基于MathCAD的“物理光學”研究性教學模式探索

丁雙紅

摘 要 在“物理光學”教學實踐中，進行研究性教學模式的探索，激發學生對課程和專業的學習興趣，提高該課程的教學效果，對學生的科學研究意識進行引導。

關鍵詞 研究性教學 教學模式 MathCAD 物理光學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.08.048

Exploration of Research-Based Teaching Pattern in

Physical Optics Course with MathCAD

DING Shuanghong

（School of Photo-Electronic Information Science and Technology， Yantai University， Yantai， Shandong 264005）

Abstract The research-based teaching pattern is explored and practiced for Physical Optics course in this paper. The research-based teaching method can inspire students interests of Physical Optics course and relevant major， enhance the teaching effect of the course， and guide the scientific research consciousness of students effectively.

Keywords research-based teaching； teaching pattern； MathCAD； Physical Optics

0 前言

“物理光學”是我校為應用物理專業本科生開設的一門專業課，是以光的波動性為基礎，研究光的屬性和光在媒質中傳播的基本規律及其應用的一門學科。由于該課程理論性強，數學基礎要求高，概念繁多，規律抽象，同時教學對實驗依賴性較大，[1]但由于教學資源的限制，能開設的實驗有限，因而傳統教學方式的教學效果不盡如人意。

為提高“物理光學”教學質量，教育者在努力進行教學改革，提升教學效果。有研究者利用Matlab等軟件對物理光學的現象進行模擬，輔助教學，幫助學生更好地理解物理概念。[2]有研究者利用Matlab等編程語言建立物理光學實驗的仿真平臺，對典型物理光學實驗進行了仿真模擬，使整個抽象的物理過程變得直觀形象，增強了學生的學習興趣，提高了物理光學課程的教學水平。[3]“物理光學”實驗的仿真平臺可以方便展示物理光學規律和現象，對實驗有一定的輔助作用，但這樣的仿真平臺，學生的參與度并不是很高，只能達到簡單地利用計算機輔助教學的效果。

為了提高教學效果，我們對教學方法進行的不斷探索和改革，根據多年“物理光學”課程教學的實踐，將研究型教學融入該課程的教學過程中，在教學過程中利用MathCAD軟件進行輔助教學，激發學生對課程和專業的學習興趣，對學生的科學研究意識進行引導，力圖使學生從單純的理解和接受式的被動學習方式轉變為探索和研究式的自主學習方式。

1 教學模式探索

以研究性教學模式為基礎的啟發式教學、討論式教學和開放式教學等教學方法在高等教育教學中備受關注和提倡。研究性教學模式不僅使學生可以較深入地達到對知識技能的理解與掌握，更有利于創新思維與創新能力的形成與發展。研究型教學是在綜合美國布魯納的“發現學習模式”和瑞士皮亞杰的“認知發展學說”的基礎上構建的教學模式[4]，是融知識傳授、能力培養和素質提高為一體的創新教學模式。有研究者探索“物理光學”及其他專業課程的研究性教學模式。[5]

我們對基于MathCAD的“物理光學”研究性教學模式進行了探索和實踐，宗旨是教學過程中，引導學生就某一與課程相關的給定或自選項目進行較深入的研究，利用數學軟件MathCAD自行編寫程序，模擬項目研究規律，對知識進行深入理解和掌握，調動學生的學習興趣，激發學生的科學研究興趣，積極了解和參與物理光學的相關研究工作，探索“物理光學”成為培養本科學生創新能力的課程載體，構建有助于學生積極參與研究的教學模式。

我校“物理光學”課程在大三第一學期開設，學生已經學習過了相關的專業基礎課程，學習了高等數學及計算機程序設計等課程，學生具有進行一定科學研究的基礎。MathCAD是美國PTC公司旗下的一款工程計算軟件，作為工程計算的全球標準， MathCAD是一款操作比較簡便的數學軟件，對計算及編程要求低，可以方便地實現物理過程的數值模擬，并且能夠將計算、圖表、文本和圖像結合在一個文檔中，方便地描述物理原理和數值模擬的結果，學生都可以在短時間內掌握MathCAD的應用。

研究型教學模式一般由五個基本環節有機組合而成：設趣與展演；指要與自學；精講與答疑；研討與回顧；訓練與總結。[6]為了適合研究型教學模式，將上述五個過程有機地貫穿到“物理光學”課程教學過程中，探索研究型教學模式，過程如下：

（1）每一章進行課程知識的學習，教師講解教材內容，突出重點和難度，推薦相關的論文等參考資料，作為課堂學習內容的擴展。讓學生對課程知識進行掌握和學習，進行拓展閱讀，這是研究性教學的基礎。

（2）為每一章設立若干的研究主題，一部分來自任課教師指定的題目，學生也可以根據教學內容和自己的興趣自選主題。每一章的研究主題包括兩個模塊，模塊一是基本規律仿真，學生通過編程可以對物理光學基本規律進行仿真，使學生更直觀地掌握專業知識；模塊二，對于一些復雜的光學現象，結合該領域科研工作，進行具有一定創新性的科學研究。以光的干涉這一章為例，模塊一的研究主題主要有：球面波干涉、楊氏干涉、等傾干涉、等厚干涉等；模塊二的研究主題主要有：白光偏振干涉、傅里葉變換光譜儀、光學層析術等。endprint

（3）學生根據興趣自由組成小組，小組一般由4～6人組成，選一個小組協調人，每個學生至少要求參加一項課題研究。

（4）各研究小組成員經過討論分析，根據興趣和知識基礎確定研究主題。在專業知識的學習及拓展閱讀的基礎上，制定課題研究方案。教師需對選題和研究方案的確定進行引導和論證。

（5）課題確定后，各小組成員通過查閱資料，進行課程及相關專業知識的深入學習，合作完成理論推導。利用MathCAD軟件的計算和圖形功能，通過編程對研究課題的規律進行模擬分析，得出相應的結論，其間老師參與指導。

（6）項目完成后，以小組為單位寫出報告，在課堂上向班級同學展示研究的過程及結果，每個小組就課題工作進行答辯。通過學生的匯報，通過教師的點評，對課程核心內容的詳細講解，加深對課程知識的理解。最后由師生共同參與課題的評審，并給予評價。

2 教學過程存在的問題及對策

在研究型教學模式的探索過程中，會出現一些問題，我們在不斷總結經驗基礎上，對各教學環節進行調整和改進，教學效果得到逐步提高。

2.1 學時分配及評分

課內學時有限，因此將項目所有的討論和論證過程放到課堂上，將會影響課程進度，同時讓學生覺得課程知識學習被忽略，反而影響課程教學效果。因此教學中設立一定數量的課外學時，分組討論和論證工作可以在課外學時進行。同時主題研究成績占課程總成績的比例也很重要，太高的比例，也會讓學生感覺到成績客觀性差，因而課題成績比例不易太高。

本課程的課內教學時數為周48學時，課外為16小時。目前成績由課堂的理論考試和課外的課題評價組成，分別占70%和30%。在課外成績的30%中，課題成績占20%，課外作業占10%。

2.2 學生學習基礎參差不齊

由于學生學習基礎差異較大，基礎差的學生對研究性教學模式往往表現出畏懼和抵觸情緒。作為老師應及時進行鼓勵和幫助，讓他們也能積極參與到項目的研究工作中來。一方面在選題過程中，指導其選擇與自身水平相適應的題目，盡量選擇模塊一的項目。另一方面，在學生自由選擇分組的時候，也考慮一個組里的同學的學習基礎基本相當，不要出現組里只有一、兩個同學在做工作，其他同學不參與或跟不上進度無法參與的情況。

2.3 學生參與度

一個組4～6個同學組成，為了保障所有同學都能參與到工作中來。分組的時候要注意學生的基礎和興趣的匹配，興趣相同的同學可能會選擇在一個組里，同時要保證學習基礎相當，才能使大家有共同參與的機會。考核評價時，也關注同一個組的同學的參與度，例如可能由一個同學代表小組進行工作展示，但答辯過程應當要求小組成員共同參與。

2.4 評價標準

項目工作結果的評價是比較復雜的過程，在評價過程中主要考慮項目的難易程度、項目的成果、答辯情況等，同時兼顧考慮學生原有的基礎、通過本項目工作的取得的進步、及在項目工作中的參與度，對項目進行較為客觀的綜合評價。

整個教學過程是一個能充分體現以學生為中心、以課題為載體、以團隊為單位及以研究為導向的交互式教學過程。取得了良好的教學效果，學生的學習積極性大大提高，激發了學生對光學領域研究的興趣，很多學生的本課程項目的研究工作，會一直持續到大四的畢業設計，經過持續的積累，除了對專業知識有了深度的掌握，也熟悉了科研過程，激發考取研究生繼續深造的欲望。每學期末，我們會對整個研究性教學過程進行總結和反思，對各教學環節進一步優化。

本文工作受煙臺大學教改項目“基于Mathcad的《物理光學》研究性教學實踐”（B015）資助

參考文獻

[1] 吳平輝，付戀戀，蔣記望，陳芳芳，錢淑珍.物理光學實驗仿真平臺的開發[J].實驗室研究與探索，2012.31（5）：31-33.

[2] 張晶，李建映，鄧婷，戴海青，曹奇志.基于Matlab的物理光學實驗教學研究[J].廣西師范學院學報（自然科學版），2014.31（1）：122-127.

[3] 毛少娟，陳玉丹，殷建玲.基于MATLAB的物理光學仿真[J].教育教學論壇，2016.44：100-102.

[4] 范惠林，趙思宏.研究性教學模式在專業課程中的應用[J].現代教育科學，2002.163（11）：44-45.

[5] 徐寧.“物理光學”研究型教學模式探索與實踐[J].電氣電子教學學報，2012.34 （3）：103-105.

[6] 張尚劍，唐炳促，鄒新海，王恒.物理光學的研究性教學實踐[J].實驗科學與技術，2013.11（6）：243-245.endprint