單小琴 曹 芳

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 江蘇南京 210023

物理光學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐與思考

單小琴 曹 芳

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 江蘇南京 210023

物理光學(xué)課程用波動的觀點(diǎn)討論光在介質(zhì)中的傳播及光的本質(zhì)，具有理論性強(qiáng)和專業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn)，教學(xué)效果一直不夠理想。針對光電信息類專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，從該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、評分機(jī)制等方面進(jìn)行了改革，并給出了教學(xué)實(shí)例，最后分享了對整個教改實(shí)踐的思考。

物理光學(xué)；軟件仿真；教學(xué)效果

物理光學(xué)是光電信息工程類專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，與幾何光學(xué)共同構(gòu)成了工程光學(xué)的兩大分支，后繼課程如激光技術(shù)與應(yīng)用、光學(xué)測量、光電檢測技術(shù)、光纖通信、光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等專業(yè)課都以物理光學(xué)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(xué)生能較全面且系統(tǒng)地掌握物理光學(xué)的基本理論及其實(shí)際應(yīng)用，為學(xué)生學(xué)習(xí)其他相關(guān)專業(yè)課程打下堅(jiān)實(shí)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(jì)、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(xué)和幾何光學(xué)的區(qū)別在于，幾何光學(xué)主要依據(jù)基本實(shí)驗(yàn)定律和幾何定理處理光的傳播問題，說明光通過介質(zhì)時(shí)的現(xiàn)象，不涉及光的物理本性，而物理光學(xué)則從光波是電磁波出發(fā)來研究光在傳播時(shí)的現(xiàn)象、規(guī)律及應(yīng)用，以波動觀點(diǎn)討論光學(xué)問題，涉及光的物理本性。所以物理光學(xué)研究的內(nèi)容更加抽象，在教學(xué)過程中需要依賴高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)中大量的公式推導(dǎo)解釋很多概念，這樣就使得那些數(shù)學(xué)底子薄的學(xué)生跟不上隊(duì)伍，再加上概念本來就很抽象，跟實(shí)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(xué)現(xiàn)狀和學(xué)生學(xué)習(xí)存在的問題，近年來筆者對物理光學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核機(jī)制等方面作了一些改革，并取得了不錯的效果。

1 教學(xué)內(nèi)容的改革

目前，我院開設(shè)的物理光學(xué)課程為4個學(xué)分，共64學(xué)時(shí)，分7章，詳細(xì)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(xué)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(dǎo)波光學(xué)。

該門課程的開設(shè)時(shí)間定在大三上學(xué)期，由于物理光學(xué)艱深的理論性，學(xué)生必須在修完高等數(shù)學(xué)中的微積分、工程數(shù)學(xué)中的傅里葉變換這些數(shù)理底子才能輕裝上陣，幾何光學(xué)在大二下學(xué)期開設(shè)，通過幾何方法研究的光傳播規(guī)律給物理光學(xué)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(xué)期的大學(xué)物理中光學(xué)內(nèi)容占了很大的分量，占到課時(shí)總數(shù)的三分之一，在大學(xué)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(shí)在高中物理中，學(xué)生就偶有對光的常識性認(rèn)識，大學(xué)物理中的光學(xué)入門把學(xué)生帶到了一個更新的科學(xué)高度，對于有些光學(xué)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(xué)生有更加強(qiáng)烈的愿望獲得知識。

根據(jù)目前我院開設(shè)物理光學(xué)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(xué)考試大綱的要求，我們在原來的教學(xué)大綱上進(jìn)行了修改，重點(diǎn)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(xué)基礎(chǔ)這四大板塊，原大綱中的傅里葉光學(xué)由于跟工程數(shù)學(xué)中的傅里葉變換部分有重疊，而且偏重?cái)?shù)學(xué)計(jì)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(xì)介紹，所以也不再介紹；光纖和導(dǎo)波光學(xué)部分在后續(xù)的課程光纖通信中重點(diǎn)介紹，新大綱也不再闡述。

當(dāng)然，考慮到現(xiàn)代光學(xué)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(xué)時(shí)集中性介紹全息術(shù)、光學(xué)信息處理、二元光學(xué)、半導(dǎo)體激光等基本概念加以充實(shí)。通過增加現(xiàn)代光學(xué)中具有光電專業(yè)特色的學(xué)科前沿信息，使得物理光學(xué)課程既能保持本學(xué)院、本學(xué)科的特色，又能緊跟光學(xué)領(lǐng)域的前沿，使得本專業(yè)學(xué)生能了解現(xiàn)代光學(xué)發(fā)展的尖端成果。

2 教學(xué)方法的改革

2.1 課堂教學(xué)引入軟件仿真

MATLAB軟件是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是一套高性能的數(shù)值計(jì)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(jìn)行繁冗的程序編寫，而且其可視化的能力極強(qiáng)，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(xué)之中。物理光學(xué)課程由于其內(nèi)容的艱深晦澀，理論性極強(qiáng)，很多時(shí)候?qū)W生無法從理論中真切感受到各種光學(xué)現(xiàn)象，除了光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中開設(shè)的一些基本的實(shí)驗(yàn)外，還有很多光學(xué)現(xiàn)象由于實(shí)驗(yàn)室條件和實(shí)驗(yàn)儀器的限制，沒法進(jìn)行可視化觀察。本課題的實(shí)施過程中我們引入了軟件仿真，通過仿真的方法讓學(xué)生感受到神奇的光學(xué)現(xiàn)象。

第一步，整理知識點(diǎn)。根據(jù)近年來物理光學(xué)教學(xué)中學(xué)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(shí)驗(yàn)，對其理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行分析，讓學(xué)生進(jìn)行自由分組，自學(xué)MATLAB軟件完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的仿真。第二步，分工合作。根據(jù)學(xué)生分組之后的情況，由組長對各個成員進(jìn)行分工，定期地組織大家進(jìn)行任務(wù)進(jìn)度上的交流，最后由項(xiàng)目組成員定期聽取各組長匯報(bào)，進(jìn)行工作檢查。第三步，成果匯報(bào)。由各小組推薦，選出一名代表進(jìn)行成果匯報(bào)演講，各小組給出仿真結(jié)果并寫出仿真報(bào)告。

例如，楊氏雙縫干涉是光的干涉部分一個重要的實(shí)驗(yàn)，很多時(shí)候?qū)W生在實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)的大小。再如，在光的夫瑯禾費(fèi)衍射和菲涅爾衍射進(jìn)行模擬的實(shí)驗(yàn)中，對各種典型的孔徑如單縫、多縫、圓孔等都進(jìn)行了仿真，還可以實(shí)時(shí)調(diào)整各個仿真參數(shù)，使得學(xué)生學(xué)習(xí)光學(xué)課程的積極性大增。

經(jīng)過一個學(xué)期的分組學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅完成了物理光學(xué)理論課程的學(xué)習(xí)，而且自學(xué)了MATLAB軟件、加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)報(bào)告的寫作能力、練習(xí)了PPT制作等各項(xiàng)技能，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，鼓勵了學(xué)生相互合作、交流，提高了學(xué)習(xí)效率。

2.2 強(qiáng)化重點(diǎn)難點(diǎn) 重視方法的掌握

物理光學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)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(xué)生綜合應(yīng)用物理光學(xué)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(dǎo)，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(fèi)衍射，這些原理和計(jì)算都離不開公式，如果學(xué)生的數(shù)學(xué)底子不行的話，常常無法理解數(shù)學(xué)公式和光學(xué)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(xué)習(xí)興趣。很多時(shí)候?yàn)榱丝荚?，只能死記硬背公式，無法對知識靈活運(yùn)用，從而違反了學(xué)習(xí)的初衷。

例如，在雙光束的干涉問題中，學(xué)生對與光軸夾角為零的平行光進(jìn)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(shí)就不知所措了，這個時(shí)候教師就要引導(dǎo)學(xué)生從解題的原始思路出發(fā)，要想求干涉條紋(也就是光強(qiáng)分布)，得要先寫出兩束相干光入射到觀察屏上的復(fù)振幅分布，既然垂直入射的復(fù)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(fù)振幅疊加，最后點(diǎn)乘共軛就可以得到干涉場上的光強(qiáng)分布，通過討論各點(diǎn)的光程差從而確定明暗條紋的位置。幫助學(xué)生總結(jié)進(jìn)行總結(jié)，只要遇到雙光束干涉的問題，不管多么復(fù)雜，甚至還會偏振的題型混合，無非還是采用復(fù)振幅疊加點(diǎn)乘共軛的思想來求光強(qiáng)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?zhǔn)，采用70%的考試成績與30%的平時(shí)成績評定規(guī)則，其中平時(shí)成績中10%為出勤和作業(yè)情況， 20%為每名學(xué)生平時(shí)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(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)主動性，對學(xué)生知識的掌握程度和分析問題解決問題的能力進(jìn)行了及時(shí)的考察，集結(jié)果評價(jià)和過程評價(jià)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(xué)課程的教改實(shí)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(xué)現(xiàn)象的演示受制于實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)條件等問題，筆者就教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了調(diào)整，教學(xué)內(nèi)容上通過修改教學(xué)大綱，教學(xué)方法上通過課堂中引入仿真軟件讓學(xué)生分工合作，強(qiáng)化重點(diǎn)、難點(diǎn)，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(xué)效果。在今后的教學(xué)中，要繼續(xù)大力進(jìn)行教學(xué)改革，更大地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的精神，實(shí)現(xiàn)真正意義上的自主學(xué)習(xí)。

[1] 郁道銀,談恒英.工程光學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2] 武旭華,肖韶榮,張仙玲.“工程光學(xué)”教學(xué)改革初探與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2009(31):35-37.

[3] 王偉.物理光學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,28(4):110-111.

[4] 蔡懷宇,郁道銀,李清.“工程光學(xué)”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(xué)紫金學(xué)院教育教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目(編號：20150103007)。