1加强学生对对立统一规律的认识
对立统一规律是唯物辩证法的实质和核心，它揭示了事物内部矛盾是事物发展的动力，矛盾的双方既对立又统一，即具有斗争性和统一性。在物理学中，矛盾是普遍存在着，正如正电荷和负电荷，引力和斥力，作用力和反作用力，膨胀和压缩，辐射和吸收等都是相互的矛盾方面。矛盾着的双方即斗争又统一于一个整体之中，正是这种矛盾运动推动了事物的发展。同一性不能离开斗争性而存在，没有斗争性就没有同一性。斗争性也不能脱离同一性而存在，斗争性总是和同一性相连接，为同一性所制约的。如作用力和反作用力总是大小相等，同时存在，同时消失就是矛盾的同一性，而作用力和反作用力的方向总是相反是矛盾的斗争性，二者共存。又如非均匀变化的电场产生变化的磁场，这个磁场总是阻碍原电场的变化，非均匀变化的磁场产生变化的电场，这个电场总是阻碍原磁场的变化，这样就形成统一的电磁场及电磁场在空间的传播———电磁波。这就是矛盾的斗争性和同一性的表现。虽然矛盾的斗争性和同一性对事物的发展都起作用，但是同一性和斗争性在事物发展中的地位是不同的。同一性是相对的，斗争性是绝对的，矛盾的斗争性使事物从量变到质变，从而推动事物的发展。如在水分子的引力和斥力的矛盾中，当引力突破斥力的限制，达到冰点，水就凝结成冰，当斥力突破引力的限制，达到沸点，水就变成蒸汽。此外，物理学所研究的临界温度、临界压力、临界电流等临界状态，均反映了从量变到质变的规律，也是两个对立因素所处地位发生转化的反映，是对立统一规律的生动体现。
2加强学生对“实践———认识———再实践———再认识”的认识
关键词：物理 情感 教育
情感教育是整个思想道德工作的重要一环，在思想道德建设工作中处于非常重要的地位。学校是对青少年进行情感教育的主阵地，对学生进行情感健康教育，培养学生的健康人格，不仅仅是政治老师和健康教育处的义务，我们应当根据不同年龄段学生的心理特点，将情感健康教育适时地、有意识地、系统地渗透到每一门课的教学中去。物理学属于自然科学，它有丰富的物理学史知识，有趣的物理实验，可以陶冶学生的性情，激发学习兴趣，有助于学生健康心理的形成。
物理学科教学中渗透情感健康教育，对于物理教师来说是一项富有挑战性的工作，我们根据高中生的心理特点适时开展情感健康教育。
1、首先我们应营造和谐的师生关系
情感是人对客观事物是否符合自己需要所产生的态度和体验，是人的心理活动的一个重要方面。人在接触客观现实时，对现实中的现象总是持有这样那样的态度，产生不同的内心体验。当客观事物符合人的需要时，就会产生满意、愉快、热爱、欢乐等积极的情感体验；否则当客观事物不能满足人的需要的时候，就会产生忧伤、痛苦、厌恶、愤怒等消极的情感体验。例如：当学生取得好成绩时，或是成功解出了物理难题时，就会产生愉快的情绪；反之，则引起不愉快的情绪。情感是人类特有的一种心理现象。他的核心意义是作为一种心理过程，这种过程是反映客观事物与人自身需要之间的关系。与此同时，个体通过反映客观事物与自身需要的关系，通过一系列的态度体验而形成自己的各种性格特征，如态度、价值观、意志品质等。因此，我非常重视情感投资，设身处地与学生心理换位，想学生所想，释学生所疑，解学生所难，乐学生所乐，努力营造轻松和谐的教学氛围。建立民主、平等、友好的师生关系。教学中，我热心帮助每一位学生，缩短师生间的距离。消除学生对教师的紧张意识，使学生“亲其师，信其道”。同时，我尽量使课堂教学活动安排有张有弛，张弛结合，教学形式灵活多变，保证课堂气氛轻松活跃，消除学生的紧张情绪和压抑感。
2、利用物理学史陶冶高中生的性情
物理学史集中的体现了人类探索和逐步认识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程，在高中物理教学过程中结合教材讲述物理学史，展现历史上物理学家探索物理世界奥秘的艰辛历程，以其中的欢乐、困惑、惊奇和哲理去感染学生。甚至为捍卫真理而献身的壮举，使学生懂得什么是高尚的追求。
3、以恰当的教学内容为载体，培养学生健康的心理素质
3.1 通过牛顿运动定律的教学，培养学生正确的自我意识。
牛顿第一定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。该定律又叫惯性定律，指出了一切物体都具有惯性。“惯”，习惯的惯，有惰性、保持原来状态之意。由此让学生意识到：人，不仅仅从运动学角度看具有惯性，在成长过程中也具有“惯性”，总想保持原来状态而难得进步，甚至受阻力作用反而使原来状态变得更不理想。那么，如何才能取得进步呢？请学习感悟牛顿第二定律。
牛顿第二定律：物体的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比。即α∝ ，式中“F”为合力，此式同时反映了力是改变物体运动状态的原因。人的成长与此规律相通，要改变原来的状态，必须施加外力，作为前进的动力。如果没有动力或动力小于阻力，那么人就会落后，即存在反向的“加速度”；只有动力大于或等于阻力，人才可能取得进步，只有动力大于阻力，才能获得前进的加速度，使人朝着预期的目标发展。并且，随着人的质量增大，要获得与以前同样大的加速度，所需的动力更大。同学们应该理解和接受必要的学习压力和生活压力，并积极追求进步。
3.2 通过物质波、光的干涉的教学，培养学生正确的人际关系。
物质波又叫德布罗意波，德布罗意认为，任何一个运动着的物体，都有一种波与它对应，波长λ=h/p（p为物体的动量，h为普朗克恒量）。物质波是一种概率波，即对单个粒子而言，其运动具有不可控制性和无规律性，只有大量粒子运动，其空间位置的概率才能形成美丽的干涉，衍射图样，反映妙不可言的波动性规律！
在光的双缝干涉实验中，调整实验装置，尽管每次只有一个光子通过狭缝，但是如果把双缝中的一个挡住，那么在感光屏上就不能出现干涉条纹，而重新出现单缝衍射图样。好像光子通过一个狭缝的时候能够“知道”另一个狭缝是否存在！
“团结就是力量”，集体的力量不只是个人力量的简单相加。乐于与人交往，能认可别人存在的重要性和作用，与人相处时，积极的态度（如友善、信任）总是多于消极态度（如猜疑、嫉妒），从而在社会生活中有较强的适应能力和较充分的安全感。
3.3 通过原子能级的教学，培养学生积极稳定的情绪。
处于基态的原子，如果吸收能量后没有电离，而被激发跃迁到某一高能级态，高能级态是不稳的激发态，它将在短时间内向低能级态跃迁，同时放出一定频率的光子，光子的频率满足hν=E（ν为光子频率，E为两能级能量的变化量）。令人钦佩的是它向低能级态跃迁的方式不是一种，而是多种，种数满N=n（n-1）/2（n为高能级态的量子数），每一种都释放相应频率的光子，使其所发射的光子具有确定的谱线特征，还可用于光谱分析。
同学们的情绪，常常也会受各种矛盾激发而处于激动、不稳定的状态，此时可以借鉴原子能级跃迁的特点，合理地宣泄不良的情绪。保持愉快、乐观、开朗、满意等积极情绪占优势，使身心处于积极向上、充满希望的乐观状态。
3.4 通过电磁场，光的波粒二象性的教学，培养学生完整的人格结构。
变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一的场，就是电磁场。电磁场由近及远向周围空间传播开去，就形成电磁破。电磁波可以承载各种需要的信号，成为人类通信、国防等事业的重要组成部分之一。
光同时具有波粒二象性。大量光子，频率低、波长长的光子，在传播过程中波动性较显著；少量光子，频率高、波长短的光子，在相互作用时，粒子性较显著。光子的能量与其频率之间的关系为E=hν，一份一份的光子能量E反映其粒子性，而频率v是波动性特征的物理量，这一关系揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系。
1 问题的提出
人教版教材“光的干涉”实验安排在明暗条纹分布规律之后，实验之前学生已学习了光程差、相干波等基本概念.传统光的干涉实验教学中教师惯于借助数学方式推导，得出干涉实验测波长公式，最后通过实验的具体操作训练学生动手操作能力，加深物理规律的理解.然而真正的教学实施中并未产生预期的效果，一方面双缝干涉测波长的实验原理推导中，以习题的形式向学生展示，禁锢了学生的思维，未经历整个探究过程学生很难体会到数据处理时的双重近似，不注重光的干涉实验教学的生态化，导致教学外部效度不高等缺陷.另一方面，波长测量公式讲解后，教材试图仅通过选用实验观察的方式加深学生对光的干涉测波长的认识，并未指出“干涉”实验的本质，学生在做题过程中仅靠机械式记忆来解决问题，往往缺乏对问题的实质性的理解.没有相关的物理意义做支撑，公式苍白缺乏厚重感，学生只能凭借机械式记忆，解题过程中干涉公式用错不在少数.
2 溯本求源透视实验本质
无论是部分教师还是学生，之所以对波长求解的定量推导的双重近似产生疑问，关键原因在于未曾深入分析认知干涉原理.针对以上教学中出现的问题，我们以原始物理问题为问题的起始点，希冀凭借原始物理问题，透视光的干涉实验本质.
2.1 原始物理问题理论推导
学生通过上节课的学习，定性掌握了干涉规律即：两缝发出的波到屏的路程差是半波长偶数倍时，屏上出现叠加加强区，光能量较强，屏幕出现亮条纹.此时教师应向学生提出这样的问题：如何利用光的双缝干涉，测量单色光的波长？定量推出一个表达式 .光的干涉规律的探究激发了学生求知的欲望，原始物理问题的提出促进学生意义学习的进一步升华.这是一道典型的原始物理问题，由于没有提供任何数据，学生要想解决此原始物理问题，需要在理解物理本质基础上，在自主建立恰当的模型，设置数据给予解答，具有很强的生态性.
光波不同于机械波，光的波动性很难直接用眼睛观察到，学生前概念中并不认同光是一种波，而双缝干涉实验恰恰改变了这一弊端.波长是一个微小量，直接用现有的实验仪器很难测量出其长度值，通过光的干涉实验不仅展示其波动性，更将光波波长这一微小量放大，我们达到测量光的波长的目的.
3 教学启示
通过以上两个过程，将生态化的光的干涉情景全面地呈现给学生，继而，提出凸显物理知识结构，彰显光的干涉的物理学本质，适合学生认知发展水平的教学设计，归结上述教学设计，我们总结以下两点启示.
3.1 完美诠释光的干涉教学的生态化
物理教学中强调在真实、自然的情境中研究物理规律，这种真实情景既不局限于严密的数学推演也不局限于习题集，而是将原滋原味的物理情景展现给学生.传统教师进行光的干涉物理知识的建立时，未能充分捕捉学生学习的难点，面对庞杂的物理系统，学生很难将光的干涉知识内化.我们知道，波长是一个微小量，光的干涉的过程是微观机制的变化过程，学生很难对抽象干涉有感性的认识，干涉现象中，通过引入光的干涉测波长的原始物理问题提出，给学生创造了一个真实鲜活的物理情景，学生相互讨论，进行求解，在此过程中经历物理问题的抽象、赋值、将整个数学过程进行抽象近似，充分调动了学生的积极性，完美诠释了物理教学的生态化，保证物理教学较高的外在效度及较高的应用价值.
（天津职业技术师范大学电子工程学院 天津 300222）
摘要：现代教育思想认为，学生是学习的主体，在教学活动中要充分调动学生学习的积极性，培养学生自主学习的能力，从而提高教育教学效果。在《基础光学》课程第五章“光的偏振”的课堂教学设计中，采用启发式教学方法及类比思维方法，可以充分调动学生学习的积极性，激发学生自主学习的能动性。
关键词 ：自主学习；教学设计；启发式教学法；类比思维法
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2014）01-0086-03
《基础光学》课程是我校电子工程学院电气信息大类（高本）专业的一门专业基础必修课，主要讲述几何光学和物理光学知识。本课程的学习，可使学生掌握成像和光的波动的基本理论和计算方法，为进一步学习诸如光电子器件与技术、光信息处理技术、光纤通信和集成光学等课程奠定理论基础，同时也为学生从事光学仪器的开发、光路的设计和从事光学教学等打下基础。由于生源水平参差不齐，对于理论强、公式多、理解难、知识点繁的光学课程的学习有一定的难度。笔者针对《基础光学》第五章“光的偏振”的课堂教学设计，从分析处理教材、选择教学方法、设计教学过程等方面进行了积极探索，旨在使课堂授课能够激发学生学习的兴趣，引导学生自主学习，独立完成分析、探索、实践、质疑、创造等学习阶段，实现学习目标。
工科专业光学教学存在的问题
光学课程的特点使工科学生学习起来有一定难度 《基础光学》课程知识体系独立，理论性强，加之工科专业学生物理、数学基础知识相对薄弱，对光学的学习有一定的难度。例如，在“偏振”一章中，利用菲涅尔公式推导反射光与透射光的偏振态，学生不仅要熟练运用三角公式进行推导，还要对物理概念如振动分量、传播方向等有明确认识，并要建立数学结果与物理结论之间的联系。由于光学本身有一定难度，再加上学时减少、学生基础薄弱等因素的存在，工科专业光学课程的教学模式往往会导致教师满堂灌输、学生死记硬背被动学习局面，直接影响教学效果。
与专业联系不紧密，学生学习积极性不高 《基础光学》课程本身与电气类专业方向联系不够紧密，特别是电气信息大类二年级的学生对光电子学科了解不足，往往导致“重电轻光”的局面。对学生的调查显示，超过60%的学生认为模拟电路、微机原理等与电类紧密关联的课程较光学课程更重要；大约30%的学生认为光学与电学有一定联系，同等重要；仅有约10%的学生认为光电子技术是科技发展的前沿，而其基础光学需要牢固掌握。学生不重视，学习积极性不高，就会出现旷课、消极学习等现象。
只注重理论知识的积累，不注重分析应用能力的培养 “授之以鱼，不如授之以渔。”教育的目的不仅仅是教会学生知识，更重要的是学以致用，学会运用知识分析解决实际问题。比如，学生在掌握基本理论、基本概念的基础上，创造性地提出偏振光的产生方法、偏振态的检验方法以及偏振的应用，教师引导学生将书本知识转化为学生分析解决实际问题的能力等等。但实际上由于学时有限、学生无法与教师进行有效互动等因素，导致教师采用“填鸭式”教学方式，使教学过程变成单纯教师教的过程，束缚了对学生创新能力的培养。
引导启发，培养学生的自主学习能力
《基础光学》教学大纲对“光的偏振”一章的教学内容和要求如表1所示。
“光的偏振”是在掌握光的干涉和衍射等基本波动理论基础上讲述的内容，要求学生对光的波动本性、横波性、振动态等有清晰的认识。同时，“偏振”一章讲述的内容多且杂，包括偏振与横波性关系、五种常见偏振态、反射光和透射光的偏振态、双折射现象、光在晶体中的波面与波线、偏振态的实验检验、偏振光的干涉等。教师要理清教学思路、设计教学过程、合理使用教学方法，安排讲、学、练的时间，做到教师“讲”得思路清晰、激发兴趣，学生“学”得清楚明白、认真投入。在授课过程中应引导学生独立思考、自主学习，更有效地学会知识，掌握分析解决实际问题的能力。
（一）分析教材、梳理思路、整合知识
教材中“光的偏振”一章分为9个小节，涉及知识点较多，但综合起来可总结为以下4个问题：（1）光的偏振现象与横波性的关系；（2）五种常见偏振态；（3）如何将自然光改造成偏振光；（4）偏振光的实验检验。
对本章的整体知识结构可作如下分解。
第一，明确偏振现象与横波性的关系；理解为什么偏振现象可以作为区分横波和纵波的标志；分析为什么横波有偏振现象而纵波没有，进而总结偏振的基本概念（教材第一节）。
第二，了解横波振动量振动状态的多样性，介绍五种常见偏振态，包括自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光；详细介绍自然光、线偏振光、部分偏振光，重点学习如何将自然光改造成线偏振光和部分偏振光，其中包括反射光和透射光的偏振态（教材第一节、第二节）。
第三，理解光在各向异性晶体中的双折射现象、波面和波线，理解由各向异性晶体制作的偏振器件的基本光学特性。在此基础上，进一步学习圆偏振光与椭圆偏振光的获取方法（教材第三节到第七节）。
第四，偏振光的实验检验和偏振光的干涉（教材第八节、第九节）。
其中，第一、第二部分用2学时，第三部分用5学时，第四部分用3学时，实验用2学时。笔者仅就讲解“偏振”的第一次课分析课堂教学程序设计。
本章知识框架如图1所示。
（二）以教为辅、以学为主、教学相长
1.温故引新、联系实际、激发兴趣。兴趣是学生主动学习的前提。新课的引入要起到激发情感的作用，使学生受到感染，产生求知欲，产生主动学习的能动性。新课的引入分为两个部分，即温故引新和联系实际。
首先，以三个关联问题温故引新，引发思考，使学生带着问题开启新课的学习，对新课的意义有清晰的认识。（1）以复习回顾的形式，向学生提出“光的波动性如何得到证实”，学生在既有知识的基础上回答“光的干涉和衍射都无可辩驳地证明光的波动本性”。（2）提出“光波是横波还是纵波”的问题，引导学生思考振动与波动之间的联系，即光的振动分量与光波的传播方向之间是垂直的还是平行的关系。以学生的既有知识或经验知识会得到“光波是横波，其振动量的振动方向垂直于光的传播方向”。（3）“如何证实光的横波性”，偏振现象可以证明光的横波性，它是如何证明光的横波性的？它与横波间有何联系？采用旧知引新知的方法，可以使学生了解知识间的连贯性，以问题的形式引入新课内容，使学生带着思考学习，学习目的明确。
其次，引用实例，激发学生学习的兴趣和热情。引用图片等媒体资源向学生展示液晶屏、偏振片、3D立体电影等基于光的偏振的新技术，理论联系实际地激发学生学习的热情和兴趣。
2.设疑置问、引导思维、以学为本。本节新课程的内容包括偏振与横波性的关系，自然光、线偏振光和部分偏振光的基本特性，偏振光的获取方法及实验检验，其中偏振与横波性的关系是本节的重点，更是关键点，只有概念明确，才能对偏振现象进行深入研究，而难点落在反射和透射光的偏振态上。关键点知识的讲解采用启发式的教学方法。启发式教学法是教师在教学过程中扮演引导者的角色，通过设置几个层层嵌套的问题，引发学生思考，在逐一解决问题的过程中使学生完成新课学习。为了学习偏振与横波性的关系，可设计如下三个问题，层层深入，引发思考：（1）创造并分析机械横波与纵波的偏振现象。学生很容易会设计出手握绳子上下抖动形成机械横波；手推弹簧，沿弹簧往复振动形成机械纵波的例子。教师演示两个实例的偏振实验，由学生观察与分析得到“只有横波才有偏振现象”的结论。（2）为什么横波有偏振现象而纵波没有呢？学生经分析得出横波的振动方向相对于传播方向具有不对称性，而纵波的振动相对于波的传播永远呈对称分布的结论，即“振动方向相对于传播方向的不对称性”是造成偏振的直接原因，就是偏振的概念。（3）光波是否具有偏振现象呢？在了解偏振片工作原理的基础上，教师实验演示自然光通过两块偏振片后出射光强随第二块偏振片转动而发生周期性变化，学生得出“光波具有偏振现象，光波是横波”的结论。
对于关键点知识的讲解采用类比机械波的思维方法，形象生动，易于理解。同时，通过学生的分析探究，可加深学生对知识的理解。
自然光、线偏振光、部分偏振光的偏振态、通过偏振片后的现象及合成与分解等内容虽是重点，但理解起来较简单，主要采取绘制振动图像，使学生建立感性认知，对知识融会贯通。
课程知识的应用与提高拟解决两个问题：（1）如何将自然光改造成线偏振光和部分偏振光。这里主要采取教师引导、学生分组讨论、教师适当补充、学生综合总结的方式，解决本节的重点同时也是难点的问题。将自然光改造为线偏振光，最简单的方法是利用偏振片即可实现；也可以利用平面界面的反射和玻堆片的透射来实现。部分偏振光的获得可利用平面界面的反射和透射来实现。反射光、透射光偏振态的确定需要借助菲涅尔公式进行三角运算和分析得到，理论性较强，运算过程较繁琐，所以可适当做详略处理：对于反射光的偏振态，教师可引导学生进行详细的推导，掌握方法；而对透射光的偏振态则可布置为小组作业，由学生仿照教师引导的方法独立学习、分析完成。（2）如何用实验的方法区分自然光、线偏振光和部分偏振光？可采用分组讨论的方式提出解决方案，方案可以在后续的实验课上通过动手操作得到验证。
本节的课程结构和课时安排，引入部分8分钟，重点知识的讲解30分钟，难点知识20分钟，例题及应用练习27分钟，课后总结5分钟。
“学生为主体，教师为主导”，这是现代教学的指导思想。教师在教学过程中要充分调动学生的学习积极性，使他们变被动学习为主动学习，变厌学为乐学。笔者通过“光的偏振”课堂教学环节设计，引发学生思考，激发学习兴趣，使学生积极参与到教学活动中，引导学生自主学习。
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可是，光究竟是一种什么东西？或者，它究竟是不是一种“东西”呢？
远古时候的人们似乎是不把光作为一种实在的事物的，光亮与黑暗，在他们看来只是一种环境的不同罢了。只有到了古希腊，科学家们才开始好好地注意起光的问题来。有一样事情是肯定的：我们之所以能够看见东西，那是因为光在其中作用的结果。人们于是猜想，光是一种从我们的眼睛里发射出去的东西，当它到达某样事物的时候，这样事物就被我们所“看见”了。比如恩培多克勒就认为世界是由水、火、气、土四大元素组成的，而人的眼睛是女神阿芙罗狄忒用火点燃的，当火元素(也就是光。古时候往往光、火不分)从人的眼睛里喷出到达物体时，我们就得以看见事物。
但显而易见，这种解释是不够的。它可以说明为什么我们睁着眼可以看见，而闭上眼睛就不行；但它解释不了为什么在暗的地方，我们即使睁着眼睛也看不见东西。为了解决这个困难，人们引进了复杂得多的假设。比如认为有三种不同的光，分别来源于眼睛，被看到的物体和光源，而视觉是三者综合作用的结果。
这种假设无疑是太复杂了。到了罗马时代，伟大的学者卢克莱修在其不朽著作《物性论》中提出，光是从光源直接到达人的眼睛的，但是他的观点却始终不为人们所接受。对光成像的正确认识直到公元1000年左右才被一个波斯的科学家阿尔·哈桑所提出：原来我们之所以能够看到物体，只是由于光从物体上反射到我们眼睛里的结果。他提出了许多证据来证明这一点，其中最有力的就是小孔成像的实验，当我们亲眼看到光通过小孔后成了一个倒立的像，我们就无可怀疑这一说法的正确性了。
关于光的一些性质，人们也很早就开始研究了。基于光总是走直线的假定，欧几里德在《反射光学》一书里面就研究了光的反射问题。托勒密、哈桑和开普勒都对光的折射作了研究，而荷兰物理学家斯涅耳则在他们的工作基础上于1621年总结出了光的折射定律。最后，光的种种性质终于被有“业余数学之王”之称的费尔马所归结为一个简单的法则，那就是“光总是走最短的路线”。光学终于作为一门物理学科被正式确立起来。
但是，当人们已经对光的种种行为了如指掌的时候，却依然有一个最基本的问题没有得到解决，那就是：“光在本质上到底是一种什么东西？”这个问题看起来似乎并没有那么难回答，但人们大概不会想到，对于这个问题的探究居然会那样地旷日持久，而这一探索的过程，对物理学的影响竟然会是那么地深远和重大，其意义超过当时任何一个人的想象。
古希腊时代的人们总是倾向于把光看成是一种非常细小的粒子流，换句话说光是由一粒粒非常小的“光原子”所组成的。这种观点一方面十分符合当时流行的元素说，另外一方面，当时的人们除了粒子之外对别的物质形式也了解得不是太多。这种理论，我们把它称之为光的“微粒说”。微粒说从直观上看来是很有道理的，首先它就可以很好地解释为什么光总是沿着直线前进，为什么会严格而经典地反射，甚至折射现象也可以由粒子流在不同介质里的速度变化而得到解释。但是粒子说也有一些显而易见的困难：比如人们当时很难说清为什么两道光束相互碰撞的时候不会互相弹开，人们也无法得知，这些细小的光粒子在点上灯火之前是隐藏在何处的，它们的数量是不是可以无限多，等等。
当黑暗的中世纪过去之后，人们对自然世界有了进一步的认识。波动现象被深入地了解和研究，声音是一种波动的认识也逐渐为人们所接受。人们开始怀疑：既然声音是一种波，为什么光不能够也是波呢？十七世纪初，笛卡儿在他《方法论》的三个附录之一《折光学》中率先提出了这样的可能：光是一种压力，在媒质里传播。不久后，意大利的一位数学教授格里马第做了一个实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像。格里马第马上联想起了水波的衍射(这个大家在中学物理的插图上应该都见过)，于是提出：光可能是一种类似水波的波动，这就是最早的光波动说。波动说认为，光不是一种物质粒子，而是由于介质的振动而产生的一种波。我们想象一下水波，它不是一种实际的传递，而是沿途的水面上下振动的结果。光的波动说容易解释投影里的明暗条纹，也容易解释光束可以互相穿过互不干扰。关于直线传播和反射的问题，人们很快就认识到光的波长是很短的，在大多数情况下，光的行为就犹同经典粒子一样。而衍射实验则更加证明了这一点。但是波动说有一个基本的难题，那就是任何波动都需要有介质才能够传递，比如声音，在真空里就无法传播。而光则不然，它似乎不需要任何媒介就可以任意地前进。举一个简单的例子，星光可以穿过几乎虚无一物的太空来到地球，这对波动说显然是非常不利的。但是波动说巧妙地摆脱了这个难题：它假设了一种看不见摸不着的介质来实现光的传播，这种介质有一个十分响亮而让人印象深刻的名字，叫做“以太”。
关键词：自主学习；教学设计；启发式教学法；类比思维法
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2014）01-0086-03
《基础光学》课程是我校电子工程学院电气信息大类（高本）专业的一门专业基础必修课，主要讲述几何光学和物理光学知识。本课程的学习，可使学生掌握成像和光的波动的基本理论和计算方法，为进一步学习诸如光电子器件与技术、光信息处理技术、光纤通信和集成光学等课程奠定理论基础，同时也为学生从事光学仪器的开发、光路的设计和从事光学教学等打下基础。由于生源水平参差不齐，对于理论强、公式多、理解难、知识点繁的光学课程的学习有一定的难度。笔者针对《基础光学》第五章“光的偏振”的课堂教学设计，从分析处理教材、选择教学方法、设计教学过程等方面进行了积极探索，旨在使课堂授课能够激发学生学习的兴趣，引导学生自主学习，独立完成分析、探索、实践、质疑、创造等学习阶段，实现学习目标。
工科专业光学教学存在的问题
光学课程的特点使工科学生学习起来有一定难度 《基础光学》课程知识体系独立，理论性强，加之工科专业学生物理、数学基础知识相对薄弱，对光学的学习有一定的难度。例如，在“偏振”一章中，利用菲涅尔公式推导反射光与透射光的偏振态，学生不仅要熟练运用三角公式进行推导，还要对物理概念如振动分量、传播方向等有明确认识，并要建立数学结果与物理结论之间的联系。由于光学本身有一定难度，再加上学时减少、学生基础薄弱等因素的存在，工科专业光学课程的教学模式往往会导致教师满堂灌输、学生死记硬背被动学习局面，直接影响教学效果。
与专业联系不紧密，学生学习积极性不高 《基础光学》课程本身与电气类专业方向联系不够紧密，特别是电气信息大类二年级的学生对光电子学科了解不足，往往导致“重电轻光”的局面。对学生的调查显示，超过60%的学生认为模拟电路、微机原理等与电类紧密关联的课程较光学课程更重要；大约30%的学生认为光学与电学有一定联系，同等重要；仅有约10%的学生认为光电子技术是科技发展的前沿，而其基础光学需要牢固掌握。学生不重视，学习积极性不高，就会出现旷课、消极学习等现象。
只注重理论知识的积累，不注重分析应用能力的培养 “授之以鱼，不如授之以渔。”教育的目的不仅仅是教会学生知识，更重要的是学以致用，学会运用知识分析解决实际问题。比如，学生在掌握基本理论、基本概念的基础上，创造性地提出偏振光的产生方法、偏振态的检验方法以及偏振的应用，教师引导学生将书本知识转化为学生分析解决实际问题的能力等等。但实际上由于学时有限、学生无法与教师进行有效互动等因素，导致教师采用“填鸭式”教学方式，使教学过程变成单纯教师教的过程，束缚了对学生创新能力的培养。
引导启发，培养学生的自主学习能力
《基础光学》教学大纲对“光的偏振”一章的教学内容和要求如表1所示。
“光的偏振”是在掌握光的干涉和衍射等基本波动理论基础上讲述的内容，要求学生对光的波动本性、横波性、振动态等有清晰的认识。同时，“偏振”一章讲述的内容多且杂，包括偏振与横波性关系、五种常见偏振态、反射光和透射光的偏振态、双折射现象、光在晶体中的波面与波线、偏振态的实验检验、偏振光的干涉等。教师要理清教学思路、设计教学过程、合理使用教学方法，安排讲、学、练的时间，做到教师“讲”得思路清晰、激发兴趣，学生“学”得清楚明白、认真投入。在授课过程中应引导学生独立思考、自主学习，更有效地学会知识，掌握分析解决实际问题的能力。
（一）分析教材、梳理思路、整合知识
教材中“光的偏振”一章分为9个小节，涉及知识点较多，但综合起来可总结为以下4个问题：（1）光的偏振现象与横波性的关系；（2）五种常见偏振态；（3）如何将自然光改造成偏振光；（4）偏振光的实验检验。
对本章的整体知识结构可作如下分解。
第一，明确偏振现象与横波性的关系；理解为什么偏振现象可以作为区分横波和纵波的标志；分析为什么横波有偏振现象而纵波没有，进而总结偏振的基本概念（教材第一节）。
第二，了解横波振动量振动状态的多样性，介绍五种常见偏振态，包括自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光；详细介绍自然光、线偏振光、部分偏振光，重点学习如何将自然光改造成线偏振光和部分偏振光，其中包括反射光和透射光的偏振态（教材第一节、第二节）。
第三，理解光在各向异性晶体中的双折射现象、波面和波线，理解由各向异性晶体制作的偏振器件的基本光学特性。在此基础上，进一步学习圆偏振光与椭圆偏振光的获取方法（教材第三节到第七节）。
第四，偏振光的实验检验和偏振光的干涉（教材第八节、第九节）。
其中，第一、第二部分用2学时，第三部分用5学时，第四部分用3学时，实验用2学时。笔者仅就讲解“偏振”的第一次课分析课堂教学程序设计。
本章知识框架如图1所示。
（二）以教为辅、以学为主、教学相长
1.温故引新、联系实际、激发兴趣。兴趣是学生主动学习的前提。新课的引入要起到激感的作用，使学生受到感染，产生求知欲，产生主动学习的能动性。新课的引入分为两个部分，即温故引新和联系实际。
首先，以三个关联问题温故引新，引发思考，使学生带着问题开启新课的学习，对新课的意义有清晰的认识。（1）以复习回顾的形式，向学生提出“光的波动性如何得到证实”，学生在既有知识的基础上回答“光的干涉和衍射都无可辩驳地证明光的波动本性”。（2）提出“光波是横波还是纵波”的问题，引导学生思考振动与波动之间的联系，即光的振动分量与光波的传播方向之间是垂直的还是平行的关系。以学生的既有知识或经验知识会得到“光波是横波，其振动量的振动方向垂直于光的传播方向”。（3）“如何证实光的横波性”，偏振现象可以证明光的横波性，它是如何证明光的横波性的？它与横波间有何联系？采用旧知引新知的方法，可以使学生了解知识间的连贯性，以问题的形式引入新课内容，使学生带着思考学习，学习目的明确。
其次，引用实例，激发学生学习的兴趣和热情。引用图片等媒体资源向学生展示液晶屏、偏振片、3D立体电影等基于光的偏振的新技术，理论联系实际地激发学生学习的热情和兴趣。
2.设疑置问、引导思维、以学为本。本节新课程的内容包括偏振与横波性的关系，自然光、线偏振光和部分偏振光的基本特性，偏振光的获取方法及实验检验，其中偏振与横波性的关系是本节的重点，更是关键点，只有概念明确，才能对偏振现象进行深入研究，而难点落在反射和透射光的偏振态上。关键点知识的讲解采用启发式的教学方法。启发式教学法是教师在教学过程中扮演引导者的角色，通过设置几个层层嵌套的问题，引发学生思考，在逐一解决问题的过程中使学生完成新课学习。为了学习偏振与横波性的关系，可设计如下三个问题，层层深入，引发思考：（1）创造并分析机械横波与纵波的偏振现象。学生很容易会设计出手握绳子上下抖动形成机械横波；手推弹簧，沿弹簧往复振动形成机械纵波的例子。教师演示两个实例的偏振实验，由学生观察与分析得到“只有横波才有偏振现象”的结论。（2）为什么横波有偏振现象而纵波没有呢？学生经分析得出横波的振动方向相对于传播方向具有不对称性，而纵波的振动相对于波的传播永远呈对称分布的结论，即“振动方向相对于传播方向的不对称性”是造成偏振的直接原因，就是偏振的概念。（3）光波是否具有偏振现象呢？在了解偏振片工作原理的基础上，教师实验演示自然光通过两块偏振片后出射光强随第二块偏振片转动而发生周期性变化，学生得出“光波具有偏振现象，光波是横波”的结论。
对于关键点知识的讲解采用类比机械波的思维方法，形象生动，易于理解。同时，通过学生的分析探究，可加深学生对知识的理解。
自然光、线偏振光、部分偏振光的偏振态、通过偏振片后的现象及合成与分解等内容虽是重点，但理解起来较简单，主要采取绘制振动图像，使学生建立感性认知，对知识融会贯通。
课程知识的应用与提高拟解决两个问题：（1）如何将自然光改造成线偏振光和部分偏振光。这里主要采取教师引导、学生分组讨论、教师适当补充、学生综合总结的方式，解决本节的重点同时也是难点的问题。将自然光改造为线偏振光，最简单的方法是利用偏振片即可实现；也可以利用平面界面的反射和玻堆片的透射来实现。部分偏振光的获得可利用平面界面的反射和透射来实现。反射光、透射光偏振态的确定需要借助菲涅尔公式进行三角运算和分析得到，理论性较强，运算过程较繁琐，所以可适当做详略处理：对于反射光的偏振态，教师可引导学生进行详细的推导，掌握方法；而对透射光的偏振态则可布置为小组作业，由学生仿照教师引导的方法独立学习、分析完成。（2）如何用实验的方法区分自然光、线偏振光和部分偏振光？可采用分组讨论的方式提出解决方案，方案可以在后续的实验课上通过动手操作得到验证。
本节的课程结构和课时安排，引入部分8分钟，重点知识的讲解30分钟，难点知识20分钟，例题及应用练习27分钟，课后总结5分钟。
“学生为主体，教师为主导”，这是现代教学的指导思想。教师在教学过程中要充分调动学生的学习积极性，使他们变被动学习为主动学习，变厌学为乐学。笔者通过“光的偏振”课堂教学环节设计，引发学生思考，激发学习兴趣，使学生积极参与到教学活动中，引导学生自主学习。
参考文献：
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[3]姚启钧.光学教程[M].北京：高等教育出版社，2002.
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[5]周玲.大学物理情境的创设与应用[J].廊坊师范学院学报（自然科学版）2012（8）：121-128.
关键词：形象化教学；光学；多媒体；教学改革
作者简介：孙婷婷（1981-），女，山东淄博人，南京信息工程大学物理与光电工程学院应用物理系，讲师。（江苏 南京 210044）
基金项目：本文系南京信息工程大学八期教改项目（项目编号：11JY053）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）04-0078-02
光学是一门古老的学科，与人类文明的发展息息相关。随着20世纪激光器的诞生，光学学科焕发了新的生命力，出现了许多以激光为基础的现代光学分支和交叉学科，其内容和方法已经渗透到现代科技的各个领域。作为光信息科学与技术专业、应用物理学专业的核心基础专业课程，“光学”课程定位于帮助学生奠定坚实的专业基础知识，学习并建立科学的思想方法。鉴于光学课程的重要地位，教育工作者应当不断探索符合学科发展、适合人才培养需求的教学方式。为了提高学生的学习效果，激发学生学习的主动性，笔者结合科研工作中的体会和教学过程中的实践，对光学课程的形象化教学方法进行了讨论。
所谓形象化教学法，指用日常熟悉的、简单的、容易理解的现象解释陌生的、复杂的、抽象的、不易理解的概念，或应用视频形象化地将复杂的工作过程和抽象的概念展示出来。形象化教学是直观性教学原则的具体体现，是各级学校各门课程都适用的一种重要教学手段。[1]对于“光学”课程而言，其本质上是一门实验科学。无论是从几何光学成像系统到光的干涉、衍射现象，还是从经典光学发展到现代光学，其中都包含了大量的理论和实验内容。而且，这些理论和实验联系紧密，绝大多数理论直接来自于实验又应用于科学实践。[2]因此，从“光学”课程的实验性特点出发，改革现有光学课程传授式教学为主的现状，在课程教学中加大形象化教学的比重，是各高校光学教学方法改革的重点之一。
如何在“光学”课程中贯彻形象化教学方法，使学生在进行抽象的逻辑思维同时建立形象化思维，增加学生对课程的理解和认识？笔者从以下几个方面对此进行了总结。
一、积累教学片段，用生活化语言将抽象问题形象化
教学片断是教师在长期的教学实践中总结出的富有代表性的教学材料，它可以是一个类比，一个生活事件，一个故事等。[3]在教学活动中，对于一些比较抽象的概念和规律，采用常规教学方法难以使学生理解和掌握。如果教师能够恰当地利用生活实践中贴切的比喻和类比，使得抽象的概念具体化、形象化，则可以达到化繁为简、事半功倍的效果，同时还可以启发学生积极思考，锻炼学生的形象思维能力，从而提高课堂教学效果。例如，在讲述光的横波特性时涉及到“横波”和“纵波”的定义，如果教师只按照课本上“纵波振动与传播方向一致，横波振动方向与传播方向垂直”的解释一带而过，并不能给学生留下很深的印象。笔者在教学过程也有所体会，很多学生只记住光是横波的结论，至于什么是横波却解释不清楚。在此，可以引入“取一根软绳，一端固定在墙上，手持另一端上下抖动，就在软绳上形成一列横波”的例子说明什么是横波，再引入“取一条软弹簧，沿弹簧长度方向前后推动，则在弹簧上形成一列纵波”的例子，形象化总结纵波的特点。
通过形象化的说明，可以使学生更直观地理解两个概念的特点，加强记忆。但是，应用生活化的比喻和类比，并不是以浅显的道理代替较深的理论，而是要求教师紧密结合教材内容，根据具体情况，做到言之有理，言之有据。还是针对上面的例子，虽然形象化的类比可以使学生快速领悟“横波”和“纵波”的特点，但是从科学严谨性出发，光波是电磁波，与类比中的机械波既有相同又有区别。因此，在学生领悟到所传递的信息之后，还应当对电磁波和机械波的异同加以比较，既保证了知识的科学性、完整性，又巩固了之前力学课程的知识点。
二、带实验进课堂，利用演示教具实现教学形象化
实验是科学研究的一个重要方法和手段，也是理工科教学的重要内容。虽然大多数院校都开设了基础光学实验课，但是在时间安排上往往与理论课程不同步，造成了实验和理论的脱节。学生不仅对基于实验的理论难以理解，而且所学理论也不能很好地应用于实际。因此，在“光学”课程教学过程中，在学时条件允许下适当增加随堂演示实验，既可以提高学生的学习兴趣、启发学生积极思维，又可以增强学生对概念和规律的理解。得益于网络技术的发展，笔者观看了美国麻省理工学院理工科部分开放课程，印象极深的一点就是实验进课堂教学。教授在讲完物理定律和概念之后，会配合课堂演示实验证明理论的正确，并且在每次课结束之前，还会安排一个与当堂知识相关的趣味实验，让学生思考观察到的现象，巩固所学的知识。值得一提的是，大多数演示实验都是教授自行设计，所用道具和演示并不复杂，无需占用太多时间，却收到非常好的教学效果。麻省理工学院的课堂教学安排值得我们在“光学”教学中学习和借鉴，当然，这也对教师的综合素质提出了更高要求。
三、发挥多媒体优越性，动态演示实验现象
由于计算机和网络的敏捷发展，多媒体技术在教育领域得到了普遍的使用。多媒体集文字、图形、动画于一身，可以直观、动态地演示物理实验现象，充分调动了学生的积极性，为学生的学习和发展提供形势多样的学习环境。对于“光学”课程中仪器复杂或不易观察现象的实验，采用多媒体教学展示可以节约教师板书时间，清晰再现物理图像，提高教学效率。例如，在光的波动性教学中，对于单缝衍射实验，本身对实验条件的要求就较高，因此在课堂上直接进行演示不切实际。教师可以用视频为学生播放实验录像，并用课件绘制实验装置，结合板书进行理论分析。从推导的公式可知，单缝衍射的图样受波长、缝宽等因素的影响，观察屏上的衍射图样会随着实验条件的变化而不断改变，这与观察到的实验现象是一致的。利用多媒体课件进行动态演示，可以用实验结果帮助学生理解相关的理论推导，弥补了传统板书教学的不足，增大课堂的信息量。
四、利用仿真软件构建虚拟实验室，将抽象理论直观化
培养具有科技创新能力的人才是教育改革关注的重点，加强专业基础课程和适时引入科学前沿对创新人才的培养具有重要意义。对于“光学”课程的建设，各级各类院校积极推进教学内容的改革，在强调经典光学的基础上，加大现代光学和光学前沿科技的比重，如激光技术、光纤通信技术、光电子技术等。由于现代光学内容涵盖广泛且涉及到学科交叉，对于背景知识不足的学生来讲，很多抽象的概念和原理难以理解。受经费等条件的限制，大部分高校并没有能力开设与前沿技术配套的实验课程。
针对上述问题，有高校提出利用软件仿真构建光学虚拟实验室的方案。[4]通过虚拟实验，既可以使学生了解和掌握复杂光学器件工作原理，又节省了设备运行经费。很多功能强大的工程软件已经被应用到光学教学中，如MATLAB、Mathematic、光学设计软件Zemax、光学仿真软件Tracepro、BeamPROP等，不仅能够通过直观、形象的界面激发学生的兴趣，还能够拓展学生的技能和知识面。
参考同行经验，笔者所在学校在推行光学课程改革建设的过程中，增设上机实践课程，让学生在虚拟实验环境中了解光学器件在光纤通信、传感和信息处理等领域的应用。例如，利用有限元分析软件COMSOL的射频模块，可以模拟阶跃光纤截面的模场分布，形象地展示光纤参数的改变对模场分布的影响（见图1）。再如，用BeamPROP软件绘制两根平行直波导构成的耦合器，当光从一根波导入射时，利用软件模拟光在两波导之间的耦合过程，得到出射端两波导的透射功率。然后改变入射波长、波导间距等参数，让学生观察总结出射端光功率的变化规律（见图2）。结合模拟结果，教师进而阐述光纤耦合器、波分复用器等器件的工作原理，这样学生理解起来要容易得多。调查显示，自该课程开设以来，学生对光学课程的兴趣和学习积极性都有所提高。
五、开展现代光学知识讲座，增加学生感性认识
虽然在推行“光学”课程教学改革中，已经加大现代光学内容的比重，但是受课程学时的限制，系统详细地讲解现代光学内容是不现实的，因此只能对很多概念和原理做简单口授，无法利用形象化教学手段展开阐述。对此，笔者认为可以通过在课余时间开展现代光学知识讲座、建立讨论小组等形式作为有益补充。例如，传统光学课程里对于光栅的讲解，一般都安排在光的衍射部分，并局限于对强度调制的二维平面透射光栅进行讨论。学完这一部分后，很多学生对光栅的认识仅停留在这个阶段。但是在实际中，其他类型的光栅表现出了更高的应用价值。比如光栅光纤传感技术，由于其良好的检测精度和线形响应，在多领域得到了广泛的实际应用，是当前的研究热点之一。在完成课堂教学任务之后，可以在课绕光纤光栅的主题开设讲座介绍光栅光纤的成栅机制、制作工艺，光纤光栅传感的原理和技术、传感网络的实现与解调等。在讲座中，可以采用图像、影音等直观方式向学生传递信息，增强学生的感性认识，使得其知识体系更为完整。将抽象的理论和生活实践联系起来，有助于开阔学生的视野，也帮助学生未来更好地面对就业挑战。
六、总结
综上所述，在光学课程中应用形象化教学方法，可以帮助学生更牢固、更直观地理解并记忆理论知识，也可以帮助学生将理论和实践有机地结合起来，建立一种形象和逻辑相结合的思维方式。从实际教学效果来看，学生对光学课程的学习兴趣明显提高，对知识的理解也更为深入。
参考文献：
[1]姜海丽,孙秋华.小议大学物理形象化教学[J].今日科苑,2007,(10):256.
[2]孙伟民.形象化教学在光学中的尝试[J].物理与工程,2003,13(6):38-40.
