物理光學課程的教學實踐與思考

單小琴 曹 芳

南京理工大學紫金學院 江蘇南京 210023

物理光學課程的教學實踐與思考

單小琴 曹 芳

南京理工大學紫金學院 江蘇南京 210023

物理光學課程用波動的觀點討論光在介質中的傳播及光的本質，具有理論性強和專業性強的特點，教學效果一直不夠理想。針對光電信息類專業學生的特點，從該課程的教學內容、教學方法、評分機制等方面進行了改革，并給出了教學實例，最后分享了對整個教改實踐的思考。

物理光學；軟件仿真；教學效果

物理光學是光電信息工程類專業的學科基礎課，與幾何光學共同構成了工程光學的兩大分支，后繼課程如激光技術與應用、光學測量、光電檢測技術、光纖通信、光電系統設計等專業課都以物理光學為理論基礎，其重要性不言而喻。本課程的開設是為了使學生能較全面且系統地掌握物理光學的基本理論及其實際應用，為學生學習其他相關專業課程打下堅實的專業理論基礎，為將來從事光電信息工程方向的研究及相關儀器的設計、制造，及其高科技領域內的開發、創新奠定理論基礎。

物理光學和幾何光學的區別在于，幾何光學主要依據基本實驗定律和幾何定理處理光的傳播問題，說明光通過介質時的現象，不涉及光的物理本性，而物理光學則從光波是電磁波出發來研究光在傳播時的現象、規律及應用，以波動觀點討論光學問題，涉及光的物理本性。所以物理光學研究的內容更加抽象，在教學過程中需要依賴高等數學、工程數學中大量的公式推導解釋很多概念，這樣就使得那些數學底子薄的學生跟不上隊伍，再加上概念本來就很抽象，跟實際掛不了鉤，久而久之很容易產生放棄的念頭。

針對目前該課程的教學現狀和學生學習存在的問題，近年來筆者對物理光學課程的教學內容、教學方法、考核機制等方面作了一些改革，并取得了不錯的效果。

1 教學內容的改革

目前，我院開設的物理光學課程為4個學分，共64學時，分7章，詳細地闡述了光的電磁性質、光在各向同性介質界面上的傳播規律和光波的疊加與分析、光波的干涉和典型干涉裝置與應用、光波的衍射和傅里葉光學的基本原理、光的偏振及其在晶體中的傳播、光的量子性和激光、光纖和導波光學。

該門課程的開設時間定在大三上學期，由于物理光學艱深的理論性，學生必須在修完高等數學中的微積分、工程數學中的傅里葉變換這些數理底子才能輕裝上陣，幾何光學在大二下學期開設，通過幾何方法研究的光傳播規律給物理光學的本質研究打下形象的基礎。同樣，從大一下就開始的2個學期的大學物理中光學內容占了很大的分量，占到課時總數的三分之一，在大學物理中，不僅專門介紹光的干涉、衍射和偏振，還涉及采用半經典的方式對光的波粒二象性和光的本質的討論。其實在高中物理中，學生就偶有對光的常識性認識，大學物理中的光學入門把學生帶到了一個更新的科學高度，對于有些光學現象(如彩虹的形成、薄膜油膜、波粒二象性)等產生了興趣，有些懂但又不能完全領會，這就激發了學生有更加強烈的愿望獲得知識。

根據目前我院開設物理光學課程的側重面在于對基本物理現象、物理概念、物理規律、物理理論及應用的闡述，而且該課程還是部分院校碩士研究生入學考試大綱的要求，我們在原來的教學大綱上進行了修改，重點介紹光的電磁理論基礎、光波的干涉和干涉系統、光波的衍射及光的偏振、晶體光學基礎這四大板塊，原大綱中的傅里葉光學由于跟工程數學中的傅里葉變換部分有重疊，而且偏重數學計算，在新大綱中不再保留；原大綱中光的量子性和激光的部分在后續的課程激光技術與應用中會詳細介紹，所以也不再介紹；光纖和導波光學部分在后續的課程光纖通信中重點介紹，新大綱也不再闡述。

當然，考慮到現代光學的發展和應用，除了這四大板塊的傳統內容之外，會專門有幾個學時集中性介紹全息術、光學信息處理、二元光學、半導體激光等基本概念加以充實。通過增加現代光學中具有光電專業特色的學科前沿信息，使得物理光學課程既能保持本學院、本學科的特色，又能緊跟光學領域的前沿，使得本專業學生能了解現代光學發展的尖端成果。

2 教學方法的改革

2.1 課堂教學引入軟件仿真

MATLAB軟件是計算機仿真技術發展的產物，是一套高性能的數值計算和可視化軟件，具有很多自帶的庫函數和各類專門的工具箱，不需要用戶再進行繁冗的程序編寫，而且其可視化的能力極強，已經變成一個非常流行的仿真工具，逐漸被引入課堂教學之中。物理光學課程由于其內容的艱深晦澀，理論性極強，很多時候學生無法從理論中真切感受到各種光學現象，除了光學基礎實驗中開設的一些基本的實驗外，還有很多光學現象由于實驗室條件和實驗儀器的限制，沒法進行可視化觀察。本課題的實施過程中我們引入了軟件仿真，通過仿真的方法讓學生感受到神奇的光學現象。

第一步，整理知識點。根據近年來物理光學教學中學生對知識掌握情況的了解，從光的波動性理論出發，整理出典型的干涉和衍射實驗，對其理論基礎和實驗原理進行分析，讓學生進行自由分組，自學MATLAB軟件完成實驗內容的仿真。第二步，分工合作。根據學生分組之后的情況，由組長對各個成員進行分工，定期地組織大家進行任務進度上的交流，最后由項目組成員定期聽取各組長匯報，進行工作檢查。第三步，成果匯報。由各小組推薦，選出一名代表進行成果匯報演講，各小組給出仿真結果并寫出仿真報告。

例如，楊氏雙縫干涉是光的干涉部分一個重要的實驗，很多時候學生在實驗室通過調試光路只能觀察到干涉條紋圖，沒法記錄下光強分布。而通過MATLAB軟件仿真不僅可以看到清晰的干涉條紋圖，還可以通過程序中代碼的編寫改變雙縫間距、光源大小、波長大小、觀察屏與雙縫的間距等參量，還可以顯示光強的大小。再如，在光的夫瑯禾費衍射和菲涅爾衍射進行模擬的實驗中，對各種典型的孔徑如單縫、多縫、圓孔等都進行了仿真，還可以實時調整各個仿真參數，使得學生學習光學課程的積極性大增。

經過一個學期的分組學習，學生不僅完成了物理光學理論課程的學習，而且自學了MATLAB軟件、加強了實驗報告的寫作能力、練習了PPT制作等各項技能，激發了學生的學習興趣，發揮了學生的主觀能動性，鼓勵了學生相互合作、交流，提高了學習效率。

2.2 強化重點難點 重視方法的掌握

物理光學課程的教學目標是使學生掌握光的電磁理論與光的干涉、衍射、偏振基本理論，培養學生綜合應用物理光學理論分析問題與解決問題的能力，所以基本理論是肯定不能隨便帶過的。課程中含有大量的原理公式推導，如全反射的相位變化、平行平板的等傾干涉中條紋角半徑和角間距的求解、菲涅爾衍射和夫瑯禾費衍射，這些原理和計算都離不開公式，如果學生的數學底子不行的話，常常無法理解數學公式和光學概念之間的聯系及公式里所包含的物理意義，從而逐漸失去學習興趣。很多時候為了考試，只能死記硬背公式，無法對知識靈活運用，從而違反了學習的初衷。

例如，在雙光束的干涉問題中，學生對與光軸夾角為零的平行光進入雙縫產生的雙光束干涉很熟悉，但是如果給定的平行光是斜入射到雙縫上時就不知所措了，這個時候教師就要引導學生從解題的原始思路出發，要想求干涉條紋(也就是光強分布)，得要先寫出兩束相干光入射到觀察屏上的復振幅分布，既然垂直入射的復振幅可以很容易寫出來，斜入射的區別就在于多了一個隨傾角變化的空間相位因子，而這個問題利用光的波動公式就可以解決，剩下的問題就是利用疊加定理，把兩束相干光的復振幅疊加，最后點乘共軛就可以得到干涉場上的光強分布，通過討論各點的光程差從而確定明暗條紋的位置。幫助學生總結進行總結，只要遇到雙光束干涉的問題，不管多么復雜，甚至還會偏振的題型混合，無非還是采用復振幅疊加點乘共軛的思想來求光強分布。

3 完善成績評定規則

成績評定不再以單純的期末考試成績為準，采用70%的考試成績與30%的平時成績評定規則，其中平時成績中10%為出勤和作業情況， 20%為每名學生平時課堂的參與情況，包括提問、討論以及小組仿真的參與情況，這種考核方式結合了學生平時的學習主動性，對學生知識的掌握程度和分析問題解決問題的能力進行了及時的考察，集結果評價和過程評價于一體，更大地發揮成績評定的激勵功能。

4 結束語

在物理光學課程的教改實踐過程中，針對課程內容的深澀難懂、原理公式繁多以及光學現象的演示受制于實驗儀器和實驗條件等問題，筆者就教學內容和教學方法進行了調整，教學內容上通過修改教學大綱，教學方法上通過課堂中引入仿真軟件讓學生分工合作，強化重點、難點，重視方法的掌握及完善成績評定規則等方面提高了教學效果。在今后的教學中，要繼續大力進行教學改革，更大地調動學生的學習積極性和主觀能動性，培養學生獨立思考的精神，實現真正意義上的自主學習。

[1] 郁道銀,談恒英.工程光學[M].北京:機械工業出版社,2006.

[2] 武旭華,肖韶榮,張仙玲.“工程光學”教學改革初探與實踐[J].電氣電子教學學報,2009(31):35-37.

[3] 王偉.物理光學課程教學改革與實踐[J].安徽工業大學學報,2011,28(4):110-111.

[4] 蔡懷宇,郁道銀,李清.“工程光學”國家精品課程的建設與改革[J].高等理科教育.2006(2):38-40.

Teaching Practice and Thinking on Physical Optics Course

Shan Xiaoqin, Cao Fang

Zijin College, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, 210023, China

Physical optics course mainly discusses the light propagation in the medium and the nature of light from wave prospective, and has a strong theoretical and professional characteristics thus decreasing the teaching effects. In this paper, according to the traits of photoelectric information engineering students, reform has been carried on the teaching content, teaching method, grading mechanism and so on. The teaching examples are presented and the thinking of the teaching reform practice is also given finally.

physical optics; software simulation; teaching effects

單小琴，碩士，講師。

南京理工大學紫金學院教育教學改革立項項目(編號：20150103007)。