《薄膜光學》課程教學方法的研究

陳淑靜

摘要：作為材料物理、光學工程等專業的基礎課程之一，《薄膜光學》課程具有極強的專業性和交叉性，涉及數學、計算機、光電、材料和自動控制等領域。本文基于《薄膜光學》課程的教學目標，對《薄膜光學》課程的教學方法進行了研究，探討了自主學習、實例教學以及開放式教學等教學方法在《薄膜光學》課程中的應用。

關鍵詞：《薄膜光學》；教學方法；教學目標

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）10-0203-02

《薄膜光學[1-3]是一門古老又充滿活力的學科，它是物理光學的一個重要分支，研究的是光學薄膜的光學特性，如對光的反射、透射以及吸收等作用。光學薄膜在提高或降低光學元件的反射率、吸收率、透射率，光束分離、合并，光束起偏、檢偏，光譜帶通過、阻滯以及相位調制等方面，均起著至關重要的作用。隨著前沿科學的不斷發展，光學薄膜的應用也越來越廣泛，例如，超短脈沖的調控以及極紫外乃至X射線的反射。現如今，薄膜光學與計算機技術、數學算法、材料科學、表面物理、真空技術、等離子體技術等結合密切，已成為現代光學不可缺少的組成部分。

作為材料物理、光學工程等專業的基礎課程之一，《薄膜光學》課程是一門具有極強專業性和交叉性的課程，其內容涉及數學、計算機、光電、材料和自動控制等多個領域，因此，《薄膜光學》課程在教學過程中通常出現教學課時緊張，教學內容難以理解等問題。本文基于《薄膜光學》課程的教學目標，探討《薄膜光學》課程教學方法的改革，以實現學生知識水平和實踐應用能力的提高，從而達到教學效果提升的目標。

一、教學目標

在《薄膜光學》課程的教學過程中，始終貫徹理論與實踐相結合的教學理念，通過分析、解決實際問題，提高學生的知識水平和實踐能力。在知識層面上，要求學生掌握光學薄膜的基礎理論，了解典型膜系及其應用，掌握簡單光學薄膜的設計方法；了解薄膜制作技術、方法及相關工藝。在能力層面上，培養學生自主學習和研究的能力，鍛煉學生的實踐能力，提高學生的學術表達能力。

二、教學方法的研究

1.自主學習方法。傳統《薄膜光學》課程的教學，以課堂上的理論教學為主。由于《薄膜光學》內容豐富，專業性和交叉性強，教學課時比較有限，因此僅僅通過課上的學習很難取得良好的教學效果。考慮到這些問題，可以將自主學習的方法應用到《薄膜光學》課程的教學之中，通過為學生提供自主的學習條件，讓學生在課下時間也可自學薄膜光學的相關知識。下面介紹為學生提供的自學素材：（1）往年的教學課件：方便學生上課前預習課程內容，從而提高課堂教學效果。（2）光學薄膜特性模擬的程序、軟件及其使用說明：對任意結構光學薄膜特性參數的計算與模擬，不僅可以加深學生對光學薄膜基礎知識的理解，同時，有利于學生自主學習和研究能力的培養，以及分析問題、解決問題能力的鍛煉。（3）薄膜光學拓展資料：包括課堂上沒有介紹的薄膜光學相關的知識，例如光學薄膜主流制備工藝的介紹、國內外光學薄膜前沿研究課題及研究現狀等，為學生拓寬知識面，培養學習興趣提供幫助。

2.實例教學方法。《薄膜光學》的理論知識相對比較抽象，學生理解起來比較困難。通過在理論教學過程中列舉與之相關聯的實際例子，以實例教學的方法加深學生對理論知識的理解，同時，利用理論知識實現對實例的解釋，從而實現理論與實踐的結合。下面介紹幾個在理論教學過程中的實例：（1）玻璃透光：在講解菲涅爾公式時，可引入玻璃透光的實例，將玻璃透光的物理現象看成是一個簡單的單界面模型，然后利用菲涅爾公式計算玻璃界面上的反射率，達到對菲涅爾公式的熟練掌握以及對玻璃透光原因的解釋。分析結果表明，當光從空氣垂直入射到玻璃表面時，玻璃表面上的反射率僅為4%左右，透光率高達96%。由此可以說明，玻璃是非常好的透光材料，也是玻璃可用作窗戶材料的主要原因。（2）鏡子成像：在介紹金屬反射鏡時，可引入鏡子成像的實例，將鏡子成像模型簡化成一個簡單的金屬界面問題，然后利用菲涅爾公式分析金屬表面的反射率，從而揭示金屬反射鏡反光和成像的原理，鞏固學生對菲涅爾公式的理解。分析結果表明，一般的金屬材料，如金、銀等，在可見光波段可實現較高的反射率，從而證實了金、銀等金屬材料用作反射鏡的可行性。（3）全反射：通過分析光由光密介質入射到光疏介質上發生的全反射現象，并進一步探索全反射產生的條件以及全反射條件下實現100%反射的原因，可加深學生對菲涅爾公式的理解。通過理論分析全反射條件下的菲涅爾公式，發現不管是s偏振光還是p偏振光，在全反射條件下的反射系數均為模為1的復數，進而從理論上找到了全反射實現100%反射率的理論原因。（4）MgF2減反膜：在減反膜的講解中，可引入MgF2減反膜的實例，基于單層膜的理論結果，分析MgF2減反膜可實現減反效果的原因以及獲得最佳減反效果的條件。分析結果表明，MgF2單層膜實現減反效果的原因是其折射率比較小，且小于基底折射率。通過進一步分析發現，當MgF2單層膜的有效光學厚度等于入射光波長的四分之一時，可實現最佳的減反效果。（5）邁克爾遜干涉儀分束鏡：在介紹分光鏡時，可引入大學物理實驗邁克爾遜干涉儀中分束鏡的實例，解釋能量分光鏡實現半透半反功能的原因以及分光鏡的應用。分析發現，在厚度優化的前提下，單層金屬膜和多層介質膜都能夠實現50%的能量分光，即兩種結構的光學薄膜都可用作能量的分光鏡。通過該實例可加深學生對單層金屬膜和多層介質膜光學性能的理解，熟悉它們在分光鏡方面的應用。（6）薄膜型波分復用器以及解復用器：在介紹多層膜濾波片時，可引入光學通訊系統中的薄膜型波分復用器以及解復用器的例子。薄膜型波分復用和解復用的基本原理正是基于多層介質膜對某個波長光波的濾波效果，然后，通過串聯多個多層介質膜濾波片實現對波分復用光纖中多波長光信號的合成和分解功能。通過該實例，可加深學生對多層介質膜用作濾光片原理的理解，以及多層介質膜濾波片的應用。

3.開放式教學方法。《薄膜光學》課程的開設，不僅僅是讓學生掌握薄膜光學的基礎知識，還要通過該課程的學習提高自身的能力，其中包括學習能力、研究能力以及表達能力。開放式教學方法的應用可幫助學生更好地鍛煉自學能力。（1）開放式作業：《薄膜光學》課程教學過程中，可通過為學生設置開放式作業的方法，提高學生的自學能力。例如，在講授多層膜光學特性時，要求學生基于所學知識，分析一個漸變式單層膜的反射與透射特性。學生可通過程序的模擬以及理論分析等多種方式獲得該問題的正確答案。另外，也可要求學生自主設計光學薄膜的結構，以實現某一特定的功能。通過光學薄膜設計過程能夠鞏固學生所學的理論知識，掌握實踐環節中薄膜的設計方法。（2）學術報告：《薄膜光學》課程教學過程中，要求學生基于《薄膜光學》課程上所學的內容，針對薄膜光學相關領域中的某一研究課題展開分析與討論，并基于所研究內容準備一次完整的學術報告。在學術報告準備過程中，鼓勵學生通過基本理論知識學習→科技文獻查閱、分析與總結→科學問題提出→研究方法學習與驗證→研究結果分析與總結→學術報告與課題總結等一系列過程，培養學生正確的學習方法和研究思路，鍛煉學生分析問題、解決問題的能力。

三、結語

本文基于《薄膜光學》課程教學理念和教學目標，對《薄膜光學》的教學方法進行了討論，探討了自主學習、實例教學以及開放式教學等教學方法在《薄膜光學》課程中的應用。研究發現，采用自主學習的方法，將課上學習和課下學習結合起來，可以最大限度拓展學生的知識量，保障《薄膜光學》課程教學任務的完成；采用實例教學的方法，可使《薄膜光學》課程中復雜的公式和概念變得簡單易懂，促進學生對知識點的理解；采用開放式教學的方法，可鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，培養學生理論結合實踐的應用能力。

參考文獻：

[1]唐晉發,顧培夫,劉旭,李海峰.現代光學薄膜技術[M].杭州:浙江大學出版社,2006.

[2]范正修,劭建達,易葵,賀洪波.光學薄膜及其應用[M].上海交通大學出版社,2014.

[3]盧進軍,劉衛國.光學薄膜技術[M].西安:西北工業大學出版社,2005.

Study on the Teaching Method of "Thin Film Optics"

CHEN Shu-jing

(School of Materials Science and Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

Abstract:As one of the basic courses of materials physics,"Thin Film Optics" course has a strong professional and cross,involving mathematics,computers,optoelectronics,materials and automatic control and other fields. In this paper,basing on the teaching aims of "Thin Film Optics" course,we studied the teaching methods of "Thin Film Optics" course,and discussed the application of self-study,case teaching and open teaching method in "Thin Film Optics" course.

Key words:"Thin Film Optics";teaching methods;teaching aims