物理光學課程的教學實踐與思考

單小琴 曹 芳

南京理工大學紫金學院 江蘇南京 210023

物理光學課程的教學實踐與思考

單小琴 曹 芳

南京理工大學紫金學院 江蘇南京 210023

物理光學課程用波動的觀點討論光在介質(zhì)中的傳播及光的本質(zhì)，具有理論性強和專業(yè)性強的特點，教學效果一直不夠理想。針對光電信息類專業(yè)學生的特點，從該課程的教學內(nèi)容、教學方法、評分機制等方面進行了改革，并給出了教學實例，最后分享了對整個教改實踐的思考。

物理光學；軟件仿真；教學效果

物理光學是光電信息工程類專業(yè)的學科基礎(chǔ)課，與幾何光學共同構(gòu)成了工程光學的兩大分支，后繼課程如激光技術(shù)與應(yīng)用、光學測量、光電檢測技術(shù)、光纖通信、光電系統(tǒng)設(shè)計等專業(yè)課都以物理光學為理論基礎(chǔ)，其重要性不言而喻。本課程的開設(shè)是為了使學生能較全面且系統(tǒng)地掌握物理光學的基本理論及其實際應(yīng)用，為學生學習其他相關(guān)專業(yè)課程打下堅實的專業(yè)理論基礎(chǔ)，為將來從事光電信息工程方向的研究及相關(guān)儀器的設(shè)計、制造，及其高科技領(lǐng)域內(nèi)的開發(fā)、創(chuàng)新奠定理論基礎(chǔ)。

物理光學和幾何光學的區(qū)別在于，幾何光學主要依據(jù)基本實驗定律和幾何定理處理光的傳播問題，說明光通過介質(zhì)時的現(xiàn)象，不涉及光的物理本性，而物理光學則從光波是電磁波出發(fā)來研究光在傳播時的現(xiàn)象、規(guī)律及應(yīng)用，以波動觀點討論光學問題，涉及光的物理本性。所以物理光學研究的內(nèi)容更加抽象，在教學過程中需要依賴高等數(shù)學、工程數(shù)學中大量的公式推導解釋很多概念，這樣就使得那些數(shù)學底子薄的學生跟不上隊伍，再加上概念本來就很抽象，跟實際掛不了鉤，久而久之很容易產(chǎn)生放棄的念頭。

針對目前該課程的教學現(xiàn)狀和學生學習存在的問題，近年來筆者對物理光學課程的教學內(nèi)容、教學方法、考核機制等方面作了一些改革，并取得了不錯的效果。

1 教學內(nèi)容的改革

目前，我院開設(shè)的物理光學課程為4個學分，共64學時，分7章，詳細地闡述了光的電磁性質(zhì)、光在各向同性介質(zhì)界面上的傳播規(guī)律和光波的疊加與分析、光波的干涉和典型干涉裝置與應(yīng)用、光波的衍射和傅里葉光學的基本原理、光的偏振及其在晶體中的傳播、光的量子性和激光、光纖和導波光學。

該門課程的開設(shè)時間定在大三上學期，由于物理光學艱深的理論性，學生必須在修完高等數(shù)學中的微積分、工程數(shù)學中的傅里葉變換這些數(shù)理底子才能輕裝上陣，幾何光學在大二下學期開設(shè)，通過幾何方法研究的光傳播規(guī)律給物理光學的本質(zhì)研究打下形象的基礎(chǔ)。同樣，從大一下就開始的2個學期的大學物理中光學內(nèi)容占了很大的分量，占到課時總數(shù)的三分之一，在大學物理中，不僅專門介紹光的干涉、衍射和偏振，還涉及采用半經(jīng)典的方式對光的波粒二象性和光的本質(zhì)的討論。其實在高中物理中，學生就偶有對光的常識性認識，大學物理中的光學入門把學生帶到了一個更新的科學高度，對于有些光學現(xiàn)象(如彩虹的形成、薄膜油膜、波粒二象性)等產(chǎn)生了興趣，有些懂但又不能完全領(lǐng)會，這就激發(fā)了學生有更加強烈的愿望獲得知識。

根據(jù)目前我院開設(shè)物理光學課程的側(cè)重面在于對基本物理現(xiàn)象、物理概念、物理規(guī)律、物理理論及應(yīng)用的闡述，而且該課程還是部分院校碩士研究生入學考試大綱的要求，我們在原來的教學大綱上進行了修改，重點介紹光的電磁理論基礎(chǔ)、光波的干涉和干涉系統(tǒng)、光波的衍射及光的偏振、晶體光學基礎(chǔ)這四大板塊，原大綱中的傅里葉光學由于跟工程數(shù)學中的傅里葉變換部分有重疊，而且偏重數(shù)學計算，在新大綱中不再保留；原大綱中光的量子性和激光的部分在后續(xù)的課程激光技術(shù)與應(yīng)用中會詳細介紹，所以也不再介紹；光纖和導波光學部分在后續(xù)的課程光纖通信中重點介紹，新大綱也不再闡述。

當然，考慮到現(xiàn)代光學的發(fā)展和應(yīng)用，除了這四大板塊的傳統(tǒng)內(nèi)容之外，會專門有幾個學時集中性介紹全息術(shù)、光學信息處理、二元光學、半導體激光等基本概念加以充實。通過增加現(xiàn)代光學中具有光電專業(yè)特色的學科前沿信息，使得物理光學課程既能保持本學院、本學科的特色，又能緊跟光學領(lǐng)域的前沿，使得本專業(yè)學生能了解現(xiàn)代光學發(fā)展的尖端成果。

2 教學方法的改革

2.1 課堂教學引入軟件仿真

MATLAB軟件是計算機仿真技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，具有很多自帶的庫函數(shù)和各類專門的工具箱，不需要用戶再進行繁冗的程序編寫，而且其可視化的能力極強，已經(jīng)變成一個非常流行的仿真工具，逐漸被引入課堂教學之中。物理光學課程由于其內(nèi)容的艱深晦澀，理論性極強，很多時候?qū)W生無法從理論中真切感受到各種光學現(xiàn)象，除了光學基礎(chǔ)實驗中開設(shè)的一些基本的實驗外，還有很多光學現(xiàn)象由于實驗室條件和實驗儀器的限制，沒法進行可視化觀察。本課題的實施過程中我們引入了軟件仿真，通過仿真的方法讓學生感受到神奇的光學現(xiàn)象。

第一步，整理知識點。根據(jù)近年來物理光學教學中學生對知識掌握情況的了解，從光的波動性理論出發(fā)，整理出典型的干涉和衍射實驗，對其理論基礎(chǔ)和實驗原理進行分析，讓學生進行自由分組，自學MATLAB軟件完成實驗內(nèi)容的仿真。第二步，分工合作。根據(jù)學生分組之后的情況，由組長對各個成員進行分工，定期地組織大家進行任務(wù)進度上的交流，最后由項目組成員定期聽取各組長匯報，進行工作檢查。第三步，成果匯報。由各小組推薦，選出一名代表進行成果匯報演講，各小組給出仿真結(jié)果并寫出仿真報告。

例如，楊氏雙縫干涉是光的干涉部分一個重要的實驗，很多時候?qū)W生在實驗室通過調(diào)試光路只能觀察到干涉條紋圖，沒法記錄下光強分布。而通過MATLAB軟件仿真不僅可以看到清晰的干涉條紋圖，還可以通過程序中代碼的編寫改變雙縫間距、光源大小、波長大小、觀察屏與雙縫的間距等參量，還可以顯示光強的大小。再如，在光的夫瑯禾費衍射和菲涅爾衍射進行模擬的實驗中，對各種典型的孔徑如單縫、多縫、圓孔等都進行了仿真，還可以實時調(diào)整各個仿真參數(shù)，使得學生學習光學課程的積極性大增。

經(jīng)過一個學期的分組學習，學生不僅完成了物理光學理論課程的學習，而且自學了MATLAB軟件、加強了實驗報告的寫作能力、練習了PPT制作等各項技能，激發(fā)了學生的學習興趣，發(fā)揮了學生的主觀能動性，鼓勵了學生相互合作、交流，提高了學習效率。

2.2 強化重點難點 重視方法的掌握

物理光學課程的教學目標是使學生掌握光的電磁理論與光的干涉、衍射、偏振基本理論，培養(yǎng)學生綜合應(yīng)用物理光學理論分析問題與解決問題的能力，所以基本理論是肯定不能隨便帶過的。課程中含有大量的原理公式推導，如全反射的相位變化、平行平板的等傾干涉中條紋角半徑和角間距的求解、菲涅爾衍射和夫瑯禾費衍射，這些原理和計算都離不開公式，如果學生的數(shù)學底子不行的話，常常無法理解數(shù)學公式和光學概念之間的聯(lián)系及公式里所包含的物理意義，從而逐漸失去學習興趣。很多時候為了考試，只能死記硬背公式，無法對知識靈活運用，從而違反了學習的初衷。

例如，在雙光束的干涉問題中，學生對與光軸夾角為零的平行光進入雙縫產(chǎn)生的雙光束干涉很熟悉，但是如果給定的平行光是斜入射到雙縫上時就不知所措了，這個時候教師就要引導學生從解題的原始思路出發(fā)，要想求干涉條紋(也就是光強分布)，得要先寫出兩束相干光入射到觀察屏上的復振幅分布，既然垂直入射的復振幅可以很容易寫出來，斜入射的區(qū)別就在于多了一個隨傾角變化的空間相位因子，而這個問題利用光的波動公式就可以解決，剩下的問題就是利用疊加定理，把兩束相干光的復振幅疊加，最后點乘共軛就可以得到干涉場上的光強分布，通過討論各點的光程差從而確定明暗條紋的位置。幫助學生總結(jié)進行總結(jié)，只要遇到雙光束干涉的問題，不管多么復雜，甚至還會偏振的題型混合，無非還是采用復振幅疊加點乘共軛的思想來求光強分布。

3 完善成績評定規(guī)則

成績評定不再以單純的期末考試成績?yōu)闇?，采?0%的考試成績與30%的平時成績評定規(guī)則，其中平時成績中10%為出勤和作業(yè)情況， 20%為每名學生平時課堂的參與情況，包括提問、討論以及小組仿真的參與情況，這種考核方式結(jié)合了學生平時的學習主動性，對學生知識的掌握程度和分析問題解決問題的能力進行了及時的考察，集結(jié)果評價和過程評價于一體，更大地發(fā)揮成績評定的激勵功能。

4 結(jié)束語

在物理光學課程的教改實踐過程中，針對課程內(nèi)容的深澀難懂、原理公式繁多以及光學現(xiàn)象的演示受制于實驗儀器和實驗條件等問題，筆者就教學內(nèi)容和教學方法進行了調(diào)整，教學內(nèi)容上通過修改教學大綱，教學方法上通過課堂中引入仿真軟件讓學生分工合作，強化重點、難點，重視方法的掌握及完善成績評定規(guī)則等方面提高了教學效果。在今后的教學中，要繼續(xù)大力進行教學改革，更大地調(diào)動學生的學習積極性和主觀能動性，培養(yǎng)學生獨立思考的精神，實現(xiàn)真正意義上的自主學習。

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[2] 武旭華,肖韶榮,張仙玲.“工程光學”教學改革初探與實踐[J].電氣電子教學學報,2009(31):35-37.

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[4] 蔡懷宇,郁道銀,李清.“工程光學”國家精品課程的建設(shè)與改革[J].高等理科教育.2006(2):38-40.

Teaching Practice and Thinking on Physical Optics Course

Shan Xiaoqin, Cao Fang

Zijin College, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, 210023, China

Physical optics course mainly discusses the light propagation in the medium and the nature of light from wave prospective, and has a strong theoretical and professional characteristics thus decreasing the teaching effects. In this paper, according to the traits of photoelectric information engineering students, reform has been carried on the teaching content, teaching method, grading mechanism and so on. The teaching examples are presented and the thinking of the teaching reform practice is also given finally.

physical optics; software simulation; teaching effects

單小琴，碩士，講師。

南京理工大學紫金學院教育教學改革立項項目(編號：20150103007)。