陳淑靜

摘要：作為材料物理、光學(xué)工程等專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，《薄膜光學(xué)》課程具有極強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性和交叉性，涉及數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、光電、材料和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。本文基于《薄膜光學(xué)》課程的教學(xué)目標(biāo)，對(duì)《薄膜光學(xué)》課程的教學(xué)方法進(jìn)行了研究，探討了自主學(xué)習(xí)、實(shí)例教學(xué)以及開(kāi)放式教學(xué)等教學(xué)方法在《薄膜光學(xué)》課程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：《薄膜光學(xué)》；教學(xué)方法；教學(xué)目標(biāo)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）10-0203-02

《薄膜光學(xué)[1-3]是一門(mén)古老又充滿活力的學(xué)科，它是物理光學(xué)的一個(gè)重要分支，研究的是光學(xué)薄膜的光學(xué)特性，如對(duì)光的反射、透射以及吸收等作用。光學(xué)薄膜在提高或降低光學(xué)元件的反射率、吸收率、透射率，光束分離、合并，光束起偏、檢偏，光譜帶通過(guò)、阻滯以及相位調(diào)制等方面，均起著至關(guān)重要的作用。隨著前沿科學(xué)的不斷發(fā)展，光學(xué)薄膜的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，例如，超短脈沖的調(diào)控以及極紫外乃至X射線的反射?，F(xiàn)如今，薄膜光學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)算法、材料科學(xué)、表面物理、真空技術(shù)、等離子體技術(shù)等結(jié)合密切，已成為現(xiàn)代光學(xué)不可缺少的組成部分。

作為材料物理、光學(xué)工程等專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，《薄膜光學(xué)》課程是一門(mén)具有極強(qiáng)專(zhuān)業(yè)性和交叉性的課程，其內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、光電、材料和自動(dòng)控制等多個(gè)領(lǐng)域，因此，《薄膜光學(xué)》課程在教學(xué)過(guò)程中通常出現(xiàn)教學(xué)課時(shí)緊張，教學(xué)內(nèi)容難以理解等問(wèn)題。本文基于《薄膜光學(xué)》課程的教學(xué)目標(biāo)，探討《薄膜光學(xué)》課程教學(xué)方法的改革，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識(shí)水平和實(shí)踐應(yīng)用能力的提高，從而達(dá)到教學(xué)效果提升的目標(biāo)。

一、教學(xué)目標(biāo)

在《薄膜光學(xué)》課程的教學(xué)過(guò)程中，始終貫徹理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)理念，通過(guò)分析、解決實(shí)際問(wèn)題，提高學(xué)生的知識(shí)水平和實(shí)踐能力。在知識(shí)層面上，要求學(xué)生掌握光學(xué)薄膜的基礎(chǔ)理論，了解典型膜系及其應(yīng)用，掌握簡(jiǎn)單光學(xué)薄膜的設(shè)計(jì)方法；了解薄膜制作技術(shù)、方法及相關(guān)工藝。在能力層面上，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究的能力，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，提高學(xué)生的學(xué)術(shù)表達(dá)能力。

二、教學(xué)方法的研究

1.自主學(xué)習(xí)方法。傳統(tǒng)《薄膜光學(xué)》課程的教學(xué)，以課堂上的理論教學(xué)為主。由于《薄膜光學(xué)》內(nèi)容豐富，專(zhuān)業(yè)性和交叉性強(qiáng)，教學(xué)課時(shí)比較有限，因此僅僅通過(guò)課上的學(xué)習(xí)很難取得良好的教學(xué)效果?？紤]到這些問(wèn)題，可以將自主學(xué)習(xí)的方法應(yīng)用到《薄膜光學(xué)》課程的教學(xué)之中，通過(guò)為學(xué)生提供自主的學(xué)習(xí)條件，讓學(xué)生在課下時(shí)間也可自學(xué)薄膜光學(xué)的相關(guān)知識(shí)。下面介紹為學(xué)生提供的自學(xué)素材：（1）往年的教學(xué)課件：方便學(xué)生上課前預(yù)習(xí)課程內(nèi)容，從而提高課堂教學(xué)效果。（2）光學(xué)薄膜特性模擬的程序、軟件及其使用說(shuō)明：對(duì)任意結(jié)構(gòu)光學(xué)薄膜特性參數(shù)的計(jì)算與模擬，不僅可以加深學(xué)生對(duì)光學(xué)薄膜基礎(chǔ)知識(shí)的理解，同時(shí)，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究能力的培養(yǎng)，以及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的鍛煉。（3）薄膜光學(xué)拓展資料：包括課堂上沒(méi)有介紹的薄膜光學(xué)相關(guān)的知識(shí)，例如光學(xué)薄膜主流制備工藝的介紹、國(guó)內(nèi)外光學(xué)薄膜前沿研究課題及研究現(xiàn)狀等，為學(xué)生拓寬知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣提供幫助。

2.實(shí)例教學(xué)方法?！侗∧す鈱W(xué)》的理論知識(shí)相對(duì)比較抽象，學(xué)生理解起來(lái)比較困難。通過(guò)在理論教學(xué)過(guò)程中列舉與之相關(guān)聯(lián)的實(shí)際例子，以實(shí)例教學(xué)的方法加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)，利用理論知識(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)例的解釋?zhuān)瑥亩鴮?shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合。下面介紹幾個(gè)在理論教學(xué)過(guò)程中的實(shí)例：（1）玻璃透光：在講解菲涅爾公式時(shí)，可引入玻璃透光的實(shí)例，將玻璃透光的物理現(xiàn)象看成是一個(gè)簡(jiǎn)單的單界面模型，然后利用菲涅爾公式計(jì)算玻璃界面上的反射率，達(dá)到對(duì)菲涅爾公式的熟練掌握以及對(duì)玻璃透光原因的解釋。分析結(jié)果表明，當(dāng)光從空氣垂直入射到玻璃表面時(shí)，玻璃表面上的反射率僅為4%左右，透光率高達(dá)96%。由此可以說(shuō)明，玻璃是非常好的透光材料，也是玻璃可用作窗戶材料的主要原因。（2）鏡子成像：在介紹金屬反射鏡時(shí)，可引入鏡子成像的實(shí)例，將鏡子成像模型簡(jiǎn)化成一個(gè)簡(jiǎn)單的金屬界面問(wèn)題，然后利用菲涅爾公式分析金屬表面的反射率，從而揭示金屬反射鏡反光和成像的原理，鞏固學(xué)生對(duì)菲涅爾公式的理解。分析結(jié)果表明，一般的金屬材料，如金、銀等，在可見(jiàn)光波段可實(shí)現(xiàn)較高的反射率，從而證實(shí)了金、銀等金屬材料用作反射鏡的可行性。（3）全反射：通過(guò)分析光由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)上發(fā)生的全反射現(xiàn)象，并進(jìn)一步探索全反射產(chǎn)生的條件以及全反射條件下實(shí)現(xiàn)100%反射的原因，可加深學(xué)生對(duì)菲涅爾公式的理解。通過(guò)理論分析全反射條件下的菲涅爾公式，發(fā)現(xiàn)不管是s偏振光還是p偏振光，在全反射條件下的反射系數(shù)均為模為1的復(fù)數(shù)，進(jìn)而從理論上找到了全反射實(shí)現(xiàn)100%反射率的理論原因。（4）MgF2減反膜：在減反膜的講解中，可引入MgF2減反膜的實(shí)例，基于單層膜的理論結(jié)果，分析MgF2減反膜可實(shí)現(xiàn)減反效果的原因以及獲得最佳減反效果的條件。分析結(jié)果表明，MgF2單層膜實(shí)現(xiàn)減反效果的原因是其折射率比較小，且小于基底折射率。通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MgF2單層膜的有效光學(xué)厚度等于入射光波長(zhǎng)的四分之一時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最佳的減反效果。（5）邁克爾遜干涉儀分束鏡：在介紹分光鏡時(shí)，可引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)邁克爾遜干涉儀中分束鏡的實(shí)例，解釋能量分光鏡實(shí)現(xiàn)半透半反功能的原因以及分光鏡的應(yīng)用。分析發(fā)現(xiàn)，在厚度優(yōu)化的前提下，單層金屬膜和多層介質(zhì)膜都能夠?qū)崿F(xiàn)50%的能量分光，即兩種結(jié)構(gòu)的光學(xué)薄膜都可用作能量的分光鏡。通過(guò)該實(shí)例可加深學(xué)生對(duì)單層金屬膜和多層介質(zhì)膜光學(xué)性能的理解，熟悉它們?cè)诜止忡R方面的應(yīng)用。（6）薄膜型波分復(fù)用器以及解復(fù)用器：在介紹多層膜濾波片時(shí)，可引入光學(xué)通訊系統(tǒng)中的薄膜型波分復(fù)用器以及解復(fù)用器的例子。薄膜型波分復(fù)用和解復(fù)用的基本原理正是基于多層介質(zhì)膜對(duì)某個(gè)波長(zhǎng)光波的濾波效果，然后，通過(guò)串聯(lián)多個(gè)多層介質(zhì)膜濾波片實(shí)現(xiàn)對(duì)波分復(fù)用光纖中多波長(zhǎng)光信號(hào)的合成和分解功能。通過(guò)該實(shí)例，可加深學(xué)生對(duì)多層介質(zhì)膜用作濾光片原理的理解，以及多層介質(zhì)膜濾波片的應(yīng)用。

3.開(kāi)放式教學(xué)方法?！侗∧す鈱W(xué)》課程的開(kāi)設(shè)，不僅僅是讓學(xué)生掌握薄膜光學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，還要通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)提高自身的能力，其中包括學(xué)習(xí)能力、研究能力以及表達(dá)能力。開(kāi)放式教學(xué)方法的應(yīng)用可幫助學(xué)生更好地鍛煉自學(xué)能力。（1）開(kāi)放式作業(yè)：《薄膜光學(xué)》課程教學(xué)過(guò)程中，可通過(guò)為學(xué)生設(shè)置開(kāi)放式作業(yè)的方法，提高學(xué)生的自學(xué)能力。例如，在講授多層膜光學(xué)特性時(shí)，要求學(xué)生基于所學(xué)知識(shí)，分析一個(gè)漸變式單層膜的反射與透射特性。學(xué)生可通過(guò)程序的模擬以及理論分析等多種方式獲得該問(wèn)題的正確答案。另外，也可要求學(xué)生自主設(shè)計(jì)光學(xué)薄膜的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)某一特定的功能。通過(guò)光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)過(guò)程能夠鞏固學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)，掌握實(shí)踐環(huán)節(jié)中薄膜的設(shè)計(jì)方法。（2）學(xué)術(shù)報(bào)告：《薄膜光學(xué)》課程教學(xué)過(guò)程中，要求學(xué)生基于《薄膜光學(xué)》課程上所學(xué)的內(nèi)容，針對(duì)薄膜光學(xué)相關(guān)領(lǐng)域中的某一研究課題展開(kāi)分析與討論，并基于所研究?jī)?nèi)容準(zhǔn)備一次完整的學(xué)術(shù)報(bào)告。在學(xué)術(shù)報(bào)告準(zhǔn)備過(guò)程中，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)基本理論知識(shí)學(xué)習(xí)→科技文獻(xiàn)查閱、分析與總結(jié)→科學(xué)問(wèn)題提出→研究方法學(xué)習(xí)與驗(yàn)證→研究結(jié)果分析與總結(jié)→學(xué)術(shù)報(bào)告與課題總結(jié)等一系列過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生正確的學(xué)習(xí)方法和研究思路，鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

三、結(jié)語(yǔ)

本文基于《薄膜光學(xué)》課程教學(xué)理念和教學(xué)目標(biāo)，對(duì)《薄膜光學(xué)》的教學(xué)方法進(jìn)行了討論，探討了自主學(xué)習(xí)、實(shí)例教學(xué)以及開(kāi)放式教學(xué)等教學(xué)方法在《薄膜光學(xué)》課程中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，采用自主學(xué)習(xí)的方法，將課上學(xué)習(xí)和課下學(xué)習(xí)結(jié)合起來(lái)，可以最大限度拓展學(xué)生的知識(shí)量，保障《薄膜光學(xué)》課程教學(xué)任務(wù)的完成；采用實(shí)例教學(xué)的方法，可使《薄膜光學(xué)》課程中復(fù)雜的公式和概念變得簡(jiǎn)單易懂，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解；采用開(kāi)放式教學(xué)的方法，可鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐的應(yīng)用能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐晉發(fā),顧培夫,劉旭,李海峰.現(xiàn)代光學(xué)薄膜技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2006.

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[3]盧進(jìn)軍,劉衛(wèi)國(guó).光學(xué)薄膜技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2005.

Study on the Teaching Method of "Thin Film Optics"

CHEN Shu-jing

(School of Materials Science and Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

Abstract:As one of the basic courses of materials physics,"Thin Film Optics" course has a strong professional and cross,involving mathematics,computers,optoelectronics,materials and automatic control and other fields. In this paper,basing on the teaching aims of "Thin Film Optics" course,we studied the teaching methods of "Thin Film Optics" course,and discussed the application of self-study,case teaching and open teaching method in "Thin Film Optics" course.

Key words:"Thin Film Optics";teaching methods;teaching aims