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物理光学课程教学改革的探索

所属栏目:物理论文 发布日期:2019-11-23 10:39 热度:

   【摘 要】 分析、总结当前物理光学课程教学中存在的主要问题,即理论枯燥、概念抽象、学生学习主动性不强以及辅助教学效果不明显等。围绕这些问题,从基本理论、典型物理模型、知识之间关联性以及计算机和实验辅助五个方面对物理光学课程教学进行改革及实践,获得了较好的效果。

  【关键词】 物理光学;课程教学;教学改革

物理光学课程教学改革的探索

  1 物理光学教学中存在的问题

  1.1 数学和电磁理论基础薄弱,重结论轻过程,不能领会结论的物理内涵及思想物理光学中很多重要结论都涉及到以电磁场理论为基础的比较复杂数学推导,如基尔霍夫衍射公式、晶体光学的菲涅尔方程以及光与介质相互作用的经典理论等[2] 。很多学生面对复杂、枯燥的推理过程往往没有耐心,不能积极主动学习,采取只死记硬背公式和结论的消极学习方法,没有领会公式和结论所蕴含的物理意义,更没有从这些推理过程中获得物理思维的锻炼和培养。而且,过多的理论推导和复杂数学公式还使得一些数学基础较差的学生一开始产生畏难情绪,学习信心不足。

  1.2 注重知识的积累,忽视了知识的消化和内化在物理光学教学过程中,学生往往只注重结论的简单记忆,忽视了结论的由来、物理内涵以及与其它结论之间关联性的分析和总结,从而将其消化和内化。例如,对光波的时间域频谱特性与空间域频谱特性而言,学生普遍能够很快很好地掌握前者,而对后者,由于以前接触较少,相对比较抽象,只有少数学生可以较快较好地掌握。由于知识只是在大脑中的简单堆积,并没有被消化和内化到自身知识体系和思维中,不仅自身分析、处理问题的方法和能力得不到锻炼,而且随着课程进度的不断推进,知识点越来越多而杂,学习困难越来大,甚至出现学习兴趣锐减和作业抄袭的现象。

  1.3 实验教学对理论教学促进作用不明显物理光学课程中包括16学时的实验教学,目的是通过一些验证性实验进一步加深学生对物理光学重点知识的理解和掌握。但是,由于存在实验教学和理论教学进度不匹配,学生并没有带着疑问和怀疑的态度去做实验,实验兴趣不高。再加上物理光学实验一般实验操作比较复杂,学生往往疲于应付基本的实验操作和数据的测量,实验过程中对相应问题的思考不够,从而导致实验对理论的补充和拓展效果并不明显。

  2 物理光学教学改革的探索

  2.1 凝练基本理论的导出,锻炼学生思维对较复杂的理论导出进行凝练,挖掘其内在的逻辑关系和导出过程中的关键环节,构建直观、清晰的物理图像,将学生先从繁杂的数学运算中解放出来,对理论的导出有一个直观、整体的认识。再针对其中的一些关键数学推导进行重点讲解,一方面使学生进一步认识其物理内涵,另一方还可以增进学生对数学之美的体会,增强学生对复杂理论导出学习的兴趣。例如在基尔霍夫衍射公式导出过程中,我们首先给学生明确这次课的主要目的,即获得夫琅和费衍射和菲涅尔衍射的基尔霍夫衍射积分公式,为后面学习做准备,以及基尔霍夫衍射公式导出的基本流程和各部分关键问题,让学生从整体上把握本次课的脉络、框架和物理图像。其次,针对理论导出中各个关键问题,例如由场论中的格林定理导出基尔霍夫积分定理、小孔衍射特点及其在基尔霍夫积分定理中的具体体现以及基尔霍夫衍射公式的几个关键近似处理进行详细地讲解和演算,使学生逐个掌握,并在此基础上感受严密的理论推演的内在美,激发学生的学习兴趣。最后再次结合理论导出的基本流程和关键问题对整个课程进行总结,进一步固化学生对物理图像和物理内涵的理解。经过几年的不断尝试,现在在讲授这些较复杂的理论导出时,学生积极性和接受程度都有了显著地提高。

  2.2 以典型物理模型为基础,引导学生主动拓展归纳、总结能够反映物理光学各部分内容的典型物理模型,并以它们作为课堂教学切入点,进行重点讲解,不仅使学生能够掌握模型的物理内涵,而且还要使学生深刻领会模型所蕴含的分析问题、处理问题的思想和方法。引导学生利用模型的结论和分析方法去分析、探讨新的相关知识。例如,在光的干涉这部分内容中,只需要重点讲解双缝干涉、平行平板的干涉以及楔形平板的干涉三个基本物理模型的干涉情况及其中蕴含的物理思想和分析方法。对于其它干涉系统产生的干涉现象,如菲涅尔双棱镜、菲涅尔双面镜、渃埃镜、劈尖、薄膜、迈克尔孙干涉仪、马赫-泽德干涉仪以及法布里-珀罗干涉仪等产生的干涉,可以通过引导学生首先将其归纳到上面三个基本物理模型所代表的类型中,然后利用在典型模型中获得的物理思想和分析方法进行研究和学习。这样学生就可以以基本干涉模型为基础,积极主动地学习其它相关的光的干涉知识,不断地拓展和深化自己对光的干涉的认识和理解。采用这中尝试后,由于学生自己可以以基本物理模型为基础对新的知识进行分析和研判,在教学过程中师生之间互动比以前畅通多了,还有一些学生课堂上提出了一些非常好的问题和观点,说明学生学习主动性有了显著地改善。

  2.3 强化知识之间的关联性,促进知识的二次消化物理光学中很多知识点之间都存在很强的关联性[3] 。这既包括同一部分不同知识点之间,例如光波场的时间频率域和空间频率域表示,晶体各项异性的折射率椭球、折射率曲面、波失曲面和菲涅尔椭球表示法,自然双折射和感应双折射等;也包括不同部分知识点之间,例如光的干涉和衍射、各向同性介质界面的折反射与晶体界面的折反射等。挖掘并理清这些知识点之间的关联,一方面将极大地促进学生对各知识点物理内涵、外延及其相关应用的理解和把握,实现知识的二次消化,使其得到进一步升华,内化到学生知识体系之内及自身能力之中。另一方面,通过知识之间的内在关联可以通过类比等方式,从简单易懂的知识入手,逐步加学生深对相对复杂难懂的知识的理解和认识。例如,对各向同性介质界面的折反射,学生一般都很容易掌握,但对晶体界面的折反射就感觉难度较大。但是,若将二者对比起来,除了晶体界面折反射涉及到不同方向有不同折射率外,其它两者完全一样,这样有利于学生更好理解光波在晶体界面折射和反射。除了课堂上适当利用知识之间关联性促进、加深学生对知识的理解外,我们还尝试将一些知识之间的关联性作为课后练习,让学生自己挖掘、总结。例如,学术一般知道干涉和衍射实际上都是光波相干叠加引起的光强的重新分布,但对它们的具体差异感觉比较模糊。为此,我们以讨论双缝干涉和双缝衍射的异同作为一次课后讨论作业,让学生进行课后探讨。结果不仅进一步促进了学生对干涉衍射物理本质的认识和理解,而且很多同学由于在本次作业中表现突出,获得了一定的成就感,大大地增强了其学习的积极性。

  3 结束语

  针对物理光学涉及到较多复杂数学公式,理论性较强,概率较抽象,识点多而杂,容易混淆的特点,为了提高物理光学教学效果,我们物理光学教学组针对物理光学中的基本理论、典型物理模型、知识之间的关联等进行总结、归纳和凝练,并在教学过程中进行相关的教学尝试和改革。此外,我们还探讨了借助计算机辅助教学、改革实验教学以实现对理论教学的补充、拓展及深化的途径和方法。这些探讨和实践将学生从枯燥的理论中解脱出来,激发了学习的主动性和积极性,不仅促进了学生对知识物理内涵的理解和掌握,还锻炼和培养了学生分析问题、处理问题的思维和能力。

  参考文献

  [1]哈斯乌力吉,吕志伟,张爱红,等.物理光学教学改革的探索[J].电气电子教学学报,2007,(S1).

  [2]王伟.物理光学课程教学改革与实践[J].安徽工业大学学报(社会科学版),2011.28(4):110-111.

  《物理光学课程教学改革的探索》来源:《轻工科技》,作者:李 钱 光 , 易 旭 农 , 陈 欢 , 张 秀。

文章标题:物理光学课程教学改革的探索

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