浅谈本科院校理工科光学课程教学改革与实践

臧华平　梁二军

【摘 要】本文根据光学课程的特点，从课程内容，教学方式两个方面探讨了光学的教学改革方向。通过合理地设置教学内容、增加实践环节和引入学科前沿等来合理地构造学生的知识架构，提高学生的学习兴趣。其任务是从现代物理实验和量子光学理论来认识光的波粒二象性;从量子理论来建立光子与物质相互作用—光的吸收与发射的物理基础;课程改革注重物理概念、物理图像和物理过程，注重内容的现代化及与现代科学技术接口。通过引入科学的教学方法和评价手段来提高教学效果。

【关键词】光学;波粒二象性;教学改革

【中图分类号】G642  【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437（2019）22-0003-02

光学（Optics）是物理学的重要分支学科。光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组来描述;同时，光具有波粒二象性，光的粒子性则需要用量子力學来描述。由于激光的发现和发展，产生了一系列新的光学分支学科，并得到了迅速的发展。除量子光学外，还有如非线性光学、激光光谱学、超强超快光学、激光材料和激光器物理学等。几十年来的发展表明，激光科学和激光技术极大地促进了物理学、化学、生命科学和环境科学等学科的发展，已形成一批十分活跃的新兴学科和交叉学科。

但是，光学课程的实际课堂教学过程中在教课内容和教学方式上还存在着诸多弊端：如传统教材偏重公式推导，随着科技知识迅猛发展，新兴知识不断涌现[1]，课本内容的更新换代远跟不上现代的科学发展。教学方式上，有些老师在上课过程中要讲解大量的公式推导和计算，部分学生很难跟上老师的讲课进度，容易感觉到枯燥无味，丧失学习的兴趣。笔者在本校自编教材基础上，结合多种现代教学经验，通过灵活控制授课形式，致力于提高光学课程教学改革和实践研究。

1   光学课程教学内容的改革方法

光学课程是物理类专业本科生的一门专业基础课，课程的主要内容有光的波粒二象性、光的吸收与发射、受激辐射与激光、自发辐射与自发辐射光源、半导体中的受激吸收与光电效应。通过对本门课程的学习，了解光学的发展历史和发展规律，掌握光的波粒二象性的基本理论和研究方法，掌握激光在工程技术中的应用，了解激光发展的前沿和在高新技术中取得的新成果。

本课程的目的是使学生了解光学的研究对象和研究方法以及激光在近代科学技术和生活上的应用，了解激光的发展史。使学生比较系统的掌握光学的基本规律、基本概念，并能比较灵活地加以应用，为进一步学习后继课程打下良好的基础。通过吸收国内外光学教学研究成果，对教学中的疑点、难点进行说明，以引导深入思考，培养教学能力。

从现代物理观点认识光子及光子与物质相互作用，主要包括三部分内容。

（1）从现代物理实验（单光子和多光子吸收、发射、激光冷却原子）和量子光学理论来认识光的波粒二

象性。

（2）从量子理论来建立光子与物质相互作用—光的吸收与发射的物理基础。了解光的量子性：光子能量、动量、自旋。掌握光子与物质相互作用过程：能量交换、动量交换、能级跃迁、能量守恒、动量守恒。

（3）学物理有什么用？掌握激光的应用，如：激光冷却原子、激光、激光测距、激光先进制造、激光制导;自发辐射与光源、LED、光伏效应与太阳光伏电池、光电导

天线。

2   光学课程教学模式改革的构想

2.1  增加师生互动，师生互换角色

在课堂教学过程中，充分调动学生的求知欲和积极性，通过师生互换角色，让学生以“老师”的身份向其他同学讲授自己所理解的内容，营造一种愉悦的学习氛

围[2]。针对光学教改课程中“注重物理概念、物理过程的理解”“与现代科学技术相接轨”的教学思想理念，老师可以先选择几个学生容易自学或是感兴趣的知识点，然后给学生时间去查阅资料或相互讨论。以课本知识为基础，对科学前沿问题理论知识给予科学的解释，对其发展历史和现状进行总结和归纳，并探索未来该领域的发展方向。接下来老师可以将讲台让出，鼓励并引导大家积极参与。老师要对学生的理解和讲授给予肯定和赞扬。通过师生互换角色，让学生有机会讲述自己的理解，可以有效激发学生的学习主动性，从而在很大程度上提高学生对所学内容的重视，锻炼学生分析问题、解决问题的能力，还可以通过互相讨论提升学生间的团队合作能力。

以本改革课程为例，笔者在授课过程中提出以激光研究历史和现状为背景，探讨激光技术在现代光学领域的应用前景和价值。给予学生充足的调研时间，并整理成文，安排师生互换课时，鼓励学生积极讨论和讲授。试行结果表明，学生表现出异常的积极主动性，不仅广泛调研了激光在不同领域，包括医疗、航天、遥感、核聚变、激光武器、超快成像等的应用现状和前景，而且相关调研成果整理成文，有的同学甚至达到本科毕业设计论文水平。

此外，通过课堂讲解，学生很快的了解了不同领域的研究内容，加深了对激光原理基本知识点的理解，拓展了对现有光学知识的认知范畴，很好的验证了本教改思想的正确性和有效性。

2.2  传统知识与现代科学前沿相结合

随着科技知识的迅猛发展，新兴知识不断涌现，课本内容的更新换代远跟不上现代的科学发展，而学生因视野的局限性对学科的前沿性嗅觉不足。笔者认为，为了让学生能够清晰地了解所学的知识点，授课教师可以关注大量的相关前沿知识，通过理论授课或实验教学方式向学生展示以提高学生学习的兴趣，克服照本宣科式的传统教学模式。

在本课程的讲授过程中，笔者通过三光子吸收、光学冷却原子、光电效应等实验现象来讲解光的粒子性，通过激光测距、激光先进制造、激光制导以及自发辐射与光源、LED、光伏效应与太阳光伏电池、光电导天线等先进技术为接口来讲授激光的发展前景，激发学生的学习兴趣，拓展学生的学习思维。此外，在提高激光能量和缩短激光脉冲宽度方面，以激光聚变和超快光学为例，详细介绍了超强超快激光装置的世界研究现状和瓶颈，鼓励学生大胆探索，科技创新。

3    总结

光学课程教学活动应该以现代技术为接口，注重物理概念、物理图像和物理过程的理解和掌握，从现代物理实验和量子光学理论来认识光的波粒二象性和光与物质相互作用过程;通过引入科学的教学方法和评价手段来提高教学效果，为培养新世纪尖端创新型人才提供保障。

【参考文献】

[1]刘高福，王平瑞，陈德良.提高大学物理课堂教学效果的探讨[J].贵州师范学院学报，2018（6）.

[2]唐春娟，韩东峰.提高大学物理教学效果的策略[J].高师理科学刊，2018（7）.