物理光学课程的教学实践与思考

单小琴 曹 芳

南京理工大学紫金学院 江苏南京 210023

物理光学课程的教学实践与思考

单小琴 曹 芳

南京理工大学紫金学院 江苏南京 210023

物理光学课程用波动的观点讨论光在介质中的传播及光的本质，具有理论性强和专业性强的特点，教学效果一直不够理想。针对光电信息类专业学生的特点，从该课程的教学内容、教学方法、评分机制等方面进行了改革，并给出了教学实例，最后分享了对整个教改实践的思考。

物理光学；软件仿真；教学效果

物理光学是光电信息工程类专业的学科基础课，与几何光学共同构成了工程光学的两大分支，后继课程如激光技术与应用、光学测量、光电检测技术、光纤通信、光电系统设计等专业课都以物理光学为理论基础，其重要性不言而喻。本课程的开设是为了使学生能较全面且系统地掌握物理光学的基本理论及其实际应用，为学生学习其他相关专业课程打下坚实的专业理论基础，为将来从事光电信息工程方向的研究及相关仪器的设计、制造，及其高科技领域内的开发、创新奠定理论基础。

物理光学和几何光学的区别在于，几何光学主要依据基本实验定律和几何定理处理光的传播问题，说明光通过介质时的现象，不涉及光的物理本性，而物理光学则从光波是电磁波出发来研究光在传播时的现象、规律及应用，以波动观点讨论光学问题，涉及光的物理本性。所以物理光学研究的内容更加抽象，在教学过程中需要依赖高等数学、工程数学中大量的公式推导解释很多概念，这样就使得那些数学底子薄的学生跟不上队伍，再加上概念本来就很抽象，跟实际挂不了钩，久而久之很容易产生放弃的念头。

针对目前该课程的教学现状和学生学习存在的问题，近年来笔者对物理光学课程的教学内容、教学方法、考核机制等方面作了一些改革，并取得了不错的效果。

1 教学内容的改革

目前，我院开设的物理光学课程为4个学分，共64学时，分7章，详细地阐述了光的电磁性质、光在各向同性介质界面上的传播规律和光波的叠加与分析、光波的干涉和典型干涉装置与应用、光波的衍射和傅里叶光学的基本原理、光的偏振及其在晶体中的传播、光的量子性和激光、光纤和导波光学。

该门课程的开设时间定在大三上学期，由于物理光学艰深的理论性，学生必须在修完高等数学中的微积分、工程数学中的傅里叶变换这些数理底子才能轻装上阵，几何光学在大二下学期开设，通过几何方法研究的光传播规律给物理光学的本质研究打下形象的基础。同样，从大一下就开始的2个学期的大学物理中光学内容占了很大的分量，占到课时总数的三分之一，在大学物理中，不仅专门介绍光的干涉、衍射和偏振，还涉及采用半经典的方式对光的波粒二象性和光的本质的讨论。其实在高中物理中，学生就偶有对光的常识性认识，大学物理中的光学入门把学生带到了一个更新的科学高度，对于有些光学现象(如彩虹的形成、薄膜油膜、波粒二象性)等产生了兴趣，有些懂但又不能完全领会，这就激发了学生有更加强烈的愿望获得知识。

根据目前我院开设物理光学课程的侧重面在于对基本物理现象、物理概念、物理规律、物理理论及应用的阐述，而且该课程还是部分院校硕士研究生入学考试大纲的要求，我们在原来的教学大纲上进行了修改，重点介绍光的电磁理论基础、光波的干涉和干涉系统、光波的衍射及光的偏振、晶体光学基础这四大板块，原大纲中的傅里叶光学由于跟工程数学中的傅里叶变换部分有重叠，而且偏重数学计算，在新大纲中不再保留；原大纲中光的量子性和激光的部分在后续的课程激光技术与应用中会详细介绍，所以也不再介绍；光纤和导波光学部分在后续的课程光纤通信中重点介绍，新大纲也不再阐述。

当然，考虑到现代光学的发展和应用，除了这四大板块的传统内容之外，会专门有几个学时集中性介绍全息术、光学信息处理、二元光学、半导体激光等基本概念加以充实。通过增加现代光学中具有光电专业特色的学科前沿信息，使得物理光学课程既能保持本学院、本学科的特色，又能紧跟光学领域的前沿，使得本专业学生能了解现代光学发展的尖端成果。

2 教学方法的改革

2.1 课堂教学引入软件仿真

MATLAB软件是计算机仿真技术发展的产物，是一套高性能的数值计算和可视化软件，具有很多自带的库函数和各类专门的工具箱，不需要用户再进行繁冗的程序编写，而且其可视化的能力极强，已经变成一个非常流行的仿真工具，逐渐被引入课堂教学之中。物理光学课程由于其内容的艰深晦涩，理论性极强，很多时候学生无法从理论中真切感受到各种光学现象，除了光学基础实验中开设的一些基本的实验外，还有很多光学现象由于实验室条件和实验仪器的限制，没法进行可视化观察。本课题的实施过程中我们引入了软件仿真，通过仿真的方法让学生感受到神奇的光学现象。

第一步，整理知识点。根据近年来物理光学教学中学生对知识掌握情况的了解，从光的波动性理论出发，整理出典型的干涉和衍射实验，对其理论基础和实验原理进行分析，让学生进行自由分组，自学MATLAB软件完成实验内容的仿真。第二步，分工合作。根据学生分组之后的情况，由组长对各个成员进行分工，定期地组织大家进行任务进度上的交流，最后由项目组成员定期听取各组长汇报，进行工作检查。第三步，成果汇报。由各小组推荐，选出一名代表进行成果汇报演讲，各小组给出仿真结果并写出仿真报告。

例如，杨氏双缝干涉是光的干涉部分一个重要的实验，很多时候学生在实验室通过调试光路只能观察到干涉条纹图，没法记录下光强分布。而通过MATLAB软件仿真不仅可以看到清晰的干涉条纹图，还可以通过程序中代码的编写改变双缝间距、光源大小、波长大小、观察屏与双缝的间距等参量，还可以显示光强的大小。再如，在光的夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射进行模拟的实验中，对各种典型的孔径如单缝、多缝、圆孔等都进行了仿真，还可以实时调整各个仿真参数，使得学生学习光学课程的积极性大增。

经过一个学期的分组学习，学生不仅完成了物理光学理论课程的学习，而且自学了MATLAB软件、加强了实验报告的写作能力、练习了PPT制作等各项技能，激发了学生的学习兴趣，发挥了学生的主观能动性，鼓励了学生相互合作、交流，提高了学习效率。

2.2 强化重点难点 重视方法的掌握

物理光学课程的教学目标是使学生掌握光的电磁理论与光的干涉、衍射、偏振基本理论，培养学生综合应用物理光学理论分析问题与解决问题的能力，所以基本理论是肯定不能随便带过的。课程中含有大量的原理公式推导，如全反射的相位变化、平行平板的等倾干涉中条纹角半径和角间距的求解、菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射，这些原理和计算都离不开公式，如果学生的数学底子不行的话，常常无法理解数学公式和光学概念之间的联系及公式里所包含的物理意义，从而逐渐失去学习兴趣。很多时候为了考试，只能死记硬背公式，无法对知识灵活运用，从而违反了学习的初衷。

例如，在双光束的干涉问题中，学生对与光轴夹角为零的平行光进入双缝产生的双光束干涉很熟悉，但是如果给定的平行光是斜入射到双缝上时就不知所措了，这个时候教师就要引导学生从解题的原始思路出发，要想求干涉条纹(也就是光强分布)，得要先写出两束相干光入射到观察屏上的复振幅分布，既然垂直入射的复振幅可以很容易写出来，斜入射的区别就在于多了一个随倾角变化的空间相位因子，而这个问题利用光的波动公式就可以解决，剩下的问题就是利用叠加定理，把两束相干光的复振幅叠加，最后点乘共轭就可以得到干涉场上的光强分布，通过讨论各点的光程差从而确定明暗条纹的位置。帮助学生总结进行总结，只要遇到双光束干涉的问题，不管多么复杂，甚至还会偏振的题型混合，无非还是采用复振幅叠加点乘共轭的思想来求光强分布。

3 完善成绩评定规则

成绩评定不再以单纯的期末考试成绩为准，采用70%的考试成绩与30%的平时成绩评定规则，其中平时成绩中10%为出勤和作业情况， 20%为每名学生平时课堂的参与情况，包括提问、讨论以及小组仿真的参与情况，这种考核方式结合了学生平时的学习主动性，对学生知识的掌握程度和分析问题解决问题的能力进行了及时的考察，集结果评价和过程评价于一体，更大地发挥成绩评定的激励功能。

4 结束语

在物理光学课程的教改实践过程中，针对课程内容的深涩难懂、原理公式繁多以及光学现象的演示受制于实验仪器和实验条件等问题，笔者就教学内容和教学方法进行了调整，教学内容上通过修改教学大纲，教学方法上通过课堂中引入仿真软件让学生分工合作，强化重点、难点，重视方法的掌握及完善成绩评定规则等方面提高了教学效果。在今后的教学中，要继续大力进行教学改革，更大地调动学生的学习积极性和主观能动性，培养学生独立思考的精神，实现真正意义上的自主学习。

[1] 郁道银,谈恒英.工程光学[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2] 武旭华,肖韶荣,张仙玲.“工程光学”教学改革初探与实践[J].电气电子教学学报,2009(31):35-37.

[3] 王伟.物理光学课程教学改革与实践[J].安徽工业大学学报,2011,28(4):110-111.

[4] 蔡怀宇,郁道银,李清.“工程光学”国家精品课程的建设与改革[J].高等理科教育.2006(2):38-40.

Teaching Practice and Thinking on Physical Optics Course

Shan Xiaoqin, Cao Fang

Zijin College, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, 210023, China

Physical optics course mainly discusses the light propagation in the medium and the nature of light from wave prospective, and has a strong theoretical and professional characteristics thus decreasing the teaching effects. In this paper, according to the traits of photoelectric information engineering students, reform has been carried on the teaching content, teaching method, grading mechanism and so on. The teaching examples are presented and the thinking of the teaching reform practice is also given finally.

physical optics; software simulation; teaching effects

单小琴，硕士，讲师。

南京理工大学紫金学院教育教学改革立项项目(编号：20150103007)。