《薄膜光学》课程教学方法的研究

陈淑静

摘要：作为材料物理、光学工程等专业的基础课程之一，《薄膜光学》课程具有极强的专业性和交叉性，涉及数学、计算机、光电、材料和自动控制等领域。本文基于《薄膜光学》课程的教学目标，对《薄膜光学》课程的教学方法进行了研究，探讨了自主学习、实例教学以及开放式教学等教学方法在《薄膜光学》课程中的应用。

关键词：《薄膜光学》；教学方法；教学目标

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）10-0203-02

《薄膜光学[1-3]是一门古老又充满活力的学科，它是物理光学的一个重要分支，研究的是光学薄膜的光学特性，如对光的反射、透射以及吸收等作用。光学薄膜在提高或降低光学元件的反射率、吸收率、透射率，光束分离、合并，光束起偏、检偏，光谱带通过、阻滞以及相位调制等方面，均起着至关重要的作用。随着前沿科学的不断发展，光学薄膜的应用也越来越广泛，例如，超短脉冲的调控以及极紫外乃至X射线的反射。现如今，薄膜光学与计算机技术、数学算法、材料科学、表面物理、真空技术、等离子体技术等结合密切，已成为现代光学不可缺少的组成部分。

作为材料物理、光学工程等专业的基础课程之一，《薄膜光学》课程是一门具有极强专业性和交叉性的课程，其内容涉及数学、计算机、光电、材料和自动控制等多个领域，因此，《薄膜光学》课程在教学过程中通常出现教学课时紧张，教学内容难以理解等问题。本文基于《薄膜光学》课程的教学目标，探讨《薄膜光学》课程教学方法的改革，以实现学生知识水平和实践应用能力的提高，从而达到教学效果提升的目标。

一、教学目标

在《薄膜光学》课程的教学过程中，始终贯彻理论与实践相结合的教学理念，通过分析、解决实际问题，提高学生的知识水平和实践能力。在知识层面上，要求学生掌握光学薄膜的基础理论，了解典型膜系及其应用，掌握简单光学薄膜的设计方法；了解薄膜制作技术、方法及相关工艺。在能力层面上，培养学生自主学习和研究的能力，锻炼学生的实践能力，提高学生的学术表达能力。

二、教学方法的研究

1.自主学习方法。传统《薄膜光学》课程的教学，以课堂上的理论教学为主。由于《薄膜光学》内容丰富，专业性和交叉性强，教学课时比较有限，因此仅仅通过课上的学习很难取得良好的教学效果。考虑到这些问题，可以将自主学习的方法应用到《薄膜光学》课程的教学之中，通过为学生提供自主的学习条件，让学生在课下时间也可自学薄膜光学的相关知识。下面介绍为学生提供的自学素材：（1）往年的教学课件：方便学生上课前预习课程内容，从而提高课堂教学效果。（2）光学薄膜特性模拟的程序、软件及其使用说明：对任意结构光学薄膜特性参数的计算与模拟，不仅可以加深学生对光学薄膜基础知识的理解，同时，有利于学生自主学习和研究能力的培养，以及分析问题、解决问题能力的锻炼。（3）薄膜光学拓展资料：包括课堂上没有介绍的薄膜光学相关的知识，例如光学薄膜主流制备工艺的介绍、国内外光学薄膜前沿研究课题及研究现状等，为学生拓宽知识面，培养学习兴趣提供帮助。

2.实例教学方法。《薄膜光学》的理论知识相对比较抽象，学生理解起来比较困难。通过在理论教学过程中列举与之相关联的实际例子，以实例教学的方法加深学生对理论知识的理解，同时，利用理论知识实现对实例的解释，从而实现理论与实践的结合。下面介绍几个在理论教学过程中的实例：（1）玻璃透光：在讲解菲涅尔公式时，可引入玻璃透光的实例，将玻璃透光的物理现象看成是一个简单的单界面模型，然后利用菲涅尔公式计算玻璃界面上的反射率，达到对菲涅尔公式的熟练掌握以及对玻璃透光原因的解释。分析结果表明，当光从空气垂直入射到玻璃表面时，玻璃表面上的反射率仅为4%左右，透光率高达96%。由此可以说明，玻璃是非常好的透光材料，也是玻璃可用作窗户材料的主要原因。（2）镜子成像：在介绍金属反射镜时，可引入镜子成像的实例，将镜子成像模型简化成一个简单的金属界面问题，然后利用菲涅尔公式分析金属表面的反射率，从而揭示金属反射镜反光和成像的原理，巩固学生对菲涅尔公式的理解。分析结果表明，一般的金属材料，如金、银等，在可见光波段可实现较高的反射率，从而证实了金、银等金属材料用作反射镜的可行性。（3）全反射：通过分析光由光密介质入射到光疏介质上发生的全反射现象，并进一步探索全反射产生的条件以及全反射条件下实现100%反射的原因，可加深学生对菲涅尔公式的理解。通过理论分析全反射条件下的菲涅尔公式，发现不管是s偏振光还是p偏振光，在全反射条件下的反射系数均为模为1的复数，进而从理论上找到了全反射实现100%反射率的理论原因。（4）MgF2减反膜：在减反膜的讲解中，可引入MgF2减反膜的实例，基于单层膜的理论结果，分析MgF2减反膜可实现减反效果的原因以及获得最佳减反效果的条件。分析结果表明，MgF2单层膜实现减反效果的原因是其折射率比较小，且小于基底折射率。通过进一步分析发现，当MgF2单层膜的有效光学厚度等于入射光波长的四分之一时，可实现最佳的减反效果。（5）迈克尔逊干涉仪分束镜：在介绍分光镜时，可引入大学物理实验迈克尔逊干涉仪中分束镜的实例，解释能量分光镜实现半透半反功能的原因以及分光镜的应用。分析发现，在厚度优化的前提下，单层金属膜和多层介质膜都能够实现50%的能量分光，即两种结构的光学薄膜都可用作能量的分光镜。通过该实例可加深学生对单层金属膜和多层介质膜光学性能的理解，熟悉它们在分光镜方面的应用。（6）薄膜型波分复用器以及解复用器：在介绍多层膜滤波片时，可引入光学通讯系统中的薄膜型波分复用器以及解复用器的例子。薄膜型波分复用和解复用的基本原理正是基于多層介质膜对某个波长光波的滤波效果，然后，通过串联多个多层介质膜滤波片实现对波分复用光纤中多波长光信号的合成和分解功能。通过该实例，可加深学生对多层介质膜用作滤光片原理的理解，以及多层介质膜滤波片的应用。

3.開放式教学方法。《薄膜光学》课程的开设，不仅仅是让学生掌握薄膜光学的基础知识，还要通过该课程的学习提高自身的能力，其中包括学习能力、研究能力以及表达能力。开放式教学方法的应用可帮助学生更好地锻炼自学能力。（1）开放式作业：《薄膜光学》课程教学过程中，可通过为学生设置开放式作业的方法，提高学生的自学能力。例如，在讲授多层膜光学特性时，要求学生基于所学知识，分析一个渐变式单层膜的反射与透射特性。学生可通过程序的模拟以及理论分析等多种方式获得该问题的正确答案。另外，也可要求学生自主设计光学薄膜的结构，以实现某一特定的功能。通过光学薄膜设计过程能够巩固学生所学的理论知识，掌握实践环节中薄膜的设计方法。（2）学术报告：《薄膜光学》课程教学过程中，要求学生基于《薄膜光学》课程上所学的内容，针对薄膜光学相关领域中的某一研究课题展开分析与讨论，并基于所研究内容准备一次完整的学术报告。在学术报告准备过程中，鼓励学生通过基本理论知识学习→科技文献查阅、分析与总结→科学问题提出→研究方法学习与验证→研究结果分析与总结→学术报告与课题总结等一系列过程，培养学生正确的学习方法和研究思路，锻炼学生分析问题、解决问题的能力。

三、结语

本文基于《薄膜光学》课程教学理念和教学目标，对《薄膜光学》的教学方法进行了讨论，探讨了自主学习、实例教学以及开放式教学等教学方法在《薄膜光学》课程中的应用。研究发现，采用自主学习的方法，将课上学习和课下学习结合起来，可以最大限度拓展学生的知识量，保障《薄膜光学》课程教学任务的完成；采用实例教学的方法，可使《薄膜光学》课程中复杂的公式和概念变得简单易懂，促进学生对知识点的理解；采用开放式教学的方法，可锻炼学生分析问题、解决问题的能力，培养学生理论结合实践的应用能力。

参考文献：

[1]唐晋发,顾培夫,刘旭,李海峰.现代光学薄膜技术[M].杭州:浙江大学出版社,2006.

[2]范正修,劭建达,易葵,贺洪波.光学薄膜及其应用[M].上海交通大学出版社,2014.

[3]卢进军,刘卫国.光学薄膜技术[M].西安:西北工业大学出版社,2005.

Study on the Teaching Method of "Thin Film Optics"

CHEN Shu-jing

(School of Materials Science and Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

Abstract:As one of the basic courses of materials physics,"Thin Film Optics" course has a strong professional and cross,involving mathematics,computers,optoelectronics,materials and automatic control and other fields. In this paper,basing on the teaching aims of "Thin Film Optics" course,we studied the teaching methods of "Thin Film Optics" course,and discussed the application of self-study,case teaching and open teaching method in "Thin Film Optics" course.

Key words:"Thin Film Optics";teaching methods;teaching aims