物理光学课程教学设计实践

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【摘要】以学生发展为中心是高等教育的核心理念。课程组设计和开展“以学为中心”的物理光学课程教学活动，突出由“教”向“学”的转变，从强调提升教师讲课能力和知识传递效果转向关注学生能力的培养和学习效果的提升。在具体实施过程中，借助MATLAB数值仿真等方法，激发学生的学习兴趣，帮助学生构建自身知识体系，提高学生运用知识解决具体问题的能力。

【关键词】教学设计;学为中心;物理光学;数值仿真

以学生发展为中心是高等教育的核心理念，其理论基础是人本主义和构建主义，强调学生是教学活动的主体，教师是教学活动组织者、引导者、参与者，内涵是以学生为本，尊重学生、方便学生和发展学生［1］。为落实“以学生发展为中心”的教学理念，高等学校教师要认真设计和开展“以学为中心”的课堂教学，帮助学生内化知识，构建自身的知识体系，培养学生运用自然科学、工程和专业知识解决复杂工程问题的能力，提高学生自主学习和终身学习的意识，使其具有较强的社会适应性［2］。物理光学课程是高等学校仪器仪表类、光学信息工程和其他相近本科专业的学科基础课，在课程体系中起着非常重要的作用。该课程详细阐述光的电磁波特性和传播规律、光波的干涉和衍射、傅立叶光学基本原理、光的偏振特性和在晶体中的传播特性。鉴于课程的理论性较强，有一定的学习难度，课程组设计和开展了“以学为中心”的教学活动，通过各种方式及时掌握学生对基本知识的理解程度和运用能力，并有针对性地进行答疑补缺，取得了良好的教学效果。

一、检验基础知识学习效果

在课程教学过程中，教学目标起着十分重要的作用。整个教学活动要以教学目标为导向，要围绕教学目标的实现而进行设计和组织。传统的教学目标往往从教师的角度出发，重视的是知识的传递效果，以学生为中心的教学理念要求教学目标的关注点是学生的学习效果，强调的是学生的主体地位。任课教师合理设计课程知识点，形成课程知识图谱［3］，在讲授完成基本知识点后，学生要采用开展MATLAB数值仿真、构建思维导图等方法，对知识点进行梳理和内化。教师通过查看学生的仿真结果、思维导图即可有效掌握学生的学习效果，进而有针对性地开展教学互动，将教学活动的重点放在了学生的学习效果。以光波及其性质知识点为例，学生完成本模块的理论学习后，需要在MATLAB软件环境下，自己设计程序，建立沿不同方向传播的平面波、球面波和柱面波的复振幅数值模型，通过仿真结果直观地理解各种光波的波前分布。在此基础上，学生在学习杨氏干涉后，将两个球面波进行叠加即可观察到球面波干涉的现象，另外通过修改光源和观察平面的位置参数，仿真给出不同位置处的光波叠加后的强度分布，可以加深学生对抽象概念和公式的理解。学生通过自己的编程仿真得出与教材上插图一致的结果后，会有一种学习的获得感。这种方法有效地激发了学生的学习热情，起到了事半功倍的效果。

二、培养知识综合应用能力

工程教学专业认证要求毕业生在掌握数学、自然科学、工程和专业知识的基础上，能够针对复杂工程问题进行识别、表达，设计和开发方案，并最终解决。这就要求在课程教学环节，要注重培养学生综合应用知识和解决复杂问题的能力，而实验和课程设计等实践环节是培养学生学习能力和创新能力的重要基础手段［4］。一般而言，验证性的基础实验重在培养学生的基本实验技能，而设计性实验和课程设计更强调培养学生的创新思维和解决复杂工程问题的能力。学生通过观察、测定和分析，不仅可以验证和加深对基本原理的理解，更有利于培养学生正确使用仪器设备，进行设计方案、测试、分析和综合实验结果以及撰写研究报告等能力［5～6］。任课教师利用MATLAB软件，组织学生开展了十余个设计性和综合性实验，从而拓宽了实验教学内容。由于这一部分数值仿真模块比较难，可以由教师首先建立模型，然后学生开展实验;也可以由教师作为创新实践项目，指导学有余力的学生建立仿真实验模块［7］。以数字全息成像实验为例，实验内容包括了干涉记录和衍射重构两部分。由于前期学生已经对各种光波、干涉、衍射等基本知识点进行了数值仿真，因此能够较为容易地建立数字全息中的相干探测模型并获得模拟的数字全息图，以及通过菲涅尔衍射数值仿真完成目标图像的数值重构。数值仿真模型中，通过调整参考光与目标光的夹角，学生能够充分理解空间频率调制的作用;通过改变参考光的会聚程度，学生能够掌握全息重构中衍射距离、目标像放大率等参数的调节方法［7］。在此基础上，学有余力的学生还可以在参考光中加入泽尼克像差，进一步理解图像失真的原因。分析近两年的实验教学效果发现，这种数值仿真实验深受学生欢迎。由于数值仿真可以摆脱物理实验条件的限制，因此学生可以充分发挥自己的想象力，验证自己的新想法。另外通过MATLAB数值仿真还可以开展创新实践教育。一是将科研成果编入教师的讲义中，带入课堂教学;二是指导学生开展基于物理光学知识的创新实践活动。创新实践项目是由本科生个人或团队在导师指导下自主完成的综合性实践活动，主要包括问题分析、方案设计、条件准备、试验、结果分析和报告撰写等环节。课题组教师鼓励学有余力的学生积极开展大学生创新项目研究［7］。每年有十余名学生在完成本课程学习后，积极开展数值仿真研究活动，如基于朗伯比尔定律的颗粒物浓度和粒径测量，液晶空间光调制器的相位调制特性测量，双波长数字全息相位解包裹方法、菲涅尔波带片的设计及应用研究等。以双波长数字全息数值仿真为例，学生基于该方法开展了物体三维形貌测量，利用MATLAB软件建立了数字全息成像数值仿真模型，通过数值仿真分析了双波长光学相位解包裹和数值相位解包裹相结合的三维形貌复原方法，分析了高斯噪声对相位解包裹精度的影响［8］。教学实践结果表明，结合教师科研活动，指导学生开展实践性较强的创新项目，把教师的项目研究内容与课程教学内容有机地融合在一起，不仅提高了学生的课程学习兴趣，锻炼了学生的研究型思维和解决问题的能力，还可以让学生了解到当前光学发展产生的新知识等［9］，提高自主学习的意识。

三、结语

教学是教师和学生共同参与的动态过程，要强调以学生发展为中心。为落实这一理念，教师要在课程教学这一人才培养主渠道中，主动由“教”向“学”转变，设计和开展“以学为中心”的课堂教学，帮助学生构建自身知识体系，提高学习效果和知识应用能力。具体而言，在课程目标上，要从重视知识内容的传递转向关注学生的学习效果，在教学实施中，要从强调讲课能力的提升转向侧重学习能力的培养。

参考文献

［1］吕薇，季波，张怡凡，张艳丽．美国一流研究型高校人工智能人才培养的经验与启示———基于“以学生为中心”的视角［J］．大学教育科学，2019，6:102～109，123

［2］杨晓霞．“以学生为中心”的课程教学模式变革探析［J］．黑龙江教育(高教研究与评估)，2019，10:32～33

［3］钱凤欢．高等教育“以学生为中心”知识图谱研究———基于CiteSpace的可视化分析［J］．教育信息技术，2019，12:36～40

［4］葛艳，卢晓东．“以学生为中心”的实践教学案例设计与实现［J］．实验技术与管理，2020，37(2):178～181［5］张志伟．物理光学课程内容与教学方法研究与实践［J］．大学教育，2017，3:73～74

［6］尹娟娟，俞侃，包佳祺．光电专业“物理光学”课程教学改革的探索［J］．教育教学论坛，2014，36:36～37

［7］陈波，徐其峰，张茁，王岭娥．MATLAB实践在物理光学课程教学中的应用［J］．产业与科技论坛，2019，18(10):185～186

［8］张茁，陈波．基于QFD模式培养应用型人才的教学资源保障［J］．教育现代化，2018，5(32):17～18

［9］陈波，白倬宁，赵亚迪，刘鑫．双波长数字全息法测量物体三维形貌［J］．华北理工大学学报(自然科学版)，2018，40(4):120～124

作者：陈波 刘子恒 张茁 程朋飞 王岭娥 岳树盛 单位：华北理工大学电气工程学院