“物理光学与应用光学”教学实践与改革初探

摘要：“物理光学与应用光学”是电子信息科学与技术专业的学科基础课，该课程为“光电子技术”“激光原理”“光纤通信”等后续课程的学习奠定了基础。根据几年的教学经验，针对目前学生的学习状况，从“物理光学与应用光学”课程教学内容、教学方法的合理调整、现代教学手段的运用以及实践教学环节的加强等方面，进行了课程建设与教学改革的探讨。通过综合利用这些措施，提高了“物理光学与应用光学”课程的教学质量以及学生解决实际问题的能力。根据目前存在的问题，提出了下一步努力和改进的方向。

关键词：物理光学；应用光学；教学实践；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0077-02

“物理光学与应用光学”是信息光学的重要技术基础，是电子信息科学与技术专业的学科基础课。物理光学从光的电磁理论出发讲述了光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性。应用光学不涉及光的波动本性，以光的直线、独立传播、折射、反射等实验定律为基础，研究受限光束的成像，特殊光电传播过程的规律；在光学系统中进行光路追迹，研究光学系统成像特性、应用及初步设计。通过“物理光学与应用光学”课程的学习不仅使学生建立起有关光的电磁理论的完整体系，能够运用光的电磁理论分析光的波动性、光在不同介质（包括物理光学元件和几何光学元件）中的传播和控制问题，能够解决光电工程中的基本光学技术问题；同时还能使学生了解现代光学的发展和前沿，以及在光电技术中的应用；为“光电子技术”“激光原理”“光纤通信”等后续课程的学习打下基础。因此，“物理光学与应用光学”课程是“现代光电子”“光学信息处理”“光纤通信”“光电传感技术”等课程的重要基础理论课程，也是光通信、光电子、光信息、光学工程类专业的考研课程。

一、“物理光学与应用光学”课程的内容及特点

内蒙古工业大学电子信息科学与技术专业从2006级学生开始开设“物理光学与应用光学”课，其内容包括：光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、光的衍射，几何光学基础，理想光学系统，光学系统的象差基础，光学仪器等。从教学中发现学生学习该课程时感到很吃力，通过调查发现主要因为以下几个方面：一是由于中学的光学知识少而简单，与大学“物理光学与应用光学”知识跨度很大；二是物理光学部分涉及到的理论用到的数学知识太难；三是应用光学部分概念、公式多且抽象难记；四是本课程数学公式推导繁杂使学生望而生畏，难以提起兴趣；五是内蒙古工业大学的“物理光学与应用光学”课程纯理论，无相应的实验；六是教材和课堂教学与实际应用、当今光学领域的前沿技术脱节，学生对光学的运用和前景感到迷茫。因此，加强对“物理光学与应用光学”基础课的教学研究、适应教学要求和学生学习要求，充分调动学生的学习积极性，提高教学质量十分必要。

二、教学内容及方法的改进

考虑到“物理光学与应用光学”课程的重要性，根据该课程理论性较强、概念较抽象的特点，为了提高学生学习“物理光学与应用光学”课程的积极性，从教学内容、教学方法、教学手段、教学课件、加强实践性教学环节等方面进行了调整。

第一，从教学内容上进行调整。自2007级学生开始，增加了ZEMAX光学设计软件的介绍。ZEMAX是一套综合性的光学设计仿真软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射、折射等光学模型，并结合优化、公差等分析功能。通过该部分内容的学习，学生能够初步设计出简单的单镜头及双单镜头，增强了学生的动手能力，可以适当辅助对概念的理解。

第二，在教学方法上进行适当调整。在物理光学部分适当减少繁杂的数学推导，注重物理思想的讲解；物理光学部分数学推导往往是繁杂、冗长和枯燥的，要耗费大量的课堂教学时间，而且容易使学生望而生畏。简化数学推导，以光学中的光学定律和物理问题为线索，让学生了解光学定律的适用范围可以提高学生的学习积极性。比如光的电磁理论部分菲涅耳公式的数学推导比较繁琐，而且公式难记，为此在教学中不要求学生掌握推导公式，而要求学生会用公式分析反射系数、透射系数及反射率、透射率与入射角和界面两边折射率的关系即可。在教学过程中注重对比，如在讲解迈克尔逊干涉仪、马赫泽德干涉仪及法布里干涉仪时，对三种干涉仪的工作原理及应用进行比较，学生掌握起来更容易；在讲解衍射问题时将单峰衍射、圆孔衍射、矩孔衍射及多缝衍射的实验装置，衍射图样的特点及亮暗条纹的位置，条纹宽度等对比讲解，学生在对比基礎上理解记忆的效果更好。在几何光学的成像问题中，将单球面折射、球面反射及透镜的成像进行对比，包括成像公式、焦距的表达式及放大率的公式进行对比，在光学仪器部分将放大镜、显微镜及望远镜的放大率进行对比，这样更有利于学生对公式的理解记忆及应用。

第三，在课件制作上加入phy3D演示。如，讲解凸凹透镜的成像、球面镜的反射成像、玻璃球的成像在推导完成像公式时要进行相应部分的光路图的phy3D演示，这些演示可以任意改变物距、像距或焦距，学生能够直观地观察到这些系统在成像过程中物距、像距和焦距之间的关系，弥补了枯燥的单纯理论计算的缺点。再如，在讲述迈克尔逊干涉仪时通过3D演示，学生可以清楚地看到光的传播过程，通过调整两镜的距离及位置看到干涉图样的变化，有助于加强理解。光的衍射问题向来是学生理解的难点，通过phy3D的演示学生能够清楚地看到障碍物尺寸变化时衍射图样的变化。

第四，加强实践性教学环节。为了培养复合型的实用人才，要求学生必须具有一定的实际工作技能，以便走上工作岗位后能很快地适应工作环境。因此，为锻炼培养学生的实际操作能力，增强学生毕业后的工作适应性，教学中必须高度重视实践教学环节，而毕业设计正好能增强学生的光学设计水平，从而培养出既有理论又有实践水平的高级专门人才。自引入ZEMAX光学设计软件以来，物理系三届毕业生中已有七名学生用ZEMAX光学设计软件完成了毕业设计，且设计效果良好。

第五，改革考试内容和考试方法，命题从以知识立意为主转变为以能力立意为主，加强了概念题、应用题以及与图形结合的判断题，适当出一些开放题、讨论题；改变一卷定总评的情况，采取措施多元化测试学生的能力，比如将学生论文、平时作业成绩、期中考试成绩、期末考试的分数折算计入总评等，每次考试后都坚持进行分析评估，找出教学中的薄弱环节。

三、教学中还存在的问题及今后的计划

第一，“物理光学与应用光学”是内蒙古工业大学电子信息科学与技术专业的学科基础课，目前没有设置相应的专业实验，理论和实践有所脱节，加大了学生对理论理解的难度。

第二，没有将光学的最新发展融入教学。针对以上问题，一是应尽快引入演示实验，利用实验室现有的仪器设备进行演示；通过实验能使学生接触并使用一些典型的光学系统为学生后续专业课程的学习和今后的工作中利用或组合这些光学系统进行创造性工作打下基础。二是增加现代光学基础内容，将光学的最新发展和研究成果融入讲授内容，使学生能紧跟科技发展步伐，这样不但可以扩展学生的基础知识，还可以开阔学生的视野，激发学生的学习兴趣，同时可以使学生了解学科前沿的概况及其发展动态，进一步拓宽学生的知识面，使他们的知识结构更趋合理。三是教学内容的重点和难点应通过课前预留预习作业与课后作业的方式分解消化；上课时应针对重点和难点问题采用讨论式等多种教学手段，以培养学生的创新精神和自主学习的能力。四是充分利用现代信息技术手段，将传统教学手段和辅助教学方式相结合，提高教学效果。针对课堂教学的重点、难点，利用CAI课件、录像、网络资源等增加学生对知识的感性认识，帮助学生掌握教学内容。五是在完成基本教学任务的前提下，针对不同层次学生的需求，适当扩充一些知识，这样既可以巩固所学知识，还可以提高学生的动手动脑能力，为将来的就业打下一定的基础；对有志向考研的学生，可以提前给他们提供一些重点院校的考试真题，让他们有所准备，并能够根据自己的能力选择合适的院校，以免到了大四盲目选择考研院校。

以上是笔者从事“物理光学与应用光学”教学的一些体会、所做的改进与尝试以及下一步努力的方向，希望通過改革使“物理光学与应用光学”课程的教学质量有所提高。

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（责任编辑：孙晴）