《光学》课程教学的几点心得

□赵小侠

光学是物理学中最重要的基础学科，以激光技术为基础的现代光学是目前发展最迅猛、最活跃的现代科学研究前沿之一。光学是现代光学，包括傅里叶光学、非线性光学、光电子学和量子光学等许多新的分支学科学习的基础，现代光学已经渗透到国防军事、科学研究以及人们日常生活等方方面面，因此掌握光学基础知识无论是对学生就业或者进一步深造都具有重要意义。但是光学课程本身具有概念繁多、物理规律较为抽象、知识点多且零碎等特点，这也是在光学课程学习中大部分学生不容易掌握课程内容，从而在学业考试或考研中失利的重要原因，结合多年的教学实践有以下几点心得与大家一起探讨。

一、合理安排课程内容，满足新形势下小课时专业课的要求

在教育部减少理论课时增加实践类课程课时精神的指导下，光学课程的理论课时也由最初的72学时减到64学时，目前又减到48学时，甚至有的专业减到32学时。随着理论课时的减少，而面对的教学大纲和教材内容又不变，作为一名一线教师只有合格安排教学内容才能在实践教学中达到好的教学效果。同兰州大学物理科学与技术学院[1～2]相同，在光学课程内容的安排中以物理光学为主，对几何光学和光学仪器部分进行了内容的压缩，这主要是为了满足应用物理学专业后续课程激光技术以及信息光学等现代光学的内容要求，在几何光学教学中主要讲解基本概念，对光学系统中的物、像、物空间、像空间等基本概念以及符号法则精讲，力求让学生概念清晰，这样在后续的学习中如果学生遇到相关知识，需要自学来解决的相对来说就比较容易。删除了相对论和光的量子性内容，这部分内容与后续课程重复。

二、以光程、光程差及相位差概念贯穿物理光学内容讲述的始终，将众多的光学概念串联起来

光学课程与力学、热学、电磁学等课程在物理思想上不能很好地保持密切的连贯，也不像电磁学或经典力学有一个贯穿始终的思路从而形成相对比较完整的知识体系。光学中众多的基本概念如果不合理的整理掌握起来对学生来说是有很大难度的。在物理光学的教学中我们以光程、光程差及相位差概念贯穿物理光学内容讲述的始终，将众多的光学概念串联起来。

Δφ是两束光相遇时的相位差，它与光程差呈线性关系。这样以光程差(相位差)为基础，在讨论两束光或多束光相遇时的干涉问题包括衍射问题都是适用的。只是光的干涉是有限束光相遇的叠加，而光的衍射问题是无限束光的叠加。在波动光学中的光的偏振中光程差(相位差)也起着重要作用，特别是光在晶体中传播的相位面的绘制。

三、善于运用作图法使光学概念形象学生易于接受

作图法在光学中的应用主要是几何光学和光的偏振，几何光学的作图法学生们在中学就非常熟悉，由于物像的共轭性，根据物体所在的位置按照几何光学作图可以很容易地确定光学系统的像的具体位置；反之根据光路可逆，由像按照几何光学作图可以很容易地确定光学系统中物的具体位置。在光的偏振中光在晶体中的传播波面的问题也可以形象地解决，这些内容在教材中都有详细的讲解。在学习半波片的性质时，指出假如入射线偏振光的振动面和晶体主截面之间的夹角为θ，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过2θ角，对半波片的这个性质由于线偏振光振动面的抽象，学生总是不易理解。在讲解这部分内容时，合理运用作图法使该性质形象学生易于理解。

假设E是入射到半波片晶体表面的一束线偏振光的振动方向，它与晶体主截面的夹角为θ。在晶体内部，因为双折射现象被分解为振动方向平行于晶体主截面的Ee和振动方向垂直于晶体主截面的Eo。如果入射的半波片为正晶体，则O光传播速度大于e光，通过半波片后O光比e光光程差多λ/2，相应的通过半波片后O光比e光相位超前了π，从晶体中出射时O光的振动方向就变为Eo′，这时合成为振动方向为E′的线偏振光，由图1可以看出相对于原来的线偏振光振动面出射光的振动方向从原来的方位转过2θ角。

图1 线偏振光通过正晶体波片的分解与合成图

同理可以得出线偏振光通过负晶体半波片的情形如图2所示。

图2 线偏振光通过负晶体波片的分解与合成图

入射的线偏振光在负晶体半波片内仍然因双折射而分解为O光和e光，因为e光传播速度大于O光传播速度，出射晶体时e光光程比O光多λ/2，相应e光相位超前O光π，e光的振动方向就变为Ee′，从半波片出射时就合成为振动方向为E′的线偏振光，由图2可以看出相对于原来的线偏振光振动面出射光的振动方向从原来的方位转过2θ角。

四、将MATLAB软件应用于光学课程教学使光学内容形象生动，激发学生学习兴趣

将MATLAB软件和光学教学有机地结合起来[4～5]，为了增强光学内容的形象生动，利用学生已经学习了MATLAB软件课程的有利条件，在教学中应用MATLAB软件来模拟光波发生干涉、衍射现象后光强度的分布问题，应用软件中的图形用户界面(Graphical User Interfaces,GUI)实现交互式模拟，采用交互式滚动条动态地呈现各物理量对干涉和衍射结果的影响，有利于加深学生对物理规律的理解和认识。课堂教学之余，训练学生利用MATLAB软件与自己所学的物理光学有关问题结合利用现代计算机辅助手段，加深学生对光学现象的理解，计算机虚拟仿真技术将抽象难懂的光学规律和概念现象直观展现，激发了学生的求知欲。同时在认真掌握基本物理知识的基础上逐步学会把所学的MATLAB软件应用于分析和解决实际问题，对学生后期的毕业论文设计有很好的促进作用，在此基础申请《基于MATLAB的尝试教学法在光学教学中的应用与探索研究》校级教改项目一项，目前已经顺利结题。

总之，在近几年的教学实践中，我们紧紧围绕光学特别是物理光学的基本内容教学，在理论课时逐步减少的情况下，合理安排教学内容，紧扣基本概念和基本物理规律，以光程、光程差及相位差概念贯穿物理光学内容讲述的始终，将众多的光学概念串联起来，同时借助作图法和MATLAB软件使抽象的光学概念形象生动，学生学习效果明显，并且对后续课程的学习以及毕业论文的完成都有很好的促进作用。