《光学》课程学习指南

《光学》课程学习指南

光学一直是物理学专业及相关专业的一门主干基础课，对于培养创新人才具有重要的意义。本课程在已有物理基础上使学生掌握光学的基本理论、基本概念、各种光现象的基本规律和分析方法及其应用，同时更因光学深刻的物理背景和在其它领域的广泛应用以及现代光学和高新技术新成就的融入，锻炼、积累运用物理知识解决实际问题的能力和经验，了解现代光学和光子学的前沿及光学与其它学科交叉形成新的学科分支，初步培养学生科研创新、团队合作等素质为后续课程的学习和将来从事研究或教学工作打下坚实的光学基础。

在课程内容选择上，本课程系统地、透彻地介绍了光学的基本理论，基本概念，分析方法及其重要应用。主要包括几何光学的基本原理，光阑、像差和成像光学仪器，光波及其在各向同性介质界面的反射和折射，光的干涉、衍射，光信息处理及全息术，光在晶体中的传播，光的吸收、色散和散射，激光与非线性光学等内容。在《光学》教材和课程内容里，汲取了近十多年来光学的最新发展和教学研究的新成果，学习和参考了国内外近期出版的光学教材，对几何光学、量子光学几部分作了大的调整和删减。在光波的偏振态一节中加入了偏振梯度场；在讨论各向同性介质界面的反射和折射问题时引入了负折射率介质；在迈克耳孙干涉仪的基础上引入光学相干层析术和傅里叶变换光谱仪；在光学仪器的像分辨本领一节介绍哈勃空间望远镜；在其他相应部分还融入了计算全息、数字全息、光的吸收和散射在环境监测中的应用、激光冷却原子、激光核聚变等等，其中偏振梯度场、负折射率介质、光学相干层析术、数字全息、光的吸收和散射在环境监测中的应用等内容在国内是首次被引入基础光学教学中。使学生了解到如何源于基本理论而诞生出现代光学技术。同时结合自然界中的有趣的光学现象,

引导学生自己分析问题，学以致用。课程内容既有系统理论又密切联系现代科学与高新技术实际的教学内容新体系。内容丰富，结构合理，特别注重对物理思想、物理概念的透彻讲解。在部分章的末尾增加了适量的计算机模拟研究性问题。从低年级开始培养学生使用计算机解题的能力和科学研究的素质。

本课程内容组织以几何光学和波动光学为主。突出了波动光学的主体地位。各个模块的主要内容：几何光学：主要包括几何光学的基本概念，近轴光在单球面上的成像，薄透镜的成像，共轴球面系统的成像，光线转换矩阵，几何光学仪器。波动光学：主要包括光的波动模型，光的相干叠加，光的干涉及衍射装置，空间相干性和时间相干性、傅里叶光学以及全息照相，光的偏振与晶体双折射，光的吸收、色散和散射。激光与非线性光学：主要包括激光的原理，激光器，激光的应用，光学倍频、混频效应、光学相位共轭等非线性光学效应。作为一门基础课，我们重点是介绍与之相关的光学基础，而不过多涉及其新理论或新技术。通过适度引入偏振梯度场、光学相干层析术、数字全息等内容，使本课程在基本概念、基本理论和联系高新技术实际等方面都有了很大的发展，教学内容更加充满生机，使学生在低年级就能接触到学科前沿和学科交叉的信息。各模块学时分配如下：1.绪论1学时；2.几何光学的基本原理8学时；3.光阑、像差和成像光学仪器5学时；4.光波及其在各向同性介质界面的反射和折射5学时；5.光的干涉11学时；6.光的衍射8学时；7.光信息处理及全息术8学时8.光在晶体中的传播6学时；9.光的吸收、色散和散射4学时；10.激光与非线性光学4学时；模拟计算指导、习题和研讨课13学时。

在教学方法和手段上，为适应创新性人才培养的要求，重视探究性学习、研究性学习的教学方法和教学手段。

以学生为本充分调动学生的学习主动性：学生是一切教学过程的主体和终极目标。创新性人才的培养要求我们注重因材施教，不断的开发学生的潜能和创造力。

主动性和参与性：为激发学生学习光学的积极性与主动性，本课程以课堂系统讲授为主，并采用电子教案、多媒体和传统教学结合的方式进行教学。在教学过程中，力图实现从单纯的传授知识到注重能力的培养。为此，在教学方法上采取了参与式、交互式的启发式课堂教学形式。教学过程中，利用传统的讲授方式夯实基础，同时在课堂教学中加强讨论，实施师生互动、双向交流，使教师在研究中教，学生在研究中学，使教学过程具有研究性。利用模拟计算和研讨课提出问题作为讨论题目，引导学生查阅文献，正确使用网络的资源和网上的学习系统然后进行课上和课后讨论，并将分析讨论的结果写成小论文。例如，关于透镜像差的形成和校正方法；渐变折射率介质中光线传播规律的求解；光场的时空相干性；负折射率介质中的“反常”现象；激光的发明及其对现代科学技术的影响；全息照相的原理等问题。学生表现出很大的兴趣和极高的热情，激发了学生的学习主动性。启发了学生的创造性思维，培养了学生的研究能力。为了实施“因材施教”的教学理念，我们将光学的课后作业分为基本和提高两部分内容，采取分层次的灵活要求。对于提高型问题，要求学生学习利用图书馆资源和网络信息资源，最后写出综述、总结或体会，可达到预期的课后管理的作用。每学期要求学生至少完成一篇小论文，并记入学生成绩。加强与学生交流，了解学生、尊重学生，并通过网上答疑系统倾听学生的意见和对问题的看法，进一步调动学生的学习主动性。

教学内容的先进性和趣味性：为调动学生的积极性，教学内容必须能吸引学生。我们特别注重光学基础知识和现代科学技术最新进展的恰当联系。如在教学中融入了计算全息、数字全息、光的吸收和散射在环境监测中的应用，使学生了解到如何源于基本理论而诞生出现代光学技术。同时结合自然界中的有趣的光学现象,引导学生自己分析问题，学以致用，使学生对基础知识更加重视。光学的发展史是人们对光的本性不断争论、不断探索、不断认识过程中闪烁着非凡智慧和创造力的历史，也是对科学的发展和人类文明做出巨大贡献的历史。我们在课堂讲授中，充分利用光学发展史中许多生动的材料，并配合开展专题讲座和专题讨论等多种形式，例如《爱因斯坦与Nobel奖》，《光子晶体的性质和应用》，《激光与Nobel奖》等报告，引起了学生的极大兴趣，对学生科学世界观和创造性思维能力的培养起到了很好的作用。

基于“学生为本、强化基础、引导创新、全面发展”的教学理念，结合光学课程自身的特点，我们在教学实践中，采取了多种措施，大力推行启发式的课堂讲授、思考式的课堂讨论等等，提倡学生从单纯记忆性学习向研究性学习转变。为了培养低年级学生使用计算机分析、研究问题的能力，在习题课中除了传统的习题分析讲解外，开设了计算机设计计算专题（例如多折射面的矩阵成像计算）与模拟计算分析和研究性问题专题（例如新教材中选编的龙基光栅的夫琅禾费衍射等），引导学生通过学习建立物理模型、编写相应的计算程序对光学问题进行模拟计算分析研究，既为学生进行研究性学习提供了手段，又帮助学生深化对光学问题的理解。学生对这种研究性的教学内容兴趣浓厚、热情很高。模拟计算习题的引入为改革传统的习题课提供了一种新途径。在研究性教学中，注重因材施教和学生个性化培养，通过学生自愿报名和测试，选拔一部分优秀学生提前进入