虚拟仿真的可视化物理光学课堂教学探索*

钱义先　任志君

(浙江师范大学数理信息工程学院　浙江 金华　321004)

1　引言

物理光学[1,2]是光电信息、光学工程、光电子技术专业本科生必修的一门专业基础课，是从事光学、光学工程及相关领域研究工作的基础，也是激光光学、非线性光学、光电子学、量子光学、光通信技术、光纤光学等课程的基础课程，具有十分重要的地位．由于物理光学需要丰富而又抽象的数理知识，又涉及诸多复杂的过程．学生要求具有较强的数理功底，因此学生普遍反映物理光学课堂讲授较难理解，对于光学概念和光学现象感到很抽象和枯燥．虽然光作为一种物质，但理论课堂上讲授时，既看不见也摸不着，很难理解．同时，对任课教师也提出较高的要求，物理光学课程讲授必须结合多种课堂教学方法，以及实验教学来提高教学质量．多媒体教学、传统的实验教学都一定程度上受到限制．

虚拟仿真技术[3]形象化的逼真演示效果，可以使得理论课堂教学变得生动丰富，枯燥抽象的理论知识得到具体生动形象的展示，从而对光学知识的理解和掌握得到加强，扩大学生的感性认知和视野，增强课堂教学效果，教学成本也低．本文以浙江师范大学物理光学课程课堂为例，探讨以虚拟仿真的可视化教学来培养适合社会、企业所需求的高级专业人才．该课堂教学改革同样可以应用于该课程的实验教学．

2　教学改革思路

为了全面提高物理光学课程的课堂教学，以及学生创新实践能力，提出基于VirtualLab软件的虚拟仿真可视化教学改革思路．VirtualLab软件是目前最先进的建模光学软件之一，顾名思义其本身就是为光学“虚拟仿真”而开发的．VirtualLab是由德国LightTrans公司研发的、一款功能强大的光学仿真设计软件．它基于电磁场核心理论，通过求解Maxwell方程组获得整个光学系统在空间各个部分的光波场矢量信息，即场追迹．该系统内核运用了有限元数值计算方法和计算机图像处理技术，在图形化的交互窗口中统一用Light Path 流程图的形式进行光学系统的建模与仿真分析，其中光源、光学元件、探测器都可以在光学元件库中灵活调用，并且能随时对其各种光学特性参数进行编辑，是一个统一化的光学建模与分析平台．内部集成了很多常规模块化操作，无需复杂的建模，省去了烦琐的理论建模、光学元件搭建、对准、调整光路等工作，从而可以将更多的精力聚焦于光学的本质理解上．

具体的虚拟仿真可视化课堂教改方案如下：

(1) 首先，基于先进的VirtualLab软件平台，可以将物理光学中众多具有复杂、抽象概念的课堂教学，通过简单的流程图形式进行建模、编程．将光在教学中不易展现的多种属性和特征通过虚拟仿真软件形象逼真地展现出来．同时，该软件平台使得教师及学生可以脱离复杂、烦琐的实验搭建、对准、调整光路等工作，从而更加直观、方便地得到光的各种属性，理解和感受光的本质，进而扎实掌握物理光学内容．

(2) 其次，设计并开发出与物理光学课程所对应的多个虚拟仿真系统．在本科生课堂教学中引入并演示，展现光的多种难以展示的特性，从而大大加深学生对光学知识的掌握和对光的本质属性的理解．

(3) 然后，教学课堂上阐述基于VirtualLab软件的基本原理和理论．脱离复杂的理论公式，进而让学生自己学会搭建理论课堂中讲授的光学例子，虚拟仿真出与现实光场一致的各种特性和属性，这种循序渐进的教学，逐渐引导学生并提高学习兴趣．

(4) 最后，通过一段时间的学习，使得学生自己能够建模开发出较为复杂的光学系统，虚拟仿真出所要实现的光场．通过锻炼使得学生能够充分理解光的本质及各种光学应用．以上操作可以在教学中的课堂中实现，也可以充分利用现有的实验机房进行先进光学虚拟仿真教学学习和演示．

3　虚拟仿真可视化实践教学

以杨氏双缝干涉为例．首先在理论课堂的讲授中，阐明两束光I1和I2的干涉的定义及其本质，即光的叠加．并理论推导出两束相干光叠加后的光场I分布公式

(1)

其次，在课堂中根据理论公式，结合VirtualLab软件进行干涉系统建模操作，既通过虚拟实现光学干涉的演示，提高学生对光干涉的理解，同时也通过演示实现培训学生学习VirtualLab建模．虚拟实现软件中有多种光源、光学元器件、探测器等，这些元器件分别可以对应于理论公式中的参数，且直接拖曳到工作区作为建模使用．而软件中没有所需的双缝元件，可以采用可编程理想元器件Program-mable Function代替，建立相应的功能元件．同时可以对光源的波长参数及各个光学元器件的参数进行编辑和设置，以满足实际需要．实例中光源为高斯光源，波长为532 μm，束腰半径为100 μm．探测器使用虚拟探测器Virtrual Screen．建模完成后点击仿真计算按钮即可获得双缝干涉面的光场的各种信息．

图1为虚拟仿真获得的光场．图2(a)～2(d)分别为建模光路流程图、光强分布、振幅分布、相位分布信息，这些信息非常直观具体，对理解光的本质属性和基本概念极其有利．

图1　双缝干涉虚拟光场

图2　双缝干涉

与传统相比，一般的虚拟仿真只能给出光强分布．而VirtualLab虚拟仿真则可以根据需要给出以往课堂教学中无法展现的信息，如波长、相位、振幅、偏振等光的本质特性．这些信息的展现使得枯燥抽象的光学理论课变得生动活泼，从而激发学生的学习兴趣，提高教学质量．除了在课堂上理论结合VirtualLab软件演示外，其次，学生可以在课后自己利用软件将课堂教学的实例自己动手复原，达到加强学习的效果．

另外，作为可视化仿真的另外一个例子，图3(a)～3(d)分别为圆孔夫琅禾费衍射建模光路流程图、光强分布、振幅分布、相位分布信息．图4给出了典型的圆孔夫琅禾费衍射虚拟仿真光场．在以上的虚拟仿真系统中，通过改变光源类型、圆孔大小、形状、结构等参数，来实时地分析研究干涉或衍射光波场中任意位置的振幅、强度、相位分布等性质．

图3　圆孔夫琅禾费衍射

图4　虚拟仿真衍射光场

4　结论

基于VirtualLab软件平台下，将复杂的虚拟仿真技术引入物理光学的课堂教学，学生自己可以亲自动手建模．将枯燥、复杂的物理光学课程变的生动鲜活，像“搭积木”一样容易．使得物理光学课程中各种枯燥抽象、难以理解的光的特征和属性变得形象又逼真，学生可以脱离复杂的理论公式推导和计算，可将众多复杂、抽象的物理光学概念和理论，通过简单的建模和可视化的形式逼真的展现，提高学生浓厚的学习兴趣以及增强了学习效果，从而明显提高教学质量．

ExplorationonPhysicsOpticsCourseTeachingbasedonVirtualSimulation

Qian YixianRen Zhijun

(College of mathematical and information engineering,Zhejiang Normal University,Jinhua,Zhejiang321004)

Abstract:Physics optics course is a very professional and required theory course for undergraduate students.It has the characteristics of abstract and bladness,which brings many difficulties in teaching.Aiming at the above characteristics,the paper mainly discusses the visual virtual simulation of physics optics based on VirtualLab software.Those complex and abstract concepts can be shown by using a simple optical modeling,so that we can improve students' learning interest and learning effect,also improve the teaching level of physical optics curriculum.

Keywords：physics optics;virtual simulation;virtualLab software;teaching reform