物理光學課程內容與教學方法研究與實踐

張志偉

[摘 要]物理光學課程是光電信息科學與工程，電子信息科學與技術專業的一門實踐性很強的課程，強調理論與實踐相結合。我們針對物理光學課程的特點和教學要求，探索如何把新的教學方法貫穿于課程的教學過程中。文章介紹了教學改革的具體方法和實施過程。實踐表明，新的教學方法能增強學生的學習興趣，提高教學質量，有利于培養學生的創新意識和創新能力。

[關鍵詞]物理光學；教學內容；教學方法；教學改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）03-0073-02

物理光學課程是光電信息科學與工程和電子信息科學與技術專業的一門重要的專業基礎必修課[1][2]，是一門實踐性很強的課程，強調理論與實踐相結合。學好這門課程要求學生全面理解和掌握光的電磁理論、光與物質相互作用基礎知識和晶體光學基本知識和技術。[3][4]

隨著光電子技術的不斷發展，光學和光電子產品也呈飛快的速度發展，光纖通信系統的升級和CCD的不斷更新，一些新知識、新技術、新概念不斷涌現，體現了新知識經濟時代的到來，這些都在一定程度上沖擊著傳統的工作方式和生活方式。與此同時，對物理光學課程的教學方法也提出了新的挑戰。這就要求我們在講授該課程時， 既要保持物理光學理論的基礎性和完整性， 又要突出其在光電子技術中的特色， 并適當反映最新科技成果。[5][6]只有這樣，才能為光電信息科學與工程等專業學生進一步學習相關專業課程， 如激光原理與技術、光纖通信與傳感技術、紅外技術、光電檢測技術、光電成像原理與技術及納米光子學等的學習打下堅實的基礎。

一、教學內容的安排

課程教學內容的安排共分為九大教學模塊：（1）光波的基本特性（6學時）；（2）光波在各向同性介質界面上的反射和折射（4學時）；（3）光波的全反射特性（2學時）；（4）光的干涉（8學時）；（5）光的衍射（8學時）；（6）光波在各向異性介質中的傳播特性（6學時）；（7）晶體光學元件及其偏光干涉（4學時）；（8）晶體的感應雙折射（6學時）；（9）光的吸收、色散和散射（4學時）。

針對上述重點和難點， 在教學實踐過程中，采取如下教學方法：

1.融趣味性于知識傳授過程中，以提高學生的學習熱情和興趣。例如，在講解光與物質相互作用的內容時，結合髙錕研究光纖在通訊領域運用的事例，以光纖通信發展為例，通過對光與光纖相互作用的深入研究，引導學生了解光纖的“三個窗口”導致了光纖通信系統的幾次升級換代，增添了學生學習的興趣。在講解光的吸收定律時，介紹了布右厄與朗伯師生關系，用以引起學生的學習興趣，然后在一定的前提條件下，推導出朗伯-比爾定律的定量公式，強調了“先有條件，后有結論”的規律[7]，并結合煤礦“瓦斯爆炸”這一現象，強調基于朗伯-比爾定律，可開發吸收型瓦斯濃度測量儀器，使學生認識到學好理論知識的重要性，提高了學生的學習熱情和興趣。

2.采用多媒體技術， 充分發揮優勢資源，提高學生的學習效果。例如，我們把美國麻省理工學院錄制的一些開放視頻資源，如光的反射、干涉、衍射和光的偏振等運用于教學過程中。這些視頻均是一個短小但完整的光學實驗，體現了一個完整的知識點，這樣做的益處是把復雜的光學知識，以簡單、形象的方式展現在課堂教學中，收到良好的效果。另外，我們也充分運用仿真模擬軟件，把一些抽象的內容，以仿真結果體現在課堂教學中。如利用Matlab仿真軟件把菲涅耳系數及反射率與入射角的變化規律，以及利用COMSOL Multiphysics5.1模擬軟件，把光在直角棱鏡中的全反射及在發生全反射時的古斯-漢欣位移展現在教學過程中。

3.把教師的科研成果與教學內容有機地融合在一起，以提高教師講課的生動性和學生學習的興趣。例如，在講解倏逝波（消失波或表面波）的特性時，結合發明專利“一種棱鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器”，以SPR傳感器為例，通過對消失波與金屬薄膜中電子共振的深入研究，開發了新型的光學傳感器，為測量介質折射率的微量變化提供了新的檢測手段。由于教學過程中引入了教師在科研過程中的一些趣事，因此，容易激發學生的學習興趣和啟發學生的創新思維。

二、合理選擇實驗內容和實驗儀器，強化培養學生的動手能力

結合物理光學的教學內容和我校光學工程的學科特點，實驗內容安排有四大模塊：（1）光的干涉、衍射實驗（2學時）；（2）偏振光產生與檢測實驗（1學時）；（3）聲光、電光調制參數測定及音頻聲光、電光通信實驗（3學時）；（4）光外差干涉實驗（2學時）。在這些實驗中，第1實驗模塊是基礎性實驗，主要是幫助學生對光的干涉、衍射現象的深入理解與提高。第2實驗模塊采用了角向偏振片，使學生在實驗過程中能觀察到光的偏振方向，結合CCD相機和角度計算程序，可精確計算出旋光角度，通過實驗可鞏固學生對晶體光學元件及其偏光干涉和旋光現象的理解。第3實驗模塊，主要凸顯物理光學在光電子技術中的特色，以鞏固學生對晶體感應雙折射現象的理解。第4實驗模塊是一個綜合設計性實驗，以提高學生綜合運用光的偏振、光的干涉、光的衍射知識和晶體光學元件運用的能力，培養學生的創新意識。另外，在實驗儀器的選擇上，既要保證較多的實驗項目，提高實驗效率，也要注意在客觀上加強學生動手、動腦能力的培養。例如，支撐聲光調制實驗的聲光調制實驗儀，能提供顯示聲光調制波形，觀察聲光調制偏轉現象，測試聲光調制幅度特性，顯示入射光與衍射光的能量分布，測試聲光頻率偏轉特性，測試聲光調制衍射效率、帶寬等參數，測量超聲波在介質中的聲速，模擬基于聲光調制的語音信號通訊實驗；支撐電光調制實驗的電光調制實驗儀，能顯示電光調制波形，觀察電光調制現象，測試電光晶體的調制特性曲線，測量電光晶體的特征參量，模擬基于電光調制的語音光通訊實驗。再比如，偏振光產生與檢測實驗儀，其基本光路采用的是共軸“籠式”結構，可以完成旋光實驗、線偏振光產生實驗、可視橢圓偏振光檢測實驗等。在實驗過程中，以學生為主，教師適時加以指導，可充分發揮學生主動性，以利于學生動手能力的提高。

三、寓新技術于教學過程中，培養學生的科研意識

光學和光電子技術發展迅速，若完全依靠教材的內容作為教學內容，往往跟不上技術進步的步伐，這就要求教師要緊密關注新技術發展動態。一方面，除了選用最新出版的教材外，還應當在課堂上結合所講知識，適度補充當前的新知識、新技術等內容，以加深學生對所學知識的理解。比如在晶體的感應雙折射教學模塊，教材重點論述了聲光調制和電光調制原理等，而對其應用論述的比重不大。為了讓學生較全面地掌握光調制技術知識，需要補充光調制技術的新應用，如利用聲光調制或電光調制技術進行激光大屏幕顯示以及基于光外差干涉原理的SPR相位檢測技術等。另一方面，要積極引導學生關注相關技術資料，如《中國物理快報》《中國激光》《光學學報》《光子學報》等學術期刊，使學生能了解本領域國內外的前沿動態，培養學生的科研意識。比如在光波的全反射特性教學模塊，在講授古斯-漢欣位移及其特性的同時，引導學生在課后閱讀《中國物理快報》2004年文章“Thin-film enhanced Goos-H？nchen shift in total internal reflection”；在晶體光學元件及其偏光干涉教學模塊，在講授波片和補償器的同時，引導學生在課后閱讀《中國激光》2009年文章《一種標定Soleil-Babinet補償器的新方法》。這樣，在學生了解相關研究和應用動態的同時，也使學生認識到所學知識在科研工作中的重要性， 培養了學生的科研意識，提高了學生的學習積極性。

四、結論

對于物理光學課程的教學改革，我們經過多年的探索和創新，形成了一些理論與實踐相結合的行之有效的教學方法。以光電信息科學與工程和電子信息科學與技術專業2010、2011、2012、2013級學生為試點，從反饋結果來看，該方法有利于提高學生的學習興趣，有利于提高課程的教學質量。總之，對物理光學課程教學方法的研究，使我們深刻地認識到只有通過進一步深化教學改革才能有效地提高教學質量，才能培養出能較快適應社會發展需要的研究和應用型人才。同時，我們還深刻地認識到物理光學課程教學內容和方法的研究尚處于探討階段，對物理光學課程教學內容和方法的改革是一個不斷探索、不斷完善的過程，但只要堅持不懈的努力，一定可以獲得滿意的教學效果。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 徐寧.“物理光學”研究型教學模式探索與實踐[J].電氣電子教學學報，2012（3）：103-105.

[2] 溫淑敏，王細軍，杜云剛.物理光學與應用光學教學實踐與改革初探[J].中國電力教育，2014（21）：77-78.

[3] MAX Born， EMIL Wolf. Principle of optics [M]. Cam？鄄bridge： Cambridge University Press，1997.

[4] 石順祥，王學恩，馬琳.物理光學與應用光學（第三版）[M].西安：西安電子科技大學出版社，2014.

[5] 哈斯烏力吉，呂志偉，張愛紅，何偉明，林殿陽.“物理光學”教學設計的研究[J].電氣電子教學學報， 2008（4）：91-94.

[6] 王澤鋒，程湘愛，王睿，寧禹，齊恩宇.軍校本科專業課程研究型教學模式初探—以《應用光學》課程為例[J].高等教育研究學報，2012（1）：60-62.

[7] 吳一微.對光吸收定律教與學的建議[J].湖北師范學院學報（自然科學版），2006（2）：82-84.

[責任編輯：鐘 嵐]