光學(xué)實(shí)驗(yàn)立體化教學(xué)研究與實(shí)踐

蔣志龍 俞琳 葉恩鉀 孔艷 劉誠

摘要：光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在光學(xué)教學(xué)課程設(shè)計(jì)框架中占有重要地位，本文對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的問題進(jìn)行了總結(jié)并提出光學(xué)實(shí)驗(yàn)立體化教學(xué)方案，結(jié)合理論教案、軟件模塊整合、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和實(shí)踐的立體化教學(xué)手段來提高學(xué)生的光學(xué)實(shí)驗(yàn)操作能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：光學(xué)實(shí)驗(yàn)；立體化教學(xué)；教學(xué)建設(shè)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）33-0149-02

一、引言

光學(xué)是一門基于實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)，光學(xué)實(shí)驗(yàn)是光學(xué)理論進(jìn)一步發(fā)展、創(chuàng)新的基礎(chǔ)，同時(shí)也是我們理解理論知識(shí)、驗(yàn)證物理規(guī)律的有效途徑。因此，光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在光學(xué)教學(xué)課程設(shè)計(jì)框架中占有重要地位。隨著我國科學(xué)技術(shù)和光學(xué)研究的不斷發(fā)展，光學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域也在逐步增大，已經(jīng)發(fā)展出了光材料、光生物、光機(jī)械、光檢測(cè)、光化學(xué)等一系列光學(xué)新材料和新技術(shù)。此外，光電類企業(yè)所占經(jīng)濟(jì)比重也在逐年增大，企業(yè)對(duì)光學(xué)人才需求增加。這就要求我們培養(yǎng)具有實(shí)際動(dòng)手能力的光學(xué)綜合性人才，高等院校對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革、教師隊(duì)伍的培養(yǎng)以及課程建設(shè)方面都應(yīng)更加重視，在學(xué)生的培養(yǎng)方面，不僅注重理論知識(shí)的傳授，同時(shí)注重動(dòng)手能力和制造工藝的培養(yǎng)，使學(xué)生的理論素質(zhì)和實(shí)踐能力得到全面提升。

二、光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

當(dāng)前，傳統(tǒng)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系具有一定的局限性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.教學(xué)模式相對(duì)傳統(tǒng)而陳舊。在高等院校的光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，雖然用于實(shí)驗(yàn)的設(shè)備都逐步得到了更新，但在教學(xué)上還是沿用傳統(tǒng)的模式和方法，形式固定而陳舊。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)課中，教師往往按照課本上的實(shí)驗(yàn)步驟，帶動(dòng)學(xué)生逐步操作。

2.學(xué)生能動(dòng)性不強(qiáng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)興趣降低。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作過程中，很少有學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟和教學(xué)儀器做到非常熟悉，常常有很大一部分同學(xué)即使按照課本上的操作步驟，也很難正確調(diào)整實(shí)驗(yàn)儀器，儀器的調(diào)整最后大多成為實(shí)驗(yàn)老師的工作，學(xué)生只是對(duì)教師操作或是課本描述的簡單重復(fù)，得到各自的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的填寫階段，為了能夠及時(shí)完成作業(yè)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性通常很難保證，甚至大部分?jǐn)?shù)據(jù)都出現(xiàn)雷同現(xiàn)象，而教師對(duì)實(shí)驗(yàn)課成績的評(píng)定，大都是參考學(xué)生填寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，很少有教師能夠參考學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的操作能力，致使實(shí)驗(yàn)教學(xué)失去其真正的意義。高等院校的光學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多以課本為依據(jù)，內(nèi)容陳舊、模式老化、缺乏創(chuàng)新，大部分都是模式化的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏創(chuàng)新性，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

3.實(shí)踐流程缺乏。在實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)教室有限，各個(gè)班級(jí)輪流使用，致使學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程不僅次數(shù)少，而且會(huì)受到時(shí)間的限制，每次只要下課的鈴聲響起，學(xué)生就停下手中的操作，準(zhǔn)備下課，很少有學(xué)生能夠留在實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)探索自己的實(shí)驗(yàn)課題，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作的能力造成了限制，從根本上影響了對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)興趣的培養(yǎng)，以及對(duì)物理光學(xué)的深入學(xué)習(xí)。

三、立體化教學(xué)在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用探究

近年來，隨著國內(nèi)高校科研條件的改善，在科研與教學(xué)相統(tǒng)一思想的指導(dǎo)下，許多有條件的高校在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面進(jìn)行了積極的改革和探索，提出設(shè)計(jì)性、研究性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，取得了比較好的教學(xué)效果，在提升學(xué)生理論水平的同時(shí)提高了學(xué)生解決問題的能力。隨著教學(xué)改革的不斷深入，特別是《理工科非物理類專業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求》頒布實(shí)施以來，大家對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)有了深入而全面的認(rèn)識(shí)。我們也反省了自己的教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，決定全面改進(jìn)和豐富光學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法和方式，使之從文字意義的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲脑O(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，并通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建來探究光學(xué)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，并將相關(guān)結(jié)果付諸生產(chǎn)實(shí)踐和應(yīng)用。

光學(xué)實(shí)驗(yàn)立體化教學(xué)以光學(xué)理論教學(xué)方案為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮相關(guān)仿真軟件模塊在光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生在軟件平臺(tái)（如zemax，Matlab等）上設(shè)計(jì)和調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)。同時(shí)，學(xué)生可以利用實(shí)驗(yàn)室提供的光學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來搭建光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并驗(yàn)證和探究實(shí)驗(yàn)中的光學(xué)性質(zhì)。借助模擬仿真用軟件平臺(tái)和實(shí)際搭建光學(xué)系統(tǒng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以讓學(xué)生能夠在光學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中感受到實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)和直觀的知識(shí)點(diǎn)，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。同時(shí)，相關(guān)模擬仿真軟件的重復(fù)性好、數(shù)據(jù)穩(wěn)定，有助于學(xué)生快速熟悉實(shí)際的光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并探究其光學(xué)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)。

四、光學(xué)實(shí)驗(yàn)立體化教學(xué)建設(shè)

光學(xué)實(shí)驗(yàn)立體化教學(xué)將主要探索仿真模擬軟件引入課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性，同時(shí)研究實(shí)驗(yàn)課程和理論建模相結(jié)合的可行性，此外還增加分析和實(shí)踐環(huán)節(jié)，從而構(gòu)建光學(xué)實(shí)驗(yàn)立體化教學(xué)。將光學(xué)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)和結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)和實(shí)踐接軌，形成理論教案、軟件模塊整合、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和實(shí)踐的立體化教學(xué)手段，而這也是我們立體化光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要內(nèi)容，如圖1所示。

1.理論教案。以光學(xué)理論課程教學(xué)方案為基礎(chǔ)，根據(jù)具體教學(xué)方案，選擇典型的、適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本光學(xué)系統(tǒng)：（1）幾何光學(xué)系統(tǒng)：由給定的一些基本光學(xué)元器件設(shè)計(jì)并搭建復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，如顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、投影儀系統(tǒng)等，對(duì)所成的像、像差等進(jìn)行觀察與測(cè)量，體驗(yàn)幾何光學(xué)在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用。（2）光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)：利用相干激光光源和基本光學(xué)元件設(shè)計(jì)并搭建基本的光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)，基于共軸光路調(diào)節(jié)的思路，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作方案，利用光學(xué)透鏡實(shí)現(xiàn)激光光源的擴(kuò)束和準(zhǔn)直。（3）干涉顯微成像系統(tǒng)：基于馬赫澤德干涉儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)定量干涉顯微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建，通過該系統(tǒng)，采集干涉條紋，通過干涉條紋的求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品的強(qiáng)度與相位成像，并對(duì)生物細(xì)胞進(jìn)行定量觀察和分析。

2.軟件模塊整合。充分利用平臺(tái)軟件（如zemax，Matlab等）的模塊化優(yōu)勢(shì)，通過仿真模擬軟件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)課程相互銜接，發(fā)揮學(xué)生對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)能力和實(shí)際操作能力。zemax軟件適用于幾何光學(xué)系統(tǒng)中透鏡及相關(guān)器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，而Matlab則能有效模擬衍射光學(xué)系統(tǒng)的衍射及成像過程。

3.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。充分利用平臺(tái)軟件（如zemax，Matlab等）的模塊化優(yōu)勢(shì)，合理設(shè)計(jì)仿真軟件模塊化與實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容銜接過程，同時(shí)注重提升學(xué)生自主創(chuàng)新能力和設(shè)計(jì)能力。在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要相應(yīng)的光學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備，對(duì)學(xué)生的光學(xué)知識(shí)掌握程度提出了一定的要求。通過光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以有效提高學(xué)生的光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、分析和解決問題的能力。

4.光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建。以仿真平臺(tái)軟件的模擬結(jié)果為參考依據(jù)，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建設(shè)計(jì)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在鍛煉實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的同時(shí)，檢驗(yàn)仿真模擬結(jié)果的可行性和有效性。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)搭建都是由學(xué)生自主完成，整個(gè)過程能夠有效避免一般光學(xué)實(shí)驗(yàn)課的模式化驗(yàn)證性過程，能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和實(shí)踐。學(xué)生通過在平臺(tái)軟件上自行設(shè)計(jì)參數(shù)并給出相應(yīng)的結(jié)果分析，所做的光學(xué)實(shí)驗(yàn)接近于實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生能更全面、系統(tǒng)地掌握現(xiàn)代光電應(yīng)用技術(shù)，體會(huì)光電儀器設(shè)計(jì)及檢測(cè)的工藝流程。

五、實(shí)踐情況

光學(xué)實(shí)驗(yàn)立體化教學(xué)在本系部部分班級(jí)進(jìn)行了光學(xué)實(shí)踐實(shí)驗(yàn)，我們對(duì)實(shí)踐效果進(jìn)行了調(diào)查，相關(guān)實(shí)驗(yàn)收到了不錯(cuò)的效果，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）學(xué)生的能動(dòng)性和創(chuàng)新能力得到了有效提高。學(xué)生開始喜歡上光學(xué)實(shí)驗(yàn)課，積極設(shè)計(jì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，提高了光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。（2）學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)驗(yàn)操作能力得到加強(qiáng)。學(xué)生在立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中鍛煉了自學(xué)平臺(tái)軟件的能力，同時(shí)搭建接近于實(shí)際應(yīng)用的光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有助于提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]張萍.立體化、創(chuàng)新型的光學(xué)課程教學(xué)體系與模式的研究[J].大學(xué)物理，2010，（7）.