几何光学课程教学改革与实践

2014-02-06岳保旺

中国现代教育装备 2014年7期

岳保旺高雁

忻州师范学院山西忻州 034000

几何光学是光学中以光线概念为基础，研究光的传播和成像规律的一个重要分支。几何光学发展历史长，理论完善，其结论在许多情况下符合实际，在日常生活和生产实际中有着广泛的应用。几何光学作为师范类物理专业的一门必修课，对未来中学物理教师的培养有着重要的作用。但由于该课程内容理论性较强，概念比较抽象，数学处理方法较难，再加上课时紧任务重，因而要深入学习比较困难。近几年，我们针对该课程教学中存在的问题，主动适应基础教育新课改的需要，为培养合格的中学物理教师，不断进行教学方法的改革与实践，总结出一套较适合几何光学课程的教学方法。

1 几何光学课程教学内容的改革与实践

课程的内容体系，是提高课程教学质量和实现教学目标的核心和基础。因而我们首先对几何光学课程内容从以下几个方面进行了改革与实践。

(1)在保证几何光学基础内容和自身体系基本完整的前提下，删除与初、高中重复的内容和对后续课程关联不紧密的内容以及与培养目标相去甚远的内容[1-2]，例如：在几何光学的基本原理一章中删除光的直线传播定律、光的反射定律、平面反射成像、理想光具组中共轴球面系统的组合、厚透镜、薄透镜组合和近轴光学中的矩阵方法等；在光学仪器的基本原理一章中删除人眼的结构、幻灯机和投影机的原理、像差等内容；压缩和简化了平面折射成像、全反射、三棱镜、薄透镜作图求像(利用主光轴和过焦点的光线)、光学仪器的分辨本领等内容。以上做法为增加几何光学研究新成果和热点内容的介绍赢得了时间，创造了有利条件。

(2)用有关几何光学的应用研究成果, 充实几何光学部分应用内容，同时重视内容的科学组织，增强几何光学自身的逻辑性和系统性，侧重理论联系实际。如讲授光学纤维时介绍其历史和典型的应用；讲到棱镜时，对棱镜光谱仪分光的定量测量的成果做适当介绍；讲授薄透镜时，介绍薄透镜在光学仪器中的应用，尤其是进行最新研究成果的介绍；在理想光具组的基点基面中讲授节点时，增加照相机中转机的介绍，增强学生对节点概念的认识和对理想光具组理论的理解；讲授显微镜时，结合实际介绍电子扫描显微镜；介绍近视眼矫正时，理论联系实际应用，简要说明如何配眼镜。使学生感受到课程与日常生活实际的联系，提高学生的学习兴趣。

(3)教学过程中结合教学内容，适时介绍几何光学研究的热点、重大发现和进展，激发学生对几何光学的学习兴趣。如讲授光导纤维时，特意说明：现有传输总容量达到17.32 Tb/s，相当于2.1亿对人在一根光纤上同时通话。如讲授望远镜时，讲明最先进的望远镜早已经不是哈勃望远镜了，夏威夷的凯克天文台是目前最好的望远镜(拥有两座世界上口径第二大的光学近红外线望远镜—凯克望远镜，口径10米，仅次于西班牙口径10.4米的加那利大型望远镜)。讲到显微镜时，介绍目前最好的显微镜的放大倍数和最高的分辨本领，即最先进的扫描隧道显微镜放大倍数为3亿倍，分辨率可达0.1埃。同时介绍我国1979年研制成分辨本领为0.3纳米的大型电子显微镜，中科院北京电镜实验室和大连理工大学研制的中国第一台光子扫描隧道显微镜，增加学生的民族自豪感，激发学生的学习积极性和主动性。

2 恰当处理教材中数学推导繁和难的问题

数学对于物理专业的学生来讲，是不可或缺的工具，但由于一些学生数学基础较差，部分学生对数学推导兴趣不高，因此，如何在有限的学时内，使学生较好地掌握用数学处理几何光学问题的方法，是教师在几何光学教学中面临的重要问题，这直接关系到光学课程的教学质量。对此我们将几何光学中的不同内容，从物理教学实用的角度出发，加以深刻研究，开展数学与几何光学教学内容的优化整合。

如讲授由费马原理导出几何光学的实验定律(反射定律和折射定律)时，我们用简单明了的取极小值定性说明而非用严格数学推导，抛开相对烦琐的数学推导，用理性的理解取极值的含义，通过实例来证明费马原理取极大值、极小值和常数3种情形下的正确性而非严密推导。在导出单球面反射和折射成像公式中，只需用费马原理光程取极值再加近轴条件导出其单球面反射物像公式即可，而单球面折射成像公式也不必进行数学推导。在讲授光源在较近或较远时的聚光本领时，不进行数学推导过程，而只对结论进行必要的阐明和理性分析。棱镜光谱仪和光栅光谱仪的角色散率和色分辨本领也不做严格的数学推导，仅简述导出过程且对结论进行基本的探讨和说明。这样处理使大多数学生能正确理解光学知识，从而避免枯燥的数学推导，提高了学生的学习兴趣。

3 注重培养学生的科学素质

在光学课程教学改革中，我们把以知识学习为主转变为以科学素质教育为主，着眼于培养敢于创新、善于思索的21世纪未来中学物理教师，着重培养学生的创新精神和自主学习的能力，从强调依靠教师“教会”，转变为注意引导学生“学会”，并使学生“会学”[3]。为此，在改革中还要注意吸收利用近年来教学研究新成果，反映光学研究最新动态，通过这些知识的传授提高学生的科学素质和能力，为学生知识、能力、素质协调发展创造条件。

如在几何光学作图求像中，学生对薄透镜作图求像中熟悉的一条特殊光线是过透镜中心的光线不改变传播方向这一规律，而在单球面反射和折射作图求像中引导学生找到过哪点的光线符合类似的规律，进一步在薄透镜利用副光轴和焦平面作图求像中，如何用过透镜中心光线(副光轴而非主轴)实现作图求像。又如通过单球面反射的横向放大率，分析成像的性质，包括像的大小、正倒立和虚实。分析中强调根据横向放大率的基本定义式β=—y'/y[4]可方便判定像的大小、正倒立，根据单球面反射的横向放大率公式β=—s'/s可方便判定像的大小、虚实，而在单球面折射成像中利用根据横向放大率的基本定义式和单球面折射的横向放大率具体公式，再考虑到折射的实际光线是区别于反射，不难根据横向放大率表达式确定成像的性质，进一步根据薄透镜横向放大率表达式也能判断其成像性质。在几何光学中若要近似成像，必然要用到近轴光线条件，即光线与主轴的夹角很小，满足u≈sinu≈tgu，在单球面反射成像中要用到，同样单球面折射中也要用到，并且在导出助视仪器的放大本领、分辨本领时用到，应该引导学生注意到这一条件的变化情况，在直角三角形中直角边长近似等于斜边长，且在有关的公式推导中会自己使用。

4 发挥多媒体教学的优势

应用多媒体教学可使课堂教学内容更加形象化，增强生动性[5]。由于几何光学中光路图特别多，尤其是在讲授光学元件的多次成像、目镜原理、显微镜工作原理时光路图较为繁杂，若教师采用板书画图或者挂图进行讲解，必然会消耗时间太多，教学效率低且形式单一缺乏生动性。因此，我们注重使用多媒体教学，将需要讲解的光路图以动态(声音、图形、动画等)形式展示给学生，让学生看到类似于真实光线的行进，将较为抽象的理论概念，以直观形象的形式展现给学生，激发学生的学习兴趣，提高学生学习的主动性，使学生理解并掌握光的传播规律。同时在使用多媒体教学中，教师还要多关注学生的学习表情，随时根据学生对知识的接受情况，调整授课速度，尤其是调整多媒体课件的播放速度。当部分学生有不理解的情况时，应适当放慢多媒体播放的速度并配合板书以求学生听得懂看得清能理解。另外，我们将多媒体教学与适当的板书讲解有机结合，如针对讲授的重点或者难点内容，辅以板书，特别是光学有关公式的推导演绎。板书的形式能让学生看得更直观明了。