光學教學中知識擴展的探索

李洪亮 林燕珍 余幼文

摘要： 本文探討了光學教學中知識擴展的問題，論述了如何將現(xiàn)代光學的主要內(nèi)容融合到光學的課程中，并結合實例討論了如何銜接基礎光學知識與現(xiàn)代光學知識問題。

關鍵詞： 光學教學現(xiàn)代光學教學改革知識擴展

一、前言

光學作為物理學的一門基礎學科，在幫助本科物理類專業(yè)學生知識框架的構建過程中有著極其重要的作用，光學在現(xiàn)代物理學已經(jīng)成為發(fā)展最快的一門學科。然而長期以來，該課程的教學總是以傳統(tǒng)的幾何光學、波動光學為主，現(xiàn)代光學部分和最新光學發(fā)展雖然在一些教材中有所體現(xiàn)［１］，但涉及面不廣，學生對光學課程學習的評價為內(nèi)容陳舊、與實際有所脫離。光學課程沒有其他普通物理課程的后續(xù)課程，導致物理類專業(yè)本科生在大學期間對現(xiàn)代光學方面的知識框架不夠完善。

本文針對目前光學課程中缺少現(xiàn)代光學內(nèi)容的問題進行了探討，提出了教學中知識擴展的方法和原則，并結合實例進行了論述。

二、適當精簡傳統(tǒng)光學部分

目前大部分高校光學課程的課時安排緊湊，教師沒有非常充足的時間去講解，故而需要對傳統(tǒng)光學部分進行適當?shù)木?，在保證基本內(nèi)容的前提下，壓縮和刪除基礎光學中的非主體部分、與其他學科重復的部分和內(nèi)容過時陳舊的內(nèi)容。對于刪除部分，可以適當講解其基本概念和應用，以便學生需要時方便查詢。

傳統(tǒng)光學部分在進行精簡的同時，應當加強傳統(tǒng)部分的教學內(nèi)容的系統(tǒng)性，內(nèi)容上應當增加各章節(jié)知識本身的內(nèi)在規(guī)律性及相互聯(lián)系。例如教材［１］，幾何光學中應當以費馬原理作為光線光學的理論基礎去分析或追究光線徑跡；從波動光學眼光看，光線反映了光能流的傳播路線；以疊加原理為主線貫穿整個波動光學，干涉、衍射、偏振均可看作不同條件下波的疊加結果。注重課程內(nèi)容的條理化，雖然波動光學和幾何光學看似聯(lián)系不十分緊密，但是自始至終都離不開的兩個概念就是光程和相位差，所以在整個基礎光學部分的教學中要始終貫穿這兩個基本概念使教學內(nèi)容渾然一體。［２］

三、結合課程，適當擴展

在光學課程中，擴展現(xiàn)代光學的內(nèi)容，不能為了現(xiàn)代光學部分的系統(tǒng)性和完整性而將所有現(xiàn)代光學的部分納入光學課程的教學中來，而是要有所選擇，并根據(jù)光學課程的內(nèi)容進行擴展。在光學基本內(nèi)容的基礎上，講解某種光學器件應用的研究和進一步的發(fā)展、光的某種特性的應用等。內(nèi)容擴展要與光學課程中的基本知識相協(xié)調(diào)，不能盲目將現(xiàn)代光學知識“加塞”到基礎光學課程中。

擴展的內(nèi)容要認真統(tǒng)籌，合理規(guī)劃。首先，擴展的現(xiàn)代光學知識要具有熱點性。根據(jù)當今時代光學研究的熱點精心選擇，這就要求教師在教學同時，加大對當今光學發(fā)展潮流的準確把握，對教師基本能力等就有了較高要求。由于光學的發(fā)展十分迅猛，故而每年的擴展知識點可以根據(jù)實際情況有一定的變化。其次，擴展內(nèi)容不宜過難。短時間將難度較大的知識傳授給學生會導致學生無法消化理解，學習興趣降低。應根據(jù)不同高校本科生的具體情況而設定，不宜將難度過大、理論推導較多的知識點作為擴展內(nèi)容。最后，擴展內(nèi)容不宜過多。近些年來，由于以提高學生綜合能力的其他課程課時量逐漸增多，作為物理學類專業(yè)本科生基礎課程的光學課程課時量有一定的減少，在本不充足的課時中加入過多的擴展知識，會增加學生壓力，易導致其厭學。

四、堅持引導而不展開的基本原則

現(xiàn)代光學中的一些結論，需要較復雜的數(shù)學推理過程，部分數(shù)學理論知識較深較難，對于低年級物理類本科生學習難度大，不宜過多講解。在時間上，由于該課程的課時量講解全部光學內(nèi)容已經(jīng)不夠充足，沒有留給教師過多的時間進行知識擴展。因此，在光學課程中對現(xiàn)代光學部分的擴展應堅持引導學生學習而不深入展開的基本原則。

擴展內(nèi)容應當以現(xiàn)代光學的基本知識點、基本原理和思路、應用及未來發(fā)展方向、面臨需要解決的問題等方面為主要擴展內(nèi)容，而對知識點中的基本公式的推導不予講解，但可以引導有興趣和學有余力的學生自行學習。在擴展部分教師可以以科學普及的方式對學生講解。

五、擴展實例

根據(jù)課程的實際教學內(nèi)容，適時地引入擴展實例，本文以教材［１］為例，介紹在光學課程教學過程中如何引入擴展知識。

1.光柵尺的引入

教材［１］在第二章第8節(jié)內(nèi)容中講解了光柵的基本特性，可以在此基礎上，引入莫爾效應及其應用——光柵尺。

人們將兩組條紋疊加在一起所產(chǎn)生的圖形稱為莫爾條紋。在光柵移動過程中，莫爾條紋的個數(shù)與光柵移動距離有關，通過計算莫爾條紋的個數(shù)可以得到光柵移動的距離。［３］

2.光纖通信的引入

教材［１］在第三章第4節(jié)中講述了光學纖維的基本內(nèi)容，可以在此基礎上擴展光纖通信的知識及光孤子方面的研究成果。

光纖通信即光導纖維通信，就是利用廣島纖維傳輸信號，以實現(xiàn)信息傳遞的一種通信形式。可以把光纖通信看作是以光導纖維為傳輸媒介的“有線”光通信。光纖通信具有在單位時間內(nèi)能傳輸?shù)男畔⒘看?、建設費用低、體積小、重量輕、金屬少、抗電磁干擾能力強、抗輻射性強、保密性好、頻帶寬，抗干擾性好等優(yōu)點。［４］

光纖通信難以解決的兩個問題是能量損耗和色散，光孤子的非線性效應可以和色散效應相抵消，使脈寬基本保持不變。困難是如何補充能量。

3.光鑷的引入

教材［１］在第七章講述了光的量子性，光子是有質(zhì)量的粒子。此處可以引入光鑷的概念。

光鑷又稱單光束粒子阱，是在1969年以來關于光與微粒子相互作用實驗的基礎上于1986年發(fā)明的。單光束粒子阱實質(zhì)上是光輻射壓梯度力阱，是基于散射力和輻射壓梯度力相互作用而形成的能夠網(wǎng)羅住整個米氏和瑞利散射范圍粒子的勢阱。它是由高度匯聚的單束激光形成的，可彈性地捕獲從幾nm幾十μm的生物或其他大分子微粒球）、細胞器等，并在基本不影響周圍環(huán)境的情況下對捕獲物進行亞接觸性、無損活體操作。這使得在單個生物大分子及其復合體層面上對生命活動進行研究成為可能，事實上光鑷很快成為這方面研究的有力工具。利用光鑷技術很快取得了動力原蛋白運動機制研究。DNA分子的非線性彈性拉伸應變和DNA聚合鏈特征性運動對生物材料的黏彈性影響等突破性研究成果。［５］

4.納米激光器

教材［１］在第八章論述了激光器的基本原理，此處可以引入當今最熱的納米激光器。

2001年美國加利福尼亞大學伯克利分校的研究人員在只及人類頭發(fā)絲千分之一直徑的納米光導線上制造出了世界上最小的激光器——納米激光器。這種激光器不僅能發(fā)射紫外光，經(jīng)過調(diào)整后還能發(fā)射從藍光到深紫外的光。［６］

納米激光器在很多領域有廣闊的應用前景，化學和生物醫(yī)學工程中例如生物傳感器、顯微術和激光外科，以及也有可能把納米激光器用于鑒別化學物質(zhì)。同時納米激光器在光計算、信息存儲和納米分析等領域也得到了廣泛應用。納米激光器可以用于電路，可以裝入芯片提高計算機磁盤信息存儲量，以及未來光子計算機的信息存儲量，加速信息技術的集成化發(fā)展。

5.信息光學的引入

教材［１］在八章論述了全息照相的概念，此處可以引入信息光學。

由于激光器的應用，全息術獲得了新的生命。全息術和光學傳遞函數(shù)的概念結合，使光學研究不再限于用光強、振幅的空間分布來描述光學圖像，而把圖像看做是由緩慢變化的背景、粗的輪廓等比較低的“空間頻率”成分和急劇變化的細節(jié)等比較高的“空間頻率”成分構成的，用頻率的分布和變化來描述光學圖像。一門新的學科——信息光學從傳統(tǒng)的經(jīng)典波動光學中脫穎而出。［３］

六、結語

文章論述了如何在光學課程中加入現(xiàn)代光學的知識擴展問題，講解了在知識擴展過程中應注意的問題，并結合實例對如何銜接基礎光學知識與現(xiàn)代光學知識問題進行了探討。目前光學內(nèi)容已經(jīng)略顯陳舊，對現(xiàn)代光學內(nèi)容的擴展應主要引導學生自行學習，鼓勵物理類本科生掌握現(xiàn)代光學技術以提高綜合素質(zhì)。

參考文獻：

［1］姚啟鈞.光學教程（第三版）.北京：高等教育出版社，2002.

［2］鄧文武，孫利輝.光學課程教學中開設現(xiàn)代科技知識“窗口”的探索.高等函授學報（自然科學版），2010.4，23，（2）:23-25.

［3］蘇顯渝，李繼陶.信息光學.北京：科學出版社，2007.

［4］程黎軍.淺談光纖通信技術.科技風，2011，20:57.

［5］姚建銓，安源，趙海泉.光鑷技術的發(fā)展與應用.光電子.激光，2004，1，15，（1）:123-128.

［6］程開富.納米光電子器件的最新進展及發(fā)展趨勢.電子元器件應用，2004，4：1-3，9.