浅谈“光的偏振”教学中如何引导学生自主学习

曲芳++徐丽娟

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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（责任编辑：王恒）