物理光学课程内容与教学方法研究与实践
张志伟
[摘 要]物理光学课程是光电信息科学与工程，电子信息科学与技术专业的一门实践性很强的课程，强调理论与实践相结合。我们针对物理光学课程的特点和教学要求，探索如何把新的教学方法贯穿于课程的教学过程中。文章介绍了教学改革的具体方法和实施过程。实践表明，新的教学方法能增强学生的学习兴趣，提高教学质量，有利于培养学生的创新意识和创新能力。
[关键词]物理光学；教学内容；教学方法；教学改革
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）03-0073-02
物理光学课程是光电信息科学与工程和电子信息科学与技术专业的一门重要的专业基础必修课[1][2]，是一门实践性很强的课程，强调理论与实践相结合。学好这门课程要求学生全面理解和掌握光的电磁理论、光与物质相互作用基础知识和晶体光学基本知识和技术。[3][4]
随着光电子技术的不断发展，光学和光电子产品也呈飞快的速度发展，光纤通信系统的升级和CCD的不断更新，一些新知识、新技术、新概念不断涌现，体现了新知识经济时代的到来，这些都在一定程度上冲击着传统的工作方式和生活方式。与此同时，对物理光学课程的教学方法也提出了新的挑战。这就要求我们在讲授该课程时， 既要保持物理光学理论的基础性和完整性， 又要突出其在光电子技术中的特色， 并适当反映最新科技成果。[5][6]只有这样，才能为光电信息科学与工程等专业学生进一步学习相关专业课程， 如激光原理与技术、光纤通信与传感技术、红外技术、光电检测技术、光电成像原理与技术及纳米光子学等的学习打下坚实的基础。
一、教学内容的安排
课程教学内容的安排共分为九大教学模块：（1）光波的基本特性（6学时）；（2）光波在各向同性介质界面上的反射和折射（4学时）；（3）光波的全反射特性（2学时）；（4）光的干涉（8学时）；（5）光的衍射（8学时）；（6）光波在各向异性介质中的传播特性（6学时）；（7）晶体光学元件及其偏光干涉（4学时）；（8）晶体的感应双折射（6学时）；（9）光的吸收、色散和散射（4学时）。
针对上述重点和难点， 在教学实践过程中，采取如下教学方法：
1.融趣味性于知识传授过程中，以提高学生的学习热情和兴趣。例如，在讲解光与物质相互作用的内容时，结合髙锟研究光纤在通讯领域运用的事例，以光纤通信发展为例，通过对光与光纤相互作用的深入研究，引导学生了解光纤的“三个窗口”导致了光纤通信系统的几次升级换代，增添了学生学习的兴趣。在讲解光的吸收定律时，介绍了布右厄与朗伯师生关系，用以引起学生的学习兴趣，然后在一定的前提条件下，推导出朗伯-比尔定律的定量公式，强调了“先有条件，后有结论”的规律[7]，并结合煤矿“瓦斯爆炸”这一现象，强调基于朗伯-比尔定律，可开发吸收型瓦斯浓度测量仪器，使学生认识到学好理论知识的重要性，提高了学生的学习热情和兴趣。
2.采用多媒体技术， 充分发挥优势资源，提高学生的学习效果。例如，我们把美国麻省理工学院录制的一些开放视频资源，如光的反射、干涉、衍射和光的偏振等运用于教学过程中。这些视频均是一个短小但完整的光学实验，体现了一个完整的知识点，这样做的益处是把复杂的光学知识，以简单、形象的方式展现在课堂教学中，收到良好的效果。另外，我们也充分运用仿真模拟软件，把一些抽象的内容，以仿真结果体现在课堂教学中。如利用Matlab仿真软件把菲涅耳系数及反射率与入射角的变化规律，以及利用COMSOL Multiphysics5.1模拟软件，把光在直角棱镜中的全反射及在发生全反射时的古斯-汉欣位移展现在教学过程中。
3.把教师的科研成果与教学内容有机地融合在一起，以提高教师讲课的生动性和学生学习的兴趣。例如，在讲解倏逝波（消失波或表面波）的特性时，结合发明专利“一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器”，以SPR传感器为例，通过对消失波与金属薄膜中电子共振的深入研究，开发了新型的光学传感器，为测量介质折射率的微量变化提供了新的检测手段。由于教学过程中引入了教师在科研过程中的一些趣事，因此，容易激发学生的学习兴趣和启发学生的创新思维。
二、合理选择实验内容和实验仪器，强化培养学生的动手能力
结合物理光学的教学内容和我校光学工程的学科特点，实验内容安排有四大模块：（1）光的干涉、衍射实验（2学时）；（2）偏振光产生与检测实验（1学时）；（3）声光、电光调制参数测定及音频声光、电光通信实验（3学时）；（4）光外差干涉实验（2学时）。在这些实验中，第1实验模块是基础性实验，主要是帮助学生对光的干涉、衍射现象的深入理解与提高。第2实验模块采用了角向偏振片，使学生在实验过程中能观察到光的偏振方向，结合CCD相机和角度计算程序，可精确计算出旋光角度，通过实验可巩固学生对晶体光学元件及其偏光干涉和旋光现象的理解。第3实验模块，主要凸显物理光学在光电子技术中的特色，以巩固学生对晶体感应双折射现象的理解。第4实验模块是一个综合设计性实验，以提高学生综合运用光的偏振、光的干涉、光的衍射知識和晶体光学元件运用的能力，培养学生的创新意识。另外，在实验仪器的选择上，既要保证较多的实验项目，提高实验效率，也要注意在客观上加强学生动手、动脑能力的培养。例如，支撑声光调制实验的声光调制实验仪，能提供显示声光调制波形，观察声光调制偏转现象，测试声光调制幅度特性，显示入射光与衍射光的能量分布，测试声光频率偏转特性，测试声光调制衍射效率、带宽等参数，测量超声波在介质中的声速，模拟基于声光调制的语音信号通讯实验；支撑电光调制实验的电光调制实验仪，能显示电光调制波形，观察电光调制现象，测试电光晶体的调制特性曲线，测量电光晶体的特征参量，模拟基于电光调制的语音光通讯实验。再比如，偏振光产生与检测实验仪，其基本光路采用的是共轴“笼式”结构，可以完成旋光实验、线偏振光产生实验、可视椭圆偏振光检测实验等。在实验过程中，以学生为主，教师适时加以指导，可充分发挥学生主动性，以利于学生动手能力的提高。
三、寓新技术于教学过程中，培养学生的科研意识
光学和光电子技术发展迅速，若完全依靠教材的内容作为教学内容，往往跟不上技术进步的步伐，这就要求教师要紧密关注新技术发展动态。一方面，除了选用最新出版的教材外，还应当在课堂上结合所讲知识，适度补充当前的新知识、新技术等内容，以加深学生对所学知识的理解。比如在晶体的感应双折射教学模块，教材重点论述了声光调制和电光调制原理等，而对其应用论述的比重不大。为了让学生较全面地掌握光调制技术知识，需要补充光调制技术的新应用，如利用声光调制或电光调制技术进行激光大屏幕显示以及基于光外差干涉原理的SPR相位检测技术等。另一方面，要积极引导学生关注相关技术资料，如《中国物理快报》《中国激光》《光学学报》《光子学报》等学术期刊，使学生能了解本领域国内外的前沿动态，培养学生的科研意识。比如在光波的全反射特性教学模块，在讲授古斯-汉欣位移及其特性的同时，引导学生在课后阅读《中国物理快报》2004年文章“Thin-film enhanced Goos-H？nchen shift in total internal reflection”；在晶体光学元件及其偏光干涉教学模块，在讲授波片和补偿器的同时，引导学生在课后阅读《中国激光》2009年文章《一种标定Soleil-Babinet补偿器的新方法》。这样，在学生了解相关研究和应用动态的同时，也使学生认识到所学知识在科研工作中的重要性， 培养了学生的科研意识，提高了学生的学习积极性。
四、结论
对于物理光学课程的教学改革，我们经过多年的探索和创新，形成了一些理论与实践相结合的行之有效的教学方法。以光电信息科学与工程和电子信息科学与技术专业2010、2011、2012、2013级学生为试点，从反馈结果来看，该方法有利于提高学生的学习兴趣，有利于提高课程的教学质量。总之，对物理光学课程教学方法的研究，使我们深刻地认识到只有通过进一步深化教学改革才能有效地提高教学质量，才能培养出能较快适应社会发展需要的研究和应用型人才。同时，我们还深刻地认识到物理光学课程教学内容和方法的研究尚处于探讨阶段，对物理光学课程教学内容和方法的改革是一个不断探索、不断完善的过程，但只要坚持不懈的努力，一定可以获得满意的教学效果。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 徐宁.“物理光学”研究型教学模式探索与实践[J].电气电子教学学报，2012（3）：103-105.
[2] 温淑敏，王细军，杜云刚.物理光学与应用光学教学实践与改革初探[J].中国电力教育，2014（21）：77-78.
[3] MAX Born， EMIL Wolf. Principle of optics [M]. Cam？鄄bridge： Cambridge University Press，1997.
[4] 石顺祥，王学恩，马琳.物理光学与应用光学（第三版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.
[5] 哈斯烏力吉，吕志伟，张爱红，何伟明，林殿阳.“物理光学”教学设计的研究[J].电气电子教学学报， 2008（4）：91-94.
[6] 王泽锋，程湘爱，王睿，宁禹，齐恩宇.军校本科专业课程研究型教学模式初探—以《应用光学》课程为例[J].高等教育研究学报，2012（1）：60-62.
[7] 吴一微.对光吸收定律教与学的建议[J].湖北师范学院学报（自然科学版），2006（2）：82-84.
[责任编辑：钟 岚]
[摘 要]物理光学课程是光电信息科学与工程，电子信息科学与技术专业的一门实践性很强的课程，强调理论与实践相结合。我们针对物理光学课程的特点和教学要求，探索如何把新的教学方法贯穿于课程的教学过程中。文章介绍了教学改革的具体方法和实施过程。实践表明，新的教学方法能增强学生的学习兴趣，提高教学质量，有利于培养学生的创新意识和创新能力。
[关键词]物理光学；教学内容；教学方法；教学改革
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）03-0073-02
物理光学课程是光电信息科学与工程和电子信息科学与技术专业的一门重要的专业基础必修课[1][2]，是一门实践性很强的课程，强调理论与实践相结合。学好这门课程要求学生全面理解和掌握光的电磁理论、光与物质相互作用基础知识和晶体光学基本知识和技术。[3][4]
随着光电子技术的不断发展，光学和光电子产品也呈飞快的速度发展，光纤通信系统的升级和CCD的不断更新，一些新知识、新技术、新概念不断涌现，体现了新知识经济时代的到来，这些都在一定程度上冲击着传统的工作方式和生活方式。与此同时，对物理光学课程的教学方法也提出了新的挑战。这就要求我们在讲授该课程时， 既要保持物理光学理论的基础性和完整性， 又要突出其在光电子技术中的特色， 并适当反映最新科技成果。[5][6]只有这样，才能为光电信息科学与工程等专业学生进一步学习相关专业课程， 如激光原理与技术、光纤通信与传感技术、红外技术、光电检测技术、光电成像原理与技术及纳米光子学等的学习打下坚实的基础。
一、教学内容的安排
课程教学内容的安排共分为九大教学模块：（1）光波的基本特性（6学时）；（2）光波在各向同性介质界面上的反射和折射（4学时）；（3）光波的全反射特性（2学时）；（4）光的干涉（8学时）；（5）光的衍射（8学时）；（6）光波在各向异性介质中的传播特性（6学时）；（7）晶体光学元件及其偏光干涉（4学时）；（8）晶体的感应双折射（6学时）；（9）光的吸收、色散和散射（4学时）。
针对上述重点和难点， 在教学实践过程中，采取如下教学方法：
1.融趣味性于知识传授过程中，以提高学生的学习热情和兴趣。例如，在讲解光与物质相互作用的内容时，结合髙锟研究光纤在通讯领域运用的事例，以光纤通信发展为例，通过对光与光纤相互作用的深入研究，引导学生了解光纤的“三个窗口”导致了光纤通信系统的几次升级换代，增添了学生学习的兴趣。在讲解光的吸收定律时，介绍了布右厄与朗伯师生关系，用以引起学生的学习兴趣，然后在一定的前提条件下，推导出朗伯-比尔定律的定量公式，强调了“先有条件，后有结论”的规律[7]，并结合煤矿“瓦斯爆炸”这一现象，强调基于朗伯-比尔定律，可开发吸收型瓦斯浓度测量仪器，使学生认识到学好理论知识的重要性，提高了学生的学习热情和兴趣。
2.采用多媒体技术， 充分发挥优势资源，提高学生的学习效果。例如，我们把美国麻省理工学院录制的一些开放视频资源，如光的反射、干涉、衍射和光的偏振等运用于教学过程中。这些视频均是一个短小但完整的光学实验，体现了一个完整的知识点，这样做的益处是把复杂的光学知识，以简单、形象的方式展现在课堂教学中，收到良好的效果。另外，我们也充分运用仿真模拟软件，把一些抽象的内容，以仿真结果体现在课堂教学中。如利用Matlab仿真软件把菲涅耳系数及反射率与入射角的变化规律，以及利用COMSOL Multiphysics5.1模拟软件，把光在直角棱镜中的全反射及在发生全反射时的古斯-汉欣位移展现在教学过程中。
3.把教师的科研成果与教学内容有机地融合在一起，以提高教师讲课的生动性和学生学习的兴趣。例如，在讲解倏逝波（消失波或表面波）的特性时，结合发明专利“一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器”，以SPR传感器为例，通过对消失波与金属薄膜中电子共振的深入研究，开发了新型的光学传感器，为测量介质折射率的微量变化提供了新的检测手段。由于教学过程中引入了教师在科研过程中的一些趣事，因此，容易激发学生的学习兴趣和启发学生的创新思维。
二、合理选择实验内容和实验仪器，强化培养学生的动手能力
结合物理光学的教学内容和我校光学工程的学科特点，实验内容安排有四大模块：（1）光的干涉、衍射实验（2学时）；（2）偏振光产生与检测实验（1学时）；（3）声光、电光调制参数测定及音频声光、电光通信实验（3学时）；（4）光外差干涉实验（2学时）。在这些实验中，第1实验模块是基础性实验，主要是帮助学生对光的干涉、衍射现象的深入理解与提高。第2实验模块采用了角向偏振片，使学生在实验过程中能观察到光的偏振方向，结合CCD相机和角度计算程序，可精确计算出旋光角度，通过实验可巩固学生对晶体光学元件及其偏光干涉和旋光现象的理解。第3实验模块，主要凸显物理光学在光电子技术中的特色，以巩固学生对晶体感应双折射现象的理解。第4实验模块是一个综合设计性实验，以提高学生综合运用光的偏振、光的干涉、光的衍射知識和晶体光学元件运用的能力，培养学生的创新意识。另外，在实验仪器的选择上，既要保证较多的实验项目，提高实验效率，也要注意在客观上加强学生动手、动脑能力的培养。例如，支撑声光调制实验的声光调制实验仪，能提供显示声光调制波形，观察声光调制偏转现象，测试声光调制幅度特性，显示入射光与衍射光的能量分布，测试声光频率偏转特性，测试声光调制衍射效率、带宽等参数，测量超声波在介质中的声速，模拟基于声光调制的语音信号通讯实验；支撑电光调制实验的电光调制实验仪，能显示电光调制波形，观察电光调制现象，测试电光晶体的调制特性曲线，测量电光晶体的特征参量，模拟基于电光调制的语音光通讯实验。再比如，偏振光产生与检测实验仪，其基本光路采用的是共轴“笼式”结构，可以完成旋光实验、线偏振光产生实验、可视椭圆偏振光检测实验等。在实验过程中，以学生为主，教师适时加以指导，可充分发挥学生主动性，以利于学生动手能力的提高。
三、寓新技术于教学过程中，培养学生的科研意识
光学和光电子技术发展迅速，若完全依靠教材的内容作为教学内容，往往跟不上技术进步的步伐，这就要求教师要紧密关注新技术发展动态。一方面，除了选用最新出版的教材外，还应当在课堂上结合所讲知识，适度补充当前的新知识、新技术等内容，以加深学生对所学知识的理解。比如在晶体的感应双折射教学模块，教材重点论述了声光调制和电光调制原理等，而对其应用论述的比重不大。为了让学生较全面地掌握光调制技术知识，需要补充光调制技术的新应用，如利用声光调制或电光调制技术进行激光大屏幕显示以及基于光外差干涉原理的SPR相位检测技术等。另一方面，要积极引导学生关注相关技术资料，如《中国物理快报》《中国激光》《光学学报》《光子学报》等学术期刊，使学生能了解本领域国内外的前沿动态，培养学生的科研意识。比如在光波的全反射特性教学模块，在讲授古斯-汉欣位移及其特性的同时，引导学生在课后阅读《中国物理快报》2004年文章“Thin-film enhanced Goos-H？nchen shift in total internal reflection”；在晶体光学元件及其偏光干涉教学模块，在讲授波片和补偿器的同时，引导学生在课后阅读《中国激光》2009年文章《一种标定Soleil-Babinet补偿器的新方法》。这样，在学生了解相关研究和应用动态的同时，也使学生认识到所学知识在科研工作中的重要性， 培养了学生的科研意识，提高了学生的学习积极性。
四、结论
对于物理光学课程的教学改革，我们经过多年的探索和创新，形成了一些理论与实践相结合的行之有效的教学方法。以光电信息科学与工程和电子信息科学与技术专业2010、2011、2012、2013级学生为试点，从反馈结果来看，该方法有利于提高学生的学习兴趣，有利于提高课程的教学质量。总之，对物理光学课程教学方法的研究，使我们深刻地认识到只有通过进一步深化教学改革才能有效地提高教学质量，才能培养出能较快适应社会发展需要的研究和应用型人才。同时，我们还深刻地认识到物理光学课程教学内容和方法的研究尚处于探讨阶段，对物理光学课程教学内容和方法的改革是一个不断探索、不断完善的过程，但只要坚持不懈的努力，一定可以获得满意的教学效果。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 徐宁.“物理光学”研究型教学模式探索与实践[J].电气电子教学学报，2012（3）：103-105.
[2] 温淑敏，王细军，杜云刚.物理光学与应用光学教学实践与改革初探[J].中国电力教育，2014（21）：77-78.
[3] MAX Born， EMIL Wolf. Principle of optics [M]. Cam？鄄bridge： Cambridge University Press，1997.
[4] 石顺祥，王学恩，马琳.物理光学与应用光学（第三版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.
[5] 哈斯烏力吉，吕志伟，张爱红，何伟明，林殿阳.“物理光学”教学设计的研究[J].电气电子教学学报， 2008（4）：91-94.
[6] 王泽锋，程湘爱，王睿，宁禹，齐恩宇.军校本科专业课程研究型教学模式初探—以《应用光学》课程为例[J].高等教育研究学报，2012（1）：60-62.
[7] 吴一微.对光吸收定律教与学的建议[J].湖北师范学院学报（自然科学版），2006（2）：82-84.
[责任编辑：钟 岚]
