Реферат: Концепция чтения дисциплины "основы оптики" как базового естественнонаучного курса

КОНЦЕПЦИЯ ЧТЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ “ОСНОВЫ ОПТИКИ”
КАК БАЗОВОГО ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОГО КУРСА

Башнина Г.Л., Боярский К.К., Стафеев С.К.

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, СПб, Саблинская ул., 14. stafeev@phd.ifmo.ru

Образование в вузах и колледжах, с зачтением.


Предлагается апробированная концепция базового курса “Основы оптики”, состоящая из пяти разделов (историчекого введения и четырех содержательных глав), подкрепленная изданными в СПбГУ ИТМО учебными пособиями и разработанными под руководством авторов образовательными интернет-ресурсами.


В рамках естественнонаучного цикла студентам оптических специальностей и направлений читается курс “Основы оптики”, в котором, как правило, уделяется наибольшее внимание вопросам геометрической и расчетной оптики. Понимая, что это в определенной степени обусловлено потребностями общеинженерных и специальных дисциплин, считаем, что такой подход может лишить студентов-оптиков широкой эрудиции в других разделах оптической науки. В связи с этим хотелось бы изложить отличающуюся от традиционной концепцию чтения данного курса.

Во-первых, считаем совершенно нелишним включить в первые лекции по “Основам оптики” ретроспективный исторический материал. Это дает возможность не только проследить логику развития взглядов человечества на свет, зрение, различные оптические эффекты, но и обнаружить глубокие связи, аналогии и ассоциации высказываний древних с самыми современными достижениями оптики. Здесь имеет смысл, опираясь на четкую периодизацию, сочетать тематический материал с персоналиями ученых-оптиков. Примерное деление может быть следующим: Архаика – Античность – Средние века и эпоха Возрождения – Оптическая революция XVII века – Оптика Ньютона и Гюйгенса – Теории Юнга и Френеля - Оптика XIX века – Электромагнитная теория света – Современная оптика.

Во-вторых, содержательная часть курса структурируется таким образом, чтобы, с одной стороны, заложить основу расчетных оптических методов для будущих дисциплин специализаций, а с другой – более равномерно распределить учебный материал по всем основным разделам волновой и корпускулярной оптики. Представляется логичной следующая последовательность изложения. Сначала изучается материал по геометрической оптике, причем после лекций по общим свойствам лучей и прохождению сферических границ, излагаются основы фотометрии, аппарат уравнений Максвелла и свойства электромагнитных волн оптического диапазона. Затем изучаются базовые явления волновой оптики – интерференция и дифракция света, причем в качестве основного (или дополнительного, в зависимости от уровня подготовки студентов) используется формализм фурье-преобразований. Это позволяет на современном языке описать такие актуальные оптические приложения как голография и распознавание образов. Следующий большой раздел курса – взаимодействие света с веществом: особенности поляризации света, основы кристаллооптики, взаимосвязь явлений преломления и поглощения. Здесь, так же как и в первом разделе, имеет смысл заложить основы матричных методов описания. Заключительная часть курса – квантовая и нелинейная оптика, посвящена наиболее современным оптическим приложениям, в том числе лазерам и оптоинформатике. Если все четыре раздела курса будут сбалансированы, то у студентов формируются всесторонние представления о возможностях и перспективах оптической науки.

В-третьих, изложение всего материала должно сопровождаться максимальным использованием натурных демонстраций и компьютерных образовательных технологий. Помимо гипертекстового пособия с флэш-анимациями, банка контрольных заданий и тестов, на лекциях и в самостоятельной работе обязательно должны использоваться имитационные модели основных оптических явлений. Из большого списка разработок на эту тему перечислим только те, которые уже сегодня доступны и свободно распространяются по Интернету: моделирование спектрального состава и параметров когерентности источников света, интерферометр Майкельсона и кольца Ньютона, опыт Юнга и многолучевая интерференция, работа дифракционной решетки и модель дифракции Фраунгофера на основе 2D фурье-преобразования, интерактивная сфера Пуанкаре и работа абсорбционных светофильтров, наконец, квантовооптические явления (фотоэффект, световое давление, комптоновское рассеяние, интерактивная g-диаграмма лазерных резонаторов) и нелинейнооптические эффекты (самофокусировка, генерация гармоник, обращение волнового фронта, самоорганизация световых полей). На собственном многолетнем опыте мы убедились, что использование компьютерных моделей в учебных курсах по оптике в сочетании с обсуждением результатов реальных лекционных демонстраций, безусловно, дает весьма значимый педагогический эффект.