浅谈《光学与现代生活》通识教育选修课的教学设计

摘 要：光学与现代生活是面向高等学校中各专业本科生的一门通识教育选修课。由于光学在自然科学中的基础地位以及与社会生活的密切联系，因而它在人才培养中起着十分重要和独特的作用。所以，要讲好这门课必须要注意各个教学环节。本文主要根据笔者几年的教学经验，浅谈了几个教学环节的教学设计思想。

关键词：光学;通识教育;教学方法;教学设计

一、引言

教学设计是根据教学对象和教学目标，确定合适的教学起点与终点，将教学诸要素有序、优化地安排，形成教学方案的过程。它是一门运用系统方法科学解决教学问题的学问，它以教学效果最优化为目的，以解决教学问题为宗旨。具体说来，教学设计是指教师以现代教学理论为基础，依据教学对象的特点和教师自己的教学观念、经验、风格，运用系统的观点与方法，分析教学中的问题和需要，确定教学目标，建立解决问题的步骤，合理组合和安排各种教学要素，为优化教学效果而制定实施方案的过程。

光学与现代生活这门课是面向延边大学各专业本科生的一门通识教育选修课，开设本课程是人文素质和科学素质互补性教育的需要。光学是物理学中最古老的一个基础学科，又是当前科学研究中最活跃的学科之一。随着人类对自然界的认识不断深入，光学的发展大致经历了几何光学、波动光学、量子光学、现代光学四个时期[1]。光学与现代生活教学过程正是围绕这四个时期的主题进行教学。每一个时期的光学又有每一个时期的科学内涵。所以，在课堂教学中针对每一个时期的光学要有一些不同的教学设计思想。这样，可以使学生加深对光学概念的理解，更好地掌握光学规律，也可以对光学发展脉络有清晰的把握。这样就能更好地实现在现代多元化的社会中，为不同专业受教育者提供通行于不同专业和不同人群之间的科学知识和价值观的通识教育选修课的教学目标。

本文就光学与现代生活这门课的特点，结合笔者的教学实践，探讨每一个时期的光学的不同的教学设计思想。

二、几何光学的教学设计思想

几何光学是光学学科中最古老的学科，它是以光线为基础，研究光的传播和成像规律的一个重要的实用性学科。在几何光学中，把组成物体的物点看作是几何点，把它所发出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传播方向[2]。在此假设下，根据光线的传播规律，可以研究物体经透镜或其他光学元件成像的过程。几何光学的讲授以如下5个基本定律为基础：一是光的直线传播定律;二是光的独立传播定律;三是光的反射定律;四是光的折射定律;五是光的全反射现象。在此基础上进一步讲授以单球面折射成像为基础的成像光学，并介绍一些象望远镜、显微镜等重要的光学仪器和它们的发展历程。

要讲授好这些内容必须要有好的布局，同时要有好的教学方法。首先，课件布局要美观。课件不仅要内容丰富，形式多样，更要根据光路体现动画色彩。例如，在讲授单球面折射成像光路图时，采用动画效果会让学生对物点、像点近轴光线等概念有更加清晰的认识。其次，教案设计要合理。学时有限，内容多，必须抓住重点和难点合理设计才行。教案中必须有：教学内容、教学目标、教学重点、教学难点、板书设计、主要教学方法、教学工具及各阶段时间分配等。

教案设计要突出文中提到的5大定律进行讲授，同时对成像光学不能面面俱到也要突出重点进行必要的讲解。例如，对显微镜和望远镜的光路图进行讲授时一定要结合幻灯机、照相机放大镜的光路进行讲述。这样学生就会知道显微镜和望远镜的物镜成像和幻灯机、照相机成像类似;显微镜和望远镜的目镜成像和放大镜相似的道理。这样他们对显微镜和望远镜的成像系统就有了形象深刻的理解和把握。最后，教学方法要多样化。例如，讲解全反射时可以采用探究法探究光纤通信。讲解透镜时采用比较法等。这样可以使课堂内容讲授丰富多彩。几何光学是学生学习的入门阶段，这些教学设计方式有机结合，才能使教学效果最优化，使他们迅速入门。

三、波动光学的教学设计思想

波动光学是以波動理论研究光的传播及光与物质相互作用的光学分支[3]。波动光学是光学中非常重要的组成部分，内容包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等。波动光学的研究成果使人们对光的本性的认识得到了深化。

波动光学阶段讲授时，要使学生对光的认识深化和升级，这时因为文科学生多，还应补全大学物理振动和波的部分，必须使他们预先了解波面、波长、波的频率和周期等概念，还有干涉和衍射等现象，否则达不到预期效果。

波动光学教学应以波为主线，要着重强调凡是具有干涉、衍射现象的物质都是波，光也不例外。正是因为科学家通过实验看到了光的干涉、衍射现象，才使人类对光的认识得到了深化。

这部分讲授要突出杨氏双缝干涉、单缝衍射等重点实验现象。要让学生通过实验现象认识光的波动性。教学方法方面可以采用引导法，激发学习兴趣法、情境教学法等。

例如，讲杨氏双缝干涉实验时，可以先讲托马斯·杨发现光的干涉现象的过程。他首先让通过一个小针孔S0的一束光，再通过两个小针孔S1和S2，变成两束光。这样的两束光来自同一光源，所以它们是相干的，结果表明，在光屏上果然看见了明暗相间的干涉图样;后来，他又以狭缝代替针孔，进行了双缝实验，得到了更明亮的干涉条纹，这样就有了后来著名的双缝干涉实验。通过这样一引导就可以激发学生的求知欲望和学习热情。

此外，这部分的讲授要结合因特网给学生留一些网上作业，让学生对光的波动理论的来历有历史性的了解。例如，让他们在网上翻看牛顿的微粒说和惠更斯的波动说相互斗争的时代情境，使他们知道光的波动理论来之不易。还可以在网上采集一些干涉、衍射、偏振现象的动画片在课堂放映，使课堂气氛变得形象生动。这样可以提高学生获得知识的效率，还可以培养学生的学习兴趣。

这部分的教学设计要让学生多多通过实验现象认识光的波动本质。

四、量子光学和现代光学的教学设计思想

量子光学是以辐射的量子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科。与经典理论不同之处在于不连续性也就是量子性。各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。量子论很自然地解释了黑体辐射能量按波长分布的规律，以全新的方式提出了光与物质相互作用的问题[4]。

内容包括：普朗克能量子假设、爱因斯坦光量子假设、波尔假设、德布罗意物质波假设和激光等。这部分内容会使学生对光的本性的认识得到升华。

对这部分的讲授要从普朗克能量子假设出发强调辐射的量子论。并通过讲授爱因斯坦光量子假设，让学生明白，光不仅具有波动性，又同时具有粒子性。即光具有波粒二象性，波动性表现在光的传播过程中，粒子性表现在光的发射和与物质的相互作用过程中。再通过德布罗意物质波假设让学生的认知从光的波粒二象性进一步升华到微观粒子的波粒二象性，也就是让学生清楚不仅是光，一切微光粒子都即具有波动性又具有粒子性。再通过波尔假设使学生了解发光机理。这部分内容因为大多是大名鼎鼎的物理學家的诺贝尔奖的成果，学生往往更感兴趣，因为学生从小就听过爱因斯坦等名人的故事。所以这部分的讲授要多讲一些科学故事启发学生。让学生对普朗克能量子假设、爱因斯坦光量子假设和德布罗意物质波假设等的来历和历史背景有比较通透的理解。

激光的讲授是本门课的结尾部分也是量子光学和现代光学的过渡部分。要对激光的名字的来历、激光的发光机理、花样繁多的激光器及激光的应用进行讲授。在着重讲授内容的同时，要展望现代光学的未来。要多放一些激发爱国热情的我国在激光领域里的成就和应用的视频。因为我国在激光领域并不落后，有的甚至超前。这样可以极大地激发学生的学习热情和爱国情怀。最后，应以光学发展简史为主题为本门课做一个完美的小结。使学生对光学几千年的发展脉络有一个清晰的把控和梳理。笔者通常以放专题片和讲解的方式进行扣题小结。

讲授各个时期的光学还有一个重要的教学设计环节就是作业。因为是通识教育选修课而不是专业课，还有因为文科学生占多数，所以作业不能留的太专业，要尽量避开高深的数学运算，以基本概念、基本公式和阐述基本原理和应用为主线布置作业，不能太多也不能太少，每个部分以12道题左右布置为好，而且要堂堂布置，还要留一些网上科普作业。这样既能满足了32学时的教学大纲要求，也不会让学生学起来费力。要让学生结合因特网完成作业，因为因特网上的学习资料相当丰富。最后的考试要以作业为主线出题，还要给一些高材生留一些举一反三的空间，这样即达到了考察的目的也拉开了学生间的分数距离。

五、结语

教学设计必须解决教什么，怎样教的问题，同时要把教学的各要素看成一个系统，使之有机结合，使教学效果最优化，这样才能达到预期的教学目标。同时，教学设计也是教师课堂教学成败的关键，教师只有借助生动丰富的教学设计、精细实施课堂教学活动，才能帮助学生获得最大程度的发展。

参考文献：

[1]刘吴若.浅谈光学的发展与应用[J].科技展望，2016（28）.

[2]张冲.浅谈光学的发展与应用[J].科学与财富，2017（12）.

[3]南祎楠.浅谈光学理论发展[J].科学中国人，2017（17）.

[4]彭金松.几何光学、波动光学和量子光学的区别与联系[J].河池学院学报，2005（5）.

推荐访问:选修课 浅谈 教学设计 光学 教育