物理杂谈 (61)

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1、“形象化教学” 在光学课中的尝试 孙伟民 (哈尔滨工程大学理学院,哈尔滨 150001) (收稿日期: 20032082 26) 摘 要 “光学” 是一门重要的物理基础课.为改善学生的学习效果,加深学生对光学理 论的掌握,我们在教学工作中尝试了一种新的教学方法 “形象化教学”.通 过使用幻灯片、 计算机仿真和光学演示实验等手段,提高学生对光学的学习兴 趣,并加强学生对光学理论知识的形象化理解,提高学生对光学知识的利用能 力. 关键词 光学;教学;计算机仿真;幻灯片;演示实验 1 绪论 “光学” 作为物理学的一部分,是一门重 要的基础理论课.随着光学技术应用的越来 越广泛,对各类光学人才的需求越

2、来越迫切. 光学课主要是培养学生的光学基础知识,增 加学生对光学的理解和认识,并为后续课程 的学习及日后的工作做准备.为了提高学生 对光学课程的学习效果,在教学工作中进行 了 “形象化教学” 尝试. 形象化教学方法不仅对大学阶段的物理 教学有意义1 ,2,对中学物理教学也很有帮 助3.光学由于其特殊性,在教学过程中的形 象化方法显得更为重要.“光学” 是一门实验 科学,绝大多数理论直接来自于实验又应用 于科学实践.这门学科由于其直观性,因而是 被人类研究最早的学科之一.其中包含了大 量的理论和实验的内容,而且这些理论和实 验联系紧密.无论是光的干涉、 衍射,还是成 像系统的光阑与像差,无论是物

3、质界面上的 折射、 反射,还是物质内部的散射与吸收,都 有对应的理论和实验.这些理论既可以表现 为公式,又可以用具体的实验、 图形加以演示 和说明.对这门学科建立一种形象化的思维, 无论对于学习进一步的知识,还是对于日后 的科研工作都是极有意义的. 对光学的教学方法改革以前也有过讨 论4,本文作者结合在科研工作中的体会和 教学过程中的经验,对光学的形象化教学方 法进行了介绍. 2 研究的背景 在科研工作中运用光学知识时我有一种 深切的体会,那就是对所研究的问题建立起 一种形象、 直观的认识,是对该问题进行更深 一步研究的一个重要条件.以我本人的经验 为例,在进行光学电流传感器的研究时,出于 对

4、玻璃传感头反射点处光的状态的分析和想 象,我预见反射相移一定会引起该玻璃传感 头受外部电磁场的干扰,再经一系列的理论 推导、 计算机仿真、 实验测试,终于在国际上 首先得出了反射相移对光学电流传感器抗外 场干扰能力影响的理论5.类似的例子在工 作及生活中经常遇到.从中我认识到,对光学 理论能否直观理解与认识对能否灵活运用光 学理论解决实际问题是至关重要的. 83物理与工程 Vol. 13 No. 6 2003 目前,国内的 “光学” 教材各种各样,各有 所长.有些理论严谨,有些内容广泛,有些言 简意赅.但这些教材和国外教材相比,都不同 程度地存在印刷质量相对较差,精美图片少, 缺乏对应实验的介

5、绍.这就使学生在学习理 论时很难建立起一种直观的思维模式,对光 学更多的停留在公式和文字概念上.尽管多 数学校均为光学课配备了实验,但理论课和 实验课很难同步进行,这就使学生学习理论 时没有形象的认识,学习实验时又缺乏理论 的指导,难以将二者融会贯通. 考虑到以上的各个因素,我们进行了 “光 学形象化教学” 的尝试.我们的工作主要是采 用一系列的幻灯片和演示实验帮助学生对光 学的概念和理论形成一种形象化的理解,为 学生牢固掌握光学理论,并应用于日后的学 习和工作打下一个比较坚实的基础. 3 具体教学手段 我们的工作主要包括以下几个方面: (1)购买、 制作与理论相关的实验幻灯 片,在介绍理论的

6、同时介绍实验的原理、 手段 和结论.我们以从清华大学购买的物理幻灯 片为基础,增加了一些自制或翻拍的幻灯片, 将一些实验系统、 实验现象在课堂上加以介 绍.这样一方面学生可以更直观地理解和记 忆理论和公式,另一方面又可以在进行实验 操作时,能有的放矢,更深一步地理解实验的 数据、 结果及物理内涵. (2)将国外杂志或优秀 “光学” 教材上的 图片进行扫描或翻拍,并在课堂上进行介绍, 以弥补国内教材的不足.国外的物理教材素 有印刷精美、 图文并貌的特点,但直接使用这 些教材并不方便,因而我们采用取其精华的 办法,用这些教材上的图片来帮助学生消化 理解理论知识. (3)通过光学演示实验,使学生直观

7、地 认识光的直线传播、 散射、 干涉、 衍射、 偏振现 象,以及光学信息处理、 全息摄影、 颜色合成、 海市蜃楼现象等内容.学生通过对光学实验 的直接观察,甚至操作,一方面提高了学习兴 趣,另一方面也加深了对光学理论的认识. (4)利用计算机仿真的方法,对一些容 易模糊的概念进行解释.如对介绍菲涅尔衍 射和夫琅和费衍射的区别,有些教材略过不 提,有些教材仅仅给出一个瑞利距离b0 D2/,学生往往难以真正理解这两种衍射如 何过渡的.而我们采用计算机模拟的方法,将 单缝菲涅尔衍射向单缝夫琅和费衍射的过程 用图片演示出来,使学生对这两种衍射的区 别和联系有了深入的理解6. (5)对国内外光学杂志上的

8、光学的发展 动态加以跟踪,向学生介绍光学的进展.并经 常翻拍、 扫描一些图片用于课堂教学.目前互 联网的快速发展,使这项工作有了更多的素 材.这些努力一方面可以使学生增加对应用 领域的认识,提高对光学的兴趣,另一方面也 为他们日后选择发展方向提供了帮助. (6)在教学中,对我们学院自身的科研 工作加以介绍,尤其是其中所涉及到的一些 光学理论.我系的很多科研成果都可以以图 片的形式介绍给学生,这样可以帮助学生了 解自己学院的科研方向,使学生在选择毕业 设计题目和研究方向时更有目的性. 4 结论 从实际效果看,学生对 “光学”这门课的 学习兴趣明显提高,对光学理论的认识更直 观,对实验的理解也更为

9、深入.在学生的毕业 论文阶段,很多学生已经可以较为独立地解 决一些光学问题.如在2003年99级学生做 毕业设计课题期间,学生就将一般的单缝衍 射、 光栅衍射扩展到任意衍射屏,从理论、 计 算机仿真上进行了分析,并制出了实际衍射 系统.实际衍射效果与理论分析非常吻合. 总之,通过 “光学课形象化教学” 的尝试, 93 物理与工程 Vol. 13 No. 6 2003 我们发现通过在理论课的教学过程中适当增 加一些形象化的幻灯图片、 计算机仿真结果 和演示实验,可以帮助学生更牢固、 更直观地 理解、 记忆理论知识,同时也可以帮助学生将 理论和实验的知识有机地结合起来,有助于 帮助学生对光学知识建

10、立一种形象和逻辑相 结合的思维模式. 参考文献 1 康垂令,高守双.现代技术与物理形象化教学.工科物 理,1996 ,2(4) :4244 2 郭大群,刘敬立.普通物理教学中形象化教具的应用. 物理通报,1997 ,(9) :2324 3 刘宝海.浅谈物理课的形象化教学.现代物理知识, 2003 ,15(1) : 4647 4 刘凤英.关于波动光学教学改革的实践和设想.工科 物理,1999 ,9(5) : 48 ,43 5 孙伟民,王政平,黄宗军等.反射相移对光学玻璃电流 传感器抗电磁干扰能力的影响.光学学报,1998 ,18 (9) :12491254 6 孙伟民.单缝衍射图样的计算机仿真与

11、分析.工科物 理,1999 ,9(1) :1213 (上接第37页) 180多个,基本满足了课堂演示的需要.由物 理演示室和学校网络中心联合研制的 “物理 演示实验和多媒体教学资源在线查询登记系 统” 已经开始运行,实现了查询和登记的网络 化.从教室的建筑上看,我校演示实验室位于 主要上物理课的四个大教室的中央,演示实 验仪器可以直接推进课堂. 除了课堂演示之外,我们还建立了演示 实验走廊和物理趣味演示厅,为学生课外研 究物理问题提供了条件. 6 以电子教案为重点开展多媒体教学 从1997年开始,清华大学就大面积地开 展了物理多媒体教学.回顾这些年来的教学 实践我们认识到,虽然多媒体在提高教学

12、效 率和质量方面发挥了重要作用,但它毕竟只 是一种教学手段,不能取代教师面向学生授 课的主导地位.在采用多媒体的教学设计中, 电子教案的编制与合理使用是决定教学质量 的基本要素. 几年来,我们以电子教案的建设为重点 开展多媒体物理教学.目前,我校承担大学物 理课的教师每人都有体现自己教学思路和风 格的电子教案,并随时修改和补充.课堂教学 则以电子教案为主线,配合演示实验、CAI课 件、 录像、 胶片投影,网络资源以及黑板和粉 笔等教学媒体,充分发挥各种手段的功能,力 求达到最佳的教学效果. 我们相继出版了 大学物理电子教案, 大学物理学生网络版 和 物理演示实验素 材库 等多媒体课件和 核磁共振 、穆斯堡 尔效应 等教学录像片.反映教学最新面貌的 大学物理电子教案集萃 也将由清华大学出 版社近期出版. 7 结束语 基础物理的教学改革是全方位的,不仅 仅限于教学的内容和体系,还需要教学管理 和行政管理方面的改革,例如学分制和淘汰 制,考核评价体制和课程评估体制等方面的 改革.基础物理的教学改革也是全球性的.随 着高新技术的大量涌现,多学科的交叉、 转移 和渗透,对大学物理教学改革的呼声会越来 越高.我们将继续学习各个院校教学改革的 经验,加强交流和协作,为大学物理课程的改 革和建设作出贡献.(完) 04物理与工程 Vol. 13 No. 6 2003