在物理学所包含的众多学科中,光学也许不是最重要的,但应该是其中历史最悠久、最古老的学科之一了,其发展历史可谓波澜起伏。光学的发展史最早可追溯到遥远的春秋战国时期。目前可查证到的最早有关光学知识的文字记录是墨翟所著的《墨经》。西方最早的光学文字记录为希腊数学家欧几里德所著的《光学》一书。其后,许多古代科学家如沈括、毕达哥拉斯、柏拉图、亚里士多德等也相继为光学的研究发展做出了不晓得贡献。
由于光学实验设备的缺陷,人们无法深入的研究光学,光学发展十分缓慢。直至1608年世界上第一架望远镜的发明打破了这一僵局,这一时期被称为光学发展史上的转折点。十七世纪初,笛卡儿在其所著的《折光学》中给出了用正弦函数表述的折射定律。紧接着费马根据光在介质中传播时所走路程取极值的原理推出了光的反射定律和折射定律。至此,基本奠定了几何光学的基础。
十七世纪下半叶,光学界提出了两种学说:一个是以惠更斯为代表的波动说,另一个是以牛顿为代表微粒说。由于牛顿的权威,微粒说和波动说进行过一番较量后,牛顿的微粒说成为主导。直至十九世纪,杨氏和菲涅尔为波动说拨乱反正,光学发展正式步入波动说时期。
十九世纪中期,法拉第和韦伯在研究光学时发现光学现象与磁学、电学之间的内在联系。麦克斯韦得到启示在研究光学时需将其与其他物理现象联系起来,随后潜心研究得出了完整的电磁理论,此理论于1888年被赫兹的实验所证实。1900年普朗克在其论文中提出普朗克量子假说揭开了量子光学的序章,普朗克还因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。1905年爱因斯坦在普朗克假说的基础上运用量子论很好的解释了光电效应。同年,爱因斯坦在《物理学年鉴》中首次提出了狭义相对论,并在1916年发表了《广义相对论原理》。爱因斯坦的相对论的建立是人们认识自然的一个里程碑。1924年德布罗意提出了物质波学说,这一假设在电子束衍射实验中得到证明。1925年波恩提出的波粒二象性正式确立了波动性和粒子性之间的规律。
20世纪中叶,光学发展正式步入现代光学时期。在此时期,光学技术和理论迅速的发展,激光的问世更是使光学迈入了一个新的时期。目前光学在前沿科技、通讯技术、医学上被广泛使用,在我们的日常生活中发挥着巨大的作用。目前初中的科学教材主要介绍的为几何光学方面的内容,其中光的折射、反射相关的知识点的教学需要结合实验演示以便学生理解与记忆。
物理学的体系十分庞大,拥有很多的分支,光学也许谈不上是总多分支中最重要的那一个,但它应该是与我们的生活最息息相关的分支之一。光现象在我们的生活中是一种十分常见的自然现象,学生在其日常的学习和生活中对此也已经有了比较频繁的接触,从而对其已经产生了比较丰富的感知。但是这并不意这学生在学习光学知识时可以轻松的掌握。这是由光学本身的性质所决定的:光学的相关知识点大多都比较抽象,多数光学现象稍纵即逝以致学生难以观察。传统的光学实验对实验环境的要求较高,国内多数院校的实验室并不能达到这个标准,从而使得很多实验现象不够直观明了。
1.2 光学实验教学现状
随着素质教育的开展和新课标的提出,人们逐渐把注意力放到了除语数英之外的“副科”上。在这股潮流的推动下,科学课程的重要性也逐渐得到广大师生的认可并取得了他们的重视,光学作为中学科学物理方面的一个重难点受到的关注也不断增多。阅读教科书后我们发现,光学的教学是要求理论教学与实验教学结合起来进行教学的。然而通过大量的观察、问卷调查和文献调研后我们不难发现,就目前而言,光学实验的教学效果同大多数实验教学一样,仍未达到我们的预期,有待进一步优化。究其原因,主要有以下三个方面: