幾何光學課程教學改革與實踐

岳保旺 高 雁

忻州師范學院 山西忻州 034000

幾何光學是光學中以光線概念為基礎，研究光的傳播和成像規律的一個重要分支。幾何光學發展歷史長，理論完善，其結論在許多情況下符合實際，在日常生活和生產實際中有著廣泛的應用。幾何光學作為師范類物理專業的一門必修課，對未來中學物理教師的培養有著重要的作用。但由于該課程內容理論性較強，概念比較抽象，數學處理方法較難，再加上課時緊任務重，因而要深入學習比較困難。近幾年，我們針對該課程教學中存在的問題，主動適應基礎教育新課改的需要，為培養合格的中學物理教師，不斷進行教學方法的改革與實踐，總結出一套較適合幾何光學課程的教學方法。

1 幾何光學課程教學內容的改革與實踐

課程的內容體系，是提高課程教學質量和實現教學目標的核心和基礎。因而我們首先對幾何光學課程內容從以下幾個方面進行了改革與實踐。

(1)在保證幾何光學基礎內容和自身體系基本完整的前提下，刪除與初、高中重復的內容和對后續課程關聯不緊密的內容以及與培養目標相去甚遠的內容[1-2]，例如：在幾何光學的基本原理一章中刪除光的直線傳播定律、光的反射定律、平面反射成像、理想光具組中共軸球面系統的組合、厚透鏡、薄透鏡組合和近軸光學中的矩陣方法等；在光學儀器的基本原理一章中刪除人眼的結構、幻燈機和投影機的原理、像差等內容；壓縮和簡化了平面折射成像、全反射、三棱鏡、薄透鏡作圖求像(利用主光軸和過焦點的光線)、光學儀器的分辨本領等內容。以上做法為增加幾何光學研究新成果和熱點內容的介紹贏得了時間，創造了有利條件。

(2)用有關幾何光學的應用研究成果, 充實幾何光學部分應用內容，同時重視內容的科學組織，增強幾何光學自身的邏輯性和系統性，側重理論聯系實際。如講授光學纖維時介紹其歷史和典型的應用；講到棱鏡時，對棱鏡光譜儀分光的定量測量的成果做適當介紹；講授薄透鏡時，介紹薄透鏡在光學儀器中的應用，尤其是進行最新研究成果的介紹；在理想光具組的基點基面中講授節點時，增加照相機中轉機的介紹，增強學生對節點概念的認識和對理想光具組理論的理解；講授顯微鏡時，結合實際介紹電子掃描顯微鏡；介紹近視眼矯正時，理論聯系實際應用，簡要說明如何配眼鏡。使學生感受到課程與日常生活實際的聯系，提高學生的學習興趣。

(3)教學過程中結合教學內容，適時介紹幾何光學研究的熱點、重大發現和進展，激發學生對幾何光學的學習興趣。如講授光導纖維時，特意說明：現有傳輸總容量達到17.32 Tb/s，相當于2.1億對人在一根光纖上同時通話。如講授望遠鏡時，講明最先進的望遠鏡早已經不是哈勃望遠鏡了，夏威夷的凱克天文臺是目前最好的望遠鏡(擁有兩座世界上口徑第二大的光學近紅外線望遠鏡—凱克望遠鏡，口徑10米，僅次于西班牙口徑10.4米的加那利大型望遠鏡)。講到顯微鏡時，介紹目前最好的顯微鏡的放大倍數和最高的分辨本領，即最先進的掃描隧道顯微鏡放大倍數為3億倍，分辨率可達0.1埃。同時介紹我國1979年研制成分辨本領為0.3納米的大型電子顯微鏡，中科院北京電鏡實驗室和大連理工大學研制的中國第一臺光子掃描隧道顯微鏡，增加學生的民族自豪感，激發學生的學習積極性和主動性。

2 恰當處理教材中數學推導繁和難的問題

數學對于物理專業的學生來講，是不可或缺的工具，但由于一些學生數學基礎較差，部分學生對數學推導興趣不高，因此，如何在有限的學時內，使學生較好地掌握用數學處理幾何光學問題的方法，是教師在幾何光學教學中面臨的重要問題，這直接關系到光學課程的教學質量。對此我們將幾何光學中的不同內容，從物理教學實用的角度出發，加以深刻研究，開展數學與幾何光學教學內容的優化整合。

如講授由費馬原理導出幾何光學的實驗定律(反射定律和折射定律)時，我們用簡單明了的取極小值定性說明而非用嚴格數學推導，拋開相對煩瑣的數學推導，用理性的理解取極值的含義，通過實例來證明費馬原理取極大值、極小值和常數3種情形下的正確性而非嚴密推導。在導出單球面反射和折射成像公式中，只需用費馬原理光程取極值再加近軸條件導出其單球面反射物像公式即可，而單球面折射成像公式也不必進行數學推導。在講授光源在較近或較遠時的聚光本領時，不進行數學推導過程，而只對結論進行必要的闡明和理性分析。棱鏡光譜儀和光柵光譜儀的角色散率和色分辨本領也不做嚴格的數學推導，僅簡述導出過程且對結論進行基本的探討和說明。這樣處理使大多數學生能正確理解光學知識，從而避免枯燥的數學推導，提高了學生的學習興趣。

3 注重培養學生的科學素質

在光學課程教學改革中，我們把以知識學習為主轉變為以科學素質教育為主，著眼于培養敢于創新、善于思索的21世紀未來中學物理教師，著重培養學生的創新精神和自主學習的能力，從強調依靠教師“教會”，轉變為注意引導學生“學會”，并使學生“會學”[3]。為此，在改革中還要注意吸收利用近年來教學研究新成果，反映光學研究最新動態，通過這些知識的傳授提高學生的科學素質和能力，為學生知識、能力、素質協調發展創造條件。

如在幾何光學作圖求像中，學生對薄透鏡作圖求像中熟悉的一條特殊光線是過透鏡中心的光線不改變傳播方向這一規律，而在單球面反射和折射作圖求像中引導學生找到過哪點的光線符合類似的規律，進一步在薄透鏡利用副光軸和焦平面作圖求像中，如何用過透鏡中心光線(副光軸而非主軸)實現作圖求像。又如通過單球面反射的橫向放大率，分析成像的性質，包括像的大小、正倒立和虛實。分析中強調根據橫向放大率的基本定義式β=—y'/y[4]可方便判定像的大小、正倒立，根據單球面反射的橫向放大率公式β=—s'/s可方便判定像的大小、虛實，而在單球面折射成像中利用根據橫向放大率的基本定義式和單球面折射的橫向放大率具體公式，再考慮到折射的實際光線是區別于反射，不難根據橫向放大率表達式確定成像的性質，進一步根據薄透鏡橫向放大率表達式也能判斷其成像性質。在幾何光學中若要近似成像，必然要用到近軸光線條件，即光線與主軸的夾角很小，滿足u≈sinu≈tgu，在單球面反射成像中要用到，同樣單球面折射中也要用到，并且在導出助視儀器的放大本領、分辨本領時用到，應該引導學生注意到這一條件的變化情況，在直角三角形中直角邊長近似等于斜邊長，且在有關的公式推導中會自己使用。

4 發揮多媒體教學的優勢

應用多媒體教學可使課堂教學內容更加形象化，增強生動性[5]。由于幾何光學中光路圖特別多，尤其是在講授光學元件的多次成像、目鏡原理、顯微鏡工作原理時光路圖較為繁雜，若教師采用板書畫圖或者掛圖進行講解，必然會消耗時間太多，教學效率低且形式單一缺乏生動性。因此，我們注重使用多媒體教學，將需要講解的光路圖以動態(聲音、圖形、動畫等)形式展示給學生，讓學生看到類似于真實光線的行進，將較為抽象的理論概念，以直觀形象的形式展現給學生，激發學生的學習興趣，提高學生學習的主動性，使學生理解并掌握光的傳播規律。同時在使用多媒體教學中，教師還要多關注學生的學習表情，隨時根據學生對知識的接受情況，調整授課速度，尤其是調整多媒體課件的播放速度。當部分學生有不理解的情況時，應適當放慢多媒體播放的速度并配合板書以求學生聽得懂看得清能理解。另外，我們將多媒體教學與適當的板書講解有機結合，如針對講授的重點或者難點內容，輔以板書，特別是光學有關公式的推導演繹。板書的形式能讓學生看得更直觀明了。

5 結束語

在幾何光學的教學中，我們進行了一些改革探索，取得了一定成績，但幾何光學課程的教學改革和實踐還處于初級階段，有待進一步深入研究和實踐。

[1] 吳現成.光學課程教學改革初探[J].高等理科教育,2001(4):35-38.

[2] 鐘金鋼.21世紀普通物理光學教學改革思路研究[J].中山大學學報論叢,2002,22(1):120-122.

[3] 王秀琳.光學教學改革的探索與實踐[J].集美大學學報:教育科學版,2006,7(2):75-77.

[4] 姚啟均.光學教程[M].北京:高等教育出版社,2009.

[5] 李辛毅.光學課程教學中多媒體應用的實效性研究[J].滁州學院學報,2009,11(3):74-75.