一、概述

物理學作為自然科學的帶頭學科，是當代科學技術發展的最重要基礎，而大學物理課程又是國內高校理工科專業的基礎必修課程。它所闡明的物理學知識、基本概念、定理規律和研究方法，不僅是學生繼續學習專業課程和其他科學技術的基礎，也是培養和提高學生科學素質、科學思維方法和科技創新能力的重要途徑。湖北大學的“大學物理”課程作為一門公共基礎課程，面向全校理工科專業大學一年級的學生，采用的是馬文蔚主編的《物理學》（第五版）教材，其中包含了力學、電磁學、振動和波、光學、熱學和近代物理學六個部分的內容，而對光學教學的探究和思考正是我在這篇文章中所要重點闡述的。

二、大學物理光學教學的現狀

（一）大學物理光學的知識特點

在馬文蔚《物理學》（第五版）的教材中，光學的內容被設置為第十一章，主要涉及到波動光學的知識，分為干涉、衍射和偏振三個部分，每個部分中都有幾種具體光學現象的介紹，如干涉中的楊氏雙縫干涉、勞埃德鏡、薄膜干涉、劈尖和牛頓環，衍射中的單縫衍射、圓孔衍射、光柵衍射和 X 射線衍射，偏振中的偏振片、反射光與折射光的偏振、雙折射現象。比起高中物理的光學中直接引入公式的簡單描述來，大學物理中對光學的描述顯然增添了更多的推導和論證，比如薄膜干涉公式的推導，就加入了許多幾何光學的知識，而單縫衍射公式的推導，又是以著名的菲涅爾半波帶法為基礎的，另外像光程和光程差概念的引入，也為光在不同介質中傳播所引發的干涉現象，如薄膜干涉，劈尖干涉等提供了理論基礎。但畢竟這是面對全校非物理專業理工科學生開設的課程，所以在教學過程中，又不能和物理學專業的光學課程一樣深入，像多光束干涉、法布里-珀羅干涉儀、菲涅爾衍射、圓偏振光和橢圓偏振光的獲得與檢驗、偏振光的干涉等較難知識點都沒有涉及到，而凡是涉及到高等數學微積分和數學物理方程的內容也統統予以簡化，要求降低到只需掌握初等數學的知識便能讀懂本章的所有內容。這也需要大學物理的主講教師在講述過程中必須對概念和知識點做到深入淺出，盡可能方便于學生的理解和掌握。

（二）教學對象所面臨的困惑

在大學物理教學中唯有光學教學知識結構復雜，雖然分為干涉、衍射和偏振三個板塊，但每個板塊中知識點眾多，內容也相對分散，單以干涉而言，就有著楊氏雙縫干涉、勞埃德鏡、薄膜干涉、劈尖和牛頓環干涉以及邁克爾遜干涉儀這六個大的知識點，而衍射中又有單縫衍射、圓孔衍射、光柵衍射和 X 射線衍射四個大的知識點，每種干涉和衍射都要分析它們的衍射現象以及明紋暗紋條件和位置，公式眾多，物理量繁雜，而且有的公式相似度頗高，容易混淆，這也為學生的理解和記憶增添了不小的困難。為了消除教學對象所面臨的這些困惑，我們可以對光學教學進行如下改進。

三、大學物理光學教學的探究與思考

（一）要求學生深入理解每種光學現象的內涵

在學習每種光學現象的時候，我們除了要求學生記住明紋暗紋公式外，還需要求他們能夠深入理解現象及公式背后的物理內涵。比如學習劈尖和牛頓環干涉時，我們就要抓住兩者都是等厚干涉的這一共性，利用等厚線與干涉條紋相一致的特點，通過角度 θ、折射率 n 等參數的動態變化來判斷其干涉條紋的移動。

具體到課后習題 11-3（見圖 1），本題看上去并不像劈尖干涉，但仔細一考慮，其薄膜厚度的變化卻同劈尖干涉一樣，都是線性增長，而一頭一尾的空氣厚度差正好是兩個滾柱的直徑差，所以利用相鄰明紋對應的介質厚度差為λ2n這一等厚干涉所通用的規律，只要總厚度差不變，干涉條紋的數目也不變，而滾柱之間的距離 L 又變小，所以相鄰干涉條紋之間的間距顯然是變小的，于是本題的正確答案為 C（數目不變，間距減?。??！?】

再比如在學光柵衍射的時候，我們需要抓住光柵方程dsinθ=±kλ（k=0,1,2…）中|sinθ|燮1 的特點，得出屏幕上可以見到的最大條紋級數只能是光柵常數與光波長比值dλ的值，然后對其取整數。于是對于課后習題 11-“5波長的單色光垂直入射于光柵常數 d=1.0×10-4cm 的光柵上，可能觀察到的光譜線最大級次為多少”,顯然答案應該是 1.82 取整數而不是四舍五入，所以最后可以看到的最大級次為 1,選 D.

（二）加強知識點之間的有機聯系

在教學過程中，你完全可以將幾個知識點通過某一個關鍵點連成一條線。比如干涉和衍射這兩大知識板塊，乍一看似乎是相互獨立的，其實干涉與衍射，在物理本質上并無區別，僅由于歷史的原因以及處理相干光波疊加的方法不同，才分為干涉和衍射。通常把有限數目的分立相干光源的光波疊加稱為干涉。疊加后發生能量在空間的重新分布，此時的能量（強度）分布圖樣叫做干涉圖樣。即把從不同狹縫射出的相干波的疊加，稱為干涉。把連續分布的相干光源光波的疊加稱為衍射。疊加后發生能量在空間的重新分布，此時的能量（強度）分布圖樣叫做衍射圖樣。即把從同一個狹縫射出的相干波的疊加，稱為衍射。這樣一介紹，知識的邏輯體系就形成了，學生立刻就能將前后所學的知識加以關聯，得到更佳的學習效果。

（三）增強學生的學習興趣

在教授光學時，一定要結合學生的專業特點，采用形象生動的例子來吸引學生的目光，增強學生的學習興趣。在講述圓孔衍射，討論光學儀器的分辨率本領時，則牽涉到如何提高光學儀器分辨率的問題，由分辨率的數學公式可以引申出兩種方法，一種方法是增加透鏡直徑，最顯著的例子便是美國的哈勃太空望遠鏡，可以在多媒體課件上列出哈勃望遠鏡在二十余年觀測生涯中所拍攝的那些絢麗多彩的經典作品，如黑洞碰撞、恒星煙花等，來吸引學生的目光。而另一種方法則是減小波長，由近代物理知識可知，電子亦有波動性。針對材料學專業的學生，特地加入了對透射電鏡 TEM,掃描電鏡 SEM 和掃描隧道顯微鏡 STM 這三種電子顯微鏡的介紹，提升學生的直觀認識。如果是對生物專業的同學講述這部分的內容，則可以指出對大分子 DNA 晶體的成千張的X 射線衍射照片的分析，顯示出 DNA 分子的雙螺旋結構，而雙螺旋結構的發現又對生命科學的研究具有劃時代的意義。不同專業的同學通過各自專業知識與光學知識的聯系，自然能培養出自己對這門公共基礎課的興趣。

四、結束語

光學發展的過程，是人類一代代探知外在客觀、探知各種規律的一個永無止境的過程，是一個后人不斷補充、不斷修正乃至推翻前人認識的不斷進取的過程。而大學物理的光學教學在大學物理整個知識體系中占據了相當重要的地位，所以作為教學工作者，我們要不斷開拓教學新思路，培養學生興趣，促進教學發展，為學生日后的專業課學習奠定良好的基礎。

參考文獻

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