在物理光學(xué)中，認為光是一種電磁波。在光的電磁場理論基礎(chǔ)上，研究光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如光的干涉、光的衍射、光的偏振等物理現(xiàn)象，進而研究這些規(guī)律和現(xiàn)象的應(yīng)用。接下來小編簡單介紹一篇優(yōu)秀的物理光學(xué)論文。

　　【摘要】分析、總結(jié)當(dāng)前物理光學(xué)課程教學(xué)中存在的主要問題，即理論枯燥、概念抽象、學(xué)生學(xué)習(xí)主動性不強以及輔助教學(xué)效果不明顯等。圍繞這些問題，從基本理論、典型物理模型、知識之間關(guān)聯(lián)性以及計算機和實驗輔助五個方面對物理光學(xué)課程教學(xué)進行改革及實踐，獲得了較好的效果。

　　【關(guān)鍵詞】物理光學(xué);課程教學(xué);教學(xué)改革

　　由于物理光學(xué)在光信息科學(xué)與工程專業(yè)課程體系中的重要性，在湖北工程學(xué)院物理光學(xué)還被列為該專業(yè)的四門學(xué)位課程之一，總開課學(xué)時為80學(xué)時，其中理論64學(xué)時，實驗16學(xué)時。雖然，開課學(xué)時充裕，學(xué)生對物理光學(xué)重要性的認識和重視程度也較好，但是在學(xué)習(xí)過程中大多仍感覺比較困難，不能很好把握其內(nèi)涵和精髓，靈活運用物理光學(xué)理論去分析、處理問題，大多是機械地套用公式，學(xué)習(xí)效果不佳。對此我們物理光學(xué)教學(xué)組系統(tǒng)調(diào)研、分析了近4屆學(xué)生在物理光學(xué)學(xué)習(xí)過程中存在的主要問題，并探索與之相應(yīng)的教學(xué)改革，獲得了較好的效果。

　　1物理光學(xué)教學(xué)中存在的問題

　　1.1數(shù)學(xué)和電磁理論基礎(chǔ)薄弱，重結(jié)論輕過程，不能領(lǐng)會結(jié)論的物理內(nèi)涵及思想

　　物理光學(xué)中很多重要結(jié)論都涉及到以電磁場理論為基礎(chǔ)的比較復(fù)雜數(shù)學(xué)推導(dǎo)，如基爾霍夫衍射公式、晶體光學(xué)的菲涅爾方程以及光與介質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論等[2]。很多學(xué)生面對復(fù)雜、枯燥的推理過程往往沒有耐心，不能積極主動學(xué)習(xí)，采取只死記硬背公式和結(jié)論的消極學(xué)習(xí)方法，沒有領(lǐng)會公式和結(jié)論所蘊含的物理意義，更沒有從這些推理過程中獲得物理思維的鍛煉和培養(yǎng)。而且，過多的理論推導(dǎo)和復(fù)雜數(shù)學(xué)公式還使得一些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差的學(xué)生一開始產(chǎn)生畏難情緒，學(xué)習(xí)信心不足。

　　1.2注重知識的積累，忽視了知識的消化和內(nèi)化

　　在物理光學(xué)教學(xué)過程中，學(xué)生往往只注重結(jié)論的簡單記憶，忽視了結(jié)論的由來、物理內(nèi)涵以及與其它結(jié)論之間關(guān)聯(lián)性的分析和總結(jié)，從而將其消化和內(nèi)化。例如，對光波的時間域頻譜特性與空間域頻譜特性而言，學(xué)生普遍能夠很快很好地掌握前者，而對后者，由于以前接觸較少，相對比較抽象，只有少數(shù)學(xué)生可以較快較好地掌握。由于知識只是在大腦中的簡單堆積，并沒有被消化和內(nèi)化到自身知識體系和思維中，不僅自身分析、處理問題的方法和能力得不到鍛煉，而且隨著課程進度的不斷推進，知識點越來越多而雜，學(xué)習(xí)困難越來大，甚至出現(xiàn)學(xué)習(xí)興趣銳減和作業(yè)抄襲的現(xiàn)象。

　　1.3實驗教學(xué)對理論教學(xué)促進作用不明顯

　　物理光學(xué)課程中包括16學(xué)時的實驗教學(xué)，目的是通過一些驗證性實驗進一步加深學(xué)生對物理光學(xué)重點知識的理解和掌握。但是，由于存在實驗教學(xué)和理論教學(xué)進度不匹配，學(xué)生并沒有帶著疑問和懷疑的態(tài)度去做實驗，實驗興趣不高。再加上物理光學(xué)實驗一般實驗操作比較復(fù)雜，學(xué)生往往疲于應(yīng)付基本的實驗操作和數(shù)據(jù)的測量，實驗過程中對相應(yīng)問題的思考不夠，從而導(dǎo)致實驗對理論的補充和拓展效果并不明顯。

　　2物理光學(xué)教學(xué)改革的探索

　　2.1凝練基本理論的導(dǎo)出，鍛煉學(xué)生思維

　　對較復(fù)雜的理論導(dǎo)出進行凝練，挖掘其內(nèi)在的邏輯關(guān)系和導(dǎo)出過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，構(gòu)建直觀、清晰的物理圖像，將學(xué)生先從繁雜的數(shù)學(xué)運算中解放出來，對理論的導(dǎo)出有一個直觀、整體的認識。再針對其中的一些關(guān)鍵數(shù)學(xué)推導(dǎo)進行重點講解，一方面使學(xué)生進一步認識其物理內(nèi)涵，另一方還可以增進學(xué)生對數(shù)學(xué)之美的體會，增強學(xué)生對復(fù)雜理論導(dǎo)出學(xué)習(xí)的興趣。例如在基爾霍夫衍射公式導(dǎo)出過程中，我們首先給學(xué)生明確這次課的主要目的，即獲得夫瑯和費衍射和菲涅爾衍射的基爾霍夫衍射積分公式，為后面學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備，以及基爾霍夫衍射公式導(dǎo)出的基本流程和各部分關(guān)鍵問題，讓學(xué)生從整體上把握本次課的脈絡(luò)、框架和物理圖像。其次，針對理論導(dǎo)出中各個關(guān)鍵問題，例如由場論中的格林定理導(dǎo)出基爾霍夫積分定理、小孔衍射特點及其在基爾霍夫積分定理中的具體體現(xiàn)以及基爾霍夫衍射公式的幾個關(guān)鍵近似處理進行詳細地講解和演算，使學(xué)生逐個掌握，并在此基礎(chǔ)上感受嚴密的理論推演的內(nèi)在美，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。最后再次結(jié)合理論導(dǎo)出的基本流程和關(guān)鍵問題對整個課程進行總結(jié)，進一步固化學(xué)生對物理圖像和物理內(nèi)涵的理解。經(jīng)過幾年的不斷嘗試，現(xiàn)在在講授這些較復(fù)雜的理論導(dǎo)出時，學(xué)生積極性和接受程度都有了顯著地提高。

　　2.2以典型物理模型為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生主動拓展

　　歸納、總結(jié)能夠反映物理光學(xué)各部分內(nèi)容的典型物理模型，并以它們作為課堂教學(xué)切入點，進行重點講解，不僅使學(xué)生能夠掌握模型的物理內(nèi)涵，而且還要使學(xué)生深刻領(lǐng)會模型所蘊含的分析問題、處理問題的思想和方法。引導(dǎo)學(xué)生利用模型的結(jié)論和分析方法去分析、探討新的相關(guān)知識。例如，在光的干涉這部分內(nèi)容中，只需要重點講解雙縫干涉、平行平板的干涉以及楔形平板的干涉三個基本物理模型的干涉情況及其中蘊含的物理思想和分析方法。對于其它干涉系統(tǒng)產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象，如菲涅爾雙棱鏡、菲涅爾雙面鏡、渃埃鏡、劈尖、薄膜、邁克爾孫干涉儀、馬赫-澤德干涉儀以及法布里-珀羅干涉儀等產(chǎn)生的干涉，可以通過引導(dǎo)學(xué)生首先將其歸納到上面三個基本物理模型所代表的類型中，然后利用在典型模型中獲得的物理思想和分析方法進行研究和學(xué)習(xí)。這樣學(xué)生就可以以基本干涉模型為基礎(chǔ)，積極主動地學(xué)習(xí)其它相關(guān)的光的干涉知識，不斷地拓展和深化自己對光的干涉的認識和理解。采用這中嘗試后，由于學(xué)生自己可以以基本物理模型為基礎(chǔ)對新的知識進行分析和研判，在教學(xué)過程中師生之間互動比以前暢通多了，還有一些學(xué)生課堂上提出了一些非常好的問題和觀點，說明學(xué)生學(xué)習(xí)主動性有了顯著地改善。

　　2.3強化知識之間的關(guān)聯(lián)性，促進知識的二次消化

　　物理光學(xué)中很多知識點之間都存在很強的關(guān)聯(lián)性[3]。這既包括同一部分不同知識點之間，例如光波場的時間頻率域和空間頻率域表示，晶體各項異性的折射率橢球、折射率曲面、波失曲面和菲涅爾橢球表示法，自然雙折射和感應(yīng)雙折射等;也包括不同部分知識點之間，例如光的干涉和衍射、各向同性介質(zhì)界面的折反射與晶體界面的折反射等。挖掘并理清這些知識點之間的關(guān)聯(lián)，一方面將極大地促進學(xué)生對各知識點物理內(nèi)涵、外延及其相關(guān)應(yīng)用的理解和把握，實現(xiàn)知識的二次消化，使其得到進一步升華，內(nèi)化到學(xué)生知識體系之內(nèi)及自身能力之中。另一方面，通過知識之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)可以通過類比等方式，從簡單易懂的知識入手，逐步加學(xué)生深對相對復(fù)雜難懂的知識的理解和認識。例如，對各向同性介質(zhì)界面的折反射，學(xué)生一般都很容易掌握，但對晶體界面的折反射就感覺難度較大。但是，若將二者對比起來，除了晶體界面折反射涉及到不同方向有不同折射率外，其它兩者完全一樣，這樣有利于學(xué)生更好理解光波在晶體界面折射和反射。除了課堂上適當(dāng)利用知識之間關(guān)聯(lián)性促進、加深學(xué)生對知識的理解外，我們還嘗試將一些知識之間的關(guān)聯(lián)性作為課后練習(xí)，讓學(xué)生自己挖掘、總結(jié)。例如，學(xué)術(shù)一般知道干涉和衍射實際上都是光波相干疊加引起的光強的重新分布，但對它們的具體差異感覺比較模糊。為此，我們以討論雙縫干涉和雙縫衍射的異同作為一次課后討論作業(yè)，讓學(xué)生進行課后探討。結(jié)果不僅進一步促進了學(xué)生對干涉衍射物理本質(zhì)的認識和理解，而且很多同學(xué)由于在本次作業(yè)中表現(xiàn)突出，獲得了一定的成就感，大大地增強了其學(xué)習(xí)的積極性。

　　2.4利用計算機輔助教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生主動求證和探索

　　物理光學(xué)的很多結(jié)論都是以數(shù)學(xué)公式的形式給出的。數(shù)學(xué)公式雖然表述簡練，但表述并不直觀，學(xué)生難以很快地建立直觀的物理圖像。有些教材中雖然給出了數(shù)學(xué)公式表述結(jié)論在特定條件下的圖像，但由于不是學(xué)生自己做出來的，大多數(shù)學(xué)生都是被動地看看就過去了，難以留下深刻印象。若可以讓學(xué)生自己根據(jù)結(jié)論作出他想看的直觀的物理圖像，則在其自身求知欲望的推動下，對結(jié)論的認識和理解程度就會顯著提高[4]。在教學(xué)過程，以Matlab軟件為平臺，將一些數(shù)學(xué)公式表示的結(jié)論，如菲涅爾公式、干涉和衍射的光強分布公式等，編寫成可以通過簡單修改參數(shù)作出不同條件下直觀物理圖像的小程序，給學(xué)生演示數(shù)學(xué)公式描述的具體物理圖像，并讓學(xué)生自己課后利用這些小程序分析、總結(jié)不同條件下異同。顯然，這種實時演示和自我驗證相結(jié)合的方法，效果很明顯，不僅促進了學(xué)生對結(jié)論的認識和理解，還激發(fā)了一些學(xué)生自己動手嘗試的現(xiàn)象。在每一屆的物理光學(xué)課程中，總有一些學(xué)生不滿足于借助計算機簡單地對數(shù)學(xué)公式所描述的直觀物理圖像進行驗證，還嘗試一些難度更大的驗證，甚至探索，例如借助計算機開展光學(xué)多層膜反射率和透射率的計算、基于基爾霍夫衍射公式的衍射光強的數(shù)值計算等。這不僅進一步促進了學(xué)生對物理光學(xué)相關(guān)知識的掌握和拓展，而且對他們思維和能力的鍛煉和培養(yǎng)有很大幫助。

　　2.5強化實驗對理論的補充和拓展針對實驗教學(xué)中存在問題與不足，對實驗教學(xué)過程進行了相關(guān)改革。首先，改變實驗教學(xué)和理論教學(xué)單獨開課的狀況，將它們納入一個整體，由同一名教師在同一學(xué)期承擔(dān)。這樣教師就可以根據(jù)理論教學(xué)的進度適時安排實驗教學(xué)，將二者有機融入一體，增強實驗對理論的補充和拓展。其次，強化實驗教學(xué)各個環(huán)節(jié)的管理，避免學(xué)生過分注重實驗操作，而忽視實驗中必須的思考。為此，進一步提高了對學(xué)生實驗規(guī)劃、實驗操作問詢、實驗數(shù)據(jù)處理與分析以及實驗總結(jié)方面的要求，讓學(xué)生帶著問題、想著問題、找著問題做實驗。這樣雖然顯著地增加了教師和學(xué)生的工作量，但實驗效果提高更明顯。一方面，由于實驗對學(xué)生的理論知識產(chǎn)生了很好的補充和拓展，使得教師和學(xué)生在后續(xù)的理論教學(xué)和學(xué)習(xí)中更輕松，可以花費相對較少時間和精力。另一方面，通過撰寫詳細的實驗規(guī)劃和實驗總結(jié)報告，不僅是對知識的一個分析、總結(jié)、凝練的過程，可以極大地促進學(xué)生知識的內(nèi)化，而且也是鍛煉和培養(yǎng)嚴密邏輯思維和謹科學(xué)態(tài)度的有效途徑[5]。經(jīng)過幾屆的嘗試，目前我們課題組在物理光學(xué)實驗的實驗規(guī)劃、實驗問詢問題以及實驗總結(jié)方面積累了越來豐富和完善的資料，對實驗教學(xué)的把握不斷增強，實驗教學(xué)效果和學(xué)生滿意度也不斷提高。

　　3結(jié)束語

　　針對物理光學(xué)涉及到較多復(fù)雜數(shù)學(xué)公式，理論性較強，概率較抽象，識點多而雜，容易混淆的特點，為了提高物理光學(xué)教學(xué)效果，我們物理光學(xué)教學(xué)組針對物理光學(xué)中的基本理論、典型物理模型、知識之間的關(guān)聯(lián)等進行總結(jié)、歸納和凝練，并在教學(xué)過程中進行相關(guān)的教學(xué)嘗試和改革。此外，我們還探討了借助計算機輔助教學(xué)、改革實驗教學(xué)以實現(xiàn)對理論教學(xué)的補充、拓展及深化的途徑和方法。這些探討和實踐將學(xué)生從枯燥的理論中解脫出來，激發(fā)了學(xué)習(xí)的主動性和積極性，不僅促進了學(xué)生對知識物理內(nèi)涵的理解和掌握，還鍛煉和培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、處理問題的思維和能力。

　　參考文獻

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　　[3]黃元申,李柏承,徐邦聯(lián),等.物理光學(xué)本科教學(xué)體會[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2014,(3):293-296.

　　[4]張晶,李建映,鄧婷,等.基于Matlab的物理光學(xué)實驗教學(xué)研究[J].廣西師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,(1):122-127.

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