“工程光學”課程知識點體系建立與微課視頻庫開發

高興宇 寧黎華

（1.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學數學與計算科學學院，廣西 桂林 541004）

1 引言

“工程光學”課程是國內高校光電信息科學與工程、測控技術及儀器、生物醫學工程、機械電子工程等多個專業的專業基礎必修課程，其地位在各專業知識結構中十分重要[1]。進入新世紀以來，“工程光學”課程的新型教學方法改革的探索有很多[2-4]。將近幾年來在國內外逐漸流行的“微課”教學模式應用于“工程光學”課程教學過程也是必然趨勢。所謂“微課”是指以視頻為主要載體，記錄教師在課堂內外教育教學過程中圍繞某個知識點（重點難點疑點）或教學環節而開展的精彩教與學活動全過程[5]。“微課”的核心組成內容是課堂教學視頻（課例片段），同時還包含與該教學主題相關的教學設計、素材課件、教學反思、練習測試及學生反饋、教師點評等輔助性教學資源。因此，“微課”既有別于傳統單一資源類型的教學課例、教學課件、教學設計、教學反思等教學資源，又是在其基礎上繼承和發展起來的一種新型教學資源。

現在大學課程的“微課”視頻大多數還都只是一些零散的視頻片段，很少有專門對某一個課程或一個專業的系列課程建立系統化、模塊化、規范化的微課資源庫，因而也沒有真正形成通過微課的教與學的互動；“微課”的格式、內容、選題還沒有一定的規范，標準化工作還有待深入進行。桂林電子科技大學機械電子工程專業將“工程光學”作為專業基礎必修課，該課程的微課視頻庫是本專業整個專業課程微課視頻庫的重要組成部分。本論文將重點闡述“工程光學”課程知識點體系建立和微課視頻庫開發的方法、步驟，為本專業其他課程的微課視頻庫開發奠定基礎。

2 “工程光學”課程知識點體系建立

國內《工程光學》教材也出版過多部，有些已經發展到了第三版。各套“工程光學”教材內容大同小異，基礎知識點都基本相同。桂林電子科技大學機械電子工程專業使用的是由天津大學郁道銀教授和浙江大學談恒英教授編著的《工程光學（第3版）》[6]。此教材被國內幾十所大學使用，入選“十二五”國家級規劃教材。本論文以該教材內容為基礎構建“工程光學”課程知識點體系。該教材內容豐富，分為幾何光學和物理光學上下兩篇。機械電子工程專業主要以幾何光學內容為專業基礎課，物理光學內容為專業選修課。

幾何光學主要分為三大部分：幾何光學基礎、像差理論和光學設計，每部分又包含若干基礎內容，具體知識體系框架見圖 1所示。在教學過程中，第一節課就要首先對學生介紹清楚這門課的知識體系，讓學生在腦海中對所學內容有一個總體的了解，從一開始就認清幾何光學三大部分的構成及其關系。幾何光學基礎包括幾何光學的基本定律和最基礎的一階光學內容，是學好光學的基礎；像差理論是光學成像理論的最重要部分，是實際設計光學系統要解決的問題；光學設計是在前兩部分理論基礎上的實際應用。所以這三個部分環環相扣，是完整的理論體系，缺一不可。

在此基礎上，要再進一步對每個基礎內容細分，直至每一個知識點。下面以像差理論為例，介紹知識點解析結構，如圖 2所示。幾何光學像差分為球差、彗差、像散、場曲、畸變、軸向色差、垂軸色差七種，其中前五種是單色像差，后兩種是多色光的色差。本課程要詳細介紹每種像差的基本規律、計算方法和消像差方法，這是整個幾何光學教學過程中的重點，更是難點。具體以球差為例，首先要向學生介紹球差的定義，通過球差光路圖來使學生明白球差產生的來源；然后介紹初級球差和高級球差的定義及關系；進一步較深理論部分是球差分布式，要詳細講解分布式中各參數的含義；然后是球差的校正方法，即用什么樣的光學結構可以校正球差，校正后剩余最大球差是多少；最后介紹無球差的三類齊明點的定義和特點。這樣五個知識點逐一展開，構成了球差的知識點體系。其他像差的知識點體系也與球差類似，在此不再一一展開闡述。

像球差這樣解析，幾何光學可以分解為上百個知識點，但是作為微課視頻庫的課程內容來說，并不是所有知識點都適合制作成微課的。因為教師上課時已經有了所有教學內容的完整的 PPT課件，所有知識點都包括在內。而“微課”的作用體現在對課堂講授內容較難或極為重要的知識點上進行進一步的深入展開討論，是課外教育的延伸，是對課堂教育的補充，所以要精心挑選和組織微課視頻庫的內容。

3 微課視頻庫開發步驟及成果

微課視頻庫是一個課程所有重點和難點知識點的深入解析，還包括若干重要習題的講解，內容小而精，不宜多而雜。在“工程光學”微課視頻庫中，我們在上述知識點體系框架中選擇重點、難點部分，分為若干段視頻講解。下面以幾何光學基礎部分內容為例介紹微課視頻具體內容及制作方案，如圖3所示。

經過幾年的教學實踐，發現圖 3中所示知識點是同學們普遍感覺較難學習或不會做題的部分，將這些內容作為微課視頻的內容是對他們課堂學習的有益補充。例如作圖法求像，教材上的例子很簡單，只介紹了正光焦度理想光學系統的作圖求像。在微課中就可以適當展開講解作圖法負光焦度求像、正負光焦度光組組合求像、三光組組合求像等更復雜的問題，讓同學們對作圖法的理解更深刻，基本可以獨立解決對常用光組作圖法求像問題。再比如遠心光路問題，教材中只用了一個光路圖來介紹。在微課中要結合實際測量物鏡的例子來深入講解遠心光路的作用。在實際的機器視覺光學系統中遠心光路應用非常廣泛，高質量的遠心光路設計也較為復雜，我們用自己實際的科研項目實例來講解，可以使同學們親身體會所學內容的實用性，提高學習興趣。消雜光技術在教材中屬于次要內容，甚至可以不講，但是實際光學系統中消雜光技術非常重要，所以我們認為有必要結合實例介紹消雜光技術。其他的一些計算實例都是對課后題和課外題的計算方法的講解，可以讓學生更好掌握如何將理論公式應用于實際計算中去。

4 結論

開發“工程光學”微課視頻庫是桂林電子科技大學機械電子工程專業總體專業課視頻庫的重要部分，也為其他課程的微課視頻庫開發開創先例。本文首先闡述如何構建“工程光學”課程知識點體系，以像差理論為例介紹在逐步細分教學內容中抓住教學重點和難點，進行歸類總結。然后以“幾何光學基礎”部分為例介紹微課內容選取的原則和方法，為微課視頻開發的實施奠定良好的基礎。

[1] 蔡懷宇,郁道銀,李清.“工程光學”國家精品課程的建設與改革[J].高等理科教育,2006(2):38-40.

[2] 張軍,陳哲,鐘金鋼.光電信息工程專業基礎課程工程光學的教學方法研究[J].科技信息,2008(22):90-91.

[3] 任宇芬,楊坤,肖家偉.MATLAB在“工程光學”教學中的應用[J].中國電力教育,2010(34):67-68.

[4] 王友文,張登玉,陳列尊,等.OSLO在光學課程CAI中的應用初探[J].衡陽師范學院學報,2005,26(3):157-160.

[5] 焦建立.微課及其應用與影響[J].中小學信息技術教育,2013(4):13-14.

[6] 郁道銀,談恒英.工程光學(第3版)[M].北京:機械工業出版社,2011.7.