光電專業“物理光學”課程教學改革的探索

尹娟娟，俞侃，包佳祺

摘要：《物理光學》課程是光電信息工程專業的重要基礎課。為了培養基礎扎實，具有創新精神和能力的光電專業應用型人才，對該門課程的教學內容、教學方法進行了研究與探索。實踐證明該課程的改革措施對提高教學效果，激發學生的求知欲與創新意識具有很大幫助。

關鍵詞：光電信息工程專業；教學改革；物理光學；計算機仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）36-0036-02

隨著信息技術與信息產業的蓬勃發展，光電子產業已成為全球戰略產業。加快建設我國的光電子產業和培養高層次光電子人才，是現代社會信息技術發展的需要，也是未來光電子產業的需要。為了適應光電子產業日益增長的人才需求，國內越來越多的高校開設了光電信息工程專業（簡稱光電專業）。光電信息工程作為教育部本科專業目錄中的重點學科，涉及光學、光電子、微電子、通信等高新核心技術。光電專業與其他專業一樣，側重于培養理論基礎扎實，實踐能力較強，具有人文精神和創新意識的應用型、復合型人才，為我國經濟建設和社會發展服務。

一、物理光學的課程特點與教學現狀

物理光學是光電信息工程、電子科學與技術等本科專業的一門重要的專業必修課，起著承上啟下的銜接作用。其先修課程主要為高等數學、大學物理、應用光學、電磁理論等基礎課程。后續的專業課程則包括激光原理與技術、激光加工、光電檢測技術、光纖光學、信息光學、光纖通信等。該課程以光的電磁理論為理論基礎，講述光在各向同性和異性介質中的傳播規律，光的干涉、衍射、偏振特性以及光的吸收、色散和散射等內容。專業的物理光學在大三第一學期開設，總學時為96學時，其中理論為72學時，實驗為24學時。該課程內容概念繁多，物理規律較為抽象，光學現象與規律講授難以生動形象。物理光學內容包含大量的原理推導和數學公式，學生往往容易記住公式卻忘記了公式背后的物理意義和分析方法，無法舉一反三、學以致用。課堂中，如果采用填鴨式的方法將傳播條件與規律告訴學生，顯然沒有明顯的說服力。該教學方法既影響學生對課程內容的理解掌握，也會影響學生的學習和探索興趣，阻礙學生創新能力和探究能力的培養。

二、課程建設改革的實踐與探索

針對物理光學在光電專業課程體系中的特殊地位，近幾年我校光電系對該課程的課堂教學內容、教學方法和教學手段等方面進行了一系列的實踐和探索，取得了積極的效果。

1.一條紅線，八大現象。學生在經歷了高中物理基礎和大學物理課程學習之后，對光的認識上升到了一個新的科學高度。對于光的波動現象等理論，學生開始接受并有似懂非懂之感。物理光學的課程中，則是采用數學的方法描述光波的傳播特性。因此，在授課過程中可刪繁就簡，遇到重復的內容可一帶而過。物理光學課程內容繁多，在學習該課程時，需謹記一條紅線，即光波的傳播。光波在同性或異性介質，自由或半自由空間傳播時呈現的八大傳播現象，即反射、折射、干涉、衍射、偏振、吸收、色散與散射現象。在進行課堂講述時，先由光波的傳播現象，引出光波發生此現象的條件，進而總結光波的傳播規律。為了理論知識與實際問題密切聯系，著重介紹光波理論的理論和所涉及的行業領域，通過豐富的課程內容讓學生真實地感觸知識的應用。

2.問題導入式的教學方法。物理光學作為一門專業基礎課，具有抽象性強、枯燥乏味等特點。同時，物理光學也具有較強的專業性，該學科的創建均來源于對實際光學問題的解釋。在介紹一個知識點之前，為了理論聯系實際，我們首先要有目的地設置問題。通過一步一步地啟發學生，讓學生帶著問題思考解決的方法與思路，進而解決問題。例如，我們講授光波的衍射時，首先從白光通過指縫的衍射現象出發，提出產生衍射的條件。如果采用單色光源，指縫轉變為圓孔、矩形孔或不規則孔，衍射條紋如何變化？引導學生思考如果采用多縫或透射光柵，衍射條紋又將如何變化？從而引出影響衍射現象的因素和采用數學模型描述衍射現象的問題。實踐證明，這種以實際問題為先導的模式，激發學生的思考和學習興趣，培養學生分析和解決問題的能力，得到了良好的教學效果。

3.充分利用多媒體教學。多媒體教學在許多方面是傳統教學模式所無法比擬的，具有直觀性強、圖文聲像并茂、信息量大、生動活潑等特點。但運用不當，也會適得其反。為了彌補兩方面的不足，我們采用了多媒體課件與傳統板書相結合的教學方法。在物理光學課程中，采用PPT課件形式與FLASH動畫結合，生動描述光波的傳播現象與規律。多媒體課件重點介紹物理概念及方法，而大量的公式推導可在課后參考教材或其他課本。制作這種多媒體課件的教學方法不僅給學生留下深刻的印象，而且還給教師留下充足的時間來強調重點、難點和核心內容。

4.利用計算機虛擬仿真技術提高教學效果。在課堂教學之余，訓練學生利用計算機仿真技術處理物理光學相關問題。利用現代計算機輔助手段，加深學生對光學現象的理解，發現學習中的盲區和誤區，提高教學的針對性。計算機虛擬仿真技術將抽象難懂的光學規律和概念形象直觀展現給學生，激發學生的求知欲。光學仿真設計軟件有很多種，MATLAB、TracePro、Zemax、Fred、OptiSystem，分別應用于不同的光學領域。MATLAB是Mathworks公司于1982年推出的一套高性能的數值計算和可視化軟件，具有數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示等功能，是工程界最流行的軟件工具，在大學理工課程教學中的應用亦漸成熱點。目前，已有眾多文獻采用MATLAB軟件模擬光波發生干涉、衍射現象后光強度的分布。MATLAB軟件中的圖形用戶界面（Graphical User Interfaces，GUI），可以實現交互式模擬。采用交互式滾動條動態地展現各物理量對衍射結果的影響，有利于加深學生對物理規律的理解和認識。TracePro是一款基于蒙特卡羅法的非序列光線追跡軟件，為美國Lambda Research公司開發。TracePro以實體對象來構建光路系統，通過計算反射、折射、散熱、吸收和衍射等行為來模擬光線與實體表面的作用，對真實場景進行計算和顯示。TracePro圖形使用界面簡單，且具有強大的仿真功能，能對光學鏡頭、背光板、照明燈具、投影顯示器、醫療儀器等進行光學模擬及分析。目前，在校學生已采用TracePro仿真軟件成功對偏振棱鏡、衍射光柵進行了模擬仿真，采用光線追跡方法形象直觀地展現光波傳播過程及特性的變化，加深對光波傳播規律的認識和理解。

當然，計算機虛擬仿真技術只是物理光學教學的輔助，不能代替理論教學。學生應該在認真掌握基本物理知識的基礎上，逐步學會運用計算機仿真軟件，才能達到促進學習的效果。計算機虛擬仿真的實際操作，培養了學生將理論知識應用于分析實際問題的能力，檢驗了學生專業知識的掌握程度，也為下一階段的課程教學提供了指導方向。

三、總結

在物理光學課程教學改革實踐中，針對課程內容理論性與專業較強，數學公式與物理概念較多等特點，我們對教學內容、教學方法和教學手段等進行了積極探索和實踐。在學習過程中，始終圍繞光波的傳播這條紅線，介紹光波的傳播規律與現象。采用問題導入式的教學方法，充分利用多媒體教學和計算機虛擬仿真技術的教學手段，加深專業課程的抽象理論形象化。在教學中注重基礎理論和知識的應用性，培養學生的獨立思考能力和創新意識，促進了學生學習興趣的提高和發展，增強學習效果，實現學以致用。

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基金項目：華中科技大學文華學院信息之光學術團隊建設（編號：j0900740421）。

作者簡介：尹娟娟（1984-），華中科技大學文華學院尹娟娟，女，湖北武漢人，碩士研究生，研究方向：非線性光學。endprint