《光學》課程教學的幾點心得

□趙小俠

光學是物理學中最重要的基礎(chǔ)學科，以激光技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代光學是目前發(fā)展最迅猛、最活躍的現(xiàn)代科學研究前沿之一。光學是現(xiàn)代光學，包括傅里葉光學、非線性光學、光電子學和量子光學等許多新的分支學科學習的基礎(chǔ)，現(xiàn)代光學已經(jīng)滲透到國防軍事、科學研究以及人們?nèi)粘Ｉ畹确椒矫婷妫虼苏莆展鈱W基礎(chǔ)知識無論是對學生就業(yè)或者進一步深造都具有重要意義。但是光學課程本身具有概念繁多、物理規(guī)律較為抽象、知識點多且零碎等特點，這也是在光學課程學習中大部分學生不容易掌握課程內(nèi)容，從而在學業(yè)考試或考研中失利的重要原因，結(jié)合多年的教學實踐有以下幾點心得與大家一起探討。

一、合理安排課程內(nèi)容，滿足新形勢下小課時專業(yè)課的要求

在教育部減少理論課時增加實踐類課程課時精神的指導下，光學課程的理論課時也由最初的72學時減到64學時，目前又減到48學時，甚至有的專業(yè)減到32學時。隨著理論課時的減少，而面對的教學大綱和教材內(nèi)容又不變，作為一名一線教師只有合格安排教學內(nèi)容才能在實踐教學中達到好的教學效果。同蘭州大學物理科學與技術(shù)學院[1～2]相同，在光學課程內(nèi)容的安排中以物理光學為主，對幾何光學和光學儀器部分進行了內(nèi)容的壓縮，這主要是為了滿足應(yīng)用物理學專業(yè)后續(xù)課程激光技術(shù)以及信息光學等現(xiàn)代光學的內(nèi)容要求，在幾何光學教學中主要講解基本概念，對光學系統(tǒng)中的物、像、物空間、像空間等基本概念以及符號法則精講，力求讓學生概念清晰，這樣在后續(xù)的學習中如果學生遇到相關(guān)知識，需要自學來解決的相對來說就比較容易。刪除了相對論和光的量子性內(nèi)容，這部分內(nèi)容與后續(xù)課程重復。

二、以光程、光程差及相位差概念貫穿物理光學內(nèi)容講述的始終，將眾多的光學概念串聯(lián)起來

光學課程與力學、熱學、電磁學等課程在物理思想上不能很好地保持密切的連貫，也不像電磁學或經(jīng)典力學有一個貫穿始終的思路從而形成相對比較完整的知識體系。光學中眾多的基本概念如果不合理的整理掌握起來對學生來說是有很大難度的。在物理光學的教學中我們以光程、光程差及相位差概念貫穿物理光學內(nèi)容講述的始終，將眾多的光學概念串聯(lián)起來。

Δφ是兩束光相遇時的相位差，它與光程差呈線性關(guān)系。這樣以光程差(相位差)為基礎(chǔ)，在討論兩束光或多束光相遇時的干涉問題包括衍射問題都是適用的。只是光的干涉是有限束光相遇的疊加，而光的衍射問題是無限束光的疊加。在波動光學中的光的偏振中光程差(相位差)也起著重要作用，特別是光在晶體中傳播的相位面的繪制。

三、善于運用作圖法使光學概念形象學生易于接受

作圖法在光學中的應(yīng)用主要是幾何光學和光的偏振，幾何光學的作圖法學生們在中學就非常熟悉，由于物像的共軛性，根據(jù)物體所在的位置按照幾何光學作圖可以很容易地確定光學系統(tǒng)的像的具體位置；反之根據(jù)光路可逆，由像按照幾何光學作圖可以很容易地確定光學系統(tǒng)中物的具體位置。在光的偏振中光在晶體中的傳播波面的問題也可以形象地解決，這些內(nèi)容在教材中都有詳細的講解。在學習半波片的性質(zhì)時，指出假如入射線偏振光的振動面和晶體主截面之間的夾角為θ，則透射出來的線偏振光的振動面從原來的方位轉(zhuǎn)過2θ角，對半波片的這個性質(zhì)由于線偏振光振動面的抽象，學生總是不易理解。在講解這部分內(nèi)容時，合理運用作圖法使該性質(zhì)形象學生易于理解。

假設(shè)E是入射到半波片晶體表面的一束線偏振光的振動方向，它與晶體主截面的夾角為θ。在晶體內(nèi)部，因為雙折射現(xiàn)象被分解為振動方向平行于晶體主截面的Ee和振動方向垂直于晶體主截面的Eo。如果入射的半波片為正晶體，則O光傳播速度大于e光，通過半波片后O光比e光光程差多λ/2，相應(yīng)的通過半波片后O光比e光相位超前了π，從晶體中出射時O光的振動方向就變?yōu)镋o′，這時合成為振動方向為E′的線偏振光，由圖1可以看出相對于原來的線偏振光振動面出射光的振動方向從原來的方位轉(zhuǎn)過2θ角。

圖1 線偏振光通過正晶體波片的分解與合成圖

同理可以得出線偏振光通過負晶體半波片的情形如圖2所示。

圖2 線偏振光通過負晶體波片的分解與合成圖

入射的線偏振光在負晶體半波片內(nèi)仍然因雙折射而分解為O光和e光，因為e光傳播速度大于O光傳播速度，出射晶體時e光光程比O光多λ/2，相應(yīng)e光相位超前O光π，e光的振動方向就變?yōu)镋e′，從半波片出射時就合成為振動方向為E′的線偏振光，由圖2可以看出相對于原來的線偏振光振動面出射光的振動方向從原來的方位轉(zhuǎn)過2θ角。

四、將MATLAB軟件應(yīng)用于光學課程教學使光學內(nèi)容形象生動，激發(fā)學生學習興趣

將MATLAB軟件和光學教學有機地結(jié)合起來[4～5]，為了增強光學內(nèi)容的形象生動，利用學生已經(jīng)學習了MATLAB軟件課程的有利條件，在教學中應(yīng)用MATLAB軟件來模擬光波發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象后光強度的分布問題，應(yīng)用軟件中的圖形用戶界面(Graphical User Interfaces,GUI)實現(xiàn)交互式模擬，采用交互式滾動條動態(tài)地呈現(xiàn)各物理量對干涉和衍射結(jié)果的影響，有利于加深學生對物理規(guī)律的理解和認識。課堂教學之余，訓練學生利用MATLAB軟件與自己所學的物理光學有關(guān)問題結(jié)合利用現(xiàn)代計算機輔助手段，加深學生對光學現(xiàn)象的理解，計算機虛擬仿真技術(shù)將抽象難懂的光學規(guī)律和概念現(xiàn)象直觀展現(xiàn)，激發(fā)了學生的求知欲。同時在認真掌握基本物理知識的基礎(chǔ)上逐步學會把所學的MATLAB軟件應(yīng)用于分析和解決實際問題，對學生后期的畢業(yè)論文設(shè)計有很好的促進作用，在此基礎(chǔ)申請《基于MATLAB的嘗試教學法在光學教學中的應(yīng)用與探索研究》校級教改項目一項，目前已經(jīng)順利結(jié)題。

總之，在近幾年的教學實踐中，我們緊緊圍繞光學特別是物理光學的基本內(nèi)容教學，在理論課時逐步減少的情況下，合理安排教學內(nèi)容，緊扣基本概念和基本物理規(guī)律，以光程、光程差及相位差概念貫穿物理光學內(nèi)容講述的始終，將眾多的光學概念串聯(lián)起來，同時借助作圖法和MATLAB軟件使抽象的光學概念形象生動，學生學習效果明顯，并且對后續(xù)課程的學習以及畢業(yè)論文的完成都有很好的促進作用。