物理光學(xué)課程教學(xué)設(shè)計實踐

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【摘要】以學(xué)生發(fā)展為中心是高等教育的核心理念。課程組設(shè)計和開展“以學(xué)為中心”的物理光學(xué)課程教學(xué)活動，突出由“教”向“學(xué)”的轉(zhuǎn)變，從強調(diào)提升教師講課能力和知識傳遞效果轉(zhuǎn)向關(guān)注學(xué)生能力的培養(yǎng)和學(xué)習(xí)效果的提升。在具體實施過程中，借助MATLAB數(shù)值仿真等方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生構(gòu)建自身知識體系，提高學(xué)生運用知識解決具體問題的能力。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)設(shè)計;學(xué)為中心;物理光學(xué);數(shù)值仿真

以學(xué)生發(fā)展為中心是高等教育的核心理念，其理論基礎(chǔ)是人本主義和構(gòu)建主義，強調(diào)學(xué)生是教學(xué)活動的主體，教師是教學(xué)活動組織者、引導(dǎo)者、參與者，內(nèi)涵是以學(xué)生為本，尊重學(xué)生、方便學(xué)生和發(fā)展學(xué)生［1］。為落實“以學(xué)生發(fā)展為中心”的教學(xué)理念，高等學(xué)校教師要認(rèn)真設(shè)計和開展“以學(xué)為中心”的課堂教學(xué)，幫助學(xué)生內(nèi)化知識，構(gòu)建自身的知識體系，培養(yǎng)學(xué)生運用自然科學(xué)、工程和專業(yè)知識解決復(fù)雜工程問題的能力，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，使其具有較強的社會適應(yīng)性［2］。物理光學(xué)課程是高等學(xué)校儀器儀表類、光學(xué)信息工程和其他相近本科專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，在課程體系中起著非常重要的作用。該課程詳細(xì)闡述光的電磁波特性和傳播規(guī)律、光波的干涉和衍射、傅立葉光學(xué)基本原理、光的偏振特性和在晶體中的傳播特性。鑒于課程的理論性較強，有一定的學(xué)習(xí)難度，課程組設(shè)計和開展了“以學(xué)為中心”的教學(xué)活動，通過各種方式及時掌握學(xué)生對基本知識的理解程度和運用能力，并有針對性地進(jìn)行答疑補缺，取得了良好的教學(xué)效果。

一、檢驗基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)效果

在課程教學(xué)過程中，教學(xué)目標(biāo)起著十分重要的作用。整個教學(xué)活動要以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，要圍繞教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)而進(jìn)行設(shè)計和組織。傳統(tǒng)的教學(xué)目標(biāo)往往從教師的角度出發(fā)，重視的是知識的傳遞效果，以學(xué)生為中心的教學(xué)理念要求教學(xué)目標(biāo)的關(guān)注點是學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，強調(diào)的是學(xué)生的主體地位。任課教師合理設(shè)計課程知識點，形成課程知識圖譜［3］，在講授完成基本知識點后，學(xué)生要采用開展MATLAB數(shù)值仿真、構(gòu)建思維導(dǎo)圖等方法，對知識點進(jìn)行梳理和內(nèi)化。教師通過查看學(xué)生的仿真結(jié)果、思維導(dǎo)圖即可有效掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，進(jìn)而有針對性地開展教學(xué)互動，將教學(xué)活動的重點放在了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。以光波及其性質(zhì)知識點為例，學(xué)生完成本模塊的理論學(xué)習(xí)后，需要在MATLAB軟件環(huán)境下，自己設(shè)計程序，建立沿不同方向傳播的平面波、球面波和柱面波的復(fù)振幅數(shù)值模型，通過仿真結(jié)果直觀地理解各種光波的波前分布。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生在學(xué)習(xí)楊氏干涉后，將兩個球面波進(jìn)行疊加即可觀察到球面波干涉的現(xiàn)象，另外通過修改光源和觀察平面的位置參數(shù)，仿真給出不同位置處的光波疊加后的強度分布，可以加深學(xué)生對抽象概念和公式的理解。學(xué)生通過自己的編程仿真得出與教材上插圖一致的結(jié)果后，會有一種學(xué)習(xí)的獲得感。這種方法有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，起到了事半功倍的效果。

二、培養(yǎng)知識綜合應(yīng)用能力

工程教學(xué)專業(yè)認(rèn)證要求畢業(yè)生在掌握數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程和專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，能夠針對復(fù)雜工程問題進(jìn)行識別、表達(dá)，設(shè)計和開發(fā)方案，并最終解決。這就要求在課程教學(xué)環(huán)節(jié)，要注重培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識和解決復(fù)雜問題的能力，而實驗和課程設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的重要基礎(chǔ)手段［4］。一般而言，驗證性的基礎(chǔ)實驗重在培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能，而設(shè)計性實驗和課程設(shè)計更強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決復(fù)雜工程問題的能力。學(xué)生通過觀察、測定和分析，不僅可以驗證和加深對基本原理的理解，更有利于培養(yǎng)學(xué)生正確使用儀器設(shè)備，進(jìn)行設(shè)計方案、測試、分析和綜合實驗結(jié)果以及撰寫研究報告等能力［5～6］。任課教師利用MATLAB軟件，組織學(xué)生開展了十余個設(shè)計性和綜合性實驗，從而拓寬了實驗教學(xué)內(nèi)容。由于這一部分?jǐn)?shù)值仿真模塊比較難，可以由教師首先建立模型，然后學(xué)生開展實驗;也可以由教師作為創(chuàng)新實踐項目，指導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生建立仿真實驗?zāi)K［7］。以數(shù)字全息成像實驗為例，實驗內(nèi)容包括了干涉記錄和衍射重構(gòu)兩部分。由于前期學(xué)生已經(jīng)對各種光波、干涉、衍射等基本知識點進(jìn)行了數(shù)值仿真，因此能夠較為容易地建立數(shù)字全息中的相干探測模型并獲得模擬的數(shù)字全息圖，以及通過菲涅爾衍射數(shù)值仿真完成目標(biāo)圖像的數(shù)值重構(gòu)。數(shù)值仿真模型中，通過調(diào)整參考光與目標(biāo)光的夾角，學(xué)生能夠充分理解空間頻率調(diào)制的作用;通過改變參考光的會聚程度，學(xué)生能夠掌握全息重構(gòu)中衍射距離、目標(biāo)像放大率等參數(shù)的調(diào)節(jié)方法［7］。在此基礎(chǔ)上，學(xué)有余力的學(xué)生還可以在參考光中加入澤尼克像差，進(jìn)一步理解圖像失真的原因。分析近兩年的實驗教學(xué)效果發(fā)現(xiàn)，這種數(shù)值仿真實驗深受學(xué)生歡迎。由于數(shù)值仿真可以擺脫物理實驗條件的限制，因此學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的想象力，驗證自己的新想法。另外通過MATLAB數(shù)值仿真還可以開展創(chuàng)新實踐教育。一是將科研成果編入教師的講義中，帶入課堂教學(xué);二是指導(dǎo)學(xué)生開展基于物理光學(xué)知識的創(chuàng)新實踐活動。創(chuàng)新實踐項目是由本科生個人或團隊在導(dǎo)師指導(dǎo)下自主完成的綜合性實踐活動，主要包括問題分析、方案設(shè)計、條件準(zhǔn)備、試驗、結(jié)果分析和報告撰寫等環(huán)節(jié)。課題組教師鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生積極開展大學(xué)生創(chuàng)新項目研究［7］。每年有十余名學(xué)生在完成本課程學(xué)習(xí)后，積極開展數(shù)值仿真研究活動，如基于朗伯比爾定律的顆粒物濃度和粒徑測量，液晶空間光調(diào)制器的相位調(diào)制特性測量，雙波長數(shù)字全息相位解包裹方法、菲涅爾波帶片的設(shè)計及應(yīng)用研究等。以雙波長數(shù)字全息數(shù)值仿真為例，學(xué)生基于該方法開展了物體三維形貌測量，利用MATLAB軟件建立了數(shù)字全息成像數(shù)值仿真模型，通過數(shù)值仿真分析了雙波長光學(xué)相位解包裹和數(shù)值相位解包裹相結(jié)合的三維形貌復(fù)原方法，分析了高斯噪聲對相位解包裹精度的影響［8］。教學(xué)實踐結(jié)果表明，結(jié)合教師科研活動，指導(dǎo)學(xué)生開展實踐性較強的創(chuàng)新項目，把教師的項目研究內(nèi)容與課程教學(xué)內(nèi)容有機地融合在一起，不僅提高了學(xué)生的課程學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生的研究型思維和解決問題的能力，還可以讓學(xué)生了解到當(dāng)前光學(xué)發(fā)展產(chǎn)生的新知識等［9］，提高自主學(xué)習(xí)的意識。

三、結(jié)語

教學(xué)是教師和學(xué)生共同參與的動態(tài)過程，要強調(diào)以學(xué)生發(fā)展為中心。為落實這一理念，教師要在課程教學(xué)這一人才培養(yǎng)主渠道中，主動由“教”向“學(xué)”轉(zhuǎn)變，設(shè)計和開展“以學(xué)為中心”的課堂教學(xué)，幫助學(xué)生構(gòu)建自身知識體系，提高學(xué)習(xí)效果和知識應(yīng)用能力。具體而言，在課程目標(biāo)上，要從重視知識內(nèi)容的傳遞轉(zhuǎn)向關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，在教學(xué)實施中，要從強調(diào)講課能力的提升轉(zhuǎn)向側(cè)重學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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［8］張茁，陳波．基于QFD模式培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學(xué)資源保障［J］．教育現(xiàn)代化，2018，5(32):17～18

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作者：陳波 劉子恒 張茁 程朋飛 王嶺娥 岳樹盛 單位：華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院