幾何光學(xué)教育教學(xué)和現(xiàn)代應(yīng)用相結(jié)合的初步探討

幾何光學(xué)教育教學(xué)和現(xiàn)代應(yīng)用相結(jié)合的初步討論〔〕:

摘要：我國(guó)高等院校的理工科專業(yè),普遍把幾何光學(xué)局部納入根底課教學(xué)，因?yàn)閹缀喂鈱W(xué)既是光學(xué)的一個(gè)分支，也是大學(xué)物理的一個(gè)重要組成局部。幾何光學(xué)的教學(xué)也需要得到一定的開(kāi)展，這就對(duì)我們教師提出了更高的要求，如何培養(yǎng)高素質(zhì)人才，讓幾何光學(xué)與現(xiàn)代應(yīng)用相結(jié)合是我們不斷探究的課題。本文對(duì)幾何光學(xué)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育相結(jié)合概述，討論通過(guò)幾何光學(xué)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的才能，最后對(duì)幾何光學(xué)教育教學(xué)和攝影技術(shù)相結(jié)合的詳細(xì)分析，希望對(duì)我國(guó)幾何光學(xué)教學(xué)具有幫助。

關(guān)鍵詞：幾何光學(xué)；教學(xué)；現(xiàn)代應(yīng)用

本文引用格式：李文,胡仕紅.幾何光學(xué)教育教學(xué)和現(xiàn)代應(yīng)用相結(jié)合的初步討論[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(12):182-184.

隨著時(shí)代的開(kāi)展和技術(shù)的進(jìn)步，人們?cè)絹?lái)越多的接觸到與光學(xué)相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用，比方單反相機(jī)和攝影等越來(lái)越多的進(jìn)入群眾的生活。同時(shí)時(shí)代的開(kāi)展也對(duì)當(dāng)前高校的教育教學(xué)改革提出了更多的要求，如重視培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)才能，在工程教育方面要求進(jìn)步大學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的才能等。

一幾何光學(xué)教學(xué)內(nèi)容

縱觀當(dāng)前的高校院物理學(xué)專業(yè)光學(xué)課程教學(xué)教材，均為姚啟鈞原著的?光學(xué)教程?(第四版)，根據(jù)課程安排，每學(xué)期為72學(xué)時(shí)，該教材涉及的內(nèi)容包括：a光的干預(yù)；b光的衍射；c幾何光學(xué)根本原理；d光學(xué)儀器根本原理；e光的偏振，從課程內(nèi)容的分布上看，幾何光學(xué)局部約占內(nèi)容的20%，相較于第三版內(nèi)容，教材增加一些高新技術(shù)，并且多項(xiàng)選擇用和生活相關(guān)的例子，同時(shí)在幾何光學(xué)局部簡(jiǎn)化如下內(nèi)容：a費(fèi)馬原理在反射；b折射原理中的推導(dǎo)；c理想光具組作圖法求像；d像差原理介紹，增設(shè)了如下內(nèi)容：a現(xiàn)代投影裝置；b數(shù)碼相機(jī)；c哈勃太空望遠(yuǎn)鏡；d還光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用；e集成光學(xué)簡(jiǎn)介，大大提升了教學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性。

二幾何光學(xué)可以和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育相結(jié)合

幾何光學(xué)作為一門(mén)古老而又充滿活力的科學(xué)技術(shù)分支，它既是工程師教育的根底課，同時(shí)也是如今大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的一個(gè)很好方向。幾何光學(xué)的很多知識(shí)，可以在我們的測(cè)量?jī)x器、成像設(shè)備、傳感設(shè)備等很多方面找到應(yīng)用。這為我們的教學(xué)工作帶來(lái)了很多的實(shí)例，也為我們結(jié)合新的市場(chǎng)需求開(kāi)展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)帶來(lái)了應(yīng)用知識(shí)的機(jī)遇[1-2]。比方世界青年物理學(xué)家競(jìng)賽〔InternationalYoungPhysicists'Tournament〕里面的題目很多都是物理學(xué)包括幾何光學(xué)知識(shí)在消費(fèi)理論中的應(yīng)用。

作為和應(yīng)用聯(lián)絡(luò)嚴(yán)密的一門(mén)根底物理課，幾何光學(xué)帶給我們?cè)诮虒W(xué)上的很多聯(lián)絡(luò)創(chuàng)新的可能。這要求我們應(yīng)不斷考慮嘗試著把光學(xué)的很多知識(shí)和常見(jiàn)技術(shù)應(yīng)用聯(lián)絡(luò)起來(lái)，以激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣和技術(shù)研究創(chuàng)新的熱情。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)是近年來(lái)我國(guó)大力倡導(dǎo)的文化，并且得到高校的大力支持，高校學(xué)生研究幾何光學(xué)的相關(guān)知識(shí)，可以在畢業(yè)后獲得很多創(chuàng)業(yè)的便利條件。

三通過(guò)幾何光學(xué)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的才能

國(guó)際上關(guān)于本科工程學(xué)歷〔一般為四年〕的資格互認(rèn)有?華盛頓協(xié)議?，按照?華盛頓協(xié)議?，"復(fù)雜工程問(wèn)題";必須具備下述特征1，同時(shí)具備下述特征2-7的局部或全部【3】：

1.必須運(yùn)用深化的工程原理，經(jīng)過(guò)分析才可能得到解決

。

2.涉及多方面的技術(shù)、工程和其它因素，并可能互相有一定沖突。

3.需要通過(guò)建立適宜的抽象模型才能解決，在建模過(guò)程中需要表達(dá)出創(chuàng)造性。

4.不是僅靠常用方法就可以完全解決的。

5.問(wèn)題中涉及的因素可能沒(méi)有完全包含在專業(yè)工程理論的標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)中。

6.問(wèn)題相關(guān)各方利益不完全一致。

7.具有較高的綜合性，包含多個(gè)互相關(guān)聯(lián)的子問(wèn)題。

在我國(guó)成為?華盛頓協(xié)議?正式締約成員后,深化地理解把握復(fù)雜工程問(wèn)題并培養(yǎng)出具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題才能的畢業(yè)生,將是我國(guó)高等教育所有本科工程專業(yè)當(dāng)前和今后必須重視和做好的重要工作。

那么在幾何光學(xué)這樣一門(mén)根底物理課的教學(xué)中，有沒(méi)有可能通過(guò)課程建立改革來(lái)培養(yǎng)同學(xué)們解決復(fù)雜工程問(wèn)題的才能呢？雖然單學(xué)科無(wú)法解決復(fù)雜工程問(wèn)題，但是通過(guò)幾何光學(xué)這門(mén)課程的學(xué)習(xí)來(lái)激發(fā)學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解復(fù)雜工程問(wèn)題中的物理本質(zhì)，激發(fā)他們深化考慮研究的興趣，培養(yǎng)他們解決復(fù)雜工程問(wèn)題的才能，仍然還是可行的，原因還是光學(xué)這門(mén)根底物理課的知識(shí)在工程理論中廣泛的應(yīng)用。

比方在數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)很普及的今天，很多人在學(xué)完光學(xué)課程后對(duì)數(shù)碼攝影中的很多名詞術(shù)語(yǔ)仍然很陌生，或者熟悉了但是并不理解，或者掌握了攝影技術(shù)但是缺乏物理包括幾何光學(xué)上的深化理解。而數(shù)碼相機(jī)無(wú)疑正是多學(xué)科穿插交融的產(chǎn)品，由前述復(fù)雜工程問(wèn)題的特征界定，數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì)制備無(wú)疑包含了大量的復(fù)雜工程問(wèn)題，牽涉到材料學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、機(jī)械學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)、單片機(jī)、軟件編程等多種學(xué)科和技術(shù)工藝。[4-7]

四幾何光學(xué)教育教學(xué)和攝影技術(shù)相結(jié)合的詳細(xì)分析

我們假設(shè)在幾何光學(xué)的課程建立中，以數(shù)碼相機(jī)中的光學(xué)知識(shí)為切入點(diǎn)，來(lái)激發(fā)同學(xué)們學(xué)習(xí)和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的興趣和才能，無(wú)疑是既具有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值，也能拓展同學(xué)們工程技術(shù)上的寬廣視野。

為此我們?cè)谥v解光學(xué)儀器時(shí)，可以適當(dāng)引入攝影技術(shù)中的一些概念和術(shù)語(yǔ)，把它和光學(xué)知識(shí)聯(lián)絡(luò)起來(lái)。

詳細(xì)來(lái)說(shuō)幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)：

1.光學(xué)模型的建立。盡管數(shù)碼相機(jī)里的攝影鏡頭種類繁多，為了消除色差像差導(dǎo)致鏡頭內(nèi)部鏡片組設(shè)計(jì)、形狀、材料、鍍膜都很復(fù)雜，但是不失一般性，很多情況下仍然可以利用幾何光學(xué)里面的單凸透鏡頭成像模型，來(lái)理解其中的幾何光學(xué)現(xiàn)象。而對(duì)多個(gè)光學(xué)元件組成的鏡片組，在幾何光學(xué)里應(yīng)用逐次成像的方法，就可以得到不同鏡片組組成的各類鏡頭的光學(xué)解釋。

2.中文光學(xué)教材或攝影知識(shí)里面的景深，對(duì)應(yīng)一些法語(yǔ)幾何光學(xué)課教材里面的場(chǎng)深〔profondeurdechamp〕【5】。這一概念對(duì)理解光學(xué)儀器的調(diào)焦是個(gè)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn),同時(shí)也對(duì)應(yīng)攝影技術(shù)里的對(duì)焦、虛化背景等概念和技術(shù)手段。

3.光學(xué)鏡頭的孔徑光闌的概念和攝影術(shù)語(yǔ)中的光圈數(shù)〔相對(duì)孔徑的倒數(shù)〕對(duì)應(yīng)，它既影響光學(xué)中成像的分辨率，也對(duì)攝影中正確的曝光量和景深的選擇至關(guān)重要。

4.角視場(chǎng)在幾何光學(xué)模型中可以很直觀地示意出來(lái)，這個(gè)概念直接和鏡頭焦距選擇相關(guān)〔長(zhǎng)焦、廣角等鏡頭選擇〕，也能和相機(jī)感光芯片的幅面尺寸建立聯(lián)絡(luò)。

5.攝影技術(shù)中的超焦距概念也可以用單鏡頭幾何光學(xué)模型來(lái)直觀地闡述清楚。

對(duì)這局部概念、知識(shí)和幾何光學(xué)模型的引入，會(huì)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到復(fù)雜工程問(wèn)題是可以也是需要通過(guò)建立數(shù)學(xué)物理模型來(lái)理解和解決的，其實(shí)這也是數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)的內(nèi)在光學(xué)本質(zhì)決定的。

同時(shí)，這局部幾何光學(xué)的內(nèi)容既和后面的波動(dòng)光學(xué)以及其他學(xué)科也有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)絡(luò)，也有相對(duì)的獨(dú)立性。假設(shè)做好了這局部建模工作，會(huì)讓學(xué)生很有成就感，從而培養(yǎng)他們的科研自信和工程才能。

將幾何光學(xué)和攝影技術(shù)建立聯(lián)絡(luò)的做法，既有實(shí)用價(jià)值，也能促發(fā)學(xué)生考慮探究。詳細(xì)開(kāi)展可以通過(guò)家庭作業(yè)或做小工程等形式開(kāi)展。這樣既不占用太多的課內(nèi)學(xué)時(shí)，也可以讓學(xué)生通過(guò)做小工程去考慮探究，去擴(kuò)展閱讀，并逐步學(xué)會(huì)建立數(shù)學(xué)物理模型去解決工程問(wèn)題。[8-11]

五恰當(dāng)處理教材中數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁和難的問(wèn)題

高校的物理教學(xué)中，數(shù)學(xué)是不可或缺的工具，但是局部學(xué)生的數(shù)學(xué)根底較差，對(duì)推算的興趣不高。因此，需要教師考慮如何在有限學(xué)時(shí)使學(xué)生更好的掌握和利用數(shù)學(xué)處理幾何光學(xué)問(wèn)題，這不僅關(guān)系到幾何光學(xué)教學(xué)質(zhì)量，更是學(xué)生學(xué)習(xí)中必須面對(duì)的難題。教師需要根據(jù)幾何光學(xué)中詳細(xì)教學(xué)內(nèi)容安排數(shù)學(xué)推導(dǎo)，重視興趣的培養(yǎng)，從實(shí)用的角度考慮如何開(kāi)展物理教學(xué)，此外，教師還要加強(qiáng)專業(yè)研究，努力實(shí)現(xiàn)幾何光學(xué)教學(xué)和數(shù)學(xué)的優(yōu)化整合。比方講授?由費(fèi)馬原理導(dǎo)出幾何光學(xué)的實(shí)驗(yàn)定律?(反射定律和折射定律)時(shí)，教師要杜絕使用數(shù)學(xué)推導(dǎo)，而利用簡(jiǎn)單的取極小值定性說(shuō)明，這樣學(xué)生就不會(huì)感覺(jué)推導(dǎo)過(guò)程繁瑣。利用理解取極值的含義進(jìn)展理性分析，可以通實(shí)例證明如下三種情形的正確：a費(fèi)馬原理取極大值；b極小值；c常數(shù)，巧妙化解嚴(yán)密推導(dǎo)的方法。同時(shí)，在導(dǎo)出單球面的反射和折射成像公式中，學(xué)生只需利用費(fèi)馬原理光程取極值，并且結(jié)合近軸條件將其單球面反射物像公式導(dǎo)出即可。同理，單球面折射成像公式也不需要利用數(shù)學(xué)推導(dǎo)。再如，講授光源的聚光本領(lǐng)時(shí)，教師可以不對(duì)數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程講述，重點(diǎn)對(duì)結(jié)論進(jìn)展說(shuō)明和理性分析。此外，棱鏡光譜儀、光柵光譜儀的角色散率、色分辨本領(lǐng)不做數(shù)學(xué)推導(dǎo)要求，將導(dǎo)出過(guò)程簡(jiǎn)述即可，這樣處理可以防止大量的、枯燥的推導(dǎo)過(guò)程，使學(xué)生具有學(xué)習(xí)的動(dòng)力，讓學(xué)生對(duì)光學(xué)知識(shí)更加有效的掌握。

六發(fā)揮多媒體教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

在當(dāng)前的高校教學(xué)中，多媒體技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的利用，該技術(shù)使物理教學(xué)更加生動(dòng)形象，極大的提升學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，有著傳統(tǒng)教學(xué)方法不具備的優(yōu)勢(shì)。在多媒體環(huán)境下，學(xué)生可以明晰的看到推導(dǎo)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使學(xué)習(xí)效率得到極大的提升。在幾何光學(xué)教學(xué)中，光路圖教多，特別是講授目鏡原理、光學(xué)元件的屢次成像和顯微鏡工作原理時(shí)，涉及到更為復(fù)雜的光路圖。傳統(tǒng)的教學(xué)形式下，教師采用板書(shū)畫(huà)圖講解，在擦拭中會(huì)消耗很多時(shí)間，影響教學(xué)效率且課堂氣氛較為壓抑。因此，將多媒體融入光學(xué)幾何教學(xué)，尤其是將光路圖教學(xué)可以利用動(dòng)態(tài)的圖像展示給學(xué)生，學(xué)生就會(huì)感受真實(shí)光線的行進(jìn)道路，讓枯燥的理論知識(shí)生動(dòng)起來(lái)，便于學(xué)生的直觀觀察，深化理解光的傳播規(guī)律。同時(shí)，教師在使用多媒體技術(shù)時(shí)，需要對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)觀察，假設(shè)感覺(jué)學(xué)生學(xué)習(xí)較為吃力，可以將播放速度放慢。假設(shè)學(xué)生仍然對(duì)局部?jī)?nèi)容不理解時(shí)，教師要適當(dāng)終段播放，通過(guò)及時(shí)的講解化解學(xué)生心中的疑惑。多媒體技術(shù)是高校物理教學(xué)的創(chuàng)新，但是仍然需要板書(shū)的配合，在光學(xué)有關(guān)公式的推導(dǎo)教學(xué)中，板書(shū)仍然具有不可替代的作用。

七注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)

在光學(xué)課程教學(xué)中，教師不僅要關(guān)注理論知識(shí)的教育，還要注重科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，物理是一門(mén)以科學(xué)實(shí)驗(yàn)為支撐的學(xué)科，教師進(jìn)展幾何光學(xué)教學(xué)不僅要讓學(xué)生懂得理論知識(shí)，還要提升物理核心素養(yǎng)，使自身的探究意識(shí)、操作才能都得到提升。作為一名高校物理教師，自身也要關(guān)注物理學(xué)科的進(jìn)展，將近年來(lái)的教學(xué)成果總結(jié)，并且借鑒靈敏的教學(xué)策略，使學(xué)生帶著淵博的知識(shí)為我國(guó)的科研事業(yè)做出奉獻(xiàn)。在幾何光學(xué)的作圖求像教學(xué)中，特殊光線過(guò)透鏡中心的光線不改變傳播方向的規(guī)律是重要的教學(xué)內(nèi)容，在之后的單球面反射和折射中，在作圖求像要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)過(guò)哪點(diǎn)的光線可以總結(jié)類似規(guī)律。再如，分析成像性質(zhì)時(shí)可以通過(guò)單球面反射使橫向放大率增大，這樣分析像的大小、虛實(shí)和正倒立更加有效。

八注重興趣的培養(yǎng)

在教學(xué)過(guò)程中，教師要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，在保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)風(fēng)氣同時(shí)也要在幾何光學(xué)研究教學(xué)教學(xué)中，用熱點(diǎn)問(wèn)題、重大發(fā)現(xiàn)和科學(xué)進(jìn)展來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比方講述光導(dǎo)纖維時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)極大的開(kāi)展，現(xiàn)有傳輸總?cè)萘恳呀?jīng)超過(guò)17.32Tb/s，相當(dāng)于至少2.1億對(duì)人同時(shí)集中在一根光纖上通話。再如講授望遠(yuǎn)鏡時(shí)，很多學(xué)生在初高中的學(xué)習(xí)指知道哈勃望遠(yuǎn)鏡是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的技術(shù)，而當(dāng)前凱克天文臺(tái)擁有凱克望遠(yuǎn)鏡要領(lǐng)先于哈勃望遠(yuǎn)鏡，其口徑長(zhǎng)度到達(dá)10米，僅次于世界口徑最大的西班牙口徑加那利大型望遠(yuǎn)鏡〔口徑10.4米〕。在講到顯微鏡時(shí)，還要告知學(xué)生當(dāng)前最好的顯微鏡放大倍數(shù)以及分辨埃的大小，最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡是面倍數(shù)為放大倍數(shù)達(dá)3億倍的掃描隧道顯微鏡，分辨率可達(dá)0.1埃。在講述先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)也要對(duì)我國(guó)1979年研制顯微鏡-0.3納米大型電子顯微鏡做出介紹，作為中科院北京電鏡實(shí)驗(yàn)室與大連理工大學(xué)共同研制的我國(guó)第一臺(tái)光子掃描隧道顯微鏡，教師要做出重點(diǎn)介紹，在學(xué)生聽(tīng)講的過(guò)程中，使學(xué)生的民族自豪感增強(qiáng)，產(chǎn)生更大的學(xué)習(xí)動(dòng)力，勵(lì)志為國(guó)家科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展奉獻(xiàn)力量。

九結(jié)語(yǔ)

實(shí)際上，光學(xué)作為一個(gè)和前沿技術(shù)開(kāi)展聯(lián)絡(luò)嚴(yán)密的根底學(xué)科，在很多科學(xué)技術(shù)中都可以找到它的身影，這對(duì)我們的教育教學(xué)帶來(lái)不少的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，我們的課程建立在夯實(shí)數(shù)理根底的同時(shí)，也應(yīng)該時(shí)刻關(guān)注科技的最新進(jìn)展，帶著開(kāi)展的目光，不斷與時(shí)俱進(jìn)地去進(jìn)展課程教學(xué)內(nèi)容的改革更新。

參考文獻(xiàn)

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