《薄膜光学》课程的教学研究与探索

【摘要】《薄膜光学》是一门理论性和实践性都很强的专业基础课。本文从《薄膜光学》课程的教学目的和教学任务出发，针对材料物理专业本科生教学的特点，尝试和探索在教学内容、教学方法、增加实践环节等方面进行改革，并将其应用于教学实践中，取得了良好的效果。

【关键词】薄膜光学；教学方法；教学内容；实践环节

0 前言

薄膜光学是物理光学的重要分支，它以膜层对光的反射、透射、吸收等为研究对象，主要研究光在分层媒质中的传播规律性，已成为现代光学不可缺少的重要组成部分。

《薄膜光学》是我院材料物理专业方向的一门主要专业基础课程。课程内容涉及光学、物理学、化学、材料学等多门学科知识，具有很强的技术性、实践性和应用性。通过该课程的学习，使学生了解光学薄膜的基础理论，掌握薄膜制作方法及相关工艺，熟悉常用薄膜的性能指标及相关的检测方法。培养学生分析问题与解决问题的能力，为进一步学习其他相关专业课以及毕业后从事专业工作打下良好的基础。

在讲授《薄膜光学》课程时，我们发现存在以下几方面问题：第一，公式多，概念抽象，学生难于理解。这是授课过程中普遍存在的问题。第二，学生的学习目的不明确。在学习过程中，学生普遍感到《薄膜光学》课程与材料专业联系不大，因此学习积极性不高。第三，理论内容枯燥，理论与实践脱节。《薄膜光学》课程的改革势在必行。近两年来，在对《薄膜光学》课程特征分析的基础上，我们在教学内容、教学方法、增加实践环节等方面进行了改革与探索，取得了良好的效果。

1 教学内容的改革

高等教育的主要任务是培养创新型人才，同时兼顾创新能力与工程应用能力的有机结合。

材料物理专业是理论性和实践性均很强的专业，强调基础理论知识与工程应用能力相结合，面向新能源与新信息等新功能材料、膜层与功能器件。《薄膜光学》课程内容多，概念抽象，涉及面广，学生学习时感觉难度很大。如果以光学工程专业的教学要求来讲解，很难按大纲要求在 32 学时内讲授完全部内容。如何在有限的课时内让学生熟练掌握薄膜光学的基础原理，成膜方法，加强应用能力的培养，成为本课程改革的关键。因此， 我们根据当前学生就业的实际需求，对课本的内容做了精心筛选，既保证学生对光学薄膜理论有全面的了解，又重点讲解学生将来在实际工作中可能用到的知识内容。在讲授过程中，本着以人才培养为根本，以社会需求为导向，以基础理论和工程应用为核心的理念，紧紧围绕薄膜的基本理论及薄膜设计方法、实用薄膜的制备工艺及方法这一主线来展开。

1.1 薄膜的基本理论

光学薄膜是附着在光学零件表面的厚度薄而均匀的介质膜层。光学薄膜的光学性能集中表现为薄膜界面的分振幅多光束干涉能力。在讲授这部分内容时，注意结合学生专业特点，采用由浅入深、循序渐进的方法，从五光十色的肥皂泡，水面上彩色斑烂的油膜、车灯、眼镜等日常生活中经常接触的自然现象，到电磁场的基本性质、光学薄膜的光学特性计算、膜系的基本定理、非均匀膜、薄膜的形成和结构等逐渐展开，最后讲解减反膜、增透膜、滤光片等介质膜系及其应用。

1.2 薄膜的制备方法及工艺

光学薄膜可以采用物理汽相沉积和化学液相沉积两种方法来制备。化学液相沉积工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差。物理汽相沉积常常使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度可以精确控制，膜层强度好而广泛采用。在教学过程中，作者以所在的国家重点实验室所使用的真空镀膜机为原型，重点讲述真空系统、热蒸发系统及膜厚控制系统。从真空的获得与检测到热蒸发工艺，学生通过直观的感受，使所学的理论与实践联系起来，达到事半功倍的效果。

除薄膜的制备工艺外，薄膜的制备工艺部分主要侧重影响光学薄膜器件的质量要素和工艺要素，质量要素主要包括光学性能、机械性能和环境稳定性。工艺要素主要是光学薄膜的基本工艺过程，即零件清洁-装零件-抽真空-镀膜-检测等过程。

2 教学方法的改进

2.1 多媒体教学和传统教学的有机结合

在传统板书式教学方法中，教师通过边写、边讲、边示范，实现教师与学生之间生动的感情交流，教师富有感染力的肢体语言，富有魅力的语言表达，使学生寓乐于学之中。但抽象的问题通过传统教学用老师的语言，就显得苍白乏力，在课堂有限的时间内很难让学生理解清楚知识。这就需要板书和多媒体课件的有机结合。例如薄膜基础理论部分采用板书教学，使学生易于掌握公式的推导过程和抽象的理论知识，加深对基础知识的理解；薄膜技术部分采用多媒体课件教学，更多地采用动画效果手段，将信息数字化，把图像、图形、动画、视频、文本、声音等多媒体结合在一起，在有限的课堂时间内以较大信息容量传递给学生，给学生更直观的感受。使学生对镀膜技术的设备和工艺过程有一个感性的认识。制作互动性好的多媒体课件，通过系统特性动态显示过程分析并讲解其成因，使学生掌握知识重点、难点，会收到意想不到的效果。

2.2 尝试翻转式、讨论式课堂教学

翻转式教学模式于2007年起源于美国科罗拉多州一所高中。在翻转课堂式教学模式下，学生课堂外完成知识的学习，而课堂变成了老师学生之间和学生与学生之间交流互动的场所，节省出的课堂时间用来完成作业或给实验过程中有困难的同学提供帮助。

在教学过程中，通常学生的学习过程一般分为两个阶段：第一是知识传授的阶段；第二是吸收和消化的阶段，即知识内化的过程。 传统教学只注重学习过程的第一步即 “知识传递”，并把它放在最重要的环节，也就是课堂教学上；但他们忽略了第二步即“吸收消化”，习惯上都把这一过程，放在缺少帮助的课后环节中。结果本应用于师生互动、同学协作和交流的课堂，常常被教师一个人占用作知识传授。 课堂上，学生通过展示汇报来实现师生的互动，这种师生、同学间的交流互动能促进知识的吸收内化过程，有助于调动学生的学习积极性，抓住学生的好奇心。

我们在教学实践中，针对中国学生的特点，尝试在部分章节采用翻转式教学。使学生在课外完成教学内容的有针对性地、自主地、深度地学习，在完成这一单元的学习后，课堂上以书面测试的形式进行效果评估，然后老师对存在的共性问题让学生进行互动交流，最后集中进行讲解。通过这种翻转式、讨论式教学，能充分调动学生的积极性，使学生在学习中有应用想象力的机会，培养学生独立思考问题的能力。课堂和老师的角色则发生了变化。老师更多的责任是去理解学生的问题和引导学生去运用知识。 因此老师从单向的讲授，改为透过在课堂上提问题与小组互动，启发学生思考与讨论自学知识，结果学生对学习内容理解的正确率大大提高，学习效果也明显改善。

3 增加实践环节

针对《薄膜光学》课程数学公式复杂、计算量大、理论性强等特点，我们将Essential Macleod软件引入到该课程的学习中，利用计算机进行薄膜的辅助设计和分析，对提高学生自己动手解决问题的能力，增强学生学习的积极性，培养学生的创新能力，对提高学生光学薄膜的设计和计算能力有很大的促进作用。

Essential Macleod软件是一套完整的光学薄膜设计与分析软件。除了一般反射和透射计算外，还可以计算吸收及其电场分布，不但能计算器件整体的光学性能，还能具体分析特定膜层的光学性能，能够直观的对器件整体结构进行模拟分析。在软件中可以方便的对器件进行直观的模拟，选择膜层材料，设置膜层参数，选择入射波长。利用软件不仅可以具体的计算薄膜整体的反射率、透射率、吸收率，还能分析具体膜层的吸收及其电场分布，在设计界面中通过改变不同膜层参数，分析对器件活性层吸收的影响。

在课程中引入Essential Macleod软件，主要让学生运用基础理论知识，结合实际的科研项目进行膜层设计。例如，在作者的纵向科研项目中，为了提高有机电致发光器件（OLED）的对比度，常使用光输出耦合层、偏振片、对比度改善层与减反层结合等一系列的方法改善顶发射OLED中的对比度。研究各功能层的作用及对比度得以改善的机理。下面给出一个具体实例。

在顶发射OLED中，为了获得白光发射，通常使用增透膜改善阴极的通过率，抑制微腔效应。实践中，先给出基本的器件结构，指导学生应用Essential Macleod软件，通过改变各膜层的材料及厚度，来优化器件。最后通过学生们的优化，得到较好的模拟结果，如表1所示。器件性能得到很大提升。在420-700nm范围内，平均反射率为1.61%。

学生们通过实践练习，加深了对基础知识的理解，增强了动手能力及解决实际问题的能力。

4 结论

经过近几年的实践探索，《薄膜光学》课程的教学改革，对充分调动学生的学习积极性和创造性，提高学生动手能力以及设计和创新能力，尤其对提高教学质量和教学效果具有很大的推动作用。

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