光学教学中知识扩展的探索

摘 要： 本文探讨了光学教学中知识扩展的问题，论述了如何将现代光学的主要内容融合到光学的课程中，并结合实例讨论了如何衔接基础光学知识与现代光学知识问题。

关键词： 光学教学 现代光学 教学改革 知识扩展

一、前言

光学作为物理学的一门基础学科，在帮助本科物理类专业学生知识框架的构建过程中有着极其重要的作用，光学在现代物理学已经成为发展最快的一门学科。然而长期以来，该课程的教学总是以传统的几何光学、波动光学为主，现代光学部分和最新光学发展虽然在一些教材中有所体现［１］，但涉及面不广，学生对光学课程学习的评价为内容陈旧、与实际有所脱离。光学课程没有其他普通物理课程的后续课程，导致物理类专业本科生在大学期间对现代光学方面的知识框架不够完善。

本文针对目前光学课程中缺少现代光学内容的问题进行了探讨，提出了教学中知识扩展的方法和原则，并结合实例进行了论述。

二、适当精简传统光学部分

目前大部分高校光学课程的课时安排紧凑，教师没有非常充足的时间去讲解，故而需要对传统光学部分进行适当的精简，在保证基本内容的前提下，压缩和删除基础光学中的非主体部分、与其他学科重复的部分和内容过时陈旧的内容。对于删除部分，可以适当讲解其基本概念和应用，以便学生需要时方便查询。

传统光学部分在进行精简的同时，应当加强传统部分的教学内容的系统性，内容上应当增加各章节知识本身的内在规律性及相互联系。例如教材［１］，几何光学中应当以费马原理作为光线光学的理论基础去分析或追究光线径迹；从波动光学眼光看，光线反映了光能流的传播路线；以叠加原理为主线贯穿整个波动光学，干涉、衍射、偏振均可看作不同条件下波的叠加结果。注重课程内容的条理化，虽然波动光学和几何光学看似联系不十分紧密，但是自始至终都离不开的两个概念就是光程和相位差，所以在整个基础光学部分的教学中要始终贯穿这两个基本概念使教学内容浑然一体。［２］

三、结合课程，适当扩展

在光学课程中，扩展现代光学的内容，不能为了现代光学部分的系统性和完整性而将所有现代光学的部分纳入光学课程的教学中来，而是要有所选择，并根据光学课程的内容进行扩展。在光学基本内容的基础上，讲解某种光学器件应用的研究和进一步的发展、光的某种特性的应用等。内容扩展要与光学课程中的基本知识相协调，不能盲目将现代光学知识“加塞”到基础光学课程中。

扩展的内容要认真统筹，合理规划。首先，扩展的现代光学知识要具有热点性。根据当今时代光学研究的热点精心选择，这就要求教师在教学同时，加大对当今光学发展潮流的准确把握，对教师基本能力等就有了较高要求。由于光学的发展十分迅猛，故而每年的扩展知识点可以根据实际情况有一定的变化。其次，扩展内容不宜过难。短时间将难度较大的知识传授给学生会导致学生无法消化理解，学习兴趣降低。应根据不同高校本科生的具体情况而设定，不宜将难度过大、理论推导较多的知识点作为扩展内容。最后，扩展内容不宜过多。近些年来，由于以提高学生综合能力的其他课程课时量逐渐增多，作为物理学类专业本科生基础课程的光学课程课时量有一定的减少，在本不充足的课时中加入过多的扩展知识，会增加学生压力，易导致其厌学。

四、坚持引导而不展开的基本原则

现代光学中的一些结论，需要较复杂的数学推理过程，部分数学理论知识较深较难，对于低年级物理类本科生学习难度大，不宜过多讲解。在时间上，由于该课程的课时量讲解全部光学内容已经不够充足，没有留给教师过多的时间进行知识扩展。因此，在光学课程中对现代光学部分的扩展应坚持引导学生学习而不深入展开的基本原则。

扩展内容应当以现代光学的基本知识点、基本原理和思路、应用及未来发展方向、面临需要解决的问题等方面为主要扩展内容，而对知识点中的基本公式的推导不予讲解，但可以引导有兴趣和学有余力的学生自行学习。在扩展部分教师可以以科学普及的方式对学生讲解。

五、扩展实例

根据课程的实际教学内容，适时地引入扩展实例，本文以教材［１］为例，介绍在光学课程教学过程中如何引入扩展知识。

1.光栅尺的引入

教材［１］在第二章第8节内容中讲解了光栅的基本特性，可以在此基础上，引入莫尔效应及其应用——光栅尺。

人们将两组条纹叠加在一起所产生的图形称为莫尔条纹。在光栅移动过程中，莫尔条纹的个数与光栅移动距离有关，通过计算莫尔条纹的个数可以得到光栅移动的距离。［３］

2.光纤通信的引入

教材［１］在第三章第4节中讲述了光学纤维的基本内容，可以在此基础上扩展光纤通信的知识及光孤子方面的研究成果。

光纤通信即光导纤维通信，就是利用广岛纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信形式。可以把光纤通信看作是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。光纤通信具有在单位时间内能传输的信息量大、建设费用低、体积小、重量轻、金属少、抗电磁干扰能力强、抗辐射性强、保密性好、频带宽，抗干扰性好等优点。［４］

光纤通信难以解决的两个问题是能量损耗和色散，光孤子的非线性效应可以和色散效应相抵消，使脉宽基本保持不变。困难是如何补充能量。

3.光镊的引入

教材［１］在第七章讲述了光的量子性，光子是有质量的粒子。此处可以引入光镊的概念。

光镊又称单光束粒子阱，是在1969年以来关于光与微粒子相互作用实验的基础上于1986年发明的。单光束粒子阱实质上是光辐射压梯度力阱，是基于散射力和辐射压梯度力相互作用而形成的能够网罗住整个米氏和瑞利散射范围粒子的势阱。它是由高度汇聚的单束激光形成的，可弹性地捕获从几nm几十μm的生物或其他大分子微粒球）、细胞器等，并在基本不影响周围环境的情况下对捕获物进行亚接触性、无损活体操作。这使得在单个生物大分子及其复合体层面上对生命活动进行研究成为可能，事实上光镊很快成为这方面研究的有力工具。利用光镊技术很快取得了动力原蛋白运动机制研究。DNA分子的非线性弹性拉伸应变和DNA聚合链特征性运动对生物材料的黏弹性影响等突破性研究成果。［５］

4.纳米激光器

教材［１］在第八章论述了激光器的基本原理，此处可以引入当今最热的纳米激光器。

2001年美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在只及人类头发丝千分之一直径的纳米光导线上制造出了世界上最小的激光器——纳米激光器。这种激光器不仅能发射紫外光，经过调整后还能发射从蓝光到深紫外的光。［６］

纳米激光器在很多领域有广阔的应用前景，化学和生物医学工程中例如生物传感器、显微术和激光外科，以及也有可能把纳米激光器用于鉴别化学物质。同时纳米激光器在光计算、信息存储和纳米分析等领域也得到了广泛应用。纳米激光器可以用于电路，可以装入芯片提高计算机磁盘信息存储量，以及未来光子计算机的信息存储量，加速信息技术的集成化发展。

5.信息光学的引入

教材［１］在八章论述了全息照相的概念，此处可以引入信息光学。

由于激光器的应用，全息术获得了新的生命。全息术和光学传递函数的概念结合，使光学研究不再限于用光强、振幅的空间分布来描述光学图像，而把图像看做是由缓慢变化的背景、粗的轮廓等比较低的“空间频率”成分和急剧变化的细节等比较高的“空间频率”成分构成的，用频率的分布和变化来描述光学图像。一门新的学科——信息光学从传统的经典波动光学中脱颖而出。［３］

六、结语

文章论述了如何在光学课程中加入现代光学的知识扩展问题，讲解了在知识扩展过程中应注意的问题，并结合实例对如何衔接基础光学知识与现代光学知识问题进行了探讨。目前光学内容已经略显陈旧，对现代光学内容的扩展应主要引导学生自行学习，鼓励物理类本科生掌握现代光学技术以提高综合素质。

参考文献：

［1］姚启钧.光学教程（第三版）.北京：高等教育出版社，2002.

［2］邓文武，孙利辉.光学课程教学中开设现代科技知识“窗口”的探索.高等函授学报（自然科学版），2010.4，23，（2）:23-25.

［3］苏显渝，李继陶.信息光学.北京：科学出版社，2007.

［4］程黎军.浅谈光纤通信技术.科技风，2011，20:57.

［5］姚建铨，安源，赵海泉.光镊技术的发展与应用.光电子.激光，2004，1，15，（1）:123-128.

［6］程开富.纳米光电子器件的最新进展及发展趋势.电子元器件应用，2004，4：1-3，9.