工程光学教学改革探索与实践

2013-01-31周木春陈延如

中国现代教育装备 2013年19期

周木春赵琦陈延如

南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京 210094

工程光学是当前高等院校光电信息科学与工程、光电子、测控技术与仪器等专业的必修基础课程[1,2]。也是光电科学技术、光学工程等方向从事相关科研工作的重要基础内容。因此，其教学质量影响着学生对后续专业课程的学习。工程光学主要有物理光学和几何光学两部分内容。几何光学主要内容有几何光学基本定律与成像概念、理想光学系统、平面棱镜系统、光束限制与光阑、像差理论与典型光学系统；物理光学主要内容有光的电磁理论基础、光的干涉、光的衍射、光的偏振及波导光学等[3]。

工程光学包含内容很多，教学中存在理论知识难以与实际应用结合，定义严格而又抽象的概念、符号较多，难以记忆；公式繁多，推导过程复杂，运用时易出现混淆和错误等难点[1,4]。导致学生对本课程的学习普遍感觉难度较大，较为抽象，进而学习主动性不高，兴趣较低，很多学生在完成本课程的学习后效果不好[5]。针对这些问题，尝试在教学内容上以趣味化问题为引导提高学生的学习兴趣，在教学手段上注重形象化促进学生的认知，在教学方法注重强调自主探索和实践增强学生的理解，通过以上几个方面的改革与试验，提高了学生学习的积极性，改进了工程光学的教学效果。

1 教学内容的趣味化

兴趣是最好的老师，在教学过程中，首先调动学生对所学课程的兴趣，使学生产生强烈的求知欲。在工程光学课堂上，如果能结合具体的教学内容，适当地引入趣味性问题，提起学生的兴趣，吸引学生的注意力，促进学生的思考，则能获得良好的效果。

1.1 自然现象中的趣味性问题

我们生活的这个世界五彩缤纷，自然界五彩斑斓的现象都是通过人眼感知的光学现象，光学知识在日常生活、科学技术和工程项目中有着越来越广泛的应用。把自然现象中很多新奇、有趣、奇特的现象在讲解相应章节之前作为问题提出来，利用人的好奇心提高学生的学习兴趣。如讲棱镜的色散时可以先用彩虹的产生原理做问题，讲薄膜干涉时可先用油膜呈彩色为引，其他如幻日现象、晕、华等成因都可作为问题。

1.2 科学研究中的前沿性问题

学生在学习中对所学内容的意义与应用不甚清楚，同时又希望对本专业的前沿问题及工程项目有所了解，在讲授相关知识时，可以把相关的前沿热点问题及应用加在其中介绍，如激光对原子的冷却与捕获，3D电影与立体视觉，“神光”项目，“嫦娥工程”中的光学系统等。前沿问题丰富了学生的知识，同时开阔了学生的视野，而且可以激发学生的学习兴趣、加强对光学专业的向往，促使学生更积极主动地学习。

1.3 光学发展历史中的人物故事

在工程光学教学过程中，可将部分章节内容回放到光学发展的历史背景中，针对性地选择一些光学发展史中的逸闻趣事，把科学家当时发现光学规律、解决相关问题过程中遇到的困难，采用的方法和思考方式以情景故事的方式呈现出来，也可以吸引学生的注意力，然后再放回到当前背景，指出不同时代对问题认识处理的差异。如在学习菲涅耳衍射时，可介绍泊松亮斑的由来。如果在教学中运用得好，能活跃课堂气氛，使课程生动活泼。把科学家分析问题、解决问题的思维过程展示给学生，不仅传授了知识，更重要的是对提高学生的分析概括能力和逻辑思维能力有很大帮助。

在问题的选择上，要注意问题的新颖性和趣味性，另外还需深度挖掘问题，如在讲授干涉原理之前，可以先用油膜、肥皂泡呈彩色的现象做引导，以干涉原理来解释。一般此类课程教学中都会发掘到这一步，在讨论到后面干涉系统的时间相干性或者光源单色性时，也可用此例子，白光下油膜呈彩色，但更厚的其他膜层却没有这种现象。学习楔形平板干涉时，讨论到条纹的定域面时，油膜干涉也是一个很好的例子。这些内容公式繁多，学生难有兴趣，但通过一个简单的生活案例，就可以把这些问题串在一些，引发学生的学习兴趣。最后还要引导学生自己发现问题，提出问题，追寻问题的答案，进而投身于创新活动之中。

2 教学手段的形象化

工程光学部分内容比较抽象，采用一般的讲授方法学生难以完全接受和理解。如复杂的衍射，公式推导很难形成直观的感受。人们对事物的认知规律是从感性到理性的渐进过程，可采用形象化的教学手段，如多媒体教学课件、视频录像、软件仿真等手段促进学生的认知。

2.1 应用多媒体课件

应用多媒体课件将工程光学内容图文并茂地展示给学生，教师易于讲授，学生易于理解，提高学习的效率。如几何光学中的光路图，采用PPT动态演示功能使教学内容形象地展示出来，以此为基础，可使学生更透彻地理解知识点。又如，在学习渐晕现象时，利用Flash动画演示不同光线在传播过程中受到的限制情况，清楚地在屏幕上显示出来，让学生较快地理解和接受。

2.2 应用仿真软件

在物理光学部分，尤其是讨论干涉、衍射等内容时，公式比较复杂，难以对公式中每个参量的作用有直观认识。利用仿真软件，可以把物理光学中各种光学实验的结果仿真出来，以一维或者多维图像的方式清晰直观地显示出来，同时在仿真程序中更改相应的实验参数，得到实时的仿真图像，体会不同参量的作用效果。通过这种方式进行工程光学教学，同样可以让学生形象直观地接受。

工程光学课程引入视频、仿真软件、PPT和Flash动画等，对物理公式进行形象直观的描述，从而使学生在感性认识的基础上逐渐上升到理性认识，加深对关键知识点的认识，避免对知识的死记硬背，进而有效地提高教学效果。

3 强调自主探索与实践

通过趣味化问题的引导，使学生提高了学习的兴趣，但工程光学知识点多，课程公式也较多且比较深奥，加上学生没有具体的工程实践经验，学习时易停留于表面，缺乏透彻深入的理解和思考。这时可以把工程光学课程中抽象复杂的公式用于科学研究或工程应用的相关子课题，作为实践案例，由学生自主探索。学生在解决具体课题或工程问题时，对课程内容有了深入的认识，理解也更容易一些，强化学生对工程光学课程知识的理解和应用，同时提高学生的科研实践能力。

在具体形式上，通过小课题制作、小论文设计加强学生对光学知识的熟练掌握和应用，提高学生自主探索和创新研究的能力。引导学生参加一些和光学相关的科研训练或创新竞赛，把课程知识和具体工程问题结合起来，实现多角度的人才培养。通过课题设计进行实践，深化了学生对知识的理解应用和对研究学习能力的培养。