课程教学 课题 浅谈如何讲好大学物理光学公式背后的“故事”① 崔森，王纪俊，许伯强 (江苏大学物理与电子工程学院，江苏镇江212013) [摘 要]大学物理光学知识点庞杂、公式众多且容易混淆。在讲解过程中不仅要基于抽象的物理模型来分析推导公式 结论，还要让公式会“说话”、会“讲故事”，一方面提升学生的学习兴趣，另一方面帮助学生深入理解不同公式 背后描述的物理图像。 [关键词]大学物理；教学探索：光程差；干涉；衍射：故事 [中图分类号]G642 [文献标志码]A [文章编号]2096-0603(2021)24-0106-02 一、引言 引入了光程和光程差的概念，从而相位差可用光程差来表示，它 物理学作为描述自然界客观规律的科学，经过数百年的发 们的关系可表示为： 展，至今已建立起一套逻辑自洽的理论体系，宏大且严谨。如今 10-2a6 (1) 入 各大理工科高校都将大学物理作为本科生培养方案中的一门重 其中，6=nL表示光程差，n和L分别表示介质的折射率以及 要必修课，甚至开设医学物理、文科物理等具有专业特色的大学 两束相干光在介质中传播时产生的几何路程差，光程差的引入 物理课程。旨在通过大学物理课程的学习，培养学生的逻辑思维 极大地简化了相位分析的难度。 能力、应用科学方法认知客观世界的能力，最终达到提升学生科 在实际教学中，这一概念的引入易给学生带来困惑，使学生 学素养的目的。 由于大学物理的课程特点，目前高校大学物理课程教学中 在解决实际问题时搞不清相位差与光程差的关系，甚至把相位 普遍采用以具体现象引出问题，然后抽象成物理模型分析讨论， 差与光程差混淆，产生了断层式的死记硬背光程差的定义，这主 最终通过公式定理的推导、总结得出结论的教学模式。这一教学 要是由于学生没有搞清光程差的来龙去脉导致的。 模式容易导致学生更看重公式推导、死记硬背结论，而缺乏对学 实际上我们的教材早已在教学安排上设置了一系列“陷 生物理图像的启发，使本来生动、丰富、有趣的物理图像被活生 阱”：从最初的振动开始，我们便引入了相位的概念。在物理学中 生地抽离成一堆冷冰冰的公式。学生不仅失去了学习的兴趣，还 相位是与时间相关的物理量，因此相位的引入可以说是在时域 容易将这些公式结论混淆，更加难以学以致用、触类旁通地解决上描述了质点的运动情况，以时间为轴来描述运动过程与我们 实际问题。 的日常思维模式相符，学生比较容易接受。紧接着到了机械波的 这种情况在大学物理光学教学中尤为明显，因为光学中各 传播方程，我们开始引导学生观察某一时刻质点的空间分布以 种现象类似、公式众多、规律相近、极为容易混淆，很多物理模型及接下来时间里质点空间分布的变化情况，自然而然将时间与 稍微变换一下就让学生不知所措。因此，本文结合笔者实际教学空间的运动结合到一起，训练了学生辨析时间、空间运动的逻辑 中的一些感悟，浅谈如何较好地让学生产生兴趣的同时，理解不思维能力。最后到了光学部分，基于前面的知识基础，及时引入 同光学公式背后的物理图像，讲好公式背后的“故事”。 光程和光程差的概念，直接在空间维度分析问题，极大地减小了 二、时空穿梭—光程差 相位分析的难度。 光是电磁波的一种，在讨论光的干涉、衍射、偏振等物理现 通过这样精心安排的一系列“陷阱”，将学生认知物理现象 象时离不开一个重要的物理量一相位差。为了更方便地分析的思维模式一步步从时间领域拉入了空间领域。如果我们把公 相位关系，将光在不同介质中的传播都折算为光在真空中的传播，式(1)换一个形式表述成下面的等式： ①基金支持：本文受到国家自然科学基金青年基金支持（项目编号：1601190097；主持人：崔森）。 作者简介：崔森(1989一)，男，江苏徐州人，博士，讲师，就职于江苏大学物理与电子工程学院，研究方向：超快激光物理。 -106 (C)1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net浅谈如何讲好大学物理光学公式背后的“故事”① 崔 森，王纪俊，许伯强 （江苏大学 物理与电子工程学院，江苏 镇江 212013） ［摘 要］大学物理光学知识点庞杂、公式众多且容易混淆。在讲解过程中不仅要基于抽象的物理模型来分析推导公式 结论，还要让公式会“说话”、会“讲故事”，一方面提升学生的学习兴趣，另一方面帮助学生深入理解不同公式 背后描述的物理图像。 ［关 键 词］大学物理；教学探索；光程差；干涉；衍射；故事 ［中图分类号］G642 ［文献标志码］A ［文章编号］2096-0603（2021）24-0106-02 一、引言 物理学作为描述自然界客观规律的科学，经过数百年的发 展，至今已建立起一套逻辑自洽的理论体系，宏大且严谨。如今 各大理工科高校都将大学物理作为本科生培养方案中的一门重 要必修课，甚至开设医学物理、文科物理等具有专业特色的大学 物理课程。旨在通过大学物理课程的学习，培养学生的逻辑思维 能力、应用科学方法认知客观世界的能力，最终达到提升学生科 学素养的目的。 由于大学物理的课程特点，目前高校大学物理课程教学中 普遍采用以具体现象引出问题，然后抽象成物理模型分析讨论， 最终通过公式定理的推导、总结得出结论的教学模式。这一教学 模式容易导致学生更看重公式推导、死记硬背结论，而缺乏对学 生物理图像的启发，使本来生动、丰富、有趣的物理图像被活生 生地抽离成一堆冷冰冰的公式。学生不仅失去了学习的兴趣，还 容易将这些公式结论混淆，更加难以学以致用、触类旁通地解决 实际问题。 这种情况在大学物理光学教学中尤为明显，因为光学中各 种现象类似、公式众多、规律相近、极为容易混淆，很多物理模型 稍微变换一下就让学生不知所措。因此，本文结合笔者实际教学 中的一些感悟，浅谈如何较好地让学生产生兴趣的同时，理解不 同光学公式背后的物理图像，讲好公式背后的“故事”。 二、时空穿梭——光程差 光是电磁波的一种，在讨论光的干涉、衍射、偏振等物理现 象时离不开一个重要的物理量——相位差。为了更方便地分析 相位关系，将光在不同介质中的传播都折算为光在真空中的传播， 引入了光程和光程差的概念，从而相位差可用光程差来表示，它 们的关系可表示为： ｜覫= 2πδ λ （1） 其中，δ=nL 表示光程差，n 和 L 分别表示介质的折射率以及 两束相干光在介质中传播时产生的几何路程差，光程差的引入 极大地简化了相位分析的难度。 在实际教学中，这一概念的引入易给学生带来困惑，使学生 在解决实际问题时搞不清相位差与光程差的关系，甚至把相位 差与光程差混淆，产生了断层式的死记硬背光程差的定义，这主 要是由于学生没有搞清光程差的来龙去脉导致的。 实际上我们的教材早已在教学安排上设置了一系列“陷 阱”：从最初的振动开始，我们便引入了相位的概念。在物理学中 相位是与时间相关的物理量，因此相位的引入可以说是在时域 上描述了质点的运动情况，以时间为轴来描述运动过程与我们 的日常思维模式相符，学生比较容易接受。紧接着到了机械波的 传播方程，我们开始引导学生观察某一时刻质点的空间分布以 及接下来时间里质点空间分布的变化情况，自然而然将时间与 空间的运动结合到一起，训练了学生辨析时间、空间运动的逻辑 思维能力。最后到了光学部分，基于前面的知识基础，及时引入 光程和光程差的概念，直接在空间维度分析问题，极大地减小了 相位分析的难度。 通过这样精心安排的一系列“陷阱”，将学生认知物理现象 的思维模式一步步从时间领域拉入了空间领域。如果我们把公 式（1）换一个形式表述成下面的等式： ①基金支持：本文受到国家自然科学基金青年基金支持（项目编号：1601190097；主持人：崔森）。 作者简介：崔森（1989—），男，江苏徐州人，博士，讲师，就职于江苏大学物理与电子工程学院，研究方向：超快激光物理。 课程教学 课题 106- -