岳保旺 高 雁

忻州師范學(xué)院 山西忻州 034000

幾何光學(xué)是光學(xué)中以光線概念為基礎(chǔ)，研究光的傳播和成像規(guī)律的一個重要分支。幾何光學(xué)發(fā)展歷史長，理論完善，其結(jié)論在許多情況下符合實際，在日常生活和生產(chǎn)實際中有著廣泛的應(yīng)用。幾何光學(xué)作為師范類物理專業(yè)的一門必修課，對未來中學(xué)物理教師的培養(yǎng)有著重要的作用。但由于該課程內(nèi)容理論性較強，概念比較抽象，數(shù)學(xué)處理方法較難，再加上課時緊任務(wù)重，因而要深入學(xué)習(xí)比較困難。近幾年，我們針對該課程教學(xué)中存在的問題，主動適應(yīng)基礎(chǔ)教育新課改的需要，為培養(yǎng)合格的中學(xué)物理教師，不斷進(jìn)行教學(xué)方法的改革與實踐，總結(jié)出一套較適合幾何光學(xué)課程的教學(xué)方法。

1 幾何光學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的改革與實踐

課程的內(nèi)容體系，是提高課程教學(xué)質(zhì)量和實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的核心和基礎(chǔ)。因而我們首先對幾何光學(xué)課程內(nèi)容從以下幾個方面進(jìn)行了改革與實踐。

(1)在保證幾何光學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容和自身體系基本完整的前提下，刪除與初、高中重復(fù)的內(nèi)容和對后續(xù)課程關(guān)聯(lián)不緊密的內(nèi)容以及與培養(yǎng)目標(biāo)相去甚遠(yuǎn)的內(nèi)容[1-2]，例如：在幾何光學(xué)的基本原理一章中刪除光的直線傳播定律、光的反射定律、平面反射成像、理想光具組中共軸球面系統(tǒng)的組合、厚透鏡、薄透鏡組合和近軸光學(xué)中的矩陣方法等；在光學(xué)儀器的基本原理一章中刪除人眼的結(jié)構(gòu)、幻燈機和投影機的原理、像差等內(nèi)容；壓縮和簡化了平面折射成像、全反射、三棱鏡、薄透鏡作圖求像(利用主光軸和過焦點的光線)、光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)等內(nèi)容。以上做法為增加幾何光學(xué)研究新成果和熱點內(nèi)容的介紹贏得了時間，創(chuàng)造了有利條件。

(2)用有關(guān)幾何光學(xué)的應(yīng)用研究成果, 充實幾何光學(xué)部分應(yīng)用內(nèi)容，同時重視內(nèi)容的科學(xué)組織，增強幾何光學(xué)自身的邏輯性和系統(tǒng)性，側(cè)重理論聯(lián)系實際。如講授光學(xué)纖維時介紹其歷史和典型的應(yīng)用；講到棱鏡時，對棱鏡光譜儀分光的定量測量的成果做適當(dāng)介紹；講授薄透鏡時，介紹薄透鏡在光學(xué)儀器中的應(yīng)用，尤其是進(jìn)行最新研究成果的介紹；在理想光具組的基點基面中講授節(jié)點時，增加照相機中轉(zhuǎn)機的介紹，增強學(xué)生對節(jié)點概念的認(rèn)識和對理想光具組理論的理解；講授顯微鏡時，結(jié)合實際介紹電子掃描顯微鏡；介紹近視眼矯正時，理論聯(lián)系實際應(yīng)用，簡要說明如何配眼鏡。使學(xué)生感受到課程與日常生活實際的聯(lián)系，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(3)教學(xué)過程中結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，適時介紹幾何光學(xué)研究的熱點、重大發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展，激發(fā)學(xué)生對幾何光學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。如講授光導(dǎo)纖維時，特意說明：現(xiàn)有傳輸總?cè)萘窟_(dá)到17.32 Tb/s，相當(dāng)于2.1億對人在一根光纖上同時通話。如講授望遠(yuǎn)鏡時，講明最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡早已經(jīng)不是哈勃望遠(yuǎn)鏡了，夏威夷的凱克天文臺是目前最好的望遠(yuǎn)鏡(擁有兩座世界上口徑第二大的光學(xué)近紅外線望遠(yuǎn)鏡—凱克望遠(yuǎn)鏡，口徑10米，僅次于西班牙口徑10.4米的加那利大型望遠(yuǎn)鏡)。講到顯微鏡時，介紹目前最好的顯微鏡的放大倍數(shù)和最高的分辨本領(lǐng)，即最先進(jìn)的掃描隧道顯微鏡放大倍數(shù)為3億倍，分辨率可達(dá)0.1埃。同時介紹我國1979年研制成分辨本領(lǐng)為0.3納米的大型電子顯微鏡，中科院北京電鏡實驗室和大連理工大學(xué)研制的中國第一臺光子掃描隧道顯微鏡，增加學(xué)生的民族自豪感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性。

2 恰當(dāng)處理教材中數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁和難的問題

數(shù)學(xué)對于物理專業(yè)的學(xué)生來講，是不可或缺的工具，但由于一些學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差，部分學(xué)生對數(shù)學(xué)推導(dǎo)興趣不高，因此，如何在有限的學(xué)時內(nèi)，使學(xué)生較好地掌握用數(shù)學(xué)處理幾何光學(xué)問題的方法，是教師在幾何光學(xué)教學(xué)中面臨的重要問題，這直接關(guān)系到光學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量。對此我們將幾何光學(xué)中的不同內(nèi)容，從物理教學(xué)實用的角度出發(fā)，加以深刻研究，開展數(shù)學(xué)與幾何光學(xué)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化整合。

如講授由費馬原理導(dǎo)出幾何光學(xué)的實驗定律(反射定律和折射定律)時，我們用簡單明了的取極小值定性說明而非用嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo)，拋開相對煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，用理性的理解取極值的含義，通過實例來證明費馬原理取極大值、極小值和常數(shù)3種情形下的正確性而非嚴(yán)密推導(dǎo)。在導(dǎo)出單球面反射和折射成像公式中，只需用費馬原理光程取極值再加近軸條件導(dǎo)出其單球面反射物像公式即可，而單球面折射成像公式也不必進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)。在講授光源在較近或較遠(yuǎn)時的聚光本領(lǐng)時，不進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，而只對結(jié)論進(jìn)行必要的闡明和理性分析。棱鏡光譜儀和光柵光譜儀的角色散率和色分辨本領(lǐng)也不做嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，僅簡述導(dǎo)出過程且對結(jié)論進(jìn)行基本的探討和說明。這樣處理使大多數(shù)學(xué)生能正確理解光學(xué)知識，從而避免枯燥的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)

在光學(xué)課程教學(xué)改革中，我們把以知識學(xué)習(xí)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥茖W(xué)素質(zhì)教育為主，著眼于培養(yǎng)敢于創(chuàng)新、善于思索的21世紀(jì)未來中學(xué)物理教師，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和自主學(xué)習(xí)的能力，從強調(diào)依靠教師“教會”，轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒁庖龑?dǎo)學(xué)生“學(xué)會”，并使學(xué)生“會學(xué)”[3]。為此，在改革中還要注意吸收利用近年來教學(xué)研究新成果，反映光學(xué)研究最新動態(tài)，通過這些知識的傳授提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和能力，為學(xué)生知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展創(chuàng)造條件。

如在幾何光學(xué)作圖求像中，學(xué)生對薄透鏡作圖求像中熟悉的一條特殊光線是過透鏡中心的光線不改變傳播方向這一規(guī)律，而在單球面反射和折射作圖求像中引導(dǎo)學(xué)生找到過哪點的光線符合類似的規(guī)律，進(jìn)一步在薄透鏡利用副光軸和焦平面作圖求像中，如何用過透鏡中心光線(副光軸而非主軸)實現(xiàn)作圖求像。又如通過單球面反射的橫向放大率，分析成像的性質(zhì)，包括像的大小、正倒立和虛實。分析中強調(diào)根據(jù)橫向放大率的基本定義式β=—y'/y[4]可方便判定像的大小、正倒立，根據(jù)單球面反射的橫向放大率公式β=—s'/s可方便判定像的大小、虛實，而在單球面折射成像中利用根據(jù)橫向放大率的基本定義式和單球面折射的橫向放大率具體公式，再考慮到折射的實際光線是區(qū)別于反射，不難根據(jù)橫向放大率表達(dá)式確定成像的性質(zhì)，進(jìn)一步根據(jù)薄透鏡橫向放大率表達(dá)式也能判斷其成像性質(zhì)。在幾何光學(xué)中若要近似成像，必然要用到近軸光線條件，即光線與主軸的夾角很小，滿足u≈sinu≈tgu，在單球面反射成像中要用到，同樣單球面折射中也要用到，并且在導(dǎo)出助視儀器的放大本領(lǐng)、分辨本領(lǐng)時用到，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生注意到這一條件的變化情況，在直角三角形中直角邊長近似等于斜邊長，且在有關(guān)的公式推導(dǎo)中會自己使用。

4 發(fā)揮多媒體教學(xué)的優(yōu)勢

應(yīng)用多媒體教學(xué)可使課堂教學(xué)內(nèi)容更加形象化，增強生動性[5]。由于幾何光學(xué)中光路圖特別多，尤其是在講授光學(xué)元件的多次成像、目鏡原理、顯微鏡工作原理時光路圖較為繁雜，若教師采用板書畫圖或者掛圖進(jìn)行講解，必然會消耗時間太多，教學(xué)效率低且形式單一缺乏生動性。因此，我們注重使用多媒體教學(xué)，將需要講解的光路圖以動態(tài)(聲音、圖形、動畫等)形式展示給學(xué)生，讓學(xué)生看到類似于真實光線的行進(jìn)，將較為抽象的理論概念，以直觀形象的形式展現(xiàn)給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，使學(xué)生理解并掌握光的傳播規(guī)律。同時在使用多媒體教學(xué)中，教師還要多關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)表情，隨時根據(jù)學(xué)生對知識的接受情況，調(diào)整授課速度，尤其是調(diào)整多媒體課件的播放速度。當(dāng)部分學(xué)生有不理解的情況時，應(yīng)適當(dāng)放慢多媒體播放的速度并配合板書以求學(xué)生聽得懂看得清能理解。另外，我們將多媒體教學(xué)與適當(dāng)?shù)陌鍟v解有機結(jié)合，如針對講授的重點或者難點內(nèi)容，輔以板書，特別是光學(xué)有關(guān)公式的推導(dǎo)演繹。板書的形式能讓學(xué)生看得更直觀明了。

5 結(jié)束語

在幾何光學(xué)的教學(xué)中，我們進(jìn)行了一些改革探索，取得了一定成績，但幾何光學(xué)課程的教學(xué)改革和實踐還處于初級階段，有待進(jìn)一步深入研究和實踐。

[1] 吳現(xiàn)成.光學(xué)課程教學(xué)改革初探[J].高等理科教育,2001(4):35-38.

[2] 鐘金鋼.21世紀(jì)普通物理光學(xué)教學(xué)改革思路研究[J].中山大學(xué)學(xué)報論叢,2002,22(1):120-122.

[3] 王秀琳.光學(xué)教學(xué)改革的探索與實踐[J].集美大學(xué)學(xué)報:教育科學(xué)版,2006,7(2):75-77.

[4] 姚啟均.光學(xué)教程[M].北京:高等教育出版社,2009.

[5] 李辛毅.光學(xué)課程教學(xué)中多媒體應(yīng)用的實效性研究[J].滁州學(xué)院學(xué)報,2009,11(3):74-75.