演示性實驗和設計性實驗教學在“物理光學”課程中的應用

許周速 嚴金華 張航

浙江工業大學理學院應用物理系

一、概述

“物理光學”課程作為物理類和光電信息類專業的專業基礎課，起得承上啟下的銜接作用。[1-3]該課程主要講授基本光學現象、原理及工程應用等內容，具有理論性較強、物理規律較抽象、光學現象與規律講授難以生動形象等特點，導致學生感覺學習比較困難，很多知識不容易理解。因此，對于任課教師來說，需要探索新型教學方式，提升教學內容的趣味性，提高學生的學習樂趣。

理工科院校提出了要培養擁有扎實專業知識、突出實踐技能、良好綜合素質的畢業生。專業知識來源于課堂理論教學，實踐技能來源于實驗教學環節。[4]目前，高校主要教學方法是理論知識的講授，但僅通過理論知識的學習，學生嚴重缺乏了實驗的動手能力和科研的探索精神。這對學生未來進入社會工作和進一步深造都是非常致命的。因此，迫切需要在“物理光學”課程教學中引入演示性實驗和設計性實驗的教學方法，它是理論與實踐、抽象概念與具體現象相結合的教學方法。它既是理論學習的補充和深化，也是傳授實踐技能與經驗的教學方法。

二、堅持演示性實驗教學方法

光學源于人們對自然現象的感官認識，物理光學的很多理論都可以通過實驗重現。因此，在教學過程中，如何將物理公式和所描述的現象聯系起來，把抽象的公式轉化為清晰的實驗圖像，這是非常有必要的。“物理光學”課程主要涉及干涉、衍射和偏振等理論知識，相關內容都可以通過簡單的光學器件將抽象公式所描述的光學現象直接展示在教室中，引導學生積極觀察和思考，加深對相關知識點的理解。例如，雙縫干涉實驗中，通過設計不同實驗條件（不同波長、不同雙縫間距等），來理解雙縫干涉的理論公式以及影響條紋間距的因素。在衍射知識點中，通過演示愛里斑實驗來驗證波長和圓孔直徑對愛里斑的影響。同時，還可以引出圖像分辨本領的概念。在偏振光知識點中，可以通過偏振片檢測手機或者電腦顯示屏的偏振特性，學生都可以檢驗自己手機是不是線偏振光，同時可以思考為什么液晶顯示是線偏振光。

三、探索設計性實驗教學方法

“物理光學”課程是應用性較強的課程。利用干涉原理可以進行精密測量和檢驗。利用衍射原理可以進行物質微結構研究。偏振原理可以用于光通訊。目前，光學技術在各個領域有著廣泛的應用：基于衍射的傅里葉光學、基于全反射的光纖光學等等。因此，為了實現創新性人才培養，在“物理光學”課程教學中，需要引入設計性實驗的教學模式。設計性實驗主要是基于“物理光學”的基本知識，設計相應的實驗方案進行相關測量，引導學生將“物理光學”知識應用于實際應用。在這樣實驗教學體系下，學生學習從被動變為主動，學習積極性得到了很大提高。比如，光的衍射內容，可以利用光學衍射的知識設計光纖光柵溫度傳感器，實驗原理可從光纖光柵方程出發，將光纖光柵反射中心波長與光纖纖芯有效折射率和光纖光柵常數聯系起來，通過溫度變化來改變光纖折射率和光柵常數，從而影響光柵反射波長，實現溫度傳感。光的偏振內容，利用偏振光的布儒斯特定律設計玻璃折射率的測量實驗，利用光的旋光效應設計糖濃度的測量實驗。

四、結語

傳統的課程教學一般將課堂理論教學和實驗教學分隔開。但是，很多內容應該是理論知識和實踐內容相統一。在“物理光學”教學過程中，基于光學器件體積小、光學現象的實驗呈現可見度高等特點，將演示性實驗環節引入課程教學環節中，使得課堂和實驗演示有機結合起來，學生在學習理論知識的同時，進行實驗觀測，使得物理現象和規律實現可視性，從而提高學習效率。另外，在課程教學中，引入設計性實驗，引導學生利用“物理光學”課程知識，設計具有實際應用的實驗系統，提高學生學習積極性和創新性。