物理光学课程教学改革探索|课程教学改革

物理光学课程教学改革探索

【关键词】物理光学；
课程教学；
教学改革 物理光学是光信息科学与工程专业的重要专业基础课， 主要是以光的电磁理论为基础研究光在各向同性和各向异 性介质中的传播、光的干涉和衍射、光的吸收、色散和散射 以及与之相关的一些典型应用，不仅是学生进一步认识、理 解光的本质和特性重要课程，而且还是该专业很多后续专业 课程，如信息光学、激光原理、光纤通信以及光电子技术等 专业课程的基础[1]。由于物理光学在光信息科学与工程专 业课程体系中的重要性，在湖北工程学院物理光学还被列为 该专业的四门学位课程之一，总开课学时为80学时，其中理 论64学时，实验16学时。虽然，开课学时充裕，学生对物理 光学重要性的认识和重视程度也较好，但是在学习过程中大 多仍感觉比较困难，不能很好把握其内涵和精髓，灵活运用 物理光学理论去分析、处理问题，大多是机械地套用公式， 学习效果不佳。对此我们物理光学教学组系统调研、分析了 近4届学生在物理光学学习过程中存在的主要问题，并探索 与之相应的教学改革，获得了较好的效果。1物理光学教学中存在的问题 1.1数学和电磁理论基础薄弱，重结论轻过程，不能领 会结论的物理内涵及思想 物理光学中很多重要结论都涉及到以电磁场理论为基 础的比较复杂数学推导，如基尔霍夫衍射公式、晶体光学的 菲涅尔方程以及光与介质相互作用的经典理论等[2]。很多 学生面对复杂、枯燥的推理过程往往没有耐心，不能积极主 动学习，采取只死记硬背公式和结论的消极学习方法，没有 领会公式和结论所蕴含的物理意义，更没有从这些推理过程 中获得物理思维的锻炼和培养。而且，过多的理论推导和复 杂数学公式还使得一些数学基础较差的学生一开始产生畏 难情绪，学习信心不足。

1.2注重知识的积累，忽视了知识的消化和内化 在物理光学教学过程中，学生往往只注重结论的简单记 忆，忽视了结论的由来、物理内涵以及与其它结论之间关联 性的分析和总结，从而将其消化和内化。例如，对光波的时 间域频谱特性与空间域频谱特性而言，学生普遍能够很快很 好地掌握前者，而对后者，由于以前接触较少，相对比较抽 象，只有少数学生可以较快较好地掌握。由于知识只是在大 脑中的简单堆积，并没有被消化和内化到自身知识体系和思 维中，不仅自身分析、处理问题的方法和能力得不到锻炼， 而且随着课程进度的不断推进，知识点越来越多而杂，学习 困难越来大，甚至出现学习兴趣锐减和作业抄袭的现象。1.3实验教学对理论教学促进作用不明显 物理光学课程中包括16学时的实验教学，目的是通过一 些验证性实验进一步加深学生对物理光学重点知识的理解 和掌握。但是，由于存在实验教学和理论教学进度不匹配， 学生并没有带着疑问和怀疑的态度去做实验，实验兴趣不高。

再加上物理光学实验一般实验操作比较复杂，学生往往疲于 应付基本的实验操作和数据的测量，实验过程中对相应问题 的思考不够，从而导致实验对理论的补充和拓展效果并不明 显。

2物理光学教学改革的探索 2.1凝练基本理论的导出，锻炼学生思维 对较复杂的理论导出进行凝练，挖掘其内在的逻辑关系 和导出过程中的关键环节，构建直观、清晰的物理图像，将 学生先从繁杂的数学运算中解放出来，对理论的导出有一个 直观、整体的认识。再针对其中的一些关键数学推导进行重 点讲解，一方面使学生进一步认识其物理内涵，另一方还可 以增进学生对数学之美的体会，增强学生对复杂理论导出学 习的兴趣。例如在基尔霍夫衍射公式导出过程中，我们首先 给学生明确这次课的主要目的，即获得夫琅和费衍射和菲涅 尔衍射的基尔霍夫衍射积分公式，为后面学习做准备，以及 基尔霍夫衍射公式导出的基本流程和各部分关键问题，让学 生从整体上把握本次课的脉络、框架和物理图像。其次，针 对理论导出中各个关键问题，例如由场论中的格林定理导出基尔霍夫积分定理、小孔衍射特点及其在基尔霍夫积分定理 中的具体体现以及基尔霍夫衍射公式的几个关键近似处理 进行详细地讲解和演算，使学生逐个掌握，并在此基础上感 受严密的理论推演的内在美，激发学生的学习兴趣。最后再 次结合理论导出的基本流程和关键问题对整个课程进行总 结，进一步固化学生对物理图像和物理内涵的理解。经过几 年的不断尝试，现在在讲授这些较复杂的理论导出时，学生 积极性和接受程度都有了显著地提高。

2.2以典型物理模型为基础，引导学生主动拓展 归纳、总结能够反映物理光学各部分内容的典型物理模 型，并以它们作为课堂教学切入点，进行重点讲解，不仅使 学生能够掌握模型的物理内涵，而且还要使学生深刻领会模 型所蕴含的分析问题、处理问题的思想和方法。引导学生利 用模型的结论和分析方法去分析、探讨新的相关知识。例如， 在光的干涉这部分内容中，只需要重点讲解双缝干涉、平行 平板的干涉以及楔形平板的干涉三个基本物理模型的干涉 情况及其中蕴含的物理思想和分析方法。对于其它干涉系统 产生的干涉现象，如菲涅尔双棱镜、菲涅尔双面镜、�c埃 镜、劈尖、薄膜、迈克尔孙干涉仪、马赫-泽德干涉仪以及 法布里-珀罗干涉仪等产生的干涉，可以通过引导学生首先 将其归纳到上面三个基本物理模型所代表的类型中，然后利 用在典型模型中获得的物理思想和分析方法进行研究和学 习。这样学生就可以以基本干涉模型为基础，积极主动地学习其它相关的光的干涉知识，不断地拓展和深化自己对光的 干涉的认识和理解。采用这中尝试后，由于学生自己可以以 基本物理模型为基础对新的知识进行分析和研判，在教学过 程中师生之间互动比以前畅通多了，还有一些学生课堂上提 出了一些非常好的问题和观点，说明学生学习主动性有了显 著地改善。

2.3强化知识之间的关联性，促进知识的二次消化 物理光学中很多知识点之间都存在很强的关联性[3]。

这既包括同一部分不同知识点之间，例如光波场的时间频率 域和空间频率域表示，晶体各项异性的折射率椭球、折射率 曲面、波失曲面和菲涅尔椭球表示法，自然双折射和感应双 折射等；
也包括不同部分知识点之间，例如光的干涉和衍射、 各向同性介质界面的折反射与晶体界面的折反射等。挖掘并 理清这些知识点之间的关联，一方面将极大地促进学生对各 知识点物理内涵、外延及其相关应用的理解和把握，实现知 识的二次消化，使其得到进一步升华，内化到学生知识体系 之内及自身能力之中。另一方面，通过知识之间的内在关联 可以通过类比等方式，从简单易懂的知识入手，逐步加学生 深对相对复杂难懂的知识的理解和认识。例如，对各向同性 介质界面的折反射，学生一般都很容易掌握，但对晶体界面 的折反射就感觉难度较大。但是，若将二者对比起来，除了 晶体界面折反射涉及到不同方向有不同折射率外，其它两者 完全一样，这样有利于学生更好理解光波在晶体界面折射和反射。除了课堂上适当利用知识之间关联性促进、加深学生 对知识的理解外，我们还尝试将一些知识之间的关联性作为 课后练习，让学生自己挖掘、总结。例如，学术一般知道干 涉和衍射实际上都是光波相干叠加引起的光强的重新分布， 但对它们的具体差异感觉比较模糊。为此，我们以讨论双缝 干涉和双缝衍射的异同作为一次课后讨论作业，让学生进行 课后探讨。结果不仅进一步促进了学生对干涉衍射物理本质 的认识和理解，而且很多同学由于在本次作业中表现突出， 获得了一定的成就感，大大地增强了其学习的积极性。

2.4利用计算机辅助教学，引导学生主动求证和探索 物理光学的很多结论都是以数学公式的形式给出的。数 学公式虽然表述简练，但表述并不直观，学生难以很快地建 立直观的物理图像。有些教材中虽然给出了数学公式表述结 论在特定条件下的图像，但由于不是学生自己做出来的，大 多数学生都是被动地看看就过去了，难以留下深刻印象。若 可以让学生自己根据结论作出他想看的直观的物理图像，则 在其自身求知欲望的推动下，对结论的认识和理解程度就会 显著提高[4]。在教学过程，以Matlab软件为平台，将一些 数学公式表示的结论，如菲涅尔公式、干涉和衍射的光强分 布公式等，编写成可以通过简单修改参数作出不同条件下直 观物理图像的小程序，给学生演示数学公式描述的具体物理 图像，并让学生自己课后利用这些小程序分析、总结不同条 件下异同。显然，这种实时演示和自我验证相结合的方法，效果很明显，不仅促进了学生对结论的认识和理解，还激发 了一些学生自己动手尝试的现象。在每一届的物理光学课程 中，总有一些学生不满足于借助计算机简单地对数学公式所 描述的直观物理图像进行验证，还尝试一些难度更大的验证， 甚至探索，例如借助计算机开展光学多层膜反射率和透射率 的计算、基于基尔霍夫衍射公式的衍射光强的数值计算等。

这不仅进一步促进了学生对物理光学相关知识的掌握和拓 展，而且对他们思维和能力的锻炼和培养有很大帮助。2.5 强化实验对理论的补充和拓展针对实验教学中存在问题与 不足，对实验教学过程进行了相关改革。首先，改变实验教 学和理论教学单独开课的状况，将它们纳入一个整体，由同 一名教师在同一学期承担。这样教师就可以根据理论教学的 进度适时安排实验教学，将二者有机融入一体，增强实验对 理论的补充和拓展。其次，强化实验教学各个环节的管理， 避免学生过分注重实验操作，而忽视实验中必须的思考。为 此，进一步提高了对学生实验规划、实验操作问询、实验数 据处理与分析以及实验总结方面的要求，让学生带着问题、 想着问题、找着问题做实验。这样虽然显著地增加了教师和 学生的工作量，但实验效果提高更明显。一方面，由于实验 对学生的理论知识产生了很好的补充和拓展，使得教师和学 生在后续的理论教学和学习中更轻松，可以花费相对较少时 间和精力。另一方面，通过撰写详细的实验规划和实验总结 报告，不仅是对知识的一个分析、总结、凝练的过程，可以极大地促进学生知识的内化，而且也是锻炼和培养严密逻辑 思维和谨科学态度的有效途径[5]。经过几届的尝试，目前 我们课题组在物理光学实验的实验规划、实验问询问题以及 实验总结方面积累了越来丰富和完善的资料，对实验教学的 把握不断增强，实验教学效果和学生满意度也不断提高。

3结束语 针对物理光学涉及到较多复杂数学公式，理论性较强， 概率较抽象，识点多而杂，容易混淆的特点，为了提高物理 光学教学效果，我们物理光学教学组针对物理光学中的基本 理论、典型物理模型、知识之间的关联等进行总结、归纳和 凝练，并在教学过程中进行相关的教学尝试和改革。此外， 我们还探讨了借助计算机辅助教学、改革实验教学以实现对 理论教学的补充、拓展及深化的途径和方法。这些探讨和实 践将学生从枯燥的理论中解脱出来，激发了学习的主动性和 积极性，不仅促进了学生对知识物理内涵的理解和掌握，还 锻炼和培养了学生分析问题、处理问题的思维和能力。

参考文献 [1]哈斯乌力吉,吕志伟,张爱红,等.物理光学教学改革 的探索[J].电气电子教学学报,2007,(S1). [2]王伟.物理光学课程教学改革与实践[J].安徽工业 大学学报(社会科学版),2011.28(4):110-111. [3]黄元申,李柏承,徐邦联,等.物理光学本科教学体会 [J].上海理工大学学报(社会科学版),2014,(3):293-296.[4]张晶,李建映,邓婷,等.基于Matlab的物理光学实验 教学研究[J].广西师范学院学报(自然科学 版),2014,(1):122-127. [5]鄂茂华,曾昭宏.改革物理光学实验教学模式的探讨 [J].实验技术与管理,1996,(1):58-59.