行相應部分的光路圖的phy3D演示，這些演示可以任意改變物距、像距或焦距，學生能夠直觀地觀察到這些系統(tǒng)在成像過程中物距、像距和焦距之間的關系，彌補了枯燥的單純理論計算的缺點。再如，在講述邁克爾遜干涉儀時通過3D演示，學生可以清楚地看到光的傳播過程，通過調(diào)整兩鏡的距離及位置看到干涉圖樣的變化，有助于加強理解。光的衍射問題向來是學生理解的難點，通過phy3D的演示學生能夠清楚地看到障礙物尺寸變化時衍射圖樣的變化。

第四，加強實踐性教學環(huán)節(jié)。為了培養(yǎng)復合型的實用人才，要求學生必須具有一定的實際工作技能，以便走上工作崗位后能很快地適應工作環(huán)境。因此，為鍛煉培養(yǎng)學生的實際操作能力，增強學生畢業(yè)后的工作適應性，教學中必須高度重視實踐教學環(huán)節(jié)，而畢業(yè)設計正好能增強學生的光學設計水平，從而培養(yǎng)出既有理論又有實踐水平的高級專門人才。自引入ZEMAX光學設計軟件以來，物理系三屆畢業(yè)生中已有七名學生用ZEMAX光學設計軟件完成了畢業(yè)設計，且設計效果良好。

第五，改革考試內(nèi)容和考試方法，命題從以知識立意為主轉變?yōu)橐阅芰α⒁鉃橹鳎訌娏烁拍铑}、應用題以及與圖形結合的判斷題，適當出一些開放題、討論題；改變一卷定總評的情況，采取措施多元化測試學生的能力，比如將學生論文、平時作業(yè)成績、期中考試成績、期末考試的分數(shù)折算計入總評等，每次考試后都堅持進行分析評估，找出教學中的薄弱環(huán)節(jié)。

三、教學中還存在的問題及今后的計劃

第一，“物理光學與應用光學”是內(nèi)蒙古工業(yè)大學電子信息科學與技術專業(yè)的學科基礎課，目前沒有設置相應的專業(yè)實驗，理論和實踐有所脫節(jié)，加大了學生對理論理解的難度。

第二，沒有將光學的最新發(fā)展融入教學。針對以上問題，一是應盡快引入演示實驗，利用實驗室現(xiàn)有的儀器設備進行演示；通過實驗能使學生接觸并使用一些典型的光學系統(tǒng)為學生后續(xù)專業(yè)課程的學習和今后的工作中利用或組合這些光學系統(tǒng)進行創(chuàng)造性工作打下基礎。二是增加現(xiàn)代光學基礎內(nèi)容，將光學的最新發(fā)展和研究成果融入講授內(nèi)容，使學生能緊跟科技發(fā)展步伐，這樣不但可以擴展學生的基礎知識，還可以開闊學生的視野，激發(fā)學生的學習興趣，同時可以使學生了解學科前沿的概況及其發(fā)展動態(tài)，進一步拓寬學生的知識面，使他們的知識結構更趨合理。三是教學內(nèi)容的重點和難點應通過課前預留預習作業(yè)與課后作業(yè)的方式分解消化；上課時應針對重點和難點問題采用討論式等多種教學手段，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和自主學習的能力。四是充分利用現(xiàn)代信息技術手段，將傳統(tǒng)教學手段和輔助教學方式相結合，提高教學效果。針對課堂教學的重點、難點，利用CAI課件、錄像、網(wǎng)絡資源等增加學生對知識的感性認識，幫助學生掌握教學內(nèi)容。五是在完成基本教學任務的前提下，針對不同層次學生的需求，適當擴充一些知識，這樣既可以鞏固所學知識，還可以提高學生的動手動腦能力，為將來的就業(yè)打下一定的基礎；對有志向考研的學生，可以提前給他們提供一些重點院校的考試真題，讓他們有所準備，并能夠根據(jù)自己的能力選擇合適的院校，以免到了大四盲目選擇考研院校。

以上是筆者從事“物理光學與應用光學”教學的一些體會、所做的改進與嘗試以及下一步努力的方向，希望通過改革使“物理光學與應用光學”課程的教學質(zhì)量有所提高。

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（責任編輯：孫晴）