高職院校“應用光學”課程教學改革初探

王 旭 許雪芬 王志萍 錢超義 雷盼靈

(無錫職業技術學院 基礎部，江蘇 無錫 214121)

“應用光學”是光電信息科學與工程、光學工程等本科專業以及光電制造與應用技術等專科專業的專業基礎課程[1-2]。對比國內外的“應用光學”課程教學內容，可以發現教學側重點有一定異同。國內高校對于“應用光學”的教學，內容詳盡豐富，理論全面系統。以浙江大學光學工程專業為例，圍繞“應用光學”主體課程，開設了“應用光學實驗”“光學系統設計”“光學器件與系統的建模仿真”“視覺信息應用技術”“現代光學CAD技術”等課程。歐美國家的大學同樣有內容豐富的“應用光學”教學內容。以美國羅切斯特大學(光學工程專業排名常年保持美國第一)為例，其光學工程專業并未直接開設包括各種成像和像差理論內容的“應用光學”課程，而是把“應用光學”分解為很多相關課程，例如“幾何光學”“光學系統布局與分析簡介”“光學照明簡介”“光源與探測器”“光學制造及測試”“透鏡設計(光學設計)”“高級光學設計”等，其教學內容系統全面，且對課程內容的分解更偏向應用，課程門類更多。相比之下，國內高職院校的“應用光學”教學則相形見絀，不僅課時偏少，師生比偏低，相關課程也系統性不足，幾乎沒有外圍的或后續的相關課程。同時，高職院校的學生對新鮮知識的接受能力相對較弱。這些問題對高職院校“應用光學”課程取得滿意的教學效果帶來了嚴峻的考驗。

1 教學現狀

高職院校“應用光學”課程的實踐訓練軟硬件條件、師資配比、學生能力等方面均明顯不足于本科高校，但學生的培養工作一樣可以獨辟蹊徑、殊途同歸，達到需要的培養目標。研究高職院校的學生培養目標可以發現，高職院校更側重于培養適應社會需求的、技術應用能力強的、知識面較寬的應用性專門人才。光電制造與應用專業需要培養的是社會和企業需要的光學工程師，這些工程師將來主要從事光學元件加工、光電器件生產與檢測、光學機床與激光加工設備的使用與維護、光學設計、光學儀器的技術維護和銷售等工作。這必然要求高職院校的“應用光學”課程教學不能完全照搬普通高校的教學方式。為此，高職院校的“應用光學”課程需舍棄一定的系統性，豐富更多的實用性，重視使用工具軟件和操作硬件的能力。同時在有限的教學時間內，拓展學生的知識寬度，培養學生的敬業精神。

傳統“應用光學”授課采用板書與課件結合進行理論講解和公式推導的教學方式。由于“應用光學”課程具有符號、公式繁多，概念抽象難懂、易混淆的特點，傳統的板書加課件的教學模式會使課堂顯得枯燥乏味。同時，“應用光學”屬于較成熟的理論，課程中有大量的公式推導和光線追跡計算[3-4]，對學生的數學基礎有較高的要求。如果缺乏教學改革，高職院校的學生在學習這門課程的過程中會不斷遇到困難，打擊學習信心，進而喪失學習興趣，獲得較差的學習效果。

針對上述問題，筆者所在教學團隊通過教學內容的調整、教學手段的更新、教學模式的改變、考核方式的改進，嘗試提升“應用光學”課程的教學效果。同時通過課后的興趣小組建設，進一步實現培養學生實踐創新能力的目標。

2 教學探索

2.1 教學內容的調整

“應用光學”課程主要包括幾何光學、光線的光路計算和光學系統、光度學基礎、像差理論、典型光學系統、光的干涉和衍射、光的偏振、光學材料、光學設計基礎等內容，課程所涉及的知識面較廣。一些普通高校通過“大學物理”和“物理光學”的學習，可以刪減“應用光學”中的幾何光學、光的干涉衍射和偏振等內容[5-7]。這對高職院校來說是不可取的，因為高職院校普遍不開設“物理光學”課程，甚至“大學物理”也很少開設。因此，幾何光學或基礎光學部分在高職院校并不能被刪減，需要加強教學。這些光學基礎也是學習后期光學元件設計必需的儲備知識。此外，由于課時的限制，典型光學系統、現代光學系統等內容可以留給學生按自身需求進行自習。教學內容上還可以適當引入較前沿的一些光學應用的簡單介紹，如激光雷達光信號收發系統、光刻機自動聚焦光路等，這些前沿內容的引入可以激發學生的學習興趣。考慮到高職學生的學習基礎薄弱，實際教學過程中還需要考慮減少繁雜的公式推導，注重概念的理解和過程的邏輯分析。例如在講解光線的光路計算時，著重講解近軸條件下單折射面的光路計算，使學生理解光路計算的本質;對于多折射面光學系統的光路計算，主要介紹計算結果及相應的規律，不展開具體的解析推導；對于多光組光學系統成像的理論計算也以介紹為主。基于此，學生通過“應用光學”課程的學習，能理解幾何光學的基本概念和理論，基本掌握光學元件和光學系統的成像特征，并初步具備工程實踐的能力。

2.2 教學手段的更新

傳統“應用光學”多媒體加板書的教學手段已經不能完全適應信息技術時代教學的需求，無錫職業技術學院采用了兩種教學手段輔助教學。

一是借助網絡平臺，將微課、習題、多媒體課件等資源共享給學生。無錫職業技術學院的“應用光學”課程借助超星平臺，實現了與學生的資源共享。學生可以隨時獲取相關課件和微課內容，同時，還可以在留言區提出問題，教師或學生都可以在討論區里討論作答。教師可以利用該平臺簽到、點名，發布課后作業、單元測試、階段測試等內容。這個平臺既可以使學生充分利用空閑時間學習并在這個平臺的討論區把問題記錄下來，又能使教師及時了解學生學習課程中遇到的難點，逐步提高教師的教學能力和教學成效。

二是借助一些軟件，實現虛擬實驗、模擬實驗。因為“應用光學”具有很強的實用性，同時理論偏復雜，具有一定的抽象性，采用Matlab、Zemax等虛擬實驗教學手段可以很好地將教學內容形象化，使學生更容易和更深入地掌握關鍵知識點，鍛煉學生的實踐能力。例如借助Zemax平臺，學生可以實現很多光學元件的仿真，如透鏡、棱鏡、擴束鏡、波導管、LED反光杯等，并能直觀地了解這些元件的性能，同時學生借助Zemax也可以進行簡單的光學設計學習，了解成像質量的判斷依據。而Matlab可以實現一些光路計算以及光學系統的數據分析和處理。圖1為學生利用Matlab編寫的復眼透鏡裝配公差分析界面圖，圖中顯示了復眼透鏡裝配公差的數值大小與效率，以及均勻度之間的關系。

圖1 復眼透鏡裝配公差分析界面

教學手段的更新不僅是傳授知識的需要，更是學生盡早接觸市面上實際使用的一些工具軟件的重要途徑。通過若干軟件的使用，學生能夠感受到這門課程的實用性，從而端正學習態度并在課外額外投入時間用于軟件的使用練習。如果在一些軟件的使用過程中能夠激發學生的學習興趣，更能事半功倍地提升“應用光學”課程的學習效果。

2.3 教學模式的改變

國外大學課時充分，更多采用討論教學法，即師生在課堂上的互動問答比較多。國內高校受限于師生比例較低且課時有限，課堂授課以理論為主、實踐為輔，需要積極拓展課外學習時間。如浙江大學就采用協同教學的模式，使學生組成小組，課外共同學習課程內容并解決教師布置的任務，教師利用課堂的少量時間進行點評。高職院校的學生同樣適用協同教學的模式，但仍有一些區別。

一是教師布置的任務可以酌情降低難度。這些課后任務可以是書本上現成的一些案例的延伸，如滿足一定性能的雙膠合透鏡的設計、滿足一定參數范圍的齊明透鏡的設計、滿足一定像差條件的光學系統的設計等，以此降低任務難度，提高學生的任務完成成功率，增強學生的學習信心。二是放寬時間限制，促進學生展開討論，允許學生在一周甚至兩周后完成任務。給予學生充分的課后調研時間，通過圖書館查書，網絡搜索相關資料，最終經過小組討論得到結論。并且通過小組同學間的交流、小組之間的交流，以及班組間的交流，可以使學生更牢固地掌握課堂不易于直接掌握的知識點。三是提交任務的方式不局限于文檔等固定形式。由于高職院校的學生畢業后面對的是社會多變的需求，所以包括PPT、視頻、短視頻、WORD文檔、甚至手寫版等格式他們都可以接受，但不管什么格式，能夠完成任務的小組就可以獲得平時成績的加分。

探究式教學也常被應用于本課程教學過程中。以適當的“問題解決”為指引，在課堂上循循善誘，按一定的思路逐步解決問題，達到培養學生自主思維、獨立解決問題的能力。例如在“如何消除或減小軸向球差”的實例中，引導學生嘗試多種方式解決問題，從而開拓學生思維，加強理解“球差”的概念。

此外，無論國內還是國外高校，“應用光學”課程的實踐環節必不可少。高職院校受限于實驗室條件與授課課時，一般不會獨立開設“應用光學實驗”課程，因此需要在“應用光學”課程內配備若干基礎光學實驗，如“透鏡焦距的測量”“自組顯微鏡”等。

2.4 考核方式的改進

傳統的考核方式是以平時成績與期末考試成績加權平均的結果，期末考試所占比重約為70%，這樣的考核方式容易造成學生平時不認真學習，考前突擊復習。而且僅僅一份期末考試的紙質試卷并不能反映學生實踐能力的鍛煉結果。為此，我們將期末試卷的權重降低至40%，增加了軟件模擬的上機考試，以及兩個平時的階段測試。這樣的考核方式，既能對學生在各個不同階段的學習情況進行考核，及時發現問題，又可以反映學生實踐能力和軟件使用能力的強弱，實現均衡化的考核。

2.5 課外興趣小組的建立

“應用光學”課程結束后，學習優異且對軟件應用有濃厚興趣的學生可以加入學校的“應用光學”興趣小組，主要負責協助教師開展教學和科研工作。這樣，一部分學生可以繼續獲得進一步學習“應用光學”的機會，進一步練習一些軟件的使用，提升自身的實踐能力。尤其是一些學生如果能夠參與企業的合作項目，便能極大提升學生的實踐和創新能力。

3 引入課程思政

適當引入課程思政[8]也是取得良好教學效果的一個有效途徑。因為“應用光學”課程是一門專業基礎課，面向的是剛剛進入大學校園的新生。這些學生剛經歷過高考的艱辛，憧憬著大學的幸福生活，他們的人生觀和價值觀還很不成熟，很多學生還不能完全把心思放到學習中。因此，在課程教學過程中融入一些課程思政元素，既能引導學生正確對待“應用光學”課程的學習，也能幫助學生建立正確的人生觀、價值觀。

“應用光學”作為一門實踐性較強的課程，其中的思政元素十分豐富。如在講述光學發展歷史和進程時，一定要提到中國春秋時期的學者墨子。墨子的傳世之作《墨經》中記載：“景到，在午有端與景長，說在端。”整體解釋這句話的意思是：“影像倒立, 在光線交會處有一小孔；關于影像的大小，在于小孔相對物、像的位置。”這是人類歷史上首次對小孔成像進行描述和分析。古希臘的歐幾里得在著作《光學》中也記載了小孔成像，但比《墨經》的記錄要晚一百多年。所以，《墨經》被認為是世界上最早的光學知識著作。墨子在光學方面的研究不只是停留在小孔成像上，據《墨經》中記載，墨子還首先探討了光與影的關系，包括物體的本影和副影的問題。此外，墨子對平面鏡、凹面鏡、凸面鏡等也進行了相當系統的研究，得出了類似幾何光學的一系列基本原理。

在講述全反射及光纖時，務必提到2009年獲得諾貝爾物理學獎的 “光纖之父”高錕。他利用石英玻璃制成的光纖在全世界掀起了一場光纖通信的革命。并且，高琨選擇了放棄“光纖”專利，全球人民免費享受光纖傳輸的快捷和便利。在講述光學系統時，當然少不了提及執行中國首次火星探測任務的“天問一號”探測器。“天問一號”所攜帶的高分辨相機是由長春光機所自行研制的，采用了長焦距離軸三反消像散光系統，應用了高陡度大偏離量離軸高次非球面反射鏡。

當然，“應用光學”的思政案例還有很多。如王大珩院士事跡、南仁東的“中國天眼”FAST、華為公司50倍變焦手機鏡頭等。思政案例的引入明顯可以增強學生的民族自豪感，激發他們學習的信心。

4 結語

“應用光學”作為一門專業基礎課，具有非常強的實踐性。針對高職院校的學生基礎和培養要求，基于高職院校的師資和課時情況，不能照搬普通本科高校的教學方式。增加學生實踐能力的提升，適當降低理論教學的難度，壓縮非主體教學內容，加強若干計算機輔助軟件的實操，將有助于培養學生的專業素質，有利于學生的專業實習和就業，使之成長為能夠適應當代信息化社會高速發展需要的應用型人才。

高職院校“應用光學”的課程整合和建設是一項任重道遠的工程。如何在有限的教學時間和教學資源的限制下盡可能提升學生的實踐與創新能力，需要從教學手段、教學方法等各個方面去挖掘潛力。最后，適當引入課程思政，對教學效果的提升有畫龍點睛的效果。