物理光学课程教学改革论文

2022-04-26

[摘要]物理光学课程是光电信息科学与工程，电子信息科学与技术专业的一门实践性很强的课程，强调理论与实践相结合。我们针对物理光学课程的特点和教学要求，探索如何把新的教学方法贯穿于课程的教学过程中。文章介绍了教学改革的具体方法和实施过程。实践表明，新的教学方法能增强学生的学习兴趣，提高教学质量，有利于培养学生的创新意识和创新能力。下面是小编为大家整理的《物理光学课程教学改革论文(精选3篇)》，仅供参考，希望能够帮助到大家。

物理光学课程教学改革论文篇1：

基于MATLAB的物理光学仿真

摘要：利用MATLAB编程语言对典型物理光学实验进行了仿真模拟，制作了包括干涉、衍射、信息光学、晶体光学实验在内的光学实验仿真平台，可应用到光学理论和实验教学中，使整个抽象的物理过程变得直观形象，增强了学生的学习兴趣，提高了物理光学课程的教学水平。

关键词：物理光学；MATLAB；仿真

一、引言

《物理光学》课程是我院直通车军用光电工程专业开设的一门重要的专业基础必修课，它是研究光的基本属性、光的传播规律、光与物质相互作用以及相关应用的学科，也是一门应用性很强的学科。该课程的学习将与后继课程，如光电技术、激光技术、光纤通信等有密切关系，也是学员今后开展军用光电装备保障工作的基础。因此，教学质量的好坏直接关系到学员对今后专业课程的学习效果以及将来的岗位任职需要[1]。

当前信息技术飞速发展，计算机辅助教学已被广泛应用于各学科教学中[2]。而我院的《物理光学》课程教学依然主要沿用传统的“口授、耳听、笔演”的教学模式，尚未找到一种可以很好地囊括教学内容的辅助教学软件。基于此，笔者构建了基于MATLAB的物理光学仿真平台，有效地提高了课堂教学效率，改善了当前课时压缩和教学内容有增无减的矛盾现状。

二、平台简介

物理光学实验仿真平台主要包括四个模块，分别为：干涉实验、衍射实验、信息光学和晶体光学，其总体构架如图1所示。其中干涉实验主要包括杨氏双缝干涉、牛顿环和迈克尔逊干涉仪等典型干涉现象的仿真。衍射实验主要包括单缝衍射、光栅衍射、圆环衍射以及圆孔、矩孔、三角孔的衍射仿真，通过分析这些仿真结果，可以较好地掌握衍射现象的普遍规律。信息光学部分主要是对高通和低通滤波进行了模拟仿真。晶体光学部分包括平行偏振光干涉和会聚偏振光的干涉。

三、各模块的仿真实现

（一）干涉实验仿真

（二）衍射实验仿真

在这部分，主要是对几种不同孔径的夫琅和费衍射进行了仿真。夫琅和费衍射的仿真方法有两种：一种是傅里叶变换方法，另一种是利用衍射积分公式进行数学计算。两种方法相比较，傅里叶变换方法编程简单、语句少、速度快。选取圆孔夫琅和费衍射为例，对其进行模拟仿真。首先利用两个for循环语句生成圆孔衍射孔径，再利用函数fft2（）对衍射孔径的场分布进行傅里叶变换，从而得出观察平面的频谱，利用取模函数abs（）对该复数矩阵取模，得到振幅谱矩阵；再利用函数fftshift（）对取模后的矩阵进行频谱位移。核心程序如下：

最后，利用imshow、plot和mesh函数绘出观察屏上的衍射图样、光强二维分布、光强三维分布图。仿真结果如图4所示。与干涉实验仿真模块类似，也设计了滑动条来连续改变实验参数。

（三）信息光学仿真

在信息光学部分，主要对空间滤波中的高通和低通滤波进行了仿真。首先采用imread函数读入一幅图像，存入二维矩阵，调用fft2函数对输入图像进行傅里叶变换，依据滤波要求选择合适的滤波函数T（u，v），将傅里叶变换结果与滤波函数T（u，v）相乘，调用傅里叶逆变换函数ifft2对相乘结果作变换得到输出图像，利用imshow函数将图像显示出来。高通滤波和低通滤波的仿真结果分别如图5和图6所示。

（四）晶体光学仿真

晶体光学部分，主要对偏振光干涉结果进行了仿真。偏振光干涉装置如图7所示，其中P1、P2为偏振片，W为波片。在常见的偏振光干涉装置中，偏振片P1和P2的透光轴方向放置成互相垂直或平行。通过光波的振动分解，得到干涉场的光强分布。P1和P2垂直时，干涉场形成的干涉条纹和光强曲线如图8所示。对于会聚偏振光干涉，通过MATLAB编程后，仿真干涉图样如图9和10所示。

四、结语

《物理光学》课程理论性强，内容晦涩难懂，传统的课堂教学不可能把实验器材搬到教室供学员操作。基于MATLAB制作的物理光学实验仿真平台，可实现实验参数的连续调节和图像的動态显示，能够应用到光学理论和实验教学中，增强学生对理论知识的理解，提升学生的学习兴趣，提高物理光学课程的教学水平。

参考文献：

[1]毛少娟，陈玉丹，华文深.物理光学课程信息化教学改革[J].中国教育技术装备，2015，（20）：102-103.

[2]李继军.Matlab GUI在光学仿真中的应用[J].通化师范学院学报，2010，31（2）：52-54.

作者：毛少娟　陈玉丹　殷建玲

物理光学课程教学改革论文篇2：

物理光学课程内容与教学方法研究与实践

[关键词]物理光学；教学内容；教学方法；教学改革

物理光学课程是光电信息科学与工程和电子信息科学与技术专业的一门重要的专业基础必修课[1][2]，是一门实践性很强的课程，强调理论与实践相结合。学好这门课程要求学生全面理解和掌握光的电磁理论、光与物质相互作用基础知识和晶体光学基本知识和技术。[3][4]

随着光电子技术的不断发展，光学和光电子产品也呈飞快的速度发展，光纤通信系统的升级和CCD的不断更新，一些新知识、新技术、新概念不断涌现，体现了新知识经济时代的到来，这些都在一定程度上冲击着传统的工作方式和生活方式。与此同时，对物理光学课程的教学方法也提出了新的挑战。这就要求我们在讲授该课程时，既要保持物理光学理论的基础性和完整性，又要突出其在光电子技术中的特色，并适当反映最新科技成果。[5][6]只有这样，才能为光电信息科学与工程等专业学生进一步学习相关专业课程，如激光原理与技术、光纤通信与传感技术、红外技术、光电检测技术、光电成像原理与技术及纳米光子学等的学习打下坚实的基础。

一、教学内容的安排

课程教学内容的安排共分为九大教学模块：（1）光波的基本特性（6学时）；（2）光波在各向同性介质界面上的反射和折射（4学时）；（3）光波的全反射特性（2学时）；（4）光的干涉（8学时）；（5）光的衍射（8学时）；（6）光波在各向异性介质中的传播特性（6学时）；（7）晶体光学元件及其偏光干涉（4学时）；（8）晶体的感应双折射（6学时）；（9）光的吸收、色散和散射（4学时）。

针对上述重点和难点，在教学实践过程中，采取如下教学方法：

1.融趣味性于知识传授过程中，以提高学生的学习热情和兴趣。例如，在讲解光与物质相互作用的内容时，结合髙锟研究光纤在通讯领域运用的事例，以光纤通信发展为例，通过对光与光纤相互作用的深入研究，引导学生了解光纤的“三个窗口”导致了光纤通信系统的几次升级换代，增添了学生学习的兴趣。在讲解光的吸收定律时，介绍了布右厄与朗伯师生关系，用以引起学生的学习兴趣，然后在一定的前提条件下，推导出朗伯-比尔定律的定量公式，强调了“先有条件，后有结论”的规律[7]，并结合煤矿“瓦斯爆炸”这一现象，强调基于朗伯-比尔定律，可开发吸收型瓦斯浓度测量仪器，使学生认识到学好理论知识的重要性，提高了学生的学习热情和兴趣。

2.采用多媒体技术，充分发挥优势资源，提高学生的学习效果。例如，我们把美国麻省理工学院录制的一些开放视频资源，如光的反射、干涉、衍射和光的偏振等运用于教学过程中。这些视频均是一个短小但完整的光学实验，体现了一个完整的知识点，这样做的益处是把复杂的光学知识，以简单、形象的方式展现在课堂教学中，收到良好的效果。另外，我们也充分运用仿真模拟软件，把一些抽象的内容，以仿真结果体现在课堂教学中。如利用Matlab仿真软件把菲涅耳系数及反射率与入射角的变化规律，以及利用COMSOL Multiphysics5.1模拟软件，把光在直角棱镜中的全反射及在发生全反射时的古斯-汉欣位移展现在教学过程中。

3.把教师的科研成果与教学内容有机地融合在一起，以提高教师讲课的生动性和学生学习的兴趣。例如，在讲解倏逝波（消失波或表面波）的特性时，结合发明专利“一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器”，以SPR传感器为例，通过对消失波与金属薄膜中电子共振的深入研究，开发了新型的光学传感器，为测量介质折射率的微量变化提供了新的检测手段。由于教学过程中引入了教师在科研过程中的一些趣事，因此，容易激发学生的学习兴趣和启发学生的创新思维。

二、合理选择实验内容和实验仪器，强化培养学生的动手能力

结合物理光学的教学内容和我校光学工程的学科特点，实验内容安排有四大模块：（1）光的干涉、衍射实验（2学时）；（2）偏振光产生与检测实验（1学时）；（3）声光、电光调制参数测定及音频声光、电光通信实验（3学时）；（4）光外差干涉实验（2学时）。在这些实验中，第1实验模块是基础性实验，主要是帮助学生对光的干涉、衍射现象的深入理解与提高。第2实验模块采用了角向偏振片，使学生在实验过程中能观察到光的偏振方向，结合CCD相机和角度计算程序，可精确计算出旋光角度，通过实验可巩固学生对晶体光学元件及其偏光干涉和旋光现象的理解。第3实验模块，主要凸显物理光学在光电子技术中的特色，以巩固学生对晶体感应双折射现象的理解。第4实验模块是一个综合设计性实验，以提高学生综合运用光的偏振、光的干涉、光的衍射知識和晶体光学元件运用的能力，培养学生的创新意识。另外，在实验仪器的选择上，既要保证较多的实验项目，提高实验效率，也要注意在客观上加强学生动手、动脑能力的培养。例如，支撑声光调制实验的声光调制实验仪，能提供显示声光调制波形，观察声光调制偏转现象，测试声光调制幅度特性，显示入射光与衍射光的能量分布，测试声光频率偏转特性，测试声光调制衍射效率、带宽等参数，测量超声波在介质中的声速，模拟基于声光调制的语音信号通讯实验；支撑电光调制实验的电光调制实验仪，能显示电光调制波形，观察电光调制现象，测试电光晶体的调制特性曲线，测量电光晶体的特征参量，模拟基于电光调制的语音光通讯实验。再比如，偏振光产生与检测实验仪，其基本光路采用的是共轴“笼式”结构，可以完成旋光实验、线偏振光产生实验、可视椭圆偏振光检测实验等。在实验过程中，以学生为主，教师适时加以指导，可充分发挥学生主动性，以利于学生动手能力的提高。

三、寓新技术于教学过程中，培养学生的科研意识

光学和光电子技术发展迅速，若完全依靠教材的内容作为教学内容，往往跟不上技术进步的步伐，这就要求教师要紧密关注新技术发展动态。一方面，除了选用最新出版的教材外，还应当在课堂上结合所讲知识，适度补充当前的新知识、新技术等内容，以加深学生对所学知识的理解。比如在晶体的感应双折射教学模块，教材重点论述了声光调制和电光调制原理等，而对其应用论述的比重不大。为了让学生较全面地掌握光调制技术知识，需要补充光调制技术的新应用，如利用声光调制或电光调制技术进行激光大屏幕显示以及基于光外差干涉原理的SPR相位检测技术等。另一方面，要积极引导学生关注相关技术资料，如《中国物理快报》《中国激光》《光学学报》《光子学报》等学术期刊，使学生能了解本领域国内外的前沿动态，培养学生的科研意识。比如在光波的全反射特性教学模块，在讲授古斯-汉欣位移及其特性的同时，引导学生在课后阅读《中国物理快报》2004年文章“Thin-film enhanced Goos-H？nchen shift in total internal reflection”；在晶体光学元件及其偏光干涉教学模块，在讲授波片和补偿器的同时，引导学生在课后阅读《中国激光》2009年文章《一种标定Soleil-Babinet补偿器的新方法》。这样，在学生了解相关研究和应用动态的同时，也使学生认识到所学知识在科研工作中的重要性，培养了学生的科研意识，提高了学生的学习积极性。

四、结论

对于物理光学课程的教学改革，我们经过多年的探索和创新，形成了一些理论与实践相结合的行之有效的教学方法。以光电信息科学与工程和电子信息科学与技术专业2010、2011、2012、2013级学生为试点，从反馈结果来看，该方法有利于提高学生的学习兴趣，有利于提高课程的教学质量。总之，对物理光学课程教学方法的研究，使我们深刻地认识到只有通过进一步深化教学改革才能有效地提高教学质量，才能培养出能较快适应社会发展需要的研究和应用型人才。同时，我们还深刻地认识到物理光学课程教学内容和方法的研究尚处于探讨阶段，对物理光学课程教学内容和方法的改革是一个不断探索、不断完善的过程，但只要坚持不懈的努力，一定可以获得满意的教学效果。

[ 参考文献 ]

[1] 徐宁.“物理光学”研究型教学模式探索与实践[J].电气电子教学学报，2012（3）：103-105.

[2] 温淑敏，王细军，杜云刚.物理光学与应用光学教学实践与改革初探[J].中国电力教育，2014（21）：77-78.

[3] MAX Born， EMIL Wolf. Principle of optics [M]. Cam？鄄bridge： Cambridge University Press，1997.

[4] 石顺祥，王学恩，马琳.物理光学与应用光学（第三版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.

[5] 哈斯烏力吉，吕志伟，张爱红，何伟明，林殿阳.“物理光学”教学设计的研究[J].电气电子教学学报， 2008（4）：91-94.

[6] 王泽锋，程湘爱，王睿，宁禹，齐恩宇.军校本科专业课程研究型教学模式初探—以《应用光学》课程为例[J].高等教育研究学报，2012（1）：60-62.

[7] 吴一微.对光吸收定律教与学的建议[J].湖北师范学院学报（自然科学版），2006（2）：82-84.

[责任编辑：钟岚]

作者：张志伟

物理光学课程教学改革论文篇3：

《激光技术》课程教学模式改革与实践探索

摘要：本文根据激光技术课程建设和教学改革实践中的体会，从课程教学改革的必要性、课程教学设计与实现、教学方法探索等三个方面进行了详细的分析和阐述，为提高教学质量进行了有益的探索。

关键词：激光技术；教学改革；实践

自上个世纪60年代美国科学家梅曼发明世界上第一台红宝石激光器以来，激光技术的发展可谓日新月异，已经应用到我們的生活、科研、工业、医学、军事等方方面面[1，2]。在生活方面，我们经常接触到的DVD、数码相机、智能手机、激光打印复印等都应用了激光技术；在科研上，激光可以为我们提供测量基准，提供极端物理条件，可以作为先进的光源；在工业上，激光是信息通信、存储、准直、导航定位、加工、表面处理等必不可少的工具；在医学上，激光美容、激光手术已经为我们所熟知；在军事领域，激光技术更是深入到了武器装备的方方面面，因此激光技术被列为国家战略支撑技术[3]。

《激光技术》是一门讲述如何操控激光、控制激光和应用激光的课程[4，5]，是紧密结合《激光原理》的一门基础专业课，《激光原理》主要讲述的是激光的基本原理和基本知识，而《激光技术》主要针对的是激光的具体技术应用，是从事光学专业必须要掌握的基础知识。

一、教学改革的必要性

《激光技术》课程是光学工程专业课程建设的重要组成部分，它是专业基础课程几何光学和物理光学知识的拓展，是训练学员进一步掌握激光技术的关键课程。我院开始这门课程是在完成《激光原理》课程之后学期开设的，目的是进一步加深学员对光学尤其是激光光学的理解和认识，训练学员掌握激光、操控激光的动手能力，培养综合理解能力、分析问题和解决问题的能力，初步培养学员的创新能力。该门课程设置在激光原理的教学之后，开设在大四学员的秋季学期，该时间段恰逢学员考研的关键时间段，如何通过合理的设计教学实践环节提高教学效果成为迫在眉睫的问题[6]。

研究和解决课程教学中遇到的问题，提高课程教学效果，在大四考研的攻坚阶段让学员利用最少的时间来掌握核心知识，提高教学效果，调动学员的课堂积极性，为此，研究课程教学模式和教学方法，对培养军队高素质新型军事人才具有重要意义。

二、课程教学设计与实践

（一）围绕一个中心展开教学

《激光技术》课程共计6章40课时，如图1所示，课程内容仅仅围绕激光具体应用技术展开，工程应用特点明显。因此，在教学中，我们以“激光的应用技术”为中心展开教学。首先，我们向学员介绍激光的调制与偏转技术，从光学的角度详细介绍三种物理效应——电光效应、声光效应和磁光效应，这是后面讲述调Q、锁模等章节的基础；然后，从激光的能量、功率、脉宽这个应用角度向学员系统地介绍调Q技术、超短脉冲技术和激光放大技术；最后，从光束质量这个应用角度向学员介绍选频与选模技术和稳频技术。可以看出，整个教学的重点都是放在“激光的具体应用技术”上，课程的设计是以“激光的具体应用”展开的。

（二）注重两个兼顾

对于刚刚毕业本科生而言，大多数学员会走向军队和社会，并不一定继续从事科研工作，而课程教学中更加注重物理概念和基本原理的论述，因此，在教学中主要注重原理和应用的结合。例如，在讲述“激光放大技术”时，在介绍完矩形脉冲放大的基本原理之后，专门设置一节课来讲述激光放大的应用，最为典型的例子是美国国家点火装置（NIF）和中国的“神光”计划，结合实例讲述激光放大的基本原理、光学器件的设计、光与物质的相互作用等，形象地展示激光放大的物理过程，加深学员对基本原理的理解。同时，教学中也注重基础知识与最新前沿的兼顾。例如，在讲述“超短脉冲技术”章节时，系统地介绍超短脉冲的基本原理、锁模技术的基础知识，同时，专门开设一次课来讲述皮秒脉冲、飞秒脉冲在微纳加工、激光医学、飞秒化学、超快科学、超快技术等方面的应用以及阿秒脉冲（10-18s）的最新国际前沿，让学员不仅掌握每种技术的基本原理、具体应用技术，还能了解每种激光技术的最新国际前沿，拓展学员的知识面。

（三）强化三个能力培养

对于众多的专业基础课而言，课程内容的知识覆盖面一般都比较广。在教学中让学员掌握各章节的基本原理、基本概念十分重要，但更重要的是培养学员的创新能力和科研能力。因此，在《激光技术》课程的教学中，我们十分注重学员激光应用能力、光学设计能力、分析总结能力的培养。例如，在培养学员激光应用能力时，课程第一章介绍完“声光效应”后，在讲述“调Q技术”的时候，教师会引导学员去应用声光效应去实现激光器调Q运转，在讲述“超短脉冲技术”的时候，教师会引导学员去应用声光效应去实现激光器锁模运转。在培养学员光学设计能力时，让学员单独设计光路结构来降低施加在电光晶体上的半波电压，培养学员的光学设计能力。在培养学员分析总结能力时，结合我校的优势科研方向——激光陀螺，设置专题分析激光陀螺中采用的激光技术。通过三种能力的培养，使学员深刻领悟激光技术的特点、发展趋势和应用优势。

三、教学方法探索

（一）紧贴科研的案例式教学

教师通过实例分析的方法来讲清相关的基本概念与原理，并充分发挥教员的科研优势，课堂案例密切结合教师的科研经历，将科研中实际用的激光技术的相关知识引入到教学过程来，让学员直接了解科研中的激光技术知识，体会激光技术的应用价值。

例如，在讲述“选频选模技术”这一章节时，在课堂上专门增开一节课讲述如何在激光谐振腔里面实现频率的选择，结合激光陀螺研究所高精度低损耗镀膜的科研技术，介绍如何利用多层介质膜反射镜来选频，系统介绍了激光器543nm这一绿光谱线的起振条件、膜系设计准则、科研攻关过程与实验结果；在“稳频技术”章节中，针对兰姆凹陷这种主动稳频技术，引入激光陀螺科研中用到的程长控制镜技术，详细地介绍程长控制镜的基本结构、控制方法、稳频效果和实验结果。紧密结合科研优势，达到科研反哺教学的目的。

（二）基于PROJECT的综合能力训练

《激光技术》课程开设在大四的秋季学期，适逢学员考研的关键时期，结合大四学员特定时期的学习特点，增设探索性题目，设计合理的专题作为考核的一种具体方式，提升学员的综合能力。激光陀螺是一种以Sagnac效应为基础的光学陀螺，是测量载体运动角速率的敏感器件，如图2所示，现已在战术飞机、战术导弹、战略导弹、巡航导弹、海军舰艇、潜艇、姿态基准、反坦克制導、稳定控制等多个领域成为惯性导航系统的理想器件。激光陀螺本身就是一只环形激光器，其中涉及到《激光技术》课程中很多的知识点。在教学过程中，教师将学员以班为单位分成若干组，每一组学员在课程结束时提供一份项目报告，学生可以就激光陀螺中涉及的某种激光技术展开深入的论述，例如激光陀螺中运转的单频激光，涉及到“选频与选模技术”章节的小孔光阑法选基横模的知识，可以就这一点展开分析讨论；也可以对激光陀螺涉及的各种激光技术进行全面的阐述，例如，多层介质膜选频、程长控制镜稳频、He-Ne增益气体、环形谐振腔设计等知识进行归纳总结，通过PROJECT的训练提高学员的综合能力。

（三）演示实验验证平台

紧密结合课程内容，增设《激光技术》课程相关的演示实验或自选实验环节，提高学员课程认知能力，加深课程教学效果。例如，在“调Q技术”章节增设演示实验验证平台，教学中在介绍完“调Q的速率方程理论分析”后，详细介绍了各种调Q激光器实现调Q的具体过程，谐振腔里Q值的变化情况及具体控制实现方法，借助“光电技术综合实验中心”硬件资源平台，搭建演示实验验证平台，如图3所示，在固体激光器谐振腔中插入电光调Q器件前后的激光器输出功率变化情况，如图4所示，从图4可以看出，利用电光效应可以实现谐振腔损耗的调制，提高激光器的峰值功率，压缩脉冲宽度。将该演示实验在军用光电工程和光信息科学与技术本科专业实践教学中试用并改进，加深学员对理论知识和物理概念的理解。

四、结束语

在《激光技术》课程教学团队的帮助下，近几年来，我们在课程教学中不断积累经验、总结规律，取得了不错的教学效果。作为高等院校的科研教学人员，应充分发挥教员的科研优势，课堂案例密切结合教师的科研经历，将基本理论和相关技术紧密结合，多从科研工作角度出发，利用科研来反哺教学，深刻领会激光技术的注重应用的特点，以在教学改革的道路上取得令人满意的成绩。

参考文献：

[1]Anthony E. Siegman. Lasers [M].Oxford University Press，1986.

[2]William T. Silfvast. Laser Fundamentals（ Second Edition） [M]. Cambridge University Press， 2004.

[3]钟先琼，胡晓飞，罗莉，侯俊勇，等.《激光原理与激光技术》课程建设与教学改革的实践探索[J].成都信息工程学院学报，2009，24（4）：422-426.

[4]蓝信钜.激光技术[M].第三版.北京：科学出版社，2009.

[5]张斌，杨开勇，袁杰.从激光技术教学经验交流谈教学与科研的有机统一[J].河南科技，2011，（07下）：27-28.

[6]胡绍民，罗晖.《激光原理》课程教学体会[J].高等教育研究学报，2012，35（1）：71-73.

Teaching Reform and Practice Exploration of "Laser Technology"

YU Xu-dong，TAN Zhong-qi，YANG Kai-yong，ZHANG Bin

（ College of Optoelectronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，

Changsha，Hunan 410073，China）

Key words："Laser Technology"；teaching reform；practice