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摘要：我国高等院校的理工科专业,普遍把几何光学部分纳入基础课教学，因为几何光学既是光学的一个分支，也是大学物理的一个重要组成部分。几何光学的教学也需要得到一定的发展，这就对我们教师提出了更高的要求，如何培养高素质人才，让几何光学与现代应用相结合是我们不断摸索的课题。本文对几何光学和创新创业教育相结合概述，讨论通过几何光学教学培养学生解决复杂工程问题的能力，最后对几何光学教育教学和摄影技术相结合的具体分析，希望对我国几何光学教学具有帮助。
关键词：几何光学；教学；现代应用
本文引用格式：李文,胡仕红.几何光学教育教学和现代应用相结合的初步探讨[J].教育现代化,2019,6(12):182-184.
随着时代的发展和技术的进步，人们越来越多的接触到与光学相关的技术应用，比如单反相机和手机摄影等越来越多的进入大众的生活。同时时代的发展也对当前高校的教育教学改革提出了更多的要求，如重视培养大学生的创新创业能力，在工程教育方面要求提高大学生解决复杂工程问题的能力等。
一几何光学教学内容
纵观当前的高校院物理学专业光学课程教学教材，均为姚启钧原著的《光学教程》(第四版)，依据课程安排，每学期为72学时，该教材涉及的内容包括：a光的干涉；b光的衍射；c几何光学基本原理；d光学仪器基本原理；e光的偏振，从课程内容的分布上看，几何光学部分约占内容的20%，相较于第三版内容，教材增加一些高新技术，并且多选用和生活相关的例子，同时在几何光学部分简化如下内容：a费马原理在反射；b折射原理中的推导；c理想光具组作图法求像；d像差原理介绍，增设了如下内容：a现代投影装置；b数码相机；c哈勃太空望远镜；d还光导纤维及其应用；e集成光学简介，大大提升了教学内容的实用性。
二 几何光学可以和创新创业教育相结合
几何光学作为一门古老而又充满生机的科学技术分支，它既是工程师教育的基础课，同时也是现在大学生创新创业教育的一个很好方向。几何光学的很多知识，可以在我们的测量仪器、成像设备、传感设备等很多方面找到应用。这为我们的教学工作带来了很多的实例，也为我们结合新的市场需求开展创新创业带来了应用知识的机遇[1-2]。比如世界青年物理学家竞赛（International Young Physicists'Tournament）里面的题目很多都是物理学包括几何光学知识在生产实践中的应用。
作为和应用联系紧密的一门基础物理课，几何光学带给我们在教学上的很多联系创新的可能。这要求我们应不断思考尝试着把光学的很多知识和常见技术应用联系起来，以激发学生们的学习兴趣和技术研究创新的热情。创新创业是近年来我国大力倡导的文化，并且得到高校的大力支持，高校学生研究几何光学的相关知识，可以在毕业后获得很多创业的便利条件。
三通过几何光学教学培养学生解决复杂工程问题的能力
国际上关于本科工程学历（一般为四年）的资格互认有《华盛顿协议》，按照《华盛顿协议》，“复杂工程问题”必须具备下述特征1，同时具备下述特征2-7的部分或全部[3]：
1.必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决
。
2.涉及多方面的技术、工程和其它因素，并可能相互有一定冲突。
3.需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性。
4.不是仅靠常用方法就可以完全解决的。
5.问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中。
6.问题相关各方利益不完全一致。
7.具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。
在我国成为《华盛顿协议》正式缔约成员后,深刻地理解把握复杂工程问题并培养出具有解决复杂工程问题能力的毕业生,将是我国高等教育所有本科工程专业当前和今后必须重视和做好的重要工作。
那么在几何光学这样一门基础物理课的教学中，有没有可能通过课程建设改革来培养同学们解决复杂工程问题的能力呢？虽然单学科无法解决复杂工程问题，但是通过几何光学这门课程的学习来激发学生认识和理解复杂工程问题中的物理本质，激发他们深入思考研究的兴趣，培养他们解决复杂工程问题的能力，依然还是可行的，原因还是光学这门基础物理课的知识在工程实践中广泛的应用。
比如在数码相机已经很普及的今天，很多人在学完光学课程后对数码摄影中的很多名词术语依然很陌生，或者熟悉了但是并不理解，或者掌握了摄影技术但是缺乏物理包括几何光学上的深刻理解。而数码相机无疑正是多学科交叉融合的产品，由前述复杂工程问题的特征界定，数码相机的设计制备无疑包含了大量的复杂工程问题，牵涉到材料学、电子学、光学、机械学、半导体技术、单片机、软件编程等多种学科和技术工艺。[4-7]
四 几何光学教育教学和摄影技术相结合的具体分析
我们如果在几何光学的课程建设中，以数码相机中的光学知识为切入点，来激发同学们学习和解决复杂工程问题的兴趣和能力，无疑是既具有现实的应用价值，也能拓展同学们工程技术上的宽广视野。
为此我们在讲解光学仪器时，可以适当引入摄影技术中的一些概念和术语，把它和光学知识联系起来。
具体来说几个知识点：
1.光学模型的建立。尽管数码相机里的摄影镜头种类繁多，为了消除色差像差导致镜头内部镜片组设计、形状、材料、镀膜都很复杂，但是不失一般性，很多情况下仍然可以利用几何光学里面的单凸透镜头成像模型，来理解其中的几何光学现象。而对多个光学元件组成的镜片组，在几何光学里应用逐次成像的方法，就可以得到不同镜片组组成的各类镜头的光学解释。
2.中文光学教材或摄影知识里面的景深，对应一些法语几何光学课教材里面的场深（profondeur de champ）[5]。这一概念对理解光学仪器的调焦是个关键知识点,同时也对应摄影技术里的对焦、虚化背景等概念和技术手段。
3.光学镜头的孔径光阑的概念和摄影术语中的光圈数（相对孔径的倒数）对应，它既影响光学中成像的分辨率，也对摄影中正确的曝光量和景深的选择至关重要。
4.角视场在几何光学模型中可以很直观地示意出来，这个概念直接和镜头焦距选择相关（长焦、广角等镜头选择），也能和相机感光芯片的幅面尺寸建立联系。
5.摄影技术中的超焦距概念也可以用单镜头几何光学模型来直观地阐述清楚。
对这部分概念、知识和几何光学模型的引入，会使学生认识到复杂工程问题是可以也是需要通过建立数学物理模型来理解和解决的，其实这也是数码相机设计的内在光学本质决定的。
同时，这部分几何光学的内容既和后面的波动光学以及其他学科也有着千丝万缕的联系，也有相对的独立性。如果做好了这部分建模工作，会让学生很有成就感，从而培养他们的科研自信和工程能力。
将几何光学和摄影技术建立联系的做法，既有实用价值，也能促发学生思考探索。具体开展可以通过家庭作业或做小项目等形式开展。这样既不占用太多的课内学时，也可以让学生通过做小项目去思考探索，去扩展阅读，并逐步学会建立数学物理模型去解决工程问题。[8-11]
五恰当处理教材中数学推导繁和难的问题
高校的物理教学中，数学是不可或缺的工具，但是部分学生的数学基础较差，对推算的兴趣不高。因此，需要教师思考如何在有限学时使学生更好的掌握和利用数学处理几何光学问题，这不仅关系到几何光学教学质量，更是学生学习中必须面对的难题。教师需要根据几何光学中具体教学内容安排数学推导，重视兴趣的培养，从实用的角度思考如何开展物理教学，此外，教师还要加强专业研究，努力实现几何光学教学和数学的优化整合。比如讲授《由费马原理导出几何光学的实验定律》(反射定律和折射定律)时，教师要杜绝使用数学推导，而利用简单的取极小值定性说明，这样学生就不会感觉推导过程繁琐。利用理解取极值的含义进行理性分析，可以通实例证明如下三种情形的正确：a费马原理取极大值；b极小值；c常数，巧妙化解严密推导的方法。同时，在导出单球面的反射和折射成像公式中，学生只需利用费马原理光程取极值，并且结合近轴条件将其单球面反射物像公式导出即可。同理，单球面折射成像公式也不需要利用数学推导。再如，讲授光源的聚光本领时，教师可以不对数学推导过程讲述，重点对结论进行阐明和理性分析。此外，棱镜光谱仪、光栅光谱仪的角色散率、色分辨本领不做数学推导要求，将导出过程简述即可，这样处理可以避免大量的、枯燥的推导过程，使学生具有学习的动力，让学生对光学知识更加有效的掌握。
六 发挥多媒体教学的优势
在当前的高校教学中，多媒体技术已经得到广泛的利用，该技术使物理教学更加生动形象，极大的提升学生的学习动力，有着传统教学方法不具备的优势。在多媒体环境下，学生可以清晰的看到推导过程和实验现象，使学习效率得到极大的提升。在几何光学教学中，光路图教多，特别是讲授目镜原理、光学元件的多次成像和显微镜工作原理时，涉及到更为复杂的光路图。传统的教学模式下，教师采用板书画图讲解，在擦拭中会消耗很多时间，影响教学效率且课堂气氛较为压抑。因此，将多媒体融入光学几何教学，尤其是将光路图教学可以利用动态的图像展示给学生，学生就会感受真实光线的行进路线，让枯燥的理论知识生动起来，便于学生的直观观察，深入了解光的传播规律。同时，教师在使用多媒体技术时，需要对学生的学习状态观察，如果感觉学生学习较为吃力，可以将播放速度放慢。如果学生依然对部分内容不理解时，教师要适当终段播放，通过及时的讲解化解学生心中的疑惑。多媒体技术是高校物理教学的创新，但是依然需要板书的配合，在光学有关公式的推导教学中，板书依然具有不可替代的作用。
七 注重培养学生的科学素质
在光学课程教学中，教师不仅要关注理论知识的教育，还要注重科学素质的培养，物理是一门以科学实验为支撑的学科，教师进行几何光学教学不仅要让学生懂得理论知识，还要提升物理核心素养，使自身的探究意识、操作能力都得到提升。作为一名高校物理教师，自身也要关注物理学科的进展，将近年来的教学成果总结，并且借鉴灵活的教学策略，使学生带着渊博的知识为我国的科研事业做出贡献。在几何光学的作图求像教学中，特殊光线过透镜中心的光线不改变传播方向的规律是重要的教学内容，在之后的单球面反射和折射中，在作图求像要引导学生发现过哪点的光线可以总结类似规律。再如，分析成像性质时可以通过单球面反射使横向放大率增大，这样分析像的大小、虚实和正倒立更加有效。
八 注重兴趣的培养
在教学过程中，教师要结合教学内容，在保持严谨的教学风气同时也要在几何光学研究教学教学中，用热点问题、重大发现和科学进展来激发学生的学习兴趣。比如讲述光导纤维时，这项技术我国已经实现极大的发展，现有传输总容量已经超过17.32 Tb/s，相当于至少2.1亿对人同时集中在一根光纤上通话。再如讲授望远镜时，很多学生在初高中的学习指知道哈勃望远镜是当时最先进的技术，而当前凯克天文台拥有凯克望远镜要领先于哈勃望远镜，其口径长度达到10米，仅次于世界口径最大的西班牙口径加那利大型望远镜（口径10.4米）。在讲到显微镜时，还要告知学生当前最好的显微镜放大倍数以及分辨埃的大小，最先进的望远镜是面倍数为放大倍数达3亿倍的扫描隧道显微镜，分辨率可达0.1埃。在讲述先进技术的同时也要对我国1979年研制显微镜-0.3纳米大型电子显微镜做出介绍，作为中科院北京电镜实验室与大连理工大学共同研制的我国第一台光子扫描隧道显微镜，教师要做出重点介绍，在学生听讲的过程中，使学生的民族自豪感增强，产生更大的学习动力，励志为国家科学技术的发展贡献力量。
九 结语
实际上，光学作为一个和前沿技术发展联系紧密的基础学科，在很多科学技术中都可以找到它的身影，这对我们的教育教学带来不少的挑战和机遇，我们的课程建设在夯实数理基础的同时，也应该时刻关注科技的最新进展，带着发展的眼光，不断与时俱进地去进行课程教学内容的改革更新。
参考文献
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[4]光学.赵凯华，钟锡华.北京大学出版社,1982.
[5]PHYSIQUE 1er année PCSI.David Augier,Christophe More.Editions TEC&DOC.ISBN:978-2-7430-1510-7
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[11]杨金廷.刍议基于现代教育技术的教育教学改革[J].国家教育行政学院学报,2003,(05):54-55.
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