“物理光學與應用光學”教學實踐與改革初探

摘要：“物理光學與應用光學”是電子信息科學與技術專業的學科基礎課，該課程為“光電子技術”“激光原理”“光纖通信”等后續課程的學習奠定了基礎。根據幾年的教學經驗，針對目前學生的學習狀況，從“物理光學與應用光學”課程教學內容、教學方法的合理調整、現代教學手段的運用以及實踐教學環節的加強等方面，進行了課程建設與教學改革的探討。通過綜合利用這些措施，提高了“物理光學與應用光學”課程的教學質量以及學生解決實際問題的能力。根據目前存在的問題，提出了下一步努力和改進的方向。

關鍵詞：物理光學；應用光學；教學實踐；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0077-02

“物理光學與應用光學”是信息光學的重要技術基礎，是電子信息科學與技術專業的學科基礎課。物理光學從光的電磁理論出發講述了光在各向同性介質、各向異性介質中的傳播規律，光的干涉、衍射、偏振特性。應用光學不涉及光的波動本性，以光的直線、獨立傳播、折射、反射等實驗定律為基礎，研究受限光束的成像，特殊光電傳播過程的規律；在光學系統中進行光路追跡，研究光學系統成像特性、應用及初步設計。通過“物理光學與應用光學”課程的學習不僅使學生建立起有關光的電磁理論的完整體系，能夠運用光的電磁理論分析光的波動性、光在不同介質（包括物理光學元件和幾何光學元件）中的傳播和控制問題，能夠解決光電工程中的基本光學技術問題；同時還能使學生了解現代光學的發展和前沿，以及在光電技術中的應用；為“光電子技術”“激光原理”“光纖通信”等后續課程的學習打下基礎。因此，“物理光學與應用光學”課程是“現代光電子”“光學信息處理”“光纖通信”“光電傳感技術”等課程的重要基礎理論課程，也是光通信、光電子、光信息、光學工程類專業的考研課程。

一、“物理光學與應用光學”課程的內容及特點

內蒙古工業大學電子信息科學與技術專業從2006級學生開始開設“物理光學與應用光學”課，其內容包括：光在各向同性介質、各向異性介質中的傳播規律，光的干涉、光的衍射，幾何光學基礎，理想光學系統，光學系統的象差基礎，光學儀器等。從教學中發現學生學習該課程時感到很吃力，通過調查發現主要因為以下幾個方面：一是由于中學的光學知識少而簡單，與大學“物理光學與應用光學”知識跨度很大；二是物理光學部分涉及到的理論用到的數學知識太難；三是應用光學部分概念、公式多且抽象難記；四是本課程數學公式推導繁雜使學生望而生畏，難以提起興趣；五是內蒙古工業大學的“物理光學與應用光學”課程純理論，無相應的實驗；六是教材和課堂教學與實際應用、當今光學領域的前沿技術脫節，學生對光學的運用和前景感到迷茫。因此，加強對“物理光學與應用光學”基礎課的教學研究、適應教學要求和學生學習要求，充分調動學生的學習積極性，提高教學質量十分必要。

二、教學內容及方法的改進

考慮到“物理光學與應用光學”課程的重要性，根據該課程理論性較強、概念較抽象的特點，為了提高學生學習“物理光學與應用光學”課程的積極性，從教學內容、教學方法、教學手段、教學課件、加強實踐性教學環節等方面進行了調整。

第一，從教學內容上進行調整。自2007級學生開始，增加了ZEMAX光學設計軟件的介紹。ZEMAX是一套綜合性的光學設計仿真軟件，可做光學組件設計與照明系統的照度分析，也可建立反射、折射等光學模型，并結合優化、公差等分析功能。通過該部分內容的學習，學生能夠初步設計出簡單的單鏡頭及雙單鏡頭，增強了學生的動手能力，可以適當輔助對概念的理解。

第二，在教學方法上進行適當調整。在物理光學部分適當減少繁雜的數學推導，注重物理思想的講解；物理光學部分數學推導往往是繁雜、冗長和枯燥的，要耗費大量的課堂教學時間，而且容易使學生望而生畏。簡化數學推導，以光學中的光學定律和物理問題為線索，讓學生了解光學定律的適用范圍可以提高學生的學習積極性。比如光的電磁理論部分菲涅耳公式的數學推導比較繁瑣，而且公式難記，為此在教學中不要求學生掌握推導公式，而要求學生會用公式分析反射系數、透射系數及反射率、透射率與入射角和界面兩邊折射率的關系即可。在教學過程中注重對比，如在講解邁克爾遜干涉儀、馬赫澤德干涉儀及法布里干涉儀時，對三種干涉儀的工作原理及應用進行比較，學生掌握起來更容易；在講解衍射問題時將單峰衍射、圓孔衍射、矩孔衍射及多縫衍射的實驗裝置，衍射圖樣的特點及亮暗條紋的位置，條紋寬度等對比講解，學生在對比基礎上理解記憶的效果更好。在幾何光學的成像問題中，將單球面折射、球面反射及透鏡的成像進行對比，包括成像公式、焦距的表達式及放大率的公式進行對比，在光學儀器部分將放大鏡、顯微鏡及望遠鏡的放大率進行對比，這樣更有利于學生對公式的理解記憶及應用。

第三，在課件制作上加入phy3D演示。如，講解凸凹透鏡的成像、球面鏡的反射成像、玻璃球的成像在推導完成像公式時要進行相應部分的光路圖的phy3D演示，這些演示可以任意改變物距、像距或焦距，學生能夠直觀地觀察到這些系統在成像過程中物距、像距和焦距之間的關系，彌補了枯燥的單純理論計算的缺點。再如，在講述邁克爾遜干涉儀時通過3D演示，學生可以清楚地看到光的傳播過程，通過調整兩鏡的距離及位置看到干涉圖樣的變化，有助于加強理解。光的衍射問題向來是學生理解的難點，通過phy3D的演示學生能夠清楚地看到障礙物尺寸變化時衍射圖樣的變化。

第四，加強實踐性教學環節。為了培養復合型的實用人才，要求學生必須具有一定的實際工作技能，以便走上工作崗位后能很快地適應工作環境。因此，為鍛煉培養學生的實際操作能力，增強學生畢業后的工作適應性，教學中必須高度重視實踐教學環節，而畢業設計正好能增強學生的光學設計水平，從而培養出既有理論又有實踐水平的高級專門人才。自引入ZEMAX光學設計軟件以來，物理系三屆畢業生中已有七名學生用ZEMAX光學設計軟件完成了畢業設計，且設計效果良好。

第五，改革考試內容和考試方法，命題從以知識立意為主轉變為以能力立意為主，加強了概念題、應用題以及與圖形結合的判斷題，適當出一些開放題、討論題；改變一卷定總評的情況，采取措施多元化測試學生的能力，比如將學生論文、平時作業成績、期中考試成績、期末考試的分數折算計入總評等，每次考試后都堅持進行分析評估，找出教學中的薄弱環節。

三、教學中還存在的問題及今后的計劃

第一，“物理光學與應用光學”是內蒙古工業大學電子信息科學與技術專業的學科基礎課，目前沒有設置相應的專業實驗，理論和實踐有所脫節，加大了學生對理論理解的難度。

第二，沒有將光學的最新發展融入教學。針對以上問題，一是應盡快引入演示實驗，利用實驗室現有的儀器設備進行演示；通過實驗能使學生接觸并使用一些典型的光學系統為學生后續專業課程的學習和今后的工作中利用或組合這些光學系統進行創造性工作打下基礎。二是增加現代光學基礎內容，將光學的最新發展和研究成果融入講授內容，使學生能緊跟科技發展步伐，這樣不但可以擴展學生的基礎知識，還可以開闊學生的視野，激發學生的學習興趣，同時可以使學生了解學科前沿的概況及其發展動態，進一步拓寬學生的知識面，使他們的知識結構更趨合理。三是教學內容的重點和難點應通過課前預留預習作業與課后作業的方式分解消化；上課時應針對重點和難點問題采用討論式等多種教學手段，以培養學生的創新精神和自主學習的能力。四是充分利用現代信息技術手段，將傳統教學手段和輔助教學方式相結合，提高教學效果。針對課堂教學的重點、難點，利用CAI課件、錄像、網絡資源等增加學生對知識的感性認識，幫助學生掌握教學內容。五是在完成基本教學任務的前提下，針對不同層次學生的需求，適當擴充一些知識，這樣既可以鞏固所學知識，還可以提高學生的動手動腦能力，為將來的就業打下一定的基礎；對有志向考研的學生，可以提前給他們提供一些重點院校的考試真題，讓他們有所準備，并能夠根據自己的能力選擇合適的院校，以免到了大四盲目選擇考研院校。

以上是筆者從事“物理光學與應用光學”教學的一些體會、所做的改進與嘗試以及下一步努力的方向，希望通過改革使“物理光學與應用光學”課程的教學質量有所提高。

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（責任編輯：孫晴）