MATLAB實踐在物理光學課程教學中的應用

□陳 波 徐其峰 張 茁 王嶺娥

現代教育要求以學生的發展為本，著力培養學生自主學習的能力、創新思維和創造能力，教師的授課方式要從傳統的講授知識轉變為培養能力，要更加注重培養學生的科學素質和創新能力[1]。物理光學是電子科學與技術、測控技術與儀器等本科專業的一門重要的專業基礎課[2]，在課程體系中起著承上啟下的作用，是學習激光原理、信息光學、光電檢測、光纖光學等課程的基礎。本課程以光的波動性為主要研究對象，從電磁波理論和傅里葉分析兩個角度，講授光的傳播、干涉、衍射、偏振性質以及這些規律和現象的應用，強調理論和實踐相結合[3～4]。由于課程理論知識較為復雜和抽象，導致學生的學習難度較大，難以充分理解教學內容。如何將抽象的理論和直觀的光學現象以及具體實際應用有效結合起來，是需要教師在教學活動中思考和實踐的問題。MATLAB軟件可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，能夠應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測等領域，是學生不可缺少的軟件工具之一。

為了更好地讓學生掌握課程基本知識，培養學生的創新實踐能力，根據《物理光學》課程的教學特點和難點，結合MATLAB軟件，華北理工大學儀器科學與技術系開展了課程教學實踐改革，綜合運用啟發式和討論式教學方法，將課堂講解與MATLAB仿真演示、課后探究式作業和實踐有機結合，并采取了與此相適應的課程考試方式。課程考核成績由期末筆試成績和課后探究式作業成績組成，其中筆試占比70%，重點考察基本概念和原理，課后探究式作業成績占比30%，重點考察學生應用MATLAB軟件解決具體問題的能力。

一、課堂教學引入MATLAB數值仿真

課堂教學是大學教育活動的主陣地，是當前教學中普遍采用的教學手段。教師在課堂教學中最容易忽視的就是學生的主體地位，尤其是在授課內容較多的基礎課程中。將MATLAB數值仿真引入課堂，采用現象演示和啟發式討論相結合的教學方式，隨時演示重要概念和原理的MATLAB程序及結果，能夠較好地加深學生對抽象原理的理解[3]。

在講授完每一章內容后，根據該章節的重要知識點和難點問題，增加了基于MATLAB軟件的編程仿真和討論環節。例如，在學完“光的干涉和干涉系統”這一部分后，在課堂上利用MATLAB軟件，仿真說明本章的重要知識點：光波干涉的條件。仿真過程中，通過修改光波長參數，還可以觀察到之前學過的光學拍的現象，從而加深理解。又例如在講解雙縫干涉條紋間距的相關課后題目時，先在MATLAB環境下編寫柱面波干涉程序，然后修改參數使其滿足題目要求，讓學生觀察干涉條紋分布，并確定題目的答案。在此基礎上，進行原理講解和計算公式推導，從理論分析的角度給出正確答案。采用這種原理和現象相結合的方法，促進了學生對基本概念的掌握和對知識的應用能力。同時，還利用MATLAB軟件，開展了課堂提問、討論和當場演示解釋的授課方法。例如在講解“干涉條紋的可見度”這一難點時，先請學生思考并討論光源大小對干涉條紋可見度的影響，然后通過疊加相鄰位置的點光源的干涉圖樣的編程方法，給出不同光源大小參數下干涉條紋的可見度仿真結果，當場驗證學生的答案。如果時間允許，還可以讓學生自己編寫相應的程序來驗證抽象的理論推導結果。這種在課堂上結合實際提出問題，并當場演示、分析結果的授課方式，增加了教師與學生的互動和交流，活躍了課堂氣氛，深受學生歡迎。與學生座談了解到，在課堂上運用MATLAB編寫程序來演示知識點、分析具體問題，非常有利于學生的學習，而且這些程序也成為了學生學習MATLAB軟件的素材。

二、基于MATLAB的課后探究式學習

督促學生進行探究式學習是課程教學改革的另一個重要內容[4]。利用課后作業中實踐性較強的題目和課程中的某個主題，遵循自由結伴、分析問題、編程實踐、總結結果的步驟，以課后作業的形式指導學生進行探究式學習，從而激發學生獨立思考和創新實踐的意識，培養他們的主動學習和創新探索精神，從而切實提高了教學質量[5～6]。

課程考核成績中課后探究式作業成績占比30%，作業題目主要有兩類，一是教材中的課后作業，二是來源于教師科研中具體問題。“科研反哺教學”是創新大學教育理念、提高教育質量的有效方法。結合教師科研活動，把教師的科研成果與教學內容有機地融合在一起，布置有一定探索性的課后作業。例如在學習光的衍射和光柵知識后，結合課后題目中計算閃耀光柵的夫瑯禾費衍射圖像等題目，要求學生利用MATLAB編寫程序進行實踐，同時查閱資料，結合傅里葉光學，編寫菲涅爾衍射的程序，分析不同衍射距離處的光斑分布。教師還拓展了菲涅爾波帶片和二元光學的知識，指導學生仿真設計了相位型菲涅爾波帶片，讓學生查閱菲涅爾波帶片應用相關資料，編寫了基于該波帶片的波前曲率傳感器仿真程序，開展了光學元件表面測量實驗。此外，教師還布置了基于數字離軸全息的綜合性作業，要求學生分析記錄全息圖時參考光與目標光的夾角的要求，要求學生分析全息重構中衍射距離、目標像放大率等參數的控制方法。

批閱學生的探究式作業總結及感想發現，這種教學活動可以拓展學生的視野，學到很多新的知識，培養團隊合作精神，因此受到了學生的熱烈歡迎。教學實踐結果表明，這種方式可以給學生補充當前光學發展產生的新知識、新技術等內容，培養了學生的研究型思維和解決問題的能力。

三、結語

針對《物理光學》課程理論性強、知識點多、復雜難學的特點，對課程教學進行了一系列實踐探索。課程組教師通過指導學生在MATLAB環境下建立數值仿真模型，采用觀察現象、講解原理、啟發式討論、結果驗證、自主探索等多種教學方式，讓學生感受、理解知識產生和發展的過程，使學生的理論分析能力、實踐能力和創新思維得到了進一步提高。課程改革取得了良好的教學效果。