基于工匠精神的光學(xué)實(shí)驗(yàn)信息化教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)用

目前，我國(guó)正大力倡導(dǎo)工匠精神，培育“中國(guó)工匠”。精益求精的“工匠精神”體現(xiàn)在企業(yè)的生產(chǎn)和服務(wù)過(guò)程中，卻始于職業(yè)教育。占據(jù)高等教育半壁江山的高職教育，已成為實(shí)現(xiàn)“一帶一路”“中國(guó)制造2025”等國(guó)家戰(zhàn)略的重要支撐力量。為社會(huì)培養(yǎng)技能人才的高職教育，必然在培育工匠精神中承擔(dān)重任。因此，在高職教育中深入滲透工匠精神具有重要意義。光電技術(shù)應(yīng)用專業(yè)作為湖北省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃專業(yè)、湖北省高等職業(yè)教育特色專業(yè)，其專業(yè)核心基礎(chǔ)課程“工程光學(xué)”是一門(mén)專業(yè)性、技術(shù)性較強(qiáng)的課程，學(xué)生對(duì)該門(mén)課程的掌握對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)具有承上啟下的重要作用。此課程的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生光學(xué)基礎(chǔ)理論的理解和運(yùn)用技能，促使學(xué)生能在后續(xù)學(xué)習(xí)中掌握光電探測(cè)、光纖通信、激光技術(shù)等方面的應(yīng)用技能。傳統(tǒng)教學(xué)中主要運(yùn)用了講授和實(shí)操的教學(xué)方式，在信息化的時(shí)代背景下，本文運(yùn)用ATLAB軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)信息化教學(xué)平臺(tái)，使得學(xué)生對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的理解形象化，并通過(guò)舉一反三的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，深入鉆研該知識(shí)點(diǎn)，充分體現(xiàn)工匠精神在該課程教學(xué)中的滲透。

一、“工程光學(xué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“工程光學(xué)”是對(duì)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生通過(guò)研究一些基本的光學(xué)現(xiàn)象，學(xué)習(xí)和掌握工程光學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方法。傳統(tǒng)教學(xué)中，理論知識(shí)的教學(xué)以教師講授為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)為輔，以此通過(guò)教學(xué)做一體化的方法使學(xué)生更容易理解和掌握知識(shí)點(diǎn)。教學(xué)中設(shè)計(jì)了“光的干涉”“光的衍射”“信息光學(xué)變換”等理論章節(jié)，對(duì)應(yīng)理論章節(jié)設(shè)計(jì)了“雙棱鏡干涉”“衍射法測(cè)細(xì)絲直徑”“光的偏振”等實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容。而在實(shí)際教學(xué)中，工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用的儀器比較精密，光學(xué)儀器的調(diào)節(jié)也比較復(fù)雜，只有在了解了儀器結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，才能選擇有效而準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)方法，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這就勢(shì)必要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前很好地掌握光學(xué)理論，調(diào)節(jié)過(guò)程中更要具備良好的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的思考能力和動(dòng)手能力要求較高。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，僅通過(guò)一定的理論講授后就要求學(xué)生充分理解理論知識(shí)并聯(lián)系實(shí)際，較好地完成實(shí)驗(yàn)操作、理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，是不現(xiàn)實(shí)的。大部分學(xué)生對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)僅停留在按章操作的程度，并不能理解該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的理論知識(shí)。這種現(xiàn)象極大地影響了學(xué)生對(duì)光學(xué)知識(shí)的掌握，導(dǎo)致“工程光學(xué)”課程教學(xué)質(zhì)量不高，很難培養(yǎng)出高素質(zhì)的“工匠”型技能人才。

二、基于MATLAB的光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述實(shí)際教學(xué)中的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)信息化教學(xué)平臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)光的干涉、光的衍射、信息光學(xué)變換等多種光學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象仿真，并對(duì)多種實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，觀察不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響，同時(shí)能與真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比，舉一反三，是學(xué)生深入理解和探究光學(xué)現(xiàn)象的有效手段。通過(guò)該平臺(tái)的運(yùn)用，學(xué)生能在教師理論講授后，通過(guò)該平臺(tái)對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行一定的梳理，通過(guò)反復(fù)的現(xiàn)象仿真，思考這種光學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生的原理，并在仿真后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)比仿真結(jié)果和實(shí)操結(jié)果，思考其中的異同。整個(gè)教學(xué)過(guò)程充分體現(xiàn)了工匠鉆研精神。

MATLAB作為科學(xué)計(jì)算軟件，主要適用于矩陣運(yùn)算和信息處理領(lǐng)域的分析設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是使用方便、輸入便捷、運(yùn)算功能齊全，并且?guī)в写罅康暮瘮?shù)庫(kù)可供使用。用它來(lái)編寫(xiě)程序，不需要大量煩瑣的編程過(guò)程，只需以數(shù)學(xué)方式表達(dá)和描述，因此特別適合工程計(jì)算和教學(xué)軟件的編寫(xiě)。采用MATLAB GUI設(shè)計(jì)對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，界面豐富直觀，可以直接在界面中輸入和改變參數(shù)而不需要改變?cè)绦颍庇^地分析各參數(shù)的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。本文利用MATLAB GUI設(shè)計(jì)了一個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真信息化教學(xué)平臺(tái)，下面分別介紹該教學(xué)平臺(tái)中各個(gè)部分的設(shè)計(jì)：

1.平面波前的實(shí)現(xiàn)。二維x-y直角坐標(biāo)可唯一地確定一個(gè)平面，用這個(gè)平面表示光波場(chǎng)的波前，可以在此平面上對(duì)光波場(chǎng)的復(fù)振幅作相應(yīng)的各種運(yùn)算。用MATLAB語(yǔ)言可以方便地確定這樣一個(gè)平面：利用MATLAB庫(kù)函數(shù)meshgrid（）生成兩個(gè)N×N維矩陣變量m和n，其中矩陣m按行變換，矩陣n按列變換，按照這兩個(gè)矩陣尋址可以確定用矩陣U表示的平面上的任意像素，可以根據(jù)需要確定矩陣的階數(shù)N，即平面的采樣點(diǎn)數(shù)。

2.光的干涉現(xiàn)象。以光的干涉原理為基礎(chǔ)，研究光的干涉實(shí)驗(yàn)仿真的基本原理和仿真方法，程序中的可調(diào)參數(shù)為：入射光波長(zhǎng)λ、雙縫的距離d、雙縫到觀察屏距離z。用光波波前疊加的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的仿真，并展示仿真圖形結(jié)果，能通過(guò)界面調(diào)整雙縫寬度和雙縫到觀察屏的距離。

3.光的衍射現(xiàn)象。根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射原理及實(shí)驗(yàn)裝置建立仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型，利用光波疊加法得到單縫、矩形孔、圓孔衍射屏的夫瑯和費(fèi)衍射仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并展示仿真圖形結(jié)構(gòu)，能通過(guò)界面調(diào)整單縫、矩形孔、圓孔衍射屏的寬度及衍射屏到觀察屏的距離。單縫衍射仿真與干涉仿真類似，矩形孔衍射的仿真只需要將光強(qiáng)隨x、y方向的變化計(jì)算出來(lái)即可。

4.信息光學(xué)變換。根據(jù)阿貝成像原理和4f系統(tǒng)給出光學(xué)空間濾波過(guò)程的物理公式，實(shí)現(xiàn)郎齊光柵空間濾波和阿貝—波特實(shí)驗(yàn)的仿真，并展示仿真圖形結(jié)構(gòu)，能通過(guò)界面調(diào)整濾波器的形狀和大小。調(diào)用MATLAB數(shù)據(jù)分析和傅里葉變換函數(shù)庫(kù)中的二維離散傅里葉變換函數(shù)fft2（）和逆變換函數(shù)ifft2（），對(duì)二維矩陣進(jìn)行快速傅里葉變換，可得到包括振幅和相位兩部分的復(fù)振幅分布函數(shù)，實(shí)現(xiàn)濾波過(guò)程。另外，為了方便信息化教學(xué)，該平臺(tái)可同步到手機(jī)進(jìn)行演示操作，可通過(guò)互動(dòng)軟件共享實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，方便檢查評(píng)分。

三、光學(xué)實(shí)驗(yàn)信息化教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用

1.教師講解展示。由于“工程光學(xué)”課程具有極高的理論性，所以在課程前部分，教師應(yīng)通過(guò)多媒體設(shè)備為學(xué)生詳細(xì)講解各知識(shí)點(diǎn)的來(lái)龍去脈，通過(guò)視頻展示各個(gè)光學(xué)現(xiàn)象在實(shí)際生活中的應(yīng)用，這樣便于學(xué)生通過(guò)理論學(xué)習(xí)和視頻展示學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)枯燥的理論知識(shí)有一個(gè)形象的認(rèn)識(shí)。

2.光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作演示。在理論講授結(jié)束后，教師可通過(guò)電腦將光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作界面同步到學(xué)生手機(jī)上，讓學(xué)生能更直接地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)步驟的模仿練習(xí)。演示過(guò)程中，學(xué)生可通過(guò)“彈幕”實(shí)時(shí)向教師反饋學(xué)習(xí)情況，提出疑問(wèn)。

3.學(xué)生操作光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)教師演示后，學(xué)生可以自己進(jìn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，分析和對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，循序漸進(jìn)理解和掌握該知識(shí)點(diǎn)，并在該平臺(tái)上進(jìn)行記錄評(píng)分。

4.學(xué)生進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用光學(xué)元件對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際操作，并實(shí)現(xiàn)在光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，將實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果與平臺(tái)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，再由教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作效果進(jìn)行檢驗(yàn)點(diǎn)評(píng)。

在后續(xù)教學(xué)中，我們還要不斷改革信息化教學(xué)模式，在教學(xué)過(guò)程中引入更多的信息化教學(xué)方法和教學(xué)引導(dǎo)機(jī)制，提升教學(xué)效果。例如，隨著電子產(chǎn)品及信息化時(shí)代的不斷發(fā)展，越來(lái)越多學(xué)生手機(jī)不離手。針對(duì)這一現(xiàn)象，后續(xù)我們可將該平臺(tái)設(shè)計(jì)移植到手機(jī)App中，讓學(xué)生能使用手機(jī)在課堂上與教師同步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，讓有興趣的學(xué)生在課后隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。信息化教學(xué)模式是一種創(chuàng)新型的教學(xué)形式，在“工程光學(xué)”課程教學(xué)中使用“光學(xué)實(shí)驗(yàn)信息化教學(xué)平臺(tái)”能極大地促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)和技能的掌握，通過(guò)該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)課上和課下的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的鉆研精神，培養(yǎng)具有“工匠精神”的高端技能型人才。