淺談《光學(xué)與現(xiàn)代生活》通識(shí)教育選修課的教學(xué)設(shè)計(jì)

蔡勛

摘 要：光學(xué)與現(xiàn)代生活是面向高等學(xué)校中各專業(yè)本科生的一門通識(shí)教育選修課。由于光學(xué)在自然科學(xué)中的基礎(chǔ)地位以及與社會(huì)生活的密切聯(lián)系，因而它在人才培養(yǎng)中起著十分重要和獨(dú)特的作用。所以，要講好這門課必須要注意各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。本文主要根據(jù)筆者幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，淺談了幾個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)思想。

關(guān)鍵詞：光學(xué);通識(shí)教育;教學(xué)方法;教學(xué)設(shè)計(jì)

一、引言

教學(xué)設(shè)計(jì)是根據(jù)教學(xué)對(duì)象和教學(xué)目標(biāo)，確定合適的教學(xué)起點(diǎn)與終點(diǎn)，將教學(xué)諸要素有序、優(yōu)化地安排，形成教學(xué)方案的過(guò)程。它是一門運(yùn)用系統(tǒng)方法科學(xué)解決教學(xué)問(wèn)題的學(xué)問(wèn)，它以教學(xué)效果最優(yōu)化為目的，以解決教學(xué)問(wèn)題為宗旨。具體說(shuō)來(lái)，教學(xué)設(shè)計(jì)是指教師以現(xiàn)代教學(xué)理論為基礎(chǔ)，依據(jù)教學(xué)對(duì)象的特點(diǎn)和教師自己的教學(xué)觀念、經(jīng)驗(yàn)、風(fēng)格，運(yùn)用系統(tǒng)的觀點(diǎn)與方法，分析教學(xué)中的問(wèn)題和需要，確定教學(xué)目標(biāo)，建立解決問(wèn)題的步驟，合理組合和安排各種教學(xué)要素，為優(yōu)化教學(xué)效果而制定實(shí)施方案的過(guò)程。

光學(xué)與現(xiàn)代生活這門課是面向延邊大學(xué)各專業(yè)本科生的一門通識(shí)教育選修課，開(kāi)設(shè)本課程是人文素質(zhì)和科學(xué)素質(zhì)互補(bǔ)性教育的需要。光學(xué)是物理學(xué)中最古老的一個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科，又是當(dāng)前科學(xué)研究中最活躍的學(xué)科之一。隨著人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)不斷深入，光學(xué)的發(fā)展大致經(jīng)歷了幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、量子光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)四個(gè)時(shí)期[1]。光學(xué)與現(xiàn)代生活教學(xué)過(guò)程正是圍繞這四個(gè)時(shí)期的主題進(jìn)行教學(xué)。每一個(gè)時(shí)期的光學(xué)又有每一個(gè)時(shí)期的科學(xué)內(nèi)涵。所以，在課堂教學(xué)中針對(duì)每一個(gè)時(shí)期的光學(xué)要有一些不同的教學(xué)設(shè)計(jì)思想。這樣，可以使學(xué)生加深對(duì)光學(xué)概念的理解，更好地掌握光學(xué)規(guī)律，也可以對(duì)光學(xué)發(fā)展脈絡(luò)有清晰的把握。這樣就能更好地實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)代多元化的社會(huì)中，為不同專業(yè)受教育者提供通行于不同專業(yè)和不同人群之間的科學(xué)知識(shí)和價(jià)值觀的通識(shí)教育選修課的教學(xué)目標(biāo)。

本文就光學(xué)與現(xiàn)代生活這門課的特點(diǎn)，結(jié)合筆者的教學(xué)實(shí)踐，探討每一個(gè)時(shí)期的光學(xué)的不同的教學(xué)設(shè)計(jì)思想。

二、幾何光學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)思想

幾何光學(xué)是光學(xué)學(xué)科中最古老的學(xué)科，它是以光線為基礎(chǔ)，研究光的傳播和成像規(guī)律的一個(gè)重要的實(shí)用性學(xué)科。在幾何光學(xué)中，把組成物體的物點(diǎn)看作是幾何點(diǎn)，把它所發(fā)出的光束看作是無(wú)數(shù)幾何光線的集合，光線的方向代表光能的傳播方向[2]。在此假設(shè)下，根據(jù)光線的傳播規(guī)律，可以研究物體經(jīng)透鏡或其他光學(xué)元件成像的過(guò)程。幾何光學(xué)的講授以如下5個(gè)基本定律為基礎(chǔ)：一是光的直線傳播定律;二是光的獨(dú)立傳播定律;三是光的反射定律;四是光的折射定律;五是光的全反射現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步講授以單球面折射成像為基礎(chǔ)的成像光學(xué)，并介紹一些象望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等重要的光學(xué)儀器和它們的發(fā)展歷程。

要講授好這些內(nèi)容必須要有好的布局，同時(shí)要有好的教學(xué)方法。首先，課件布局要美觀。課件不僅要內(nèi)容豐富，形式多樣，更要根據(jù)光路體現(xiàn)動(dòng)畫色彩。例如，在講授單球面折射成像光路圖時(shí)，采用動(dòng)畫效果會(huì)讓學(xué)生對(duì)物點(diǎn)、像點(diǎn)近軸光線等概念有更加清晰的認(rèn)識(shí)。其次，教案設(shè)計(jì)要合理。學(xué)時(shí)有限，內(nèi)容多，必須抓住重點(diǎn)和難點(diǎn)合理設(shè)計(jì)才行。教案中必須有：教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點(diǎn)、教學(xué)難點(diǎn)、板書設(shè)計(jì)、主要教學(xué)方法、教學(xué)工具及各階段時(shí)間分配等。

教案設(shè)計(jì)要突出文中提到的5大定律進(jìn)行講授，同時(shí)對(duì)成像光學(xué)不能面面俱到也要突出重點(diǎn)進(jìn)行必要的講解。例如，對(duì)顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡的光路圖進(jìn)行講授時(shí)一定要結(jié)合幻燈機(jī)、照相機(jī)放大鏡的光路進(jìn)行講述。這樣學(xué)生就會(huì)知道顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡的物鏡成像和幻燈機(jī)、照相機(jī)成像類似;顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡的目鏡成像和放大鏡相似的道理。這樣他們對(duì)顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡的成像系統(tǒng)就有了形象深刻的理解和把握。最后，教學(xué)方法要多樣化。例如，講解全反射時(shí)可以采用探究法探究光纖通信。講解透鏡時(shí)采用比較法等。這樣可以使課堂內(nèi)容講授豐富多彩。幾何光學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)的入門階段，這些教學(xué)設(shè)計(jì)方式有機(jī)結(jié)合，才能使教學(xué)效果最優(yōu)化，使他們迅速入門。

三、波動(dòng)光學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)思想

波動(dòng)光學(xué)是以波動(dòng)理論研究光的傳播及光與物質(zhì)相互作用的光學(xué)分支[3]。波動(dòng)光學(xué)是光學(xué)中非常重要的組成部分，內(nèi)容包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等。波動(dòng)光學(xué)的研究成果使人們對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)得到了深化。

波動(dòng)光學(xué)階段講授時(shí)，要使學(xué)生對(duì)光的認(rèn)識(shí)深化和升級(jí)，這時(shí)因?yàn)槲目茖W(xué)生多，還應(yīng)補(bǔ)全大學(xué)物理振動(dòng)和波的部分，必須使他們預(yù)先了解波面、波長(zhǎng)、波的頻率和周期等概念，還有干涉和衍射等現(xiàn)象，否則達(dá)不到預(yù)期效果。

波動(dòng)光學(xué)教學(xué)應(yīng)以波為主線，要著重強(qiáng)調(diào)凡是具有干涉、衍射現(xiàn)象的物質(zhì)都是波，光也不例外。正是因?yàn)榭茖W(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)看到了光的干涉、衍射現(xiàn)象，才使人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)得到了深化。

這部分講授要突出楊氏雙縫干涉、單縫衍射等重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。要讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)光的波動(dòng)性。教學(xué)方法方面可以采用引導(dǎo)法，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣法、情境教學(xué)法等。

例如，講楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以先講托馬斯·楊發(fā)現(xiàn)光的干涉現(xiàn)象的過(guò)程。他首先讓通過(guò)一個(gè)小針孔S0的一束光，再通過(guò)兩個(gè)小針孔S1和S2，變成兩束光。這樣的兩束光來(lái)自同一光源，所以它們是相干的，結(jié)果表明，在光屏上果然看見(jiàn)了明暗相間的干涉圖樣;后來(lái)，他又以狹縫代替針孔，進(jìn)行了雙縫實(shí)驗(yàn)，得到了更明亮的干涉條紋，這樣就有了后來(lái)著名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這樣一引導(dǎo)就可以激發(fā)學(xué)生的求知欲望和學(xué)習(xí)熱情。

此外，這部分的講授要結(jié)合因特網(wǎng)給學(xué)生留一些網(wǎng)上作業(yè)，讓學(xué)生對(duì)光的波動(dòng)理論的來(lái)歷有歷史性的了解。例如，讓他們?cè)诰W(wǎng)上翻看牛頓的微粒說(shuō)和惠更斯的波動(dòng)說(shuō)相互斗爭(zhēng)的時(shí)代情境，使他們知道光的波動(dòng)理論來(lái)之不易。還可以在網(wǎng)上采集一些干涉、衍射、偏振現(xiàn)象的動(dòng)畫片在課堂放映，使課堂氣氛變得形象生動(dòng)。這樣可以提高學(xué)生獲得知識(shí)的效率，還可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

這部分的教學(xué)設(shè)計(jì)要讓學(xué)生多多通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)光的波動(dòng)本質(zhì)。

四、量子光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)思想

量子光學(xué)是以輻射的量子理論研究光的產(chǎn)生、傳輸、檢測(cè)及光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科。與經(jīng)典理論不同之處在于不連續(xù)性也就是量子性。各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。量子論很自然地解釋了黑體輻射能量按波長(zhǎng)分布的規(guī)律，以全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的問(wèn)題[4]。

內(nèi)容包括：普朗克能量子假設(shè)、愛(ài)因斯坦光量子假設(shè)、波爾假設(shè)、德布羅意物質(zhì)波假設(shè)和激光等。這部分內(nèi)容會(huì)使學(xué)生對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)得到升華。

對(duì)這部分的講授要從普朗克能量子假設(shè)出發(fā)強(qiáng)調(diào)輻射的量子論。并通過(guò)講授愛(ài)因斯坦光量子假設(shè)，讓學(xué)生明白，光不僅具有波動(dòng)性，又同時(shí)具有粒子性。即光具有波粒二象性，波動(dòng)性表現(xiàn)在光的傳播過(guò)程中，粒子性表現(xiàn)在光的發(fā)射和與物質(zhì)的相互作用過(guò)程中。再通過(guò)德布羅意物質(zhì)波假設(shè)讓學(xué)生的認(rèn)知從光的波粒二象性進(jìn)一步升華到微觀粒子的波粒二象性，也就是讓學(xué)生清楚不僅是光，一切微光粒子都即具有波動(dòng)性又具有粒子性。再通過(guò)波爾假設(shè)使學(xué)生了解發(fā)光機(jī)理。這部分內(nèi)容因?yàn)榇蠖嗍谴竺ΧΦ奈锢韺W(xué)家的諾貝爾獎(jiǎng)的成果，學(xué)生往往更感興趣，因?yàn)閷W(xué)生從小就聽(tīng)過(guò)愛(ài)因斯坦等名人的故事。所以這部分的講授要多講一些科學(xué)故事啟發(fā)學(xué)生。讓學(xué)生對(duì)普朗克能量子假設(shè)、愛(ài)因斯坦光量子假設(shè)和德布羅意物質(zhì)波假設(shè)等的來(lái)歷和歷史背景有比較通透的理解。

激光的講授是本門課的結(jié)尾部分也是量子光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)的過(guò)渡部分。要對(duì)激光的名字的來(lái)歷、激光的發(fā)光機(jī)理、花樣繁多的激光器及激光的應(yīng)用進(jìn)行講授。在著重講授內(nèi)容的同時(shí)，要展望現(xiàn)代光學(xué)的未來(lái)。要多放一些激發(fā)愛(ài)國(guó)熱情的我國(guó)在激光領(lǐng)域里的成就和應(yīng)用的視頻。因?yàn)槲覈?guó)在激光領(lǐng)域并不落后，有的甚至超前。這樣可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和愛(ài)國(guó)情懷。最后，應(yīng)以光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史為主題為本門課做一個(gè)完美的小結(jié)。使學(xué)生對(duì)光學(xué)幾千年的發(fā)展脈絡(luò)有一個(gè)清晰的把控和梳理。筆者通常以放專題片和講解的方式進(jìn)行扣題小結(jié)。

講授各個(gè)時(shí)期的光學(xué)還有一個(gè)重要的教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就是作業(yè)。因?yàn)槭峭ㄗR(shí)教育選修課而不是專業(yè)課，還有因?yàn)槲目茖W(xué)生占多數(shù)，所以作業(yè)不能留的太專業(yè)，要盡量避開(kāi)高深的數(shù)學(xué)運(yùn)算，以基本概念、基本公式和闡述基本原理和應(yīng)用為主線布置作業(yè)，不能太多也不能太少，每個(gè)部分以12道題左右布置為好，而且要堂堂布置，還要留一些網(wǎng)上科普作業(yè)。這樣既能滿足了32學(xué)時(shí)的教學(xué)大綱要求，也不會(huì)讓學(xué)生學(xué)起來(lái)費(fèi)力。要讓學(xué)生結(jié)合因特網(wǎng)完成作業(yè)，因?yàn)橐蛱鼐W(wǎng)上的學(xué)習(xí)資料相當(dāng)豐富。最后的考試要以作業(yè)為主線出題，還要給一些高材生留一些舉一反三的空間，這樣即達(dá)到了考察的目的也拉開(kāi)了學(xué)生間的分?jǐn)?shù)距離。

五、結(jié)語(yǔ)

教學(xué)設(shè)計(jì)必須解決教什么，怎樣教的問(wèn)題，同時(shí)要把教學(xué)的各要素看成一個(gè)系統(tǒng)，使之有機(jī)結(jié)合，使教學(xué)效果最優(yōu)化，這樣才能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。同時(shí)，教學(xué)設(shè)計(jì)也是教師課堂教學(xué)成敗的關(guān)鍵，教師只有借助生動(dòng)豐富的教學(xué)設(shè)計(jì)、精細(xì)實(shí)施課堂教學(xué)活動(dòng)，才能幫助學(xué)生獲得最大程度的發(fā)展。

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