“應用光學”全英文教學模式的實踐與探索

龐宗強， 袁 明， 江 兵， 戎 舟， 王 勇

(南京郵電大學 自動化學院、人工智能學院， 江蘇 南京 210023)

0 引言

在當前新工科背景和信息全球化的趨勢下,中國的高等教育正面臨著一場全新的改革，根據“教育面向現代化、面向世界、面向未來”的目標，大力推進專業課程的全英文建設，對培養具有國際化視野的創新型工科人才具有重要意義[1]。

“應用光學”是電子科學與技術、光信息科學與技術和測控技術與儀器等專業的專業基礎課程。課程以幾何光學原理為基礎，分析研究了幾種典型光學儀器(顯微鏡、望遠鏡、照相機和投影儀)和現代光學系統(光纖光學系統、紅外光學系統和激光光學系統)的工作原理、系統架構、成像質量和設計方法等，在整個工科專業課程體系中占據重要地位。采取全英文授課模式，不僅可以讓學生掌握應用光學的專業知識，還可以在一定程度上提高其英語水平和利用英語進行各種學術交流的能力。因此，探索應用光學的全英文教學模式具有很重要的戰略意義。

1 應用光學全英文授課存在的問題

1.1 語言環境問題

在中國這個漢語言大環境下，針對本科生開展專業課程的全英文授課本身就具有很大的挑戰。首先，習慣了傳統中文授課與交流的內地本科生，由于日常生活中缺乏英語交流鍛煉的機會，其英文聽說能力遠低于拉丁語系國家甚至港澳臺地區，所以在英文授課過程中，出現語言溝通障礙在所難免。其次，“應用光學”課程的專業詞匯量較大，即使大部分工科專業的本科學生通過了國家英語四六級考試，但在面臨大量陌生專業英語詞匯時，仍然是會出現焦慮和茫然。導致實際聽課聽課過程中，可能會專注于某些英語專業詞匯，而忽略了專業知識內容的理解，一段時間下來，英文專業課程學習的興趣和積極性可能會慢慢消失，無疑給專業課程知識點的的傳遞造成了很大的障礙。最后，相比于傳統中文授課或雙語授課模式，專業課程的全英文授課對授課教師的專業知識掌握情況以及英語的表達能力要求非常高，比如要求授課教師的口語流利、發音標準且不能口音過重等[2]。

1.2 教學模式問題

傳統的“填鴨式”教學模式，授課過程中主要以教師講、學生聽為主，課堂氣氛較為沉悶，不僅難以調動學生的積極性，還會扼殺本科生的求知欲和創新精神，完全不適合當今社會對創新型工科人才的培養需求。

為了實現高等教育的創新和適應未來工業革命的挑戰，開展“新工科”學科布局，構建多樣化、個性化的工程人才培養模式已經成為教育部重要戰略發展方向。2018年教育部發布了“普通高等學校本科專業類教學質量國家標準”，其原則和理念的核心就是以學生為中心、以成果為導向，通過翻轉課堂的教學模式，充分發揮學生的主體作用，提高學生創新意識、分析問題和解決問題的能力。

2 應用光學全英文授課的改進措施

2.1 學習習慣的培養

區別于常規的專業課程學習，全英文專業課程的學習會面臨大量的陌生英語專業詞匯，因此要求學生養成良好的學習習慣。針對陌生詞匯較多的問題，提醒學生做好充分的課前預習，提前查閱待學習章節中的陌生詞匯，并實時記錄預習過程中存在的困惑和難點，帶著問題去聽課，做到有的放矢。

授課過程中，鼓勵引導學生使用英語大膽表達自己的想法和觀點，主動提出問題，以小組討論和課堂討論的形式為學生創造一個良好的英語語言學習環境，對于課堂中積極提出問題和闡述觀點的學生，給予課程平時成績的加分，充分調動學生全英文課程學習的積極性和發揮學生的主體作用，提高學生獲取知識和分析問題的能力。

課后提醒學生及時進行相關知識點的復習與鞏固，通過布置少量課后作業或繪制章節知識點樹形圖的方式加深對本單元知識點的理解，授課教師利用課余時間為學生進行實時在線答疑解惑。

2.2 課程內容的優化

前兩次課的授課內容盡量以回顧高中物理課本中已學過的相關光學知識為主，如光學的發展歷史、反射定律和折射定律等內容，讓學生逐漸適應和習慣全英文授課的模式和授課教師的英語發音。盡量減少陌生專業詞匯的數量，以建立學生的英語聽力自信為出發點。然后，以光學知識在前沿科技領域的應用為例，逐步引出本課程的學習目標、學習內容以及相應知識點在未來工業領域中的實際應用，激發學生對本門課程學習的興趣。

課程知識點部分按照“共軸球面系統——目視光學儀器——平面棱鏡系統——成像光束選擇——成像質量評價”為主線展開教學[3]。本文以第二章共軸球面系統部分的知識點講解為例：

首先，結合高中物理知識讓學生認識到什么是共軸球面系統，實際應用中為什么要構建球面光學系統，比如肉眼無法直接看清遠處的物體和近處微小的細胞組織等，通過借助于望遠鏡和顯微鏡系統才能實現觀測(給出望遠鏡和顯微鏡的實物照片和系統結構示意圖)，以此引發學生的好奇，激發學生深入探究的興趣，因為興趣才是促使學生努力學習的最好老師。

接下來，引入實際光路追跡公式的推導用于確定像點的位置，通過兩組不同位置的入射光線得到兩組不同的公式組，進而引出問題點，為了使推導的光路追跡公式統一且具有普適性，建立了符號法則。基于實際光路計算公式的應用進行舉例，利用實際光路追跡公式計算三組不同角度入射光線的像點位置(∠U1=1°, 2°,3°),計算結果表明，在小角度入射的情況下，三個像點的位置近似重合，因此，在誤差允許的范圍內，可用入射角的弧度值替代其正弦值，由此引入近軸光路追跡公式。

通過近軸區域幾條入射光線的像點位置計算，發現像點的位置與入射角度無關，為了簡化像點位置的計算，引入了近軸光路基本公式。然而，當我們沿著光軸方向不斷移動物點的位置，像點的位置也會隨之改變，為了獲得不同物點對應的像點位置和大小，我們需要反復多次利用近軸光路計算公式進行求解，工作量巨大。為了簡化計算過程，引入了基點和基面的概念(主點/主平面，焦點/焦平面，節點和節平面)，進而利用近軸光路基本公式求解了單個球面和共軸球面系統的主點和焦點位置，以及已知系統主點和焦點位置的前提下，可以通過作圖法求解全空間像點的位置。雖然利用作圖法雖然可以定性分析物像之間的對應關系，但在實際光學系統設計中缺乏準確性，為此，為了進一步簡化計算過程，基于不同的位置坐標系，引入了牛頓公式和高斯公式。最后，基于牛頓公式和高斯公式，完成復雜組合光學系統的光路計算。

在章節內容講解結束后，引導學生通過繪制共軸球面系統知識點樹形圖的方式，將共軸球面系統看似雜散的知識點進行串接，理清知識點之間的脈絡關系，加深學生對共軸球面系統章節知識點的理解和掌握，如圖1中所示。

圖1 共軸球面系統知識點樹形圖

2.3 教學模式的探索

培養大學生的創新意識和創新精神，提高大學生的創新能力，是新時期高校教育改革工作的重要目標和任務。高校必須徹底改變傳統的以傳授知識為主的教學理念和方法，多措并舉，將專業領域相關的最新科研成果融入到課程教學中，使學生實時了解本領域研究的科技前沿動態，認識到應用光學課程學習的實際意義，通過教學與科研相輔相成的教學模式，可以加深學生對枯燥抽象理論知識點的理解，為培養本科生的創新意識和創新能力創造良好的成長環境[4]。

在理論課程講授的同時，注重實踐環節的輔助。比如在講授目視光學儀器章節內容時，可以利用凸透鏡、凹透鏡和棱鏡等基本光學元件現場搭建簡易望遠鏡和潛望鏡系統，使學生更加直觀的認識和理解目視光學儀器的鏡體長度、放大倍數等參數與透鏡結構尺寸的內在關系，理解棱鏡單元在目視光學儀器中的實際作用。此外，為了進一步加深學生對實際軍用觀察望遠鏡和狙擊步槍瞄準鏡等典型光學儀器軸向尺寸受限、橫向尺寸受限、視場范圍受限、成像質量要求較高等問題的理解，利用ZEMAX光學設計軟件進行問題的仿真模擬與分析，加深學生對目視光學儀器的結構、工作原理和成像質量評價的理解，提高本科生的工程實踐能力、系統思考和研究能力[5]。

圖2 全英文課程教學模式的探索

3 結語

在新工科和信息全球化的大背景下，本文探索和實踐了應用光學全英文授課教學模式。實踐結果表明，該教學模式能夠促使本科生逐漸接受專業課程的全英文授課，在學習專業知識的同時，鍛煉了學生利用英語交際和表達學術觀點的能力，為后續深造從事科研工作奠定了良好的基礎。借助于透鏡和棱鏡等輔助道具，不僅活躍了原本沉悶的一言堂氛圍，還激發了學生學習的興趣。通過將光學領域的最新科研成果實時融入到理論課程教學中，為本科生揭開了科研的神秘面紗，培養了其強烈的求知欲和創新精神。