物理光學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)和開(kāi)展“以學(xué)為中心”的物理光學(xué)課程教學(xué)活動(dòng)，突出由“教”向“學(xué)”的轉(zhuǎn)變，從強(qiáng)調(diào)提升教師講課能力和知識(shí)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(shí)施過(guò)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(shí)體系，提高學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決具體問(wèn)題的能力。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)設(shè)計(jì);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(qiáng)調(diào)學(xué)生是教學(xué)活動(dòng)的主體，教師是教學(xué)活動(dòng)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(shí)“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(jì)和開(kāi)展“以學(xué)為中心”的課堂教學(xué)，幫助學(xué)生內(nèi)化知識(shí)，構(gòu)建自身的知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用自然科學(xué)、工程和專業(yè)知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)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(shí)，使其具有較強(qiáng)的社會(huì)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(qiáng)，有一定的學(xué)習(xí)難度，課程組設(shè)計(jì)和開(kāi)展了“以學(xué)為中心”的教學(xué)活動(dòng)，通過(guò)各種方式及時(shí)掌握學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的理解程度和運(yùn)用能力，并有針對(duì)性地進(jìn)行答疑補(bǔ)缺，取得了良好的教學(xué)效果。

一、檢驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)效果

在課程教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)目標(biāo)起著十分重要的作用。整個(gè)教學(xué)活動(dòng)要以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，要圍繞教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)是學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生的主體地位。任課教師合理設(shè)計(jì)課程知識(shí)點(diǎn)，形成課程知識(shí)圖譜［3］，在講授完成基本知識(shí)點(diǎn)后，學(xué)生要采用開(kāi)展MATLAB數(shù)值仿真、構(gòu)建思維導(dǎo)圖等方法，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理和內(nèi)化。教師通過(guò)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(duì)性地開(kāi)展教學(xué)互動(dòng)，將教學(xué)活動(dòng)的重點(diǎn)放在了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。以光波及其性質(zhì)知識(shí)點(diǎn)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(jì)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(guò)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(gè)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(guò)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(qiáng)度分布，可以加深學(xué)生對(duì)抽象概念和公式的理解。學(xué)生通過(guò)自己的編程仿真得出與教材上插圖一致的結(jié)果后，會(huì)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(shí)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(shí)的基礎(chǔ)上，能夠針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行識(shí)別、表達(dá)，設(shè)計(jì)和開(kāi)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(shí)和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力，而實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)等實(shí)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(yàn)證性的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)重在培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，而設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)更強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。學(xué)生通過(guò)觀察、測(cè)定和分析，不僅可以驗(yàn)證和加深對(duì)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(jì)方案、測(cè)試、分析和綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及撰寫研究報(bào)告等能力［5～6］。任課教師利用MATLAB軟件，組織學(xué)生開(kāi)展了十余個(gè)設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，從而拓寬了實(shí)驗(yàn)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(kāi)展實(shí)驗(yàn);也可以由教師作為創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目，指導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生建立仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K［7］。以數(shù)字全息成像實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)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(duì)各種光波、干涉、衍射等基本知識(shí)點(diǎn)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(cè)模型并獲得模擬的數(shù)字全息圖，以及通過(guò)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(guò)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(guò)改變參考光的會(huì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)效果發(fā)現(xiàn)，這種數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)深受學(xué)生歡迎。由于數(shù)值仿真可以擺脫物理實(shí)驗(yàn)條件的限制，因此學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的想象力，驗(yàn)證自己的新想法。另外通過(guò)MATLAB數(shù)值仿真還可以開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)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(kāi)展基于物理光學(xué)知識(shí)的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目是由本科生個(gè)人或團(tuán)隊(duì)在導(dǎo)師指導(dǎo)下自主完成的綜合性實(shí)踐活動(dòng)，主要包括問(wèn)題分析、方案設(shè)計(jì)、條件準(zhǔn)備、試驗(yàn)、結(jié)果分析和報(bào)告撰寫等環(huán)節(jié)。課題組教師鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)生積極開(kāi)展大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)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(kāi)展數(shù)值仿真研究活動(dòng)，如基于朗伯比爾定律的顆粒物濃度和粒徑測(cè)量，液晶空間光調(diào)制器的相位調(diào)制特性測(cè)量，雙波長(zhǎng)數(shù)字全息相位解包裹方法、菲涅爾波帶片的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究等。以雙波長(zhǎng)數(shù)字全息數(shù)值仿真為例，學(xué)生基于該方法開(kāi)展了物體三維形貌測(cè)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(guò)數(shù)值仿真分析了雙波長(zhǎng)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(duì)相位解包裹精度的影響［8］。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，結(jié)合教師科研活動(dòng)，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展實(shí)踐性較強(qiáng)的創(chuàng)新項(xiàng)目，把教師的項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容與課程教學(xué)內(nèi)容有機(jī)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(wèn)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(shí)等［9］，提高自主學(xué)習(xí)的意識(shí)。

三、結(jié)語(yǔ)

教學(xué)是教師和學(xué)生共同參與的動(dòng)態(tài)過(guò)程，要強(qiáng)調(diào)以學(xué)生發(fā)展為中心。為落實(shí)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(dòng)由“教”向“學(xué)”轉(zhuǎn)變，設(shè)計(jì)和開(kāi)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(shí)體系，提高學(xué)習(xí)效果和知識(shí)應(yīng)用能力。具體而言，在課程目標(biāo)上，要從重視知識(shí)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(shí)施中，要從強(qiáng)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)。

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