淺談“光的偏振”教學中如何引導學生自主學習

曲芳++徐麗娟

摘要：現代教育思想認為，學生是學習的主體，在教學活動中要充分調動學生學習的積極性，培養學生自主學習的能力，從而提高教育教學效果。在《基礎光學》課程第五章“光的偏振”的課堂教學設計中，采用啟發式教學方法及類比思維方法，可以充分調動學生學習的積極性，激發學生自主學習的能動性。

關鍵詞：自主學習；教學設計；啟發式教學法；類比思維法

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-5727（2014）01-0086-03

《基礎光學》課程是我校電子工程學院電氣信息大類（高本）專業的一門專業基礎必修課，主要講述幾何光學和物理光學知識。本課程的學習，可使學生掌握成像和光的波動的基本理論和計算方法，為進一步學習諸如光電子器件與技術、光信息處理技術、光纖通信和集成光學等課程奠定理論基礎，同時也為學生從事光學儀器的開發、光路的設計和從事光學教學等打下基礎。由于生源水平參差不齊，對于理論強、公式多、理解難、知識點繁的光學課程的學習有一定的難度。筆者針對《基礎光學》第五章“光的偏振”的課堂教學設計，從分析處理教材、選擇教學方法、設計教學過程等方面進行了積極探索，旨在使課堂授課能夠激發學生學習的興趣，引導學生自主學習，獨立完成分析、探索、實踐、質疑、創造等學習階段，實現學習目標。

工科專業光學教學存在的問題

光學課程的特點使工科學生學習起來有一定難度 《基礎光學》課程知識體系獨立，理論性強，加之工科專業學生物理、數學基礎知識相對薄弱，對光學的學習有一定的難度。例如，在“偏振”一章中，利用菲涅爾公式推導反射光與透射光的偏振態，學生不僅要熟練運用三角公式進行推導，還要對物理概念如振動分量、傳播方向等有明確認識，并要建立數學結果與物理結論之間的聯系。由于光學本身有一定難度，再加上學時減少、學生基礎薄弱等因素的存在，工科專業光學課程的教學模式往往會導致教師滿堂灌輸、學生死記硬背被動學習局面，直接影響教學效果。

與專業聯系不緊密，學生學習積極性不高 《基礎光學》課程本身與電氣類專業方向聯系不夠緊密，特別是電氣信息大類二年級的學生對光電子學科了解不足，往往導致“重電輕光”的局面。對學生的調查顯示，超過60%的學生認為模擬電路、微機原理等與電類緊密關聯的課程較光學課程更重要；大約30%的學生認為光學與電學有一定聯系，同等重要；僅有約10%的學生認為光電子技術是科技發展的前沿，而其基礎光學需要牢固掌握。學生不重視，學習積極性不高，就會出現曠課、消極學習等現象。

只注重理論知識的積累，不注重分析應用能力的培養 “授之以魚，不如授之以漁。”教育的目的不僅僅是教會學生知識，更重要的是學以致用，學會運用知識分析解決實際問題。比如，學生在掌握基本理論、基本概念的基礎上，創造性地提出偏振光的產生方法、偏振態的檢驗方法以及偏振的應用，教師引導學生將書本知識轉化為學生分析解決實際問題的能力等等。但實際上由于學時有限、學生無法與教師進行有效互動等因素，導致教師采用“填鴨式”教學方式，使教學過程變成單純教師教的過程，束縛了對學生創新能力的培養。

引導啟發，培養學生的自主學習能力

《基礎光學》教學大綱對“光的偏振”一章的教學內容和要求如表1所示。

“光的偏振”是在掌握光的干涉和衍射等基本波動理論基礎上講述的內容，要求學生對光的波動本性、橫波性、振動態等有清晰的認識。同時，“偏振”一章講述的內容多且雜，包括偏振與橫波性關系、五種常見偏振態、反射光和透射光的偏振態、雙折射現象、光在晶體中的波面與波線、偏振態的實驗檢驗、偏振光的干涉等。教師要理清教學思路、設計教學過程、合理使用教學方法，安排講、學、練的時間，做到教師“講”得思路清晰、激發興趣，學生“學”得清楚明白、認真投入。在授課過程中應引導學生獨立思考、自主學習，更有效地學會知識，掌握分析解決實際問題的能力。

（一）分析教材、梳理思路、整合知識

教材中“光的偏振”一章分為9個小節，涉及知識點較多，但綜合起來可總結為以下4個問題：（1）光的偏振現象與橫波性的關系；（2）五種常見偏振態；（3）如何將自然光改造成偏振光；（4）偏振光的實驗檢驗。

對本章的整體知識結構可作如下分解。

第一，明確偏振現象與橫波性的關系；理解為什么偏振現象可以作為區分橫波和縱波的標志；分析為什么橫波有偏振現象而縱波沒有，進而總結偏振的基本概念（教材第一節）。

第二，了解橫波振動量振動狀態的多樣性，介紹五種常見偏振態，包括自然光、線偏振光、部分偏振光、橢圓偏振光和圓偏振光；詳細介紹自然光、線偏振光、部分偏振光，重點學習如何將自然光改造成線偏振光和部分偏振光，其中包括反射光和透射光的偏振態（教材第一節、第二節）。

第三，理解光在各向異性晶體中的雙折射現象、波面和波線，理解由各向異性晶體制作的偏振器件的基本光學特性。在此基礎上，進一步學習圓偏振光與橢圓偏振光的獲取方法（教材第三節到第七節）。

第四，偏振光的實驗檢驗和偏振光的干涉（教材第八節、第九節）。

其中，第一、第二部分用2學時，第三部分用5學時，第四部分用3學時，實驗用2學時。筆者僅就講解“偏振”的第一次課分析課堂教學程序設計。

本章知識框架如圖1所示。

（二）以教為輔、以學為主、教學相長

1.溫故引新、聯系實際、激發興趣。興趣是學生主動學習的前提。新課的引入要起到激發情感的作用，使學生受到感染，產生求知欲，產生主動學習的能動性。新課的引入分為兩個部分，即溫故引新和聯系實際。

首先，以三個關聯問題溫故引新，引發思考，使學生帶著問題開啟新課的學習，對新課的意義有清晰的認識。（1）以復習回顧的形式，向學生提出“光的波動性如何得到證實”，學生在既有知識的基礎上回答“光的干涉和衍射都無可辯駁地證明光的波動本性”。（2）提出“光波是橫波還是縱波”的問題，引導學生思考振動與波動之間的聯系，即光的振動分量與光波的傳播方向之間是垂直的還是平行的關系。以學生的既有知識或經驗知識會得到“光波是橫波，其振動量的振動方向垂直于光的傳播方向”。（3）“如何證實光的橫波性”，偏振現象可以證明光的橫波性，它是如何證明光的橫波性的？它與橫波間有何聯系？采用舊知引新知的方法，可以使學生了解知識間的連貫性，以問題的形式引入新課內容，使學生帶著思考學習，學習目的明確。

其次，引用實例，激發學生學習的興趣和熱情。引用圖片等媒體資源向學生展示液晶屏、偏振片、3D立體電影等基于光的偏振的新技術，理論聯系實際地激發學生學習的熱情和興趣。

2.設疑置問、引導思維、以學為本。本節新課程的內容包括偏振與橫波性的關系，自然光、線偏振光和部分偏振光的基本特性，偏振光的獲取方法及實驗檢驗，其中偏振與橫波性的關系是本節的重點，更是關鍵點，只有概念明確，才能對偏振現象進行深入研究，而難點落在反射和透射光的偏振態上。關鍵點知識的講解采用啟發式的教學方法。啟發式教學法是教師在教學過程中扮演引導者的角色，通過設置幾個層層嵌套的問題，引發學生思考，在逐一解決問題的過程中使學生完成新課學習。為了學習偏振與橫波性的關系，可設計如下三個問題，層層深入，引發思考：（1）創造并分析機械橫波與縱波的偏振現象。學生很容易會設計出手握繩子上下抖動形成機械橫波；手推彈簧，沿彈簧往復振動形成機械縱波的例子。教師演示兩個實例的偏振實驗，由學生觀察與分析得到“只有橫波才有偏振現象”的結論。（2）為什么橫波有偏振現象而縱波沒有呢？學生經分析得出橫波的振動方向相對于傳播方向具有不對稱性，而縱波的振動相對于波的傳播永遠呈對稱分布的結論，即“振動方向相對于傳播方向的不對稱性”是造成偏振的直接原因，就是偏振的概念。（3）光波是否具有偏振現象呢？在了解偏振片工作原理的基礎上，教師實驗演示自然光通過兩塊偏振片后出射光強隨第二塊偏振片轉動而發生周期性變化，學生得出“光波具有偏振現象，光波是橫波”的結論。

對于關鍵點知識的講解采用類比機械波的思維方法，形象生動，易于理解。同時，通過學生的分析探究，可加深學生對知識的理解。

自然光、線偏振光、部分偏振光的偏振態、通過偏振片后的現象及合成與分解等內容雖是重點，但理解起來較簡單，主要采取繪制振動圖像，使學生建立感性認知，對知識融會貫通。

課程知識的應用與提高擬解決兩個問題：（1）如何將自然光改造成線偏振光和部分偏振光。這里主要采取教師引導、學生分組討論、教師適當補充、學生綜合總結的方式，解決本節的重點同時也是難點的問題。將自然光改造為線偏振光，最簡單的方法是利用偏振片即可實現；也可以利用平面界面的反射和玻堆片的透射來實現。部分偏振光的獲得可利用平面界面的反射和透射來實現。反射光、透射光偏振態的確定需要借助菲涅爾公式進行三角運算和分析得到，理論性較強，運算過程較繁瑣，所以可適當做詳略處理：對于反射光的偏振態，教師可引導學生進行詳細的推導，掌握方法；而對透射光的偏振態則可布置為小組作業，由學生仿照教師引導的方法獨立學習、分析完成。（2）如何用實驗的方法區分自然光、線偏振光和部分偏振光？可采用分組討論的方式提出解決方案，方案可以在后續的實驗課上通過動手操作得到驗證。

本節的課程結構和課時安排，引入部分8分鐘，重點知識的講解30分鐘，難點知識20分鐘，例題及應用練習27分鐘，課后總結5分鐘。

“學生為主體，教師為主導”，這是現代教學的指導思想。教師在教學過程中要充分調動學生的學習積極性，使他們變被動學習為主動學習，變厭學為樂學。筆者通過“光的偏振”課堂教學環節設計，引發學生思考，激發學習興趣，使學生積極參與到教學活動中，引導學生自主學習。

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（責任編輯：王恒）