引論：我們?yōu)槟砹?3篇大學光學知識點總結范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。
篇1
本文中，以理工科類所采用的大學物理教材、普通高中理科生所采用的人教版物理教材和初中生采用的人教版物理教材（主要是前兩者）為參考，對大學物理的幾何光學部分（大學物理下冊第17章幾何光學［1］）如何與中學物理中相應知識（選修2―3的第1章光的折射和第2章光學儀器［2］）銜接的問題進行了分析和探討，理清這些問題將有助于促進大學物理課程改革健康有序地發(fā)展，同時也希望為中學物理課程改革提供一定的借鑒。
1.大學物理課程和中學物理課程基本要求的對比
對照《大學物理基本要求》［3］與《全日制普通高中物理課程標準》（簡稱為《新課標》），從教學目標看，《中學物理課程標準》把基礎物理知識與技能學習、自主探究的過程訓練和方法體驗、情感與價值觀的培養(yǎng)有機地結合起來。而《要求》則強調在系統掌握物理知識和方法的同時，還要注重培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識，努力實現學生的知識、能力、素質三方面的協調發(fā)展。顯然，大學物理教學要求是在高中物理要求的基礎上加以提高。
所以，將《要求》和《新課標》中對幾何光學部分的基本要求做比較，分析大學物理中幾何光學部分知識點的分布特點，結果見下表。
通過對比可以發(fā)現，大學物理幾何光學部分中有60%以上的知識點在中學物理中出現過。然而，大學物理的內容既不能是對中學物理知識的重復講解，又不能完全拋開中學物理的內容，直接引入新的知識，否則就會出現知識連接脫軌的現象，那么大學物理應該如何銜接中學物理知識，并順利引入新的知識呢？下面我將針對部分典型問題進行具體分析。
2.共同涉及知識點的相關要求及教材銜接處理
通過對比，大學物理中幾何光學部分的知識點在中學物理中已涉及的主要有以下幾個：幾何光學基本定律、折射率、光在平面上的反射和折射、全反射、薄透鏡及其成像公式和作圖法、光學儀器。
1）幾何光學基本定律包括：光的直線傳播定律，光的反射定律（鏡面反射和漫反射），光路可逆性，光的折射定律。前三個定律一帶而過，做銜接的鋪墊。
2）折射率：在折射定律中將中學的折射率細分為：①相對折射率=n=（第二種介質相對于第一種介質的折射率）；②絕對折射率n=（相對于真空的折射率）。然后斯涅耳定律是折射定律的另一種常用形式，由相對折射率和絕對折射率兩個公式推導而來：nsini=nsinr。
3）光在平面上的反射和折射：大學物理教材上點了一下實像和虛像，由同心光束在折射時被破壞導出一種現象叫像散，從而接入新知識“視深度”，視深度是入射光線交主光軸的點離界面距離P與折射光線反向延長線交主光軸的點離界面距離p′，得p′=p。
4）全反射、薄透鏡，薄透鏡的作圖法和光學儀器部分：除了基本的定義和條件外，還介紹了一些全反射的用途和薄透鏡的一些內容，其他只做了解用。
3.新增知識點的相關要求及教材銜接處理
大學物理幾何光學部分知識點中新引入的知識點主要有以下幾個：斯涅耳定律、視深度、光在球面上的反射和折射、薄透鏡的橫向放大率、薄透鏡的光焦度與焦距。下面以一個典型例子分析大學物理教材對該部分知識的設計。
如圖，從光源S發(fā)出光線SA到半徑r、曲率中心為C、頂點為O的球面反光鏡AOB上，反射光線交主軸于S′。則光線SAS′的光程為=nl+nl′；其中（余弦定理）：
光程是角度φ的函數，根據費馬定理，物象間的光程應取極值或常量。故對其求導并令其倒數為零。
=n［2r（r-p）sinφ］+n［-2r（p′-r）sinφ］=0；
化簡得-=0
在近軸條件下，φ很小，可認為cosφ≈1，此時l≈和l′==-p′；帶入上式得+=
當入射光是平行光時即p=-∞，得p′=，此時p′即是焦點，焦距f′=可得近軸區(qū)域的球面反射成像公式：+=，是一個普遍適用的物像公式。
就像這樣的推導方法一樣，先由中學的知識開端，加進大學物理的內容，使定律從理想狀態(tài)的使用條件推廣到普遍適用的公式。
4.結語
大學物理中幾何光學部分的內容除一些知識外，絕大多數概念學生在中學階段已有接觸，故教材設計中的展開應適度，避免重復。
對于大學物理中的新增知識點，由于大學生都已初步具備了獨立思考、分析和應用知識的能力，就不能像對待中學生一樣，應用圖畫或大量例子使其理解的設計方法，大學教材對新知識的設計，應注重知識點之間的聯系，注重綜合分析能力和知識應用能力的鍛煉，還應突出設計手法上的靈活多變。總之，大學物理教材的設計在知識的銜接上既不能繁瑣地重復講解，又不能出現知識的斷點，這樣才能真正做到大學物理教材設計的最優(yōu)化。
參考文獻：
篇2
《光學設計》是許多工科院校的“光信息科學與技術”、“光學工程”等專業(yè)的主修課程，北京信息科技大學光信息科學與技術專業(yè)在應用光學、物理光學等必修課基礎上也開設了這門重要的專業(yè)選修課。《光學設計》是一門將幾何光學與物理光學知識與實踐相結合的學科，通過該課程的學習，學生可以系統的了解光學設計方面的知識，了解一些最常用的光學系統的設計方法，以及了解光學設計的發(fā)展方向。該課程的特點是應用性較強，涉及的內容較多，如何在有限的學時內，通過該課程的學習，培養(yǎng)學生熟練設計各種光學系統的能力，提高學生的分析能力和實踐能力，這對授課教師提出了嚴峻挑戰(zhàn)。該課程一般通過理論教學和實踐教學兩個環(huán)節(jié)完成教學內容，本文將幾年來的課堂教學工作所積累下來的心得與體會加以總結，主要涉及到教學內容的組織，教學方法的改進與考核方式的變革等。
一、精心組織授課內容，理清主線，突出重點。
光學設計課程囊括的知識點比較多，面向不同的教學對象，因為其本身知識積累就不同，而不同的教材組織方式，調強的知識重點也不盡相同，因此需要教師因人而異、不斷調整授課內容的組織方式。北京信息科技大學光信息科學與技術專業(yè)將該課程核定為32學時，在這么短的課時內，如何選擇講授的知識點來保證教學活動的完成，根據本專業(yè)的特點，我們精心組織了教學內容，主要為了理清思路，并突出重點。光學設計涉及到的內容可分為：高斯光學、像差理論、典型光學系統、計算機自動優(yōu)化方法、光學系統公差分析及光學元件制圖等。高斯光學是光學系統分析的基礎，光學系統初始結構計算就是基于高斯光學理論的；像差理論是光學設計的重中之重，只有深刻了解了像差理論，才能夠自主、靈活的設計光學系統；典型光學系統包括放大鏡、顯微鏡、望遠鏡等系統，是了解實際光學系統的鑰匙，也是光學系統初始結構計算的理論基礎；而計算機自動優(yōu)化方法、光學系統公差分析及光學元件制圖等是實踐性很強的內容，也是把上述理論知識與實際設計過程聯系的紐帶。只有理清了這些內容的知識體系，才能有的放矢，條理清楚的講授。我們經過探索，發(fā)現在授課時選擇一個實際的光學系統（如開普勒望遠鏡系統），從它的基本結構講起，引出物鏡和目鏡的各自特點，用高斯光學知識分析其放大率、視場角等參數，再引申到實際系統像差對像質的影響，最后講授怎樣設計這樣一個系統以及設計中應該注意的問題。這樣就能把所有要講授的內容串聯起來，學生就能更好地理清思路，知道哪部分內容的作用以及怎樣學習效率更高。另外，講解時不能一概而論，必須突出重點，每個知識模塊的學時要分配得當。比如像差理論是本課程的重點，需要占用較多的學時講解；而且像差理論這一部分應該把重點放在各種系統參數（比如，光闌大小、位置，材料折射率、相對色散等）對初級像差的影響上，因為這是一個優(yōu)秀光學設計工程師必須練好的最重要的基本功。最后，處理好知識點與實際光學系統之間的關系。比如要提醒學生每一部分知識點都要結合與實際光學系統設計（包括加工、檢測）的關系來學習，做到有的放矢、思路清晰。
二、教學方法的改進
1．課堂教學與課外科技創(chuàng)新實踐相結合
學習基本原理知識的目的是為了更好地應用到實際生活中。我們積極鼓勵學生參加各種科技創(chuàng)新活動，堅持課堂教學與課外創(chuàng)新實踐活動相結合，強化實踐能力培養(yǎng)，提高學生的設計與綜合分析能力。比如，在學習了照相系統基本知識以后，我們鼓勵學生調研如今市場上的各種照相機（包括數碼相機、傳統相機、攝像機等），讓學生考察照相機的基本結構以及重要技術參數，并讓學生嘗試自己設計一臺照相機系統。這樣，學生的學習積極性得到大大提高，他們在設計過程中遇到很多問題，再重新回過頭在課堂找答案，被動接收變?yōu)橹鲃訉W習，學習效率大大提高。
2．現代多媒體教學技術的使用
多媒體教學是以計算機為核心的教學手段，能交互的綜合處理文本、圖形、圖像、動畫、音頻及視頻等多種媒體信息，更豐富、更復雜的信息多媒體教學對全面提高教學質量，增進教學效果起著不可替代的推進作用。基于多媒體的光學設計課程教學優(yōu)勢包括：第一，圖文并茂，簡潔直觀，激發(fā)學生學習興趣，提高學生學習的主動性。比如在講授望遠系統時，我們把目前世界上的各種望遠系統圖片投影到黑板上，并列舉各系統的優(yōu)缺點，使學生頓時產生了濃厚的學習興趣。第二，把教師從繁重的板書中解放出來，更有利于教師語言、人格魅力的發(fā)揮，學生可以在相同的時間內獲取更多的知識，提高課堂教學效率和教學質量。比如，在講授各種目鏡結構時，由于目鏡的種類很多，有惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱涅爾目鏡、對稱式目鏡以及廣角目鏡等，一一板書這些目鏡結構和特點非常花時間，而且作用不大。使用多媒體就可以很快的展示各種目鏡結構以及特點，從而把更多時間放到講授目鏡選型以及設計中去。第三，教師為主導，學生為主體，二者相互有機結合，實現教與學的良性互動。比如，在學習球差與系統相對孔徑以及光闌的關系這部分內容時，我們讓學生自己提出各種參數，然后現場用多媒體計算光線軌跡并畫出光路圖、像差圖等，學生再根據像差圖提出新的修正結構，直到得出滿意的球差。在這個過程中，教師與學生不再是填鴨式的灌輸與接受知識，而是很好的互動，并激發(fā)了學生學習興趣。
3．光學設計軟件的應用
在光學設計課程教學中，為了演示光線追跡結果及光學系統在各種不同情況下、不同輸入光場時的輸出光場情況等，需要編制相應的模塊軟件。但由于編制這樣的模塊軟件工作量大、難度較高，往住使任課老師放棄在教學過程中演示復雜的光學現象，即使有人花大量時間和精力編制出一些，也因為功能不強、效果不佳而影響教學效果。我們將諸如ZEMAX、OSLO、CODE－V等功能強大的商業(yè)光學設計軟件引入光學設計課程的教學過程，可以減小設計工作量，并且使課程課件的深度得到加強，從而擴大學生的感性認知和視野，增強教學效果。
現有的成像光學分析與設計軟件主要有三種，分別為：美國Optical Research Association 公司的CODE－V軟件；Lambda Research Corporation公司的OSLO軟件；Focus Software Inc開發(fā)的ZEMAX軟件。其中ZEMAX軟件由于界面友好，容易上手，目前占據市場最大份額；我們在課堂教學中采用的也是ZEMAX軟件。該軟件可做光學組件設計與照明系統的照度分析，也可建立反射、折射、繞射等光學模型，并結合優(yōu)化、公差等分析功能，是將實際光學系統的設計概念、優(yōu)化、分析、公差以及報表集成在一起的一套綜合性的光學設計仿真軟件。課堂利用ZEMAX的計算與模擬功能，鼓勵學生通過自主探索，在掌握理論知識的前提下，讓學生建立相應的物理模型和數學模型，通過自己輸入參數去完成對光學系統的形象化和具體化，并對光學系統像差進行詳細了解，為進一步設計提供參考依據。例如，如果要給學生講授cook三片式透鏡組（入瞳10mm，全視場角40°）的結構以及性能，通過ZEMAX可以很形象地顯示。圖1所示，cook透鏡組的二維和三維結構圖都可以畫出，而且所選三個視場（0視場、10°視場、20°視場）的光線軌跡也可以準確畫出，這樣就使得學生有更形象、直觀的認識。如果要了解該透鏡組性能，就可以利用ZEMAX光線追跡程序快速計算出每一條光線的軌跡，并算出各種像差值。該cook透鏡組的幾種像差圖見圖2所示，這里只顯示了四種像差圖：點列圖、波像差圖、調制傳遞函數圖和場曲、像散及畸變圖。根據這些像差圖，學生可以對該系統的像差有個全面的認識，可以更進一步改進并優(yōu)化結構參數。而計算實際像差利用傳統的手工計算花費時間是巨大的。
總之，利用光學設計軟件，可以使光學設計課程授課效率更高，學生學習興趣更濃，學習效果更好。
三、課程考核方法的改革
考試已成為課程改革的一部分，與課程的實施方法相輔相成，從而更客觀地反映教與學的效果，達到拓展學生的個性，激發(fā)其學習能力和興趣的目的。傳統理工科課程通常以閉卷筆試加平時成績相結合的方式進行考核。針對《光學設計》的課程特點，我們采用了以考核綜合知識和能力為主導的考試方法。具體包括：①建立小課題，指導學生撰寫小論文。比如讓學生們調研目前流行的單反相機的原理并進行初步設計，學生通過查資料，深入調研，強化學生自己思考的過程，同時也能考察一個學生的綜合素質。②開展課堂討論，給予總結評價。這部分的考核主要是通過討論來考察學生對知識點的應用和具體解決問題的能力。③試卷考核。該部分主要考概念題和思考題，加深學生對理論基本知識的理解和掌握。
通過這三種方式來全面綜合地考察、評定學生對該門課程的學習掌握和理解程度，從而更好地反饋和指導教學。這樣的考核方法覆蓋指標更全面，考核的結果就會更客觀合理，能夠真實全面反映學生的學習情況與能力水平，有利于對學生的知識和能力進行綜合評價。
四、教師自身能力提高
教師是課程改革最直接、最關鍵的群體，因此教師的自身成長與課程的建設發(fā)展密切相關。教師的專業(yè)成長不僅僅是教學經歷和教學經驗的累積與豐富，更是教師由被動到主動參與課程決策、課程運作和課程評價，促進課程、教師和學生共同發(fā)展的過程。在不斷變革的社會大環(huán)境下，教師應樹立終身教育和終身學習的觀念，即“教育既是為了促進個人的終身全面發(fā)展，又是為了促進社會的持續(xù)發(fā)展和全面進步。”只有具備這樣的觀念，才能不斷解決教育中出現的各種問題，才能建構新課程條件下的目標、教學、評價體系。另外，很多人對于光學設計存在錯誤的認識，認為只要學好幾種光學設計軟件就可以進行光學設計。其實，光學設計是一種創(chuàng)造性的工作，它需要經驗也需要設計人員有正確的設計思想和設計理念，而軟件只是工具而已。光學設計總要從像差補償開始，如果沒有對基礎像差理論的深入、正確理解，只是按照已有參數按步就班地操作，光學設計則成了完全的技術工作，毫無思想性可言。對于這部分理論內容要有“板凳要坐十年冷”的準備，從復雜、枯燥的公式中理解設計的基礎，打好光學設計的基礎。光學設計是一門需要慢慢磨的手藝，作為教師的我們就更要負起責任，不斷提高自身水平，不浮躁、不圖快，踏踏實實的不斷學習，積極地參與科研，積累更多的光學設計經驗，這樣才能更好地講授好這門課。
五、結束語
隨著科學技術的發(fā)展，光學系統的作用越來越被重視，迫切需要光學設計的專業(yè)人才，為此高校肩負著培養(yǎng)具有良好光學設計人才的重任。本文對光學設計教學內容與課程設置的安排、教學方式的優(yōu)化改革以及考核方式多樣化等問題進行了研究與討論，為學生更好地掌握光學設計知識、將來更好地服務于社會打下良好的基礎。
參考文獻
1 王之江.光學設計理論基礎［M］.北京：科學出版社，1985
2 李 林.計算機輔助光學設計的理論與應用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002
3 黃一帆、李 林.光學設計教程［M］.北京：北京理工大學出版社，2009
篇3
0 引言
《工程光學》是測控技術及儀器專業(yè)的專業(yè)平臺課，根據燕山大學本科生培養(yǎng)方案設置，其總學時為40學時，其中實驗學時為6學時。在知識結構上，該課程以大學物理和高等數學知識為先導，同時又以光電檢測技術、光學儀器設計、激光檢測技術、紅外檢測技術和光纖傳感及通信等課程為延拓。將幾何光學和物理光學作為主要授課內容，講授測量過程中涉及光學測量的各種方法，講授其基本思想、原理與技術，并以此為理論基礎，使學生在光學參量測量的過程中進行測量系統的分析與設計，并對其性能進行優(yōu)化及誤差分析，從而滿足系統設計參數的要求和工程實際中的特定需要。
1 教學現狀及存在問題分析
在目前的《工程光學》教學過程中，存在著以下問題。
1）在教學內容上，原來的教學大綱強調教學內容的系統性和完整性，導致物理光學的部分章節(jié)與大學物理中的相應內容存在一定重復[1，2]，在幾何光學部分，存在大量的理論公式推導，抽象晦澀。
2）教學方法與手段單一。在以往的教學過程中，由于理論分析和公式推導內容較多，《工程光學》主要以板書教學為主。隨著計算機輔助教學模式在教學中的推廣，多媒體教學方式雖然提高了單位學時內的授課信息量，但也沒有改變以教師為中心、學生被動式學習的基本狀況，互動環(huán)節(jié)明顯缺失，忽視了授課效果的及時反饋，未能充分地發(fā)揮學生的主觀能動性，教學效果不理想[3，4]。
3）實驗內容陳舊，只能完成一些基礎性驗證實驗，而對設計性實驗的實現能力較差。光學器件的設計和加工過程都十分繁雜，因此，根據設計性實驗的要求購買或加工光學組件，其可行性不高。隨著實踐教學模式的探索與推廣，實驗室的作用應得到重視和充分的顯現[5，6]。
在《工程光學》的教學改革過程中，探索多元化教學模式，實現課堂教學與實踐性環(huán)節(jié)的有機結合，是十分必要的。
2 多元化教學模式探索
在《工程光學》教學改革過程中，嘗試課堂教學與信息網絡平臺、實踐教學和光學前沿講座相結合的多元化相輔相成的改革方案。其框架見圖1。
2.1 引入先進教學理念，改進課堂教學方法
本科生教育在整個教育體系中是一個系統性基礎理論教育部分，而后續(xù)的研究生教育階段將主要著眼于知識創(chuàng)新和技術攻關，具有更強的理論性、技術性、應用性和方向性。因此，本科生教育恰是一個打基礎的階段，應注重對學生科學思想的培養(yǎng)，對基礎理論知識的全面系統性學習必須被視為重中之重。
在課堂教學過程中，應精選教學內容，課堂教學內容的設計必須以問題的解決為主線，致力于對學生分析和設計能力的培養(yǎng)。針對每個教學單元的重要知識點，教師選擇有代表性、難度適中、綜合性較強的光學系統，合理設計問題，以點帶面，使學生在遇到實際問題時學會分析問題和解決問題，加深學生對光學原理在測量中實際應用的認識，鍛煉分析和系統設計的能力，激發(fā)學生的學習動力。
板書教學這種傳統的課堂教學方式，能夠將教師的語言和肢體動作相結合，教學方式生動，能夠使學生集中注意力，并使教學思路得以逐步地展示，從而使教師的講解過程與學生的理解過程同步。以板書教學為主體，注重學生對基礎性原理知識的掌握，最終達到較為理想的教學效果。多媒體教學能夠綜合文字、圖像、聲音、動畫和視頻，立體教學更適合人的思維習慣和記憶規(guī)律。通過聲音、圖像進行多維教學，使課堂上教與學的交流更為流暢、學生的思維更為敏捷、學生的學習效率和自主學習的積極性得到提高。由于授課學時的限制和系統化授課的要求，在保證知識結構完整性的前提下，將物理現象的呈現、應用背景的圖片等通過多媒體的方式進行形象地展示，可使學生獲得的信息豐富且直觀，并激發(fā)學生的學習興趣，使其帶著問題對理論性的內容進行學習。
2.2 課堂教學與網絡信息平臺相結合
由于授課學時有限，除了課堂教學所涉及的核心內容之外，對于其先導課程大學物理中已經涉及的內容和難度較小的輔內容，可以通過網絡信息平臺的授課視頻和學習資料來完成。與此同時，網絡信息平臺可以幫助學生完成課前預習、課后復習，并培養(yǎng)學生網絡提問和教師離線解答的師生交流模式，更好地保證授課效果，并排查授課過程中的薄弱環(huán)節(jié)。
網絡信息平臺除了作為課堂教學的延伸之外，還應為教學內容和教學方式的改革提供及時的信息反饋。為了加強對教學過程的監(jiān)督和管理，不斷提高教學質量，在過去幾年的教學工作中，學校教務部門也建立了教學質量評價體系，通過學生評分和督導組的教學評價，對每門課程的運行情況進行評價。這種方式在很大程度上對教學改革起到了促進作用，但過去時的反饋信息只能指導今后的教學工作，缺乏實時性。通過網絡信息平臺的留言板，方便老師對后續(xù)課程的教學內容及方式進行及時調整，并以此作為增進師生交流的互動平臺。
建設《工程光學》課程網絡習題庫。為了配合課堂教學，使之產生更好的收效，課后的練習和自我測試是十分必要的。根據教學重點和難點問題，編制各類習題，并以期末考試和考研等各類考題為參照，編制典型習題，并提供習題講解，從而方便學生課后復習和考前準備。
2.3 引入任務式教學模式，培養(yǎng)學生的實踐能力
《工程光學》的教學改革嘗試，要注重培養(yǎng)學生的工程能力、創(chuàng)新能力、學習知識和運用知識以及解決問題的能力，乃至團隊協作能力。目前，《工程光學》課程設計、大學生創(chuàng)新訓練、科技創(chuàng)新比賽以及《工程光學》開放性實驗，是課程教學改革要涉及到的實踐性環(huán)節(jié)。在實踐性教學環(huán)節(jié)中，教師要轉變教學觀念，從教學的主導位置變?yōu)橹笇Ш洼o助學生學習的角色。以明確的任務為驅動，使學生以主動的和實踐的方式進行學習，并建立實踐環(huán)節(jié)和課程教學內容之間的有機聯系，實現課堂所學的書本理論知識的運用，從而培養(yǎng)學生的工程實踐綜合能力。
Zemax是目前功能較為強大的光學設計軟件，因此，在課程設計中，可以用其完成光學系統的輔助設計，并幫忙學生完成課堂幾何光學教學中各種典型光學系統的像差分析。在課程設計的過程中，以分組的形式安排了“照相物鏡鏡頭設計與像差分析”、“牛頓望遠鏡設計與像差矯正”、“帶有非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統設計”、“多重結構配置的激光束擴大器”、“折疊反射鏡面和坐標斷點”和“消色差透鏡設計”等多個設計任務。例如，在照相物鏡鏡頭的設計中，如圖2所示，應用Zemax軟件可以對后置光闌三片物鏡原始結構（其中，分別代表該多光組系統中的3個透鏡元件）進行參數優(yōu)化，輸入參數并進行焦距縮放，從而生成初始參數及結構。如圖3所示。
進而在Zemax中進行像差分析及參數優(yōu)化，在初始結構的MTF 曲線中，可看出成像質量很差， 因此需要校正像差，如圖4所示。調整其可變參量（包括6個曲率半徑，2個空氣間隔和3個玻璃的厚度），對物鏡的結構進行逐次優(yōu)化。每次調整后再次優(yōu)化實時關注MTF圖的曲線變化，最后使各個參數都在可接受范圍之內，如圖5所示。通過課程設計中對具體光學系統的設計和分析，學生們對課堂所學知識有了更新和更深刻的理解，通過學以致用，更加體會到所學知識的重要性。
在課程設計的基礎上，鼓勵學生結合課堂所學理論知識，開展創(chuàng)新性研究，申報大學生創(chuàng)新訓練計劃項目，教師指導學生進行選題和方案論證，以項目組的形式，明確每個學生的任務分工，使每個學生都有機會參與實際項目的研究或開發(fā)，通過項目的實施來驅動學習，在實踐中加深和強化對理論知識的理解。對于大學生創(chuàng)新計劃項目，導師不需特意強調成果，應注重其研究和實施的過程。
在創(chuàng)新訓練基礎上，鼓勵學生參加科技創(chuàng)新比賽，通過賽事培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新意識和團隊協作精神。學生可以親身體驗科學研究的全過程，以個性化的思路提出設計方案，從而大大增強學生解決問題的能力。通過精心的賽前準備，所設計的“光電主動式紅外報警器”在燕山大學校團委組織的“世紀杯”科技創(chuàng)新大賽中獲得了優(yōu)異的成績，這也極大地增強了學生的自信心，促使學生在實踐中運用所學知識，進一步加深了對知識的理解。
利用實驗室條件，《工程光學》課程設計的設計任務、大學生創(chuàng)新訓練的相關內容、科技創(chuàng)新比賽的前期準備和方案實施等實踐環(huán)節(jié)對實驗的需求都可以得到很大程度上的解決。將開放性設計性實驗、競賽題目、科研課題與工程光學某些知識相聯系，制定項目的實施方案，規(guī)劃實驗流程，列出實驗儀器及元器件清單，通過實驗驗證項目方案的可行性。在不斷發(fā)現問題、研究問題和解決問題的過程中，學生會對探索和追求未知的科學領域產生極大的興趣，在學習的過程中變被動為主動，在研究過程中也不斷提高了自身的創(chuàng)新能力，真正實現了以人為本、自主學習的教學理念。
2.4 開展現代光學前沿知識講座
《工程光學》課程所講授的內容是光學的基礎性應用知識，通過開設光學講座的方法，向學生傳遞這些知識在現代光學技術中應用的信息，更能使學生了解光學前沿的概況，給課堂教學內容賦予時代氣息，拓展學生的知識面。通過這類活動，不但能增進學生對學科和本專業(yè)科研方向和科研梯隊的了解，更能使學生充分認識到學習《工程光學》的意義，而且也增強了學生熱愛專業(yè)、致力于專業(yè)課程學習的積極性，從而取得良好的收效。
2.5 教學安排及課時調整
《工程光學》教學改革已經在教學實踐中推進了一年，取得了初步的成果，并將在今后的教學過程中不斷探索、總結和提高。在上一個教學周期中，針對多元化教學模式的采用，已將整個學時安排進行了必要的調整。采用網絡信息平臺，針對大學物理中已經涉及的部分知識點，縮減了每堂課復習舊知識點和考前總復習的時間，網絡試題庫的建設節(jié)約了習題課的時間，以上兩方面節(jié)約學時數約6個學時，從中分配4個學時進行課堂項目式教學，其余2個學時開設光學前沿講座。更為深入復雜的設計任務則在為期1.5周的《工程光學》課程設計中完成。另外，學生通過大學生科技創(chuàng)新訓練及科技創(chuàng)新比賽，除了獲得實踐能力的鍛煉之外，還獲得了大學四年中必修的“科技創(chuàng)新”學分。
3 結束語
在現今的高等教育中，注重人才的全面發(fā)展，多出人才、出好人才，是高等教育的最終目的。在工程光學教學和實踐中，發(fā)現了不少問題，有些教學改革的想法還不完善，還將在今后的教學實踐中不斷探索行之有效的改革措施。通過教學實踐和經驗總結，提高教師的理論教學和實踐教學水平，完善教學方法，取得更好的教學效果。通過多元化教學模式的嘗試，在優(yōu)化課程理論教學內容的同時，引入豐富的實踐教學環(huán)節(jié)，使學生的工程應用能力、創(chuàng)新能力和綜合素質得到有效的培養(yǎng)，為學生今后的研究和就業(yè)開辟更為廣闊的空間。
參考文獻
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篇4
物理光學作為一門專業(yè)基礎課，具有抽象性強、枯燥乏味等特點。同時，物理光學也具有較強的專業(yè)性，該學科的創(chuàng)建均來源于對實際光學問題的解釋。在介紹一個知識點之前，為了理論聯系實際，我們首先要有目的地設置問題。通過一步一步地啟發(fā)學生，讓學生帶著問題思考解決的方法與思路，進而解決問題。例如，我們講授光波的衍射時，首先從白光通過指縫的衍射現象出發(fā)，提出產生衍射的條件。如果采用單色光源，指縫轉變?yōu)閳A孔、矩形孔或不規(guī)則孔，衍射條紋如何變化？引導學生思考如果采用多縫或透射光柵，衍射條紋又將如何變化？從而引出影響衍射現象的因素和采用數學模型描述衍射現象的問題。實踐證明，這種以實際問題為先導的模式，激發(fā)學生的思考和學習興趣，培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力，得到了良好的教學效果。
3.充分利用多媒體教學
多媒體教學在許多方面是傳統教學模式所無法比擬的，具有直觀性強、圖文聲像并茂、信息量大、生動活潑等特點。但運用不當，也會適得其反。為了彌補兩方面的不足，我們采用了多媒體課件與傳統板書相結合的教學方法。在物理光學課程中，采用PPT課件形式與FLASH動畫結合，生動描述光波的傳播現象與規(guī)律。多媒體課件重點介紹物理概念及方法，而大量的公式推導可在課后參考教材或其他課本。制作這種多媒體課件的教學方法不僅給學生留下深刻的印象，而且還給教師留下充足的時間來強調重點、難點和核心內容。
4.利用計算機虛擬仿真技術提高教學效果
在課堂教學之余，訓練學生利用計算機仿真技術處理物理光學相關問題。利用現代計算機輔助手段，加深學生對光學現象的理解，發(fā)現學習中的盲區(qū)和誤區(qū)，提高教學的針對性。計算機虛擬仿真技術將抽象難懂的光學規(guī)律和概念形象直觀展現給學生，激發(fā)學生的求知欲。光學仿真設計軟件有很多種，MATLAB、TracePro、Zemax、Fred、OptiSystem，分別應用于不同的光學領域。MATLAB是Mathworks公司于1982年推出的一套高性能的數值計算和可視化軟件，具有數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示等功能，是工程界最流行的軟件工具，在大學理工課程教學中的應用亦漸成熱點。目前，已有眾多文獻采用MATLAB軟件模擬光波發(fā)生干涉、衍射現象后光強度的分布。MATLAB軟件中的圖形用戶界面（GraphicalUserInterfaces，GUI），可以實現交互式模擬。采用交互式滾動條動態(tài)地展現各物理量對衍射結果的影響，有利于加深學生對物理規(guī)律的理解和認識。TracePro是一款基于蒙特卡羅法的非序列光線追跡軟件，為美國LambdaResearch公司開發(fā)。
TracePro以實體對象來構建光路系統，通過計算反射、折射、散熱、吸收和衍射等行為來模擬光線與實體表面的作用，對真實場景進行計算和顯示。TracePro圖形使用界面簡單，且具有強大的仿真功能，能對光學鏡頭、背光板、照明燈具、投影顯示器、醫(yī)療儀器等進行光學模擬及分析。目前，在校學生已采用TracePro仿真軟件成功對偏振棱鏡、衍射光柵進行了模擬仿真，采用光線追跡方法形象直觀地展現光波傳播過程及特性的變化，加深對光波傳播規(guī)律的認識和理解。當然，計算機虛擬仿真技術只是物理光學教學的輔助，不能代替理論教學。學生應該在認真掌握基本物理知識的基礎上，逐步學會運用計算機仿真軟件，才能達到促進學習的效果。計算機虛擬仿真的實際操作，培養(yǎng)了學生將理論知識應用于分析實際問題的能力，檢驗了學生專業(yè)知識的掌握程度，也為下一階段的課程教學提供了指導方向。
篇5
關鍵詞 ：自主學習；教學設計；啟發(fā)式教學法；類比思維法
中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-5727（2014）01-0086-03
《基礎光學》課程是我校電子工程學院電氣信息大類（高本）專業(yè)的一門專業(yè)基礎必修課，主要講述幾何光學和物理光學知識。本課程的學習，可使學生掌握成像和光的波動的基本理論和計算方法，為進一步學習諸如光電子器件與技術、光信息處理技術、光纖通信和集成光學等課程奠定理論基礎，同時也為學生從事光學儀器的開發(fā)、光路的設計和從事光學教學等打下基礎。由于生源水平參差不齊，對于理論強、公式多、理解難、知識點繁的光學課程的學習有一定的難度。筆者針對《基礎光學》第五章“光的偏振”的課堂教學設計，從分析處理教材、選擇教學方法、設計教學過程等方面進行了積極探索，旨在使課堂授課能夠激發(fā)學生學習的興趣，引導學生自主學習，獨立完成分析、探索、實踐、質疑、創(chuàng)造等學習階段，實現學習目標。
工科專業(yè)光學教學存在的問題
光學課程的特點使工科學生學習起來有一定難度 《基礎光學》課程知識體系獨立，理論性強，加之工科專業(yè)學生物理、數學基礎知識相對薄弱，對光學的學習有一定的難度。例如，在“偏振”一章中，利用菲涅爾公式推導反射光與透射光的偏振態(tài)，學生不僅要熟練運用三角公式進行推導，還要對物理概念如振動分量、傳播方向等有明確認識，并要建立數學結果與物理結論之間的聯系。由于光學本身有一定難度，再加上學時減少、學生基礎薄弱等因素的存在，工科專業(yè)光學課程的教學模式往往會導致教師滿堂灌輸、學生死記硬背被動學習局面，直接影響教學效果。
與專業(yè)聯系不緊密，學生學習積極性不高 《基礎光學》課程本身與電氣類專業(yè)方向聯系不夠緊密，特別是電氣信息大類二年級的學生對光電子學科了解不足，往往導致“重電輕光”的局面。對學生的調查顯示，超過60%的學生認為模擬電路、微機原理等與電類緊密關聯的課程較光學課程更重要；大約30%的學生認為光學與電學有一定聯系，同等重要；僅有約10%的學生認為光電子技術是科技發(fā)展的前沿，而其基礎光學需要牢固掌握。學生不重視，學習積極性不高，就會出現曠課、消極學習等現象。
只注重理論知識的積累，不注重分析應用能力的培養(yǎng) “授之以魚，不如授之以漁。”教育的目的不僅僅是教會學生知識，更重要的是學以致用，學會運用知識分析解決實際問題。比如，學生在掌握基本理論、基本概念的基礎上，創(chuàng)造性地提出偏振光的產生方法、偏振態(tài)的檢驗方法以及偏振的應用，教師引導學生將書本知識轉化為學生分析解決實際問題的能力等等。但實際上由于學時有限、學生無法與教師進行有效互動等因素，導致教師采用“填鴨式”教學方式，使教學過程變成單純教師教的過程，束縛了對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
引導啟發(fā)，培養(yǎng)學生的自主學習能力
《基礎光學》教學大綱對“光的偏振”一章的教學內容和要求如表1所示。
“光的偏振”是在掌握光的干涉和衍射等基本波動理論基礎上講述的內容，要求學生對光的波動本性、橫波性、振動態(tài)等有清晰的認識。同時，“偏振”一章講述的內容多且雜，包括偏振與橫波性關系、五種常見偏振態(tài)、反射光和透射光的偏振態(tài)、雙折射現象、光在晶體中的波面與波線、偏振態(tài)的實驗檢驗、偏振光的干涉等。教師要理清教學思路、設計教學過程、合理使用教學方法，安排講、學、練的時間，做到教師“講”得思路清晰、激發(fā)興趣，學生“學”得清楚明白、認真投入。在授課過程中應引導學生獨立思考、自主學習，更有效地學會知識，掌握分析解決實際問題的能力。
（一）分析教材、梳理思路、整合知識
教材中“光的偏振”一章分為9個小節(jié)，涉及知識點較多，但綜合起來可總結為以下4個問題：（1）光的偏振現象與橫波性的關系；（2）五種常見偏振態(tài)；（3）如何將自然光改造成偏振光；（4）偏振光的實驗檢驗。
對本章的整體知識結構可作如下分解。
第一，明確偏振現象與橫波性的關系；理解為什么偏振現象可以作為區(qū)分橫波和縱波的標志；分析為什么橫波有偏振現象而縱波沒有，進而總結偏振的基本概念（教材第一節(jié)）。
第二，了解橫波振動量振動狀態(tài)的多樣性，介紹五種常見偏振態(tài)，包括自然光、線偏振光、部分偏振光、橢圓偏振光和圓偏振光；詳細介紹自然光、線偏振光、部分偏振光，重點學習如何將自然光改造成線偏振光和部分偏振光，其中包括反射光和透射光的偏振態(tài)（教材第一節(jié)、第二節(jié)）。
第三，理解光在各向異性晶體中的雙折射現象、波面和波線，理解由各向異性晶體制作的偏振器件的基本光學特性。在此基礎上，進一步學習圓偏振光與橢圓偏振光的獲取方法（教材第三節(jié)到第七節(jié)）。
第四，偏振光的實驗檢驗和偏振光的干涉（教材第八節(jié)、第九節(jié)）。
其中，第一、第二部分用2學時，第三部分用5學時，第四部分用3學時，實驗用2學時。筆者僅就講解“偏振”的第一次課分析課堂教學程序設計。
本章知識框架如圖1所示。
（二）以教為輔、以學為主、教學相長
1.溫故引新、聯系實際、激發(fā)興趣。興趣是學生主動學習的前提。新課的引入要起到激感的作用，使學生受到感染，產生求知欲，產生主動學習的能動性。新課的引入分為兩個部分，即溫故引新和聯系實際。
首先，以三個關聯問題溫故引新，引發(fā)思考，使學生帶著問題開啟新課的學習，對新課的意義有清晰的認識。（1）以復習回顧的形式，向學生提出“光的波動性如何得到證實”，學生在既有知識的基礎上回答“光的干涉和衍射都無可辯駁地證明光的波動本性”。（2）提出“光波是橫波還是縱波”的問題，引導學生思考振動與波動之間的聯系，即光的振動分量與光波的傳播方向之間是垂直的還是平行的關系。以學生的既有知識或經驗知識會得到“光波是橫波，其振動量的振動方向垂直于光的傳播方向”。（3）“如何證實光的橫波性”，偏振現象可以證明光的橫波性，它是如何證明光的橫波性的？它與橫波間有何聯系？采用舊知引新知的方法，可以使學生了解知識間的連貫性，以問題的形式引入新課內容，使學生帶著思考學習，學習目的明確。
其次，引用實例，激發(fā)學生學習的興趣和熱情。引用圖片等媒體資源向學生展示液晶屏、偏振片、3D立體電影等基于光的偏振的新技術，理論聯系實際地激發(fā)學生學習的熱情和興趣。
2.設疑置問、引導思維、以學為本。本節(jié)新課程的內容包括偏振與橫波性的關系，自然光、線偏振光和部分偏振光的基本特性，偏振光的獲取方法及實驗檢驗，其中偏振與橫波性的關系是本節(jié)的重點，更是關鍵點，只有概念明確，才能對偏振現象進行深入研究，而難點落在反射和透射光的偏振態(tài)上。關鍵點知識的講解采用啟發(fā)式的教學方法。啟發(fā)式教學法是教師在教學過程中扮演引導者的角色，通過設置幾個層層嵌套的問題，引發(fā)學生思考，在逐一解決問題的過程中使學生完成新課學習。為了學習偏振與橫波性的關系，可設計如下三個問題，層層深入，引發(fā)思考：（1）創(chuàng)造并分析機械橫波與縱波的偏振現象。學生很容易會設計出手握繩子上下抖動形成機械橫波；手推彈簧，沿彈簧往復振動形成機械縱波的例子。教師演示兩個實例的偏振實驗，由學生觀察與分析得到“只有橫波才有偏振現象”的結論。（2）為什么橫波有偏振現象而縱波沒有呢？學生經分析得出橫波的振動方向相對于傳播方向具有不對稱性，而縱波的振動相對于波的傳播永遠呈對稱分布的結論，即“振動方向相對于傳播方向的不對稱性”是造成偏振的直接原因，就是偏振的概念。（3）光波是否具有偏振現象呢？在了解偏振片工作原理的基礎上，教師實驗演示自然光通過兩塊偏振片后出射光強隨第二塊偏振片轉動而發(fā)生周期性變化，學生得出“光波具有偏振現象，光波是橫波”的結論。
對于關鍵點知識的講解采用類比機械波的思維方法，形象生動，易于理解。同時，通過學生的分析探究，可加深學生對知識的理解。
自然光、線偏振光、部分偏振光的偏振態(tài)、通過偏振片后的現象及合成與分解等內容雖是重點，但理解起來較簡單，主要采取繪制振動圖像，使學生建立感性認知，對知識融會貫通。
課程知識的應用與提高擬解決兩個問題：（1）如何將自然光改造成線偏振光和部分偏振光。這里主要采取教師引導、學生分組討論、教師適當補充、學生綜合總結的方式，解決本節(jié)的重點同時也是難點的問題。將自然光改造為線偏振光，最簡單的方法是利用偏振片即可實現；也可以利用平面界面的反射和玻堆片的透射來實現。部分偏振光的獲得可利用平面界面的反射和透射來實現。反射光、透射光偏振態(tài)的確定需要借助菲涅爾公式進行三角運算和分析得到，理論性較強，運算過程較繁瑣，所以可適當做詳略處理：對于反射光的偏振態(tài)，教師可引導學生進行詳細的推導，掌握方法；而對透射光的偏振態(tài)則可布置為小組作業(yè)，由學生仿照教師引導的方法獨立學習、分析完成。（2）如何用實驗的方法區(qū)分自然光、線偏振光和部分偏振光？可采用分組討論的方式提出解決方案，方案可以在后續(xù)的實驗課上通過動手操作得到驗證。
本節(jié)的課程結構和課時安排，引入部分8分鐘，重點知識的講解30分鐘，難點知識20分鐘，例題及應用練習27分鐘，課后總結5分鐘。
“學生為主體，教師為主導”，這是現代教學的指導思想。教師在教學過程中要充分調動學生的學習積極性，使他們變被動學習為主動學習，變厭學為樂學。筆者通過“光的偏振”課堂教學環(huán)節(jié)設計，引發(fā)學生思考，激發(fā)學習興趣，使學生積極參與到教學活動中，引導學生自主學習。
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篇6
一、由一道光學題產生的疑問
例：下列關于衍射和干涉的說法中，不正確的是（ ）。
A.衍射現象中衍射圖樣的明暗相間的條紋的出現是光干涉的結果；
B.雙縫干涉中也存在著光的衍射現象；
C.影的存在是一個與衍射相矛盾的客觀事實；
D一切波都可以產生衍射和干涉。
解析：干涉和衍射是波所特有的現象。條紋的明暗變化是干涉的結果，條紋出現的范圍較大，說明有光線進入到了“影子”區(qū)域中，是衍射的結果。影的存在是衍射現象的極限表現，兩者不矛盾。選C。
學生對于光的干涉、衍射的產生原因及其區(qū)別存在很大的疑問。
二、疑問產生的原因分析
1.考綱要求決定教學深度
本省高考考試說明中物理選修3-4的幾何光學部分，“光的干涉”“光的衍射”知識點為Ⅰ級要求，即對該知識點要知道其內容及含義，并能在有關問題中識別和直接使用。從近幾年高考的考查來看，幾何光學主要以選擇題的形式出現，本章節(jié)教材的編寫相對簡略。在教學中限于課時，只注重干涉、衍射的定義及其現象的描述，較少花精力深入辨析干涉與衍射的區(qū)別與聯系，導致學生在學習該知識點時知其然而不知所以然。
2.對概念的理解不透徹
光的干涉是指兩列頻率相同、振動方向相同的光波相疊加，某些區(qū)域出現振動加強，某些區(qū)域出現振動減弱，并且加強區(qū)域和減弱區(qū)域總是相互間隔的現象。因為光是概率波，振動加強區(qū)域光子出現概率高出現明條紋；振動減弱區(qū)域光子出現概率低出現暗條紋。楊氏雙縫干涉現象中出現等間距明暗相間條紋，單縫衍射現象中出現不等間距的明暗相間的條紋，兩者的明暗相間條紋均為光的干涉結果。在應用中只要存在明暗相機的條紋，就可以認為是出現相干光源出現的干涉結果。
光的衍射是指光離開直線路徑繞到障礙物陰影里去的現象。光在同種介質中沿直線傳播，光能傳播到本應該出現陰影的區(qū)域內，是因為光發(fā)生衍射的結果。
■
在單色光的單縫衍射現象中，如圖1所示光沿直線傳播只到aa′區(qū)域內，而實際上光能傳播到cc′，dd′區(qū)域內，這種光傳播的范圍大于直線傳播的區(qū)域是光的衍射結果。在雙縫干涉中光傳播超出圖2中a、b區(qū)域，形成圖3的明暗相間條紋分布也是光的衍射結果。在應用中只要光的傳播過程明顯偏離直線傳播，就可以認為是光的衍射結果。
3.光的干涉、衍射的區(qū)別與聯系
聯系：干涉與衍射是波所特有的現象。光的干涉、衍射是光的波動性的體現。兩者之間沒有實質性的差別，均為次波相干疊加引起光強重新分布的結果。單縫衍射、雙縫干涉現象均為干涉與衍射混合共同作用的結果，兩者圖樣中都有明暗相間條紋；兩者光線傳播過程均偏離了直線傳播方向。
區(qū)別：（1）產生條件不同。光的雙縫干涉要求縫的寬度d
（2）產生的現象不同。以單色光為例，雙縫干涉形成明暗相間的等間距條紋，亮度基本相同；單縫衍射形成不等間距的明暗相間條紋，中央亮且寬，往兩側條紋間距逐漸變大，條紋寬度逐漸變窄。
4.衍射與直線傳播區(qū)別與聯系
光的直線傳播與衍射兩者并不矛盾。由惠更斯―菲涅爾原理可知，同一個波面上各點均可看成一個次波源，該波面上所有次波源均參與疊加時，其結果依然為直線傳播，等效成障礙物或孔的寬度d=0時的情況。而該波面上部分次波源受障礙物遮蔽時，以致受到遮蔽部分次波源無法參與疊加時，在觀察處對應就少了這些次波的疊加，出現衍射現象的明暗條紋，過渡到d與λ可以比擬時明顯衍射的情況。當該波面上大部分次波源受到遮蔽時，過渡到d
三、由該題產生的反思
學生產生疑問的原因是多方面的。由這道光學題所呈現出的問題來看，我們應該反思在教學中是否重視知識的內在聯系，是否重視學生知識體系的構建，知識只有融會貫通了才能靈活應用。對學生普遍性問題我們應嚴謹對待，揣摩透徹，才能答疑解惑。學生的疑問是教師成長的動力，促進我們不斷反思，不斷學習，不斷進步。
參考文獻：
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篇7
1 研究型教學的概念與特點
1998年美國卡耐基教育研究基金會發(fā)表的《重建本科教育，美國研究型大學發(fā)展藍圖》報告[1]，明確指出要把研究型教學作為本科教學的基本要求。所謂研究型教學就是以培養(yǎng)研究型人才、科學人才以及人才的科學素養(yǎng)為目的的一種新型教學方式。
研究型教學與傳統教學方式相比較，有許多不同的特點，具體體現在“四個變化”上：（1）教師與學生的角色發(fā)生變化。在研究型教學中，教師是教學活動的“導演”，而學生是“主角”，教師為學生創(chuàng)設問題情境，引導學生自己提出問題、分析問題、提出假設并最終解決問題。（2）教學根本目的發(fā)生變化。研究型教學的根本目的是為學生創(chuàng)造一個展現自我的平臺，并在實踐過程中不斷提升學生的綜合素質[2]。它強調的是在教學過程中學生能力的提高，而不是課本知識的傳授和學生的理論筆試成績。（3）教學內容的組織發(fā)生變化。研究型教學的教學內容是針對課程的特點，結合教學中學生的反饋意見，將教學內容劃分為不同層次，如基礎知識、提高知識和擴展知識。其中提高知識和擴展知識是提高學生研究能力和素質的重點部分。（4）教學模式發(fā)生變化。研究型教學主要是增強學生的參與性，引導學生進行深入思考和探索，采用問題引入式，模擬科學研究的過程的教學方式[3]。教學過程中以學生為主，采用多種教學手段，加強互動，活躍課堂氣氛。
相對傳統的教學模式，研究型教學可以大幅提高課程的教學質量。因為在教學過程中，學生通過研究和探索不僅能加深對光學基本原理和本質的理解，增強發(fā)現、創(chuàng)造和探索知識的熱情，拓寬知識面，同時處理問題的技巧和能力也可以得到鍛煉和提高。
2 研究型教學的具體實施
為了調動學生對專業(yè)課程的興趣，有效拓展學生的知識面并引發(fā)學生深入思考，我們將研究型教學引入光學教學中。在教學中，我們強調注重兩點：（1）充分調動學生的學習積極性；（2）在教學過程中注重學生的能力素質培養(yǎng)。具體有以下措施：
2.1 將物理學史引入教學中
在教學過程中為了避免理論知識的枯燥性，激發(fā)學生的學習興趣，我們有意識地將光學發(fā)展中的許多名人軼事與典故有機融入相應的知識點中，例如在幾何光學部分，可以引入我國古代關于小孔成像的記載、高錕與光纖的故事等；在波動光學部分可以引入泊松亮點由來的典故、惠更斯與雙折射、馬呂斯與偏振的故事等；在量子光學部分可以引入普朗克與量子假說、吳有訓與康普頓散射、倫琴發(fā)現X射線的故事等。
2.2 結合學科前沿，突出實際應用
根據理工科院校的人才培養(yǎng)目標與特點以及學生將來的就業(yè)與發(fā)展，我們將整個課程的設置與實際應用緊密結合，并且突出最新科技前沿。在實際教學過程中，注意介紹光學領域的熱點與重大發(fā)現，各章節(jié)設置的問題與實際應用相結合。這樣教學內容不但更具有針對性，而且可以激發(fā)學生對光學研究的熱愛，提高學習的主動性。例如光纖通訊技術、激光陀螺導航技術、偏振與立體電影、激光的應用等。
2.3 采用多媒體、實物演示與傳統教學相結合
多媒體中的3D和Flash等軟件能夠制作生動活潑、逼真的動畫，可以直觀形象地展示許多光學現象，例如干涉衍射現象、多普勒效應等。還有許多光學原理與現象可以在課堂上通過儀器當場演示，能帶給學生更強的真實感。例如用偏振片演示偏振現象，演示光電效應現象等。我們將新的教學手段和傳統教學方法結合起來，提高了學生的學習興趣，加強了學生對知識的記憶，因此大幅提高了教學效果。
2.4 多方式、多手段引導學生思考，活躍課堂氣氛
為了引導學生積極思考，我們在教學模式上主要采用問題引入式教學法。即針對每個章節(jié)教師事先精心設計幾個問題，要求學生以解決問題為牽引，提前查詢相關資料、收集信息并進行研究，在課堂上分組進行交流討論。教師則加以指導，最后對討論結果進行歸納總結和點評。例如：如何將幾何光學三定律合三為一？幾何光學三定律適用的條件是什么？干涉和衍射的區(qū)別與聯系？如何快速找到復雜光學系統的物方和像方焦平面等。
篇8
基金項目：本文系南京信息工程大學八期教改項目（項目編號：11JY053）的研究成果。
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）04-0078-02
光學是一門古老的學科，與人類文明的發(fā)展息息相關。隨著20世紀激光器的誕生，光學學科煥發(fā)了新的生命力，出現了許多以激光為基礎的現代光學分支和交叉學科，其內容和方法已經滲透到現代科技的各個領域。作為光信息科學與技術專業(yè)、應用物理學專業(yè)的核心基礎專業(yè)課程，“光學”課程定位于幫助學生奠定堅實的專業(yè)基礎知識，學習并建立科學的思想方法。鑒于光學課程的重要地位，教育工作者應當不斷探索符合學科發(fā)展、適合人才培養(yǎng)需求的教學方式。為了提高學生的學習效果，激發(fā)學生學習的主動性，筆者結合科研工作中的體會和教學過程中的實踐，對光學課程的形象化教學方法進行了討論。
所謂形象化教學法，指用日常熟悉的、簡單的、容易理解的現象解釋陌生的、復雜的、抽象的、不易理解的概念，或應用視頻形象化地將復雜的工作過程和抽象的概念展示出來。形象化教學是直觀性教學原則的具體體現，是各級學校各門課程都適用的一種重要教學手段。[1]對于“光學”課程而言，其本質上是一門實驗科學。無論是從幾何光學成像系統到光的干涉、衍射現象，還是從經典光學發(fā)展到現代光學，其中都包含了大量的理論和實驗內容。而且，這些理論和實驗聯系緊密，絕大多數理論直接來自于實驗又應用于科學實踐。[2]因此，從“光學”課程的實驗性特點出發(fā)，改革現有光學課程傳授式教學為主的現狀，在課程教學中加大形象化教學的比重，是各高校光學教學方法改革的重點之一。
如何在“光學”課程中貫徹形象化教學方法，使學生在進行抽象的邏輯思維同時建立形象化思維，增加學生對課程的理解和認識？筆者從以下幾個方面對此進行了總結。
一、積累教學片段，用生活化語言將抽象問題形象化
教學片斷是教師在長期的教學實踐中總結出的富有代表性的教學材料，它可以是一個類比，一個生活事件，一個故事等。[3]在教學活動中，對于一些比較抽象的概念和規(guī)律，采用常規(guī)教學方法難以使學生理解和掌握。如果教師能夠恰當地利用生活實踐中貼切的比喻和類比，使得抽象的概念具體化、形象化，則可以達到化繁為簡、事半功倍的效果，同時還可以啟發(fā)學生積極思考，鍛煉學生的形象思維能力，從而提高課堂教學效果。例如，在講述光的橫波特性時涉及到“橫波”和“縱波”的定義，如果教師只按照課本上“縱波振動與傳播方向一致，橫波振動方向與傳播方向垂直”的解釋一帶而過，并不能給學生留下很深的印象。筆者在教學過程也有所體會，很多學生只記住光是橫波的結論，至于什么是橫波卻解釋不清楚。在此，可以引入“取一根軟繩，一端固定在墻上，手持另一端上下抖動，就在軟繩上形成一列橫波”的例子說明什么是橫波，再引入“取一條軟彈簧，沿彈簧長度方向前后推動，則在彈簧上形成一列縱波”的例子，形象化總結縱波的特點。
通過形象化的說明，可以使學生更直觀地理解兩個概念的特點，加強記憶。但是，應用生活化的比喻和類比，并不是以淺顯的道理代替較深的理論，而是要求教師緊密結合教材內容，根據具體情況，做到言之有理，言之有據。還是針對上面的例子，雖然形象化的類比可以使學生快速領悟“橫波”和“縱波”的特點，但是從科學嚴謹性出發(fā)，光波是電磁波，與類比中的機械波既有相同又有區(qū)別。因此，在學生領悟到所傳遞的信息之后，還應當對電磁波和機械波的異同加以比較，既保證了知識的科學性、完整性，又鞏固了之前力學課程的知識點。
二、帶實驗進課堂，利用演示教具實現教學形象化
實驗是科學研究的一個重要方法和手段，也是理工科教學的重要內容。雖然大多數院校都開設了基礎光學實驗課，但是在時間安排上往往與理論課程不同步，造成了實驗和理論的脫節(jié)。學生不僅對基于實驗的理論難以理解，而且所學理論也不能很好地應用于實際。因此，在“光學”課程教學過程中，在學時條件允許下適當增加隨堂演示實驗，既可以提高學生的學習興趣、啟發(fā)學生積極思維，又可以增強學生對概念和規(guī)律的理解。得益于網絡技術的發(fā)展，筆者觀看了美國麻省理工學院理工科部分開放課程，印象極深的一點就是實驗進課堂教學。教授在講完物理定律和概念之后，會配合課堂演示實驗證明理論的正確，并且在每次課結束之前，還會安排一個與當堂知識相關的趣味實驗，讓學生思考觀察到的現象，鞏固所學的知識。值得一提的是，大多數演示實驗都是教授自行設計，所用道具和演示并不復雜，無需占用太多時間，卻收到非常好的教學效果。麻省理工學院的課堂教學安排值得我們在“光學”教學中學習和借鑒，當然，這也對教師的綜合素質提出了更高要求。
三、發(fā)揮多媒體優(yōu)越性，動態(tài)演示實驗現象
由于計算機和網絡的敏捷發(fā)展，多媒體技術在教育領域得到了普遍的使用。多媒體集文字、圖形、動畫于一身，可以直觀、動態(tài)地演示物理實驗現象，充分調動了學生的積極性，為學生的學習和發(fā)展提供形勢多樣的學習環(huán)境。對于“光學”課程中儀器復雜或不易觀察現象的實驗，采用多媒體教學展示可以節(jié)約教師板書時間，清晰再現物理圖像，提高教學效率。例如，在光的波動性教學中，對于單縫衍射實驗，本身對實驗條件的要求就較高，因此在課堂上直接進行演示不切實際。教師可以用視頻為學生播放實驗錄像，并用課件繪制實驗裝置，結合板書進行理論分析。從推導的公式可知，單縫衍射的圖樣受波長、縫寬等因素的影響，觀察屏上的衍射圖樣會隨著實驗條件的變化而不斷改變，這與觀察到的實驗現象是一致的。利用多媒體課件進行動態(tài)演示，可以用實驗結果幫助學生理解相關的理論推導，彌補了傳統板書教學的不足，增大課堂的信息量。
四、利用仿真軟件構建虛擬實驗室，將抽象理論直觀化
培養(yǎng)具有科技創(chuàng)新能力的人才是教育改革關注的重點，加強專業(yè)基礎課程和適時引入科學前沿對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)具有重要意義。對于“光學”課程的建設，各級各類院校積極推進教學內容的改革，在強調經典光學的基礎上，加大現代光學和光學前沿科技的比重，如激光技術、光纖通信技術、光電子技術等。由于現代光學內容涵蓋廣泛且涉及到學科交叉，對于背景知識不足的學生來講，很多抽象的概念和原理難以理解。受經費等條件的限制，大部分高校并沒有能力開設與前沿技術配套的實驗課程。
針對上述問題，有高校提出利用軟件仿真構建光學虛擬實驗室的方案。[4]通過虛擬實驗，既可以使學生了解和掌握復雜光學器件工作原理，又節(jié)省了設備運行經費。很多功能強大的工程軟件已經被應用到光學教學中，如MATLAB、Mathematic、光學設計軟件Zemax、光學仿真軟件Tracepro、BeamPROP等，不僅能夠通過直觀、形象的界面激發(fā)學生的興趣，還能夠拓展學生的技能和知識面。
參考同行經驗，筆者所在學校在推行光學課程改革建設的過程中，增設上機實踐課程，讓學生在虛擬實驗環(huán)境中了解光學器件在光纖通信、傳感和信息處理等領域的應用。例如，利用有限元分析軟件COMSOL的射頻模塊，可以模擬階躍光纖截面的模場分布，形象地展示光纖參數的改變對模場分布的影響（見圖1）。再如，用BeamPROP軟件繪制兩根平行直波導構成的耦合器，當光從一根波導入射時，利用軟件模擬光在兩波導之間的耦合過程，得到出射端兩波導的透射功率。然后改變入射波長、波導間距等參數，讓學生觀察總結出射端光功率的變化規(guī)律（見圖2）。結合模擬結果，教師進而闡述光纖耦合器、波分復用器等器件的工作原理，這樣學生理解起來要容易得多。調查顯示，自該課程開設以來，學生對光學課程的興趣和學習積極性都有所提高。
五、開展現代光學知識講座，增加學生感性認識
雖然在推行“光學”課程教學改革中，已經加大現代光學內容的比重，但是受課程學時的限制，系統詳細地講解現代光學內容是不現實的，因此只能對很多概念和原理做簡單口授，無法利用形象化教學手段展開闡述。對此，筆者認為可以通過在課余時間開展現代光學知識講座、建立討論小組等形式作為有益補充。例如，傳統光學課程里對于光柵的講解，一般都安排在光的衍射部分，并局限于對強度調制的二維平面透射光柵進行討論。學完這一部分后，很多學生對光柵的認識僅停留在這個階段。但是在實際中，其他類型的光柵表現出了更高的應用價值。比如光柵光纖傳感技術，由于其良好的檢測精度和線形響應，在多領域得到了廣泛的實際應用，是當前的研究熱點之一。在完成課堂教學任務之后，可以在課繞光纖光柵的主題開設講座介紹光柵光纖的成柵機制、制作工藝，光纖光柵傳感的原理和技術、傳感網絡的實現與解調等。在講座中，可以采用圖像、影音等直觀方式向學生傳遞信息，增強學生的感性認識，使得其知識體系更為完整。將抽象的理論和生活實踐聯系起來，有助于開闊學生的視野，也幫助學生未來更好地面對就業(yè)挑戰(zhàn)。
六、總結
綜上所述，在光學課程中應用形象化教學方法，可以幫助學生更牢固、更直觀地理解并記憶理論知識，也可以幫助學生將理論和實踐有機地結合起來，建立一種形象和邏輯相結合的思維方式。從實際教學效果來看，學生對光學課程的學習興趣明顯提高，對知識的理解也更為深入。
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《薄膜光學[1-3]是一門古老又充滿活力的學科，它是物理光學的一個重要分支，研究的是光學薄膜的光學特性，如對光的反射、透射以及吸收等作用。光學薄膜在提高或降低光學元件的反射率、吸收率、透射率，光束分離、合并，光束起偏、檢偏，光譜帶通過、阻滯以及相位調制等方面，均起著至關重要的作用。隨著前沿科學的不斷發(fā)展，光學薄膜的應用也越來越廣泛，例如，超短脈沖的調控以及極紫外乃至X射線的反射。現如今，薄膜光學與計算機技術、數學算法、材料科學、表面物理、真空技術、等離子體技術等結合密切，已成為現代光學不可缺少的組成部分。
作為材料物理、光學工程等專業(yè)的基礎課程之一，《薄膜光學》課程是一門具有極強專業(yè)性和交叉性的課程，其內容涉及數學、計算機、光電、材料和自動控制等多個領域，因此，《薄膜光學》課程在教學過程中通常出現教學課時緊張，教學內容難以理解等問題。本文基于《薄膜光學》課程的教學目標，探討《薄膜光學》課程教學方法的改革，以實現學生知識水平和實踐應用能力的提高，從而達到教學效果提升的目標。
一、教學目標
在《薄膜光學》課程的教學過程中，始終貫徹理論與實踐相結合的教學理念，通過分析、解決實際問題，提高學生的知識水平和實踐能力。在知識層面上，要求學生掌握光學薄膜的基礎理論，了解典型膜系及其應用，掌握簡單光學薄膜的設計方法；了解薄膜制作技術、方法及相關工藝。在能力層面上，培養(yǎng)學生自主學習和研究的能力，鍛煉學生的實踐能力，提高學生的學術表達能力。
二、教學方法的研究
1.自主學習方法。傳統《薄膜光學》課程的教學，以課堂上的理論教學為主。由于《薄膜光學》內容豐富，專業(yè)性和交叉性強，教學課時比較有限，因此僅僅通過課上的學習很難取得良好的教學效果。考慮到這些問題，可以將自主學習的方法應用到《薄膜光學》課程的教學之中，通過為學生提供自主的學習條件，讓學生在課下時間也可自學薄膜光學的相關知識。下面介紹為學生提供的自學素材：（1）往年的教學課件：方便學生上課前預習課程內容，從而提高課堂教學效果。（2）光學薄膜特性模擬的程序、軟件及其使用說明：對任意結構光學薄膜特性參數的計算與模擬，不僅可以加深學生對光學薄膜基礎知識的理解，同時，有利于學生自主學習和研究能力的培養(yǎng)，以及分析問題、解決問題能力的鍛煉。（3）薄膜光學拓展資料：包括課堂上沒有介紹的薄膜光學相關的知識，例如光學薄膜主流制備工藝的介紹、國內外光學薄膜前沿研究課題及研究現狀等，為學生拓寬知識面，培養(yǎng)學習興趣提供幫助。
2.實例教學方法。《薄膜光學》的理論知識相對比較抽象，學生理解起來比較困難。通過在理論教學過程中列舉與之相關聯的實際例子，以實例教學的方法加深學生對理論知識的理解，同時，利用理論知識實現對實例的解釋，從而實現理論與實踐的結合。下面介紹幾個在理論教學過程中的實例：（1）玻璃透光：在講解菲涅爾公式時，可引入玻璃透光的實例，將玻璃透光的物理現象看成是一個簡單的單界面模型，然后利用菲涅爾公式計算玻璃界面上的反射率，達到對菲涅爾公式的熟練掌握以及對玻璃透光原因的解釋。分析結果表明，當光從空氣垂直入射到玻璃表面時，玻璃表面上的反射率僅為4%左右，透光率高達96%。由此可以說明，玻璃是非常好的透光材料，也是玻璃可用作窗戶材料的主要原因。（2）鏡子成像：在介紹金屬反射鏡時，可引入鏡子成像的實例，將鏡子成像模型簡化成一個簡單的金屬界面問題，然后利用菲涅爾公式分析金屬表面的反射率，從而揭示金屬反射鏡反光和成像的原理，鞏固學生對菲涅爾公式的理解。分析結果表明，一般的金屬材料，如金、銀等，在可見光波段可實現較高的反射率，從而證實了金、銀等金屬材料用作反射鏡的可行性。（3）全反射：通過分析光由光密介質入射到光疏介質上發(fā)生的全反射現象，并進一步探索全反射產生的條件以及全反射條件下實現100%反射的原因，可加深學生對菲涅爾公式的理解。通過理論分析全反射條件下的菲涅爾公式，發(fā)現不管是s偏振光還是p偏振光，在全反射條件下的反射系數均為模為1的復數，進而從理論上找到了全反射實現100%反射率的理論原因。（4）MgF2減反膜：在減反膜的講解中，可引入MgF2減反膜的實例，基于單層膜的理論結果，分析MgF2減反膜可實現減反效果的原因以及獲得最佳減反效果的條件。分析結果表明，MgF2單層膜實現減反效果的原因是其折射率比較小，且小于基底折射率。通過進一步分析發(fā)現，當MgF2單層膜的有效光學厚度等于入射光波長的四分之一時，可實現最佳的減反效果。（5）邁克爾遜干涉儀分束鏡：在介紹分光鏡時，可引入大學物理實驗邁克爾遜干涉儀中分束鏡的實例，解釋能量分光鏡實現半透半反功能的原因以及分光鏡的應用。分析發(fā)現，在厚度優(yōu)化的前提下，單層金屬膜和多層介質膜都能夠實現50%的能量分光，即兩種結構的光學薄膜都可用作能量的分光鏡。通過該實例可加深學生對單層金屬膜和多層介質膜光學性能的理解，熟悉它們在分光鏡方面的應用。（6）薄膜型波分復用器以及解復用器：在介紹多層膜濾波片時，可引入光學通訊系統中的薄膜型波分復用器以及解復用器的例子。薄膜型波分復用和解復用的基本原理正是基于多詠櫓誓ざ閱掣霾ǔす獠ǖ穆瞬ㄐЧ，然后，通過串聯多個多層介質膜濾波片實現對波分復用光纖中多波長光信號的合成和分解功能。通過該實例，可加深學生對多層介質膜用作濾光片原理的理解，以及多層介質膜濾波片的應用。
3._放式教學方法。《薄膜光學》課程的開設，不僅僅是讓學生掌握薄膜光學的基礎知識，還要通過該課程的學習提高自身的能力，其中包括學習能力、研究能力以及表達能力。開放式教學方法的應用可幫助學生更好地鍛煉自學能力。（1）開放式作業(yè)：《薄膜光學》課程教學過程中，可通過為學生設置開放式作業(yè)的方法，提高學生的自學能力。例如，在講授多層膜光學特性時，要求學生基于所學知識，分析一個漸變式單層膜的反射與透射特性。學生可通過程序的模擬以及理論分析等多種方式獲得該問題的正確答案。另外，也可要求學生自主設計光學薄膜的結構，以實現某一特定的功能。通過光學薄膜設計過程能夠鞏固學生所學的理論知識，掌握實踐環(huán)節(jié)中薄膜的設計方法。（2）學術報告：《薄膜光學》課程教學過程中，要求學生基于《薄膜光學》課程上所學的內容，針對薄膜光學相關領域中的某一研究課題展開分析與討論，并基于所研究內容準備一次完整的學術報告。在學術報告準備過程中，鼓勵學生通過基本理論知識學習科技文獻查閱、分析與總結科學問題提出研究方法學習與驗證研究結果分析與總結學術報告與課題總結等一系列過程，培養(yǎng)學生正確的學習方法和研究思路，鍛煉學生分析問題、解決問題的能力。
三、結語
本文基于《薄膜光學》課程教學理念和教學目標，對《薄膜光學》的教學方法進行了討論，探討了自主學習、實例教學以及開放式教學等教學方法在《薄膜光學》課程中的應用。研究發(fā)現，采用自主學習的方法，將課上學習和課下學習結合起來，可以最大限度拓展學生的知識量，保障《薄膜光學》課程教學任務的完成；采用實例教學的方法，可使《薄膜光學》課程中復雜的公式和概念變得簡單易懂，促進學生對知識點的理解；采用開放式教學的方法，可鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學生理論結合實踐的應用能力。
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Study on the Teaching Method of "Thin Film Optics"
CHEN Shu-jing
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一、引言
研討式教學作為一種有效的教學模式在教改中受到多方面的肯定和推廣。它針對重要教學內容中的某些習題或專題展開討論，在此過程中學生有目的地進行調研、回顧、分析和思考，使其變被動接受為主動學習。在《光電子學》課程中加強專題研討式教學，對教學質量的提高無疑會起到積極的推進作用。
光電子學課程是專業(yè)基礎理論課程，具有理論與實踐緊密結合、基礎理論與前沿研究方向緊密結合的特點，但內容偏重于建立學科理論體系。光電子學課程包含兩大理論體系――光電磁理論和光量子理論，需要系統介紹一系列基本概念、基本原理和基礎理論，因此內容涵蓋的知識面很廣。課程講授中過于偏重基礎理論會使教學枯燥無味，使學生對具體的物理意義缺乏理解，在課堂教學時適當增加一些系統應用實例進行專題研討，可充分調動學生的學習興趣和積極性，使學生從理論和實踐兩方面全面理解課程內容，在教學評價上除了考試成績之外還可結合學生在研討中的實際表現來綜合評定成績。采用研討式教學方式，不僅可獲得良好的教學效果，融洽師生關系，更重要的是在此過程中還把學生從被動接受知識的客體轉變成為主動自覺進行知識學習的主體，從而培養(yǎng)學生勤于思考的習慣和自主創(chuàng)新等能力。當然《光電子學》課程本身存在一些特殊性，使得研討式教學不能簡單模仿其他課程的模式，通過兩年來的實踐，我們對研討課的選題進行了總結與思考。
二、研討課的選題
研討課的選題是課程質量的首要環(huán)節(jié)，選題設置的是否科學，直接關系到研討式教學的成敗。只有目標明確、內容具體、激發(fā)興趣的選題才能達到需要的效果，避免流于形式。根據我們的思考與實踐總結了以下幾點可用于研討課的選題。
研討內容可與科研實踐相結合。根據我們的實踐，將光電子學應用領域科學研究中的相關內容引入課程研討，可極大地激發(fā)學生的學習興趣。例如，我們將高靈敏度干涉儀研究的相關實驗的原理、結構、過程與結果進行了展示，鼓勵學生對系統結構進行分解，然后學生進行分析，提煉出了半導體DFB激光器、聲光強度調制、相位調制、偏振調制、光電探測共五個主題，學生按照興趣自動分為5組，每組5到6人進行了深入討論，在此過程中，他們自己溫習教材、查閱資料、推導公式、分析特點、交流辯論、分析總結，很好地完成了任務。在此過程中，學生概念更加清晰，對知識點的理解更加深入，培養(yǎng)了學生所學知識的綜合運用能力，為其今后的科研工作打下良好的基礎。
研討內容可與前沿研究方向緊密結合。光電子學的顯著特點是知識更新快、新型交叉學科的不斷涌現、器件性能不斷提高和新型器件不斷出現。為了體現課程的現代性和先進性，反映光電子領域最新的研究現狀，在研討內容上，將光電子學新技術與最新發(fā)展成果引入課程教學，使學生不僅對光電子領域有更全面的了解，并激發(fā)學生深入研究的興趣，可為進入專業(yè)領域的研究和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定基礎。
研討課教學中可加強與相關課程內容的聯系。光電子學課程有較寬廣的知識面，包含了光輻射的產生、傳輸、調制和探測等各方面，相關內容涉及到《電磁學》、《激光物理》、《光學原理》、《量子力學》、《光電技術》、《光纖光學》、《半導體物理學》、《光纖傳感技術》等多門課程。相關課程的聯系也是學生非常感興趣的內容，例如模式耦合的相關內容，以《電磁學》等課程為基礎，又可應用于《光纖光學》中的圓形波導相關內容，還可延伸到《光纖傳感技術》的光纖光柵等內容。這些聯系都可以作為研討的主題激發(fā)學生深入鉆研的興趣，從而鞏固了所學知識，預習了后續(xù)課程。
二、研討課的目標
在課程的研討內容確定后，要明確研討的目標，包括研討的方向，研討的重點，研討要達到的深度等。教師在研討課目標時，要針對學生狀況確定教學目標，盡可能把問題落在學生學生最有可能感興趣的方向，并把握把握好其難易程度。對學生而言，假如問題設置太難，勢必給學生太多的負擔，影響學生學習的興趣；反之如果問題設置太簡單，則又會讓很多學生不屑于去思考。比如要對電光晶體調制在科研中的應用展開研討，可以明確研討方向是相位調制，重點是鈮酸鋰晶體的橫向應用，要求達到能根據應用要求進行參數估計的程度。
研討課的目標必須和講授課目標一致，以講授課的內容為基礎進行擴展，難易程度可略高于講授課。研討式教學只是一種教學手段，而不是目的，知識傳遞始終是培養(yǎng)學生的基礎，研討式教學方法不能脫離這一基本條件。只有在成體系的講授知識的基礎上，在學生在積累和理解了一定的知識之后，才能應運掌握的知識、技能、經驗或理論功底，圍繞所設的研討課題進行深入的思考，探討和交流研究的結果，從而求得正確的結論和對知識理解的深化。例如“DBR半導體激光器特性與應用”研討課，首先必須從激光產生的基本條件，到半導體的能帶特點與躍遷機理，再到DBR半導體激光器結構與原理等知識點進行充分的講述，使學生有深刻的系統的認識，如果缺乏對這些知識點的深刻理解，研討很有可能流于形式，學生或對問題反復討論，或在交流中缺乏主動，回答問題支支吾吾，研討課變成例程講解課。有了明確的教學目標，才可提出研討方案并進行有效的實施。
四、研討課的實施
研討課的實施包括準備、組織和總結等方面的內容，我們確立了“目的明確、準備充分、教師引導、學生為主”的基本思想，力求研討學生態(tài)度積極、課堂氣氛活躍，而不要過多增加學生的課外負擔。
第一，重視研討前的準備。在講述課的教學內容完成后，將研討課基本方案提前發(fā)至學生手中，使其有足夠的時間進行思考醞釀；進行輔助教育，為研討者充實相關的知識，拓寬研討的思路，激發(fā)學生興趣；視學生的時間空余程度決定是否讓學生自行查閱資料還是教師發(fā)放參考學習資料，要求學生進行文獻資料綜述并提出問題的基本解決方案；將研討任務分解后可以讓學生根據興趣自行分組，也可隨機指定分組。研討課質量的好壞，關鍵取決于師生對研討課的準備。
第二，研討課的課堂組織。研討課的組織可分兩個階段，包括小組討論和課堂發(fā)言。在研討過程中發(fā)揮學生的積極性是關鍵，學生應該是研討的主體，思維應處在積極活躍的狀態(tài)，教師只是組織者和引導者，如果只是教師在說，說明課堂教學設計不合理，學生沒有興趣或者準備不充分。在研討過程中教師要把握時機，在適當地進行提問和鼓勵競爭，加強師生互動和學生之間的互動，溫和適當糾正學生錯誤觀點，不能代替學生去研究。通過積極主動參與課堂教學過程，學生不但可以充分了解光電子學的知識點，還能夠在科研資料調研、研究報告撰寫和口頭表達等多方面能力得到培養(yǎng)。學生在經歷課堂討論后，大多留下了很深刻的印象，師生關系也更顯融洽。
第三，研討課的總結。研討課結束后教師可以對研討結果進行及時的總結和分析，對表現最佳的學生加以鼓勵。倘若研討效果不佳，也可尋找原因并加以改進，逐步提高研討效果。根據我們的經驗，第一次討論課最為重要，最好討論學生最感興趣和輕松的內容，多數是偏重于技術應用的內容，而且需要多下功夫準備。在研討課總結時學生一般不愿作太多的口頭自我評價和相互評價，包括自信的學生和不自信的學生，教師不需要給學生太多的壓力，可以要求學生對研討課內容作書面總結，作為研討課考核的部分內容。
五、研討課的考核
作為課程綜合成績的一部分，公平合理的研討課考核評價可以進一步提高學生的積極性，考核評價內容可包含書面報告、課堂表現和相互評價。書面報告應給出文獻綜述、基本方案、問題分析和結論。由于教師對學生表現只能做到宏觀把握，要做到公平合理很大一部分需要學生之間的相互評價，為避免學生之間相互提高成績，學生各組總成績主要由教師決定，而組內學生成績需要明確優(yōu)秀率，由學生投票決定成績。教師可對考核評價進行不記名問卷調查，進一步提高考核評價的公平性和合理性。
結束語：在《光電子學》中引入研討式教學，激發(fā)了學生學習和思考的積極性，深化了學生對知識的理解，擴展了學生的視野，提高了學生發(fā)現和解決問題的能力，希望我們的經驗有一定的借鑒作用。
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篇11
大學物理實驗課程作為一門重要的基礎實驗課，是大學生進入大學后系統學習實驗方法和進行實驗技能訓練的開端，在培養(yǎng)大學生嚴謹科學的思維方式、分析和解決問題的能力等方面具有重要作用。大學物理實驗課程教學應以學生為本，充分調動學生的主觀能動性。這方面研究已有一些報道，如，利用演示實驗[1]，采用開放性實驗教學等[2]。除了教學方法改進外，對實驗課程的設置還需合理安排。大學物理實驗項目眾多，涉及光學、電學、磁性、熱學等各學科，合理安排實驗課程，找出實驗項目之間的聯系，對學生理解和掌握實驗至關重要。根據實驗不同的性質可以將實驗課程分成不同模塊，比如，光學模塊、電學模塊、磁學模塊等，在完成一個模塊后再進行下一個模塊實驗。這樣分模塊系統講解及演示實驗將使學生更好地掌握相關知識，形成一個連貫的知識脈絡。
1 電學實驗特點
大學物理實驗中，電學實驗眾多，幾乎占用實驗總學時1/3以上。目前大多數高校大學物理實驗中對于電學實驗的課程安排很多，主要有：電表改裝與校正、電橋測電阻、RLC串聯電路的暫態(tài)過程研究、數字電表實驗等。合理安排電學實驗順序，對電學實驗的共性及各個電學實驗的特點進行對比講授，并指導學生去完成相應實驗，對學生加深理解和掌握相關知識至關重要。電學實驗具有自身特點，相較其他類型實驗，電學實驗特點如下。
1.1 電學實驗連貫性好，可以由簡單實驗逐漸過渡到復雜實驗
學生在高中時已經接觸過簡單的電學實驗，如伏安法測電阻實驗，對電流表，電壓表都有一定了解，大學時接觸的電流（壓）表改裝校準實驗，就是對電流表、電壓表進行改裝并校準；惠斯通電橋測量電阻實驗，也是通過檢流計讀數是否為零來判斷電橋是否平衡，進而得出待測電阻的實驗。這些基礎性實驗的學習及對實驗數據的分析處理，對之后進行的難度稍大的開放性實驗，如數字電表實驗是一個很好的訓練。
1.2 電學實驗原理簡單，相較其他較為復雜類型的實驗，學生更容易理解和掌握
如光學實驗中，很多概念學生以前沒有接觸過，對光的基本理論、光源發(fā)光的宏觀特性，光波的相干性和偏振態(tài)等不熟悉理解，則光學實驗很難做好，甚至不能進行。而電學實驗中利用的基本公式就是歐姆定律，不同的電學實驗都是在歐姆定律的基礎上簡單變形得到的，學生對電學原理掌握基本沒有問題，只要做了預習一般都可以完成實驗項目。
1.3 電學實驗中儀器簡單并且使用較普遍
電學實驗中常見的儀器主要有電流表、電壓表，檢流計、滑線變阻器、電阻、萬用表等，這些儀器操作簡單，原理易懂，而且很多電學實驗都是利用這些儀器來完成。而其他類型實驗，儀器復雜，如光學實驗中分光計、干涉儀和攝譜儀等，光學儀器本身原理很復雜，學生要調節(jié)到儀器正常使用狀態(tài)需要具有較好的操作技能，這對學生正常完成實驗提出了更高的要求。
1.4 電學實驗涉及知識點相對較少
其中電表等級的概念是電學中一個非常重要的概念，需要學生很好地掌握。電表的等級是用來表示電表的精確度的，我國規(guī)定電表分為七個等級，等級數值越小，電表的精確度越高。實驗之前，應向學生清楚介紹實驗所用電流表、電壓表、檢流計等電學儀器的等級，使學生對實驗測量結果的準確程度有一直觀了解。
2 電學實驗教學側重點
針對電學實驗上述特點，在電學實驗教學中應側重以下幾點。
2.1 提出預習問題，抓好預習關
盡管電學實驗原理簡單，但還是要抓好學生預習關。學生只有預習好，才能在實驗中很好地完成操作。常規(guī)預習方法學生只是一個從書本摘抄的過程，缺少自己獨立的思考。在實驗教學中，應在學生做實驗之前布置一些相關思考問題，讓學生帶著問題去預習，只有學生在預習中進行了思考，預習才有效果。比如，開放性實驗的數字電表實驗，可以在預習前給學生提出幾個思考問題：如，簡述模數轉換器的基本原理；如何通過電路設計來實現多量程直流電流（壓）表改
裝等。
2.2 對實驗所涉及的背景知識講解清楚
在電學實驗教學中，遇到的一個比較多的問題是學生對所做實驗的目的不清楚，不知道為什么要做這個實驗，以及這個實驗在實際中如何應用等。實驗相關背景知識一般在教材上內容很少，學生盡管做了預習，但一般不十分清楚。為此，教師在課堂教學時應對背景知識重點講述。
如電表改裝實驗，教師應該使學生認識到電表改裝實驗等同于儀表廠電表的設計與制作，充分調動學生的課堂積極性；惠斯通電橋測量電阻實驗，應向學生強調通過實驗來學習一種新的實驗方法（比較法），通過比較法的學習來實現對電阻的準確測量。
2.3 課堂實行分段式教學，鼓勵學生大膽嘗試，勇于創(chuàng)新
一個好的實驗課程安排應該使學生感到適度的緊張，過分寬松的課堂環(huán)境會使學生走神，不能把精力全部集中在實驗上。為此，課堂教學可以采用分段式教學，結合適當的提問，讓學生始終保持一種精神集中的狀態(tài)。
可以將實驗分成兩個部分，每一部分做完后，及時對學生的實驗結果進行總結，并對實驗中學生存在的問題給予解答，這樣會加深學生對實驗的理解，當然這需要教師對實驗內容進行充分合理的設計。課堂教學中同時應利用學生接觸新實驗時的好奇心理，引導學生對實驗進行創(chuàng)新。
“興趣是最好的老師”，如果能通過課堂實驗教學激發(fā)出學生學習知識及科學研究的興趣，就實現了大學物理實驗教學的
初衷。
3 結語
以上是作者根據大學物理電學實驗課程教學的特點，結合自身教學中遇到的問題，對大學物理實驗教學提出的幾點具體措施，希望能對高校學生知識、能力和素質培養(yǎng)方面起到一定積極作用。
篇12
一、中北大學光電信息類專業(yè)簡介
目前，中北大學光學工程學科管理部（隸屬于中北大學信息與通信工程學院）有兩個本科專業(yè)，“光電信息科學與工程”（2013年前為光信息科學與技術，2002年開始招生，山西省特色專業(yè)）和“電子信息科學與技術”（2001年開始招生，本專業(yè)側重于光電信息的獲取與處理方面，所以歸到“光學工程”學科管理部）。相對于國內高水平光電類專業(yè)的學校，中北大學在光電信息類專業(yè)方面招生較晚，再加之擴招以及光電類專業(yè)的實驗設備較貴等多方面的原因，實踐教學（課程實驗、課程設計、畢業(yè)設計、學生動手創(chuàng)新環(huán)節(jié)等）在2013年以前各方面條件差，甚至一些重要的專業(yè)基礎課程實驗也只能用一臺實驗儀器給幾十名學生演示一下或計算機簡單仿真，也沒有形成完整的實踐教學體系。2012年教育部本科專業(yè)更新調整后，學校也提出了抓內涵建設，并且把本科專業(yè)建設和學科建設統籌考慮，2013年成立了學科管理部，這兩年進行了較大的改革和建設。
二、近兩年的實踐教學改革思想
隨著教育部2012年版新專業(yè)目錄招生的變化以及中北大學抓本科教學內涵建設，學校從管理、資金投入、專業(yè)評估方式等多方面對促進本科建設進行了較大的改變。中北大學的光電信息類專業(yè)歸口到“光學工程”學科管理部這個基層單位，結合學校學科建設、科研方向項目、研究生教學，充分發(fā)揮學科優(yōu)勢、教師科研優(yōu)勢（包括科研儀器設備、教師在課程設計、畢業(yè)設計等方面結合科研），這兩年在實踐教學方面進行了建設和改革。
結合本類專業(yè)十多年的建設與探索，結合學校學科建設、科研方向項目，相關學科帶頭人、教授、多年從事教學與實驗的相關教師廣泛討論、交流。首先在2013年初對培養(yǎng)方案也進行了修訂，增加了實踐教學環(huán)節(jié)，多種途徑申請學校在本科實驗室的投入，也鼓勵教師科研和教學集合，構建了較完善的、適合于本校專業(yè)方向和定位的實踐教學體系，初步形成了光電類專業(yè)的實踐教學體系建設思路（之所以說是思路是因為有些因為經費、場地、人員等方面的原因還沒有完全實現）。
三、光電信息類專業(yè)實踐教學體系構建
1.中北大學的“光電信息科學與工程”、“電子信息科學與技術”兩個專業(yè)都屬于“電子信息類”本科專業(yè)，其培養(yǎng)方案中的專業(yè)基礎課和專業(yè)課主要包括以下幾方面的知識：①電子技術基礎（如電路分析、電子線路、數字電子技術）;②信息基礎（如信號與系統、通信原理等）;③計算機類知識（如c語言、單片機、微機原理等）;④光電信息類（這部分內容較多）。實踐性環(huán)節(jié)包括：課程內實驗、實驗課程（一般16學時以上單獨設課）、大型實驗周、課程設計（2～3周）、畢業(yè)實習、畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)。其中前三個內容（電子技術基礎、信息基礎、計算機基礎）在我院由相關教師與相關的學科部實驗室共同完成。另一個主要的光電信息類的實踐環(huán)節(jié)由“光學工程”學科部來規(guī)劃、設計和實踐。
2.結合本類專業(yè)的方向構建光電信息類實驗室主要設置有：①激光原理與技術實驗室;②光纖技術與光通信實驗室;③工程光學與光信息處理實驗室;④光電檢測與綜合應用實驗室;⑤光電信息系統仿真及軟硬件聯調實驗室;⑥專業(yè)特色與光電創(chuàng)新平臺實驗室。其中各實驗室主要完成實驗及涉及的課程如表1所示。表1中含蓋了本學科下設的兩個專業(yè)的光學、光電類課程及課程設計、綜合實踐等方面的內容，其中有些是兩個專業(yè)共有的專業(yè)基礎課和專業(yè)選修課（激光原理與技術、應用光學、物理光學、光電信息處理、光電檢測技術、單片機原理及用、光電信息課程設計等），有些主要是為一個專業(yè)服務，但為另一個專業(yè)選修或畢業(yè)設計等共用（如信息光學、機器視覺、光譜分析與測試等）。有些實驗室主要是提供課程實驗（如激光原理、應用光學、物理光學等課程實驗），有些實驗室除提供課程內實驗外，還為綜合性課程設計、畢業(yè)設計、學生課外創(chuàng)新訓練（比賽）等提供條件。
篇13
利用成像公式法測量薄透鏡的焦距實驗是大學一級物理實驗的基礎光學實驗之一。本文將對該實驗理論課教學、學生實驗技能訓練以及數據處理過程中存在的若干問題進行簡單的分析與探討。
1 實驗基本原理
薄透鏡成像原理可以用高斯公式來描述： = + 其中W為物距，V為像距，f為透鏡的焦距。W，V，f均從透鏡的光心O量起。對凸透鏡f為正值；對凹透鏡f為負值。實物W為正，虛物為負；實像V為正，虛像為負。在初中和高中關于透鏡成像定性結論的基礎之上，實驗學生對這個公式普遍容易理解。但是大部分學生對于虛物和虛像的概念比較模糊。實驗教師在理論課講解部分應對該部分做重點講授。對于多個透鏡聯合成像，單個透鏡所成的實像/虛像是可能成為其它透鏡的虛物/實物的。最簡單的舉例就是在測量凹透鏡的焦距的物距像距法實驗中，先經過凸透鏡所成的實像會作為凹透鏡成像的虛物。這對于理解多個透鏡聯合成像原理是非常重要的。同時應啟發(fā)性的讓學生總結，當W和V同號時，在透鏡的異側；異號時，在透鏡的同側。
對于凸透鏡焦距的測定實驗上可以采用物距像距法、自準法和共軛法等；而對凹透鏡焦距的測定可以采用物距像距法、自準法和視差法等。由于凹透鏡焦距f為負值，所以實驗上必須采取實驗方案以提供虛物，一般要借助其它的光學器件，如凸透鏡、平面鏡等。
由于實驗課程要求學生在規(guī)定時限內完成，實驗過程中教師可以根據實際情況，要求學生選取部分實驗方法來測定透鏡焦距。理論教學時，實驗教師只需要對實驗學生就幾種最常見的實驗方法做簡要說明，讓學生理解這幾種實驗方法的核心思想。所謂物距像距法指通過透鏡成像原理，實驗上分別測量待測透鏡成像時的物距W和像距值V，帶入高斯公式即可算出待測透鏡的焦距。計算時要注意物距和像距的符號；自準法指的是通過調節(jié)待測透鏡位置，使經過透鏡后的出射光線成為平行光，這樣V = ，從而待測的焦距f =W。實驗過程中將平面鏡放置在透鏡的后方，使出射的平行光反射回來經過待測透鏡，這樣由光路的對稱性，實驗時在物屏上會觀察到一個等大倒立（相對于實物）的實像；而凸透鏡的共軛法實驗是指，當物屏和像屏固定時，即W+V=D，D為定值且D>4f，凸透鏡在物屏和像屏之間移動，能觀察到兩次成清晰實像。兩次成像過程中成放大像與縮小像時所對應的物距像距是共軛關系，實驗過程中只需要測量到兩次成像時透鏡的位置變化即d=|W-V|，即能算出凸透鏡的焦距f。
2 實驗基本操作
理論課講授光路圖時，考慮的都是光學器件中心共軸共面的情況，所以開始實驗前，光具座上的所有光學元件必須調節(jié)至共軸。即各透鏡的光軸重合并平行于導軌，物的中心部位位于光軸上，物面、像面垂直于光軸。為了便于實驗觀察，應盡量使光源靠近物屏，這樣可以增強入射光強，便于觀察實驗現象。共軸的調節(jié)一般分為初調和細調。初調可以直接用人眼觀察，作為初略的判斷，對各光學器件做適當的調節(jié)；細調可以利用透鏡的成像規(guī)律做細致的調整。例如共軛法測凸透鏡焦距實驗。在該實驗中固定物屏和像屏后，在光具座上來回移動凸透鏡的位置，將會有兩次成像，分別為放大像和縮小像。由于經常光軸中心的光線不會發(fā)生彎曲。所以我們只要適當調整透鏡，當大小像中心重合時即表示該系統共軸了。實驗實際操作時，不一定要求學生調節(jié)至大小像完全重合，但是必須要求大小像幾乎完全等高（如相差不超過3mm）。對于多個光學器件，如測定凹透鏡焦距實驗，應從左到右逐個調節(jié)光學儀器，使整個光學系統共軸。此部分實驗儀器調節(jié)部分，比較花費時間，教師演示時應該詳細講解操作過程和技巧。
3 實驗誤差
實驗過程中為克制像差的影響，采用近軸單色光源。常見的像差有色差、球差、慧差、像散彎曲和畸變等，不同情況下它們所表現的程度不一樣。實驗過程中選用口徑為H的光闌滿足近軸光線成像條件，相對口徑H/f越小，像差越小，景深越大，也就是成像清晰的范圍越大。因而實驗測量中，用多大口徑的光闌，要視具體的情況選擇。實驗教師講授景深的概念的時候，建議對實驗學生做操作演示，以便學生對該概念有比較直觀的印象。
為了準確得到成像最清晰的位置，實驗上一般用左右逼近法，即分別由從左到右和從右到左移動相關的透鏡或像屏，逼近成像清晰區(qū)的左端和右端，讀取兩端部的值，然后再取平均值為成像清晰的準確位置。左右逼近法應作為實驗操作重點講授部分。當從左至右或從右至左移動透鏡或像屏時，在像屏上會先后觀察到光斑、模糊像、清晰像。實驗操作時當從左到右移動時，模糊像會先看到重影的現象，主要是因為實際光線在透鏡不同地方發(fā)生折射后聚焦差異引起的，當重影現象剛好消失時，實驗上只能看到單一的像。學生可以很容易的讀取此時成像清晰區(qū)域的左端部值；然而采用從右至左操作時，模糊像卻始終只有一個單一像，只是單一像亮度比較差。這是因為從左至右移動時在靠近成像清晰區(qū)，經過透鏡各點折射光線所成像時會聚的，然而從右至左操作時，這些像卻是發(fā)散的。實驗操作時只能依靠大致的經驗對于成像區(qū)域的右端部進行估計。可行性做法是，當從右至左操作時，觀察像的亮度與在從左至右所找到的上端位置所成像的亮度一致時，讀取此時位置作為成像清晰區(qū)的右端部值。學生在實際操作時，比較難以把握成像清晰區(qū)的右端部。故教師演示時，應重點強調左右逼近法的核心思想和該操作的具體操作方法。
關于測量透鏡焦距實驗中的焦距的不確定度，教學上只做提示性講解。測量過程中的誤差來源，除了成像清晰與否帶來的隨機誤差，這一部分可以通過多次測量來減少誤差（屬于統計誤差UA）。還有實驗裝置引起的系統誤差（屬于系統固有誤差），它們主要有物面（像面）與底座讀數標線不共面、透鏡光心與讀數標線不共面、標尺的精度問題、像差以及薄透鏡兩主平面非嚴格重合等。它們所引起的極限誤差我們可以初略地進行取值。如不共面和標尺精度問題整體誤差取UB1=1mm，而像差和透鏡非理想薄整體誤差取成像清晰范圍的一半UB2（也就是左右端部之差的一半）。這樣所有測量過程中，測量的誤差就來源于三部分：UA、UB1和UB2。至于最終待測透鏡焦距的誤差，需要具體實驗具體分析，再借助誤差傳播公式進行計算。
4 總結
