現(xiàn)代光學實驗在線直播教學實踐

朱 昊， 郭 宏， 宗 嵩， 李瑤瑤， 曹良才

（清華大學精密儀器系光電工程研究所，北京 100084）

0 引 言

自2020 年初至今，一場突如其來的新冠疫情使我國乃至全球的教育系統(tǒng)遭遇前所未有的挑戰(zhàn)，學生無法返校，大中小學因防疫需要全面轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡教學［1］。與傳統(tǒng)的課堂授課相比，實驗課程，尤其是對儀器的精細調(diào)節(jié)有嚴格要求的研究生光學實驗，改成直播網(wǎng)課，會面臨許多困難［2-4］。光學實驗在正常教學中的調(diào)節(jié)和操作已很復雜，經(jīng)常需要在暗室環(huán)境操作，且信號微弱，不易觀察實驗現(xiàn)象。而直播網(wǎng)課卻需要明亮的背景、對比度強烈的圖像，這就產(chǎn)生了一定的矛盾。我校精密儀器系將2020 年春季學期的研究生現(xiàn)代光學實驗的實驗操作內(nèi)容從實驗室移到網(wǎng)上，通過技術手段和課程設計兩方面進行探索，獲得了良好的教學效果。

1 教學設計

1.1 從實驗指導書到網(wǎng)課PPT

現(xiàn)代光學實驗課程已開設20 多年，課堂授課與實驗操作各占50%學時，是一門理論與實驗緊密結(jié)合的課程。本學期有14 名學生選修，主要來自精密儀器系、物理系和能源動力系的博士生。課程改為網(wǎng)課后，將實驗指導書按網(wǎng)課特點改為PPT，精簡文字，大量插入實驗裝置全景照片、以及不同角度和距離拍攝的特寫照片，必要時插入短視頻和解說詞。

在教學設計中參考了科教記錄片的表現(xiàn)方法，深入淺出、形象生動地將深奧理論轉(zhuǎn)換成模型觀察和簡化原理圖，做到一目了然，與生活實際結(jié)合且有趣［5］。例如，課程中有一項實驗內(nèi)容是體視顯微鏡的拆裝。要求學生先操作體視顯微鏡觀察樣本，再進行結(jié)構拆解，記錄拍攝過程，復原儀器至正常工作狀態(tài)。

實驗內(nèi)容上網(wǎng)后，固然有學生無法實際操作的缺憾難以彌補，但自制模型用手機通過左右兩個顯微目鏡拍攝特寫照片，將以前實驗操作中學生容易忽視的細節(jié)凸顯出來。隨后引入自創(chuàng)的立體視覺形成的正方形與圓組合的原理圖［6］，附加一個課堂思考題：如何借助立體反光鏡或其他技術手段，將正方形圖案由遠到近或由近到遠，穿越空中的圓形圖案，在人眼中獲得立體電影效果（見圖1）？目前這個問題在許多科技館和博物館的立體展示柜中都有涉及，也有相應的解決方案，但都必須在較遠距離和暗環(huán)境下才能觀察到［7-8］。這個思考題，具有實用性、挑戰(zhàn)性，可激發(fā)學生創(chuàng)造力。

圖1 體視顯微鏡拆裝實驗的部分網(wǎng)課課件

網(wǎng)課課件編寫指導思想是生動、形象、簡短。多插入小視頻和特寫照片，注意利用特殊顏色和符號標注突出重點。注意交互性，適時提出思考題，可加入對學生提問環(huán)節(jié)，以保持課堂關注度，防止學生注意力渙散。

1.2 直播實驗時間分配和教學內(nèi)容重組

網(wǎng)課直播與線下光學實驗有截然不同的特點，學生在家上網(wǎng)課，易疲勞，難長久保持精神緊張狀態(tài)。教育部要求將網(wǎng)課分成20 min左右的小段，段間為學生休息時間；而實際的光學實驗往往持續(xù)1 h 以上。這要求教師將整塊實驗內(nèi)容切割成小片段，片段間相對獨立，每一片段介紹一個知識點的實驗現(xiàn)象。為此，以計算全息實驗為例制訂了網(wǎng)課時間分配方案如表1所示。

表1 實驗網(wǎng)課時間分配方案

以計算全息和數(shù)字全息為例對實驗內(nèi)容進行了重組。這2 套系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)干板全息需用化學濕法暗室工藝（曝光、定影、顯影、晾干）的缺點，利用天文級10 μm以下小像素CMOS相機和空間光調(diào)制器（SLM）構建為數(shù)字化實驗。所用器材多、光路調(diào)節(jié)復雜，是結(jié)合了光學、數(shù)字電路和計算機軟件技術的綜合性教學實驗［9-11］，具有代表性。如圖2 所示。

圖2 計算全息與數(shù)字全息實驗

學生以線下操作方式在實驗室完成這2 個實驗需要3 學時：計算全息實驗1 學時，數(shù)字全息實驗2 學時。改成網(wǎng)課直播，先必須省略大量光學調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)；因課時所限要改成20 min的短片段。因此，將計算全息實驗改編成段落1（再按每個片段20 min 分成3 個短片段，下同）；將數(shù)字全息實驗中的全息圖頻譜記錄部分編為段落2、將數(shù)字全息實驗的全息圖再現(xiàn)部分改成段落3。改編依據(jù)是實驗內(nèi)容的復雜程度和相對獨立性。每個段落信息量相當，學生可以單獨學習，基本不受其他段落影響。

本實驗對環(huán)境要求苛刻，直播時可將需暗室環(huán)境的一些實驗過程和現(xiàn)象用錄播的方式展現(xiàn)給學生；注意在課件中用特寫照片凸顯關鍵實驗現(xiàn)象，教師在解說時強調(diào)知識點，發(fā)揮網(wǎng)課在表現(xiàn)手法多樣性方面的優(yōu)勢，揚長避短。

線下實驗改成直播，操作時間縮短約一半，可將多余時間用于介紹其他相關知識或進行師生網(wǎng)上互動交流討論；以豐富教學形式、避免單調(diào)乏味的單純講授。

為保證拍攝質(zhì)量，在財力允許范圍內(nèi)盡可能采購較高檔的攝像機、現(xiàn)場照明設備（如LED 背景燈）、手機拍攝穩(wěn)定設備（可防止拍攝近景時因人手抖動造成的圖像晃動模糊，見圖3）、無線麥克風等［12］。

2 教學直播

2.1 直播硬件系統(tǒng)構建

現(xiàn)代光學實驗課程基本都是光機電結(jié)合的綜合實驗，每個實驗系統(tǒng)配置1 臺以上電腦。直播中講到某個實驗，就將該實驗系統(tǒng)測控電腦的顯示屏共享到騰訊會議的主界面上，讓學生有身臨其境的效果［13］。

網(wǎng)課直播借鑒了科教記錄電影的拍攝方式。現(xiàn)場配置3 臺攝像頭：一臺固定機位全景攝像機拍攝實驗系統(tǒng)整體；一臺特寫攝像用安裝了穩(wěn)定設備的手機拍攝實驗近景和特寫鏡頭；一臺拍攝中景，跟隨教師走動，拍攝教師和講解的裝置。這樣的設計兼顧了遠、中、近景，實現(xiàn)了全方位、無死角觀察實驗。學生可在網(wǎng)課的軟件界面，選擇自己感興趣的攝像頭放大觀看，增強了學習的參與度和主動性。

在圖3 中，學生通過電腦的桌面能看到實驗原理和一些預先拍攝的實驗現(xiàn)象，并能通過3 個攝像頭看到實驗中的不同場景，有一個攝像由手機攝像頭提供，手機攝像頭由大疆（DJI）靈眸手持云臺穩(wěn)定器作為直播支架，提供穩(wěn)定的近景圖像視頻。

2.2 實驗直播的軟件平臺

為充分利用教育網(wǎng)帶寬高、性能穩(wěn)定的優(yōu)點，在實驗室內(nèi)搭建了有線連接、無線連接、手機熱點連接等多種上網(wǎng)方式，課前進行多種聯(lián)網(wǎng)方式切換測試，防止網(wǎng)課進行過程中因斷網(wǎng)或網(wǎng)絡不穩(wěn)定引起的教學中斷。直播中的聲音主要由電腦或近景手機來采集，注意關閉和屏蔽其他聲音，避免產(chǎn)生回聲或雜音。

直播軟件平臺采用以騰訊會議為主、清華大學學堂在線開發(fā)的荷塘雨課堂線上教學平臺為輔的方式［14］。學生可同時用2個軟件上網(wǎng)課，用手機和電腦同時觀看不同的視角，并根據(jù)自己喜好和習慣選擇切換［15］。

3 教學效果分析

為保證教學質(zhì)量，改進教學方式，教師在課程進行中做了多次無記名問卷調(diào)查，絕大多數(shù)同學們對這種新型教學方式持支持態(tài)度，對教學效果比較滿意。學生微信群評論：“今天的網(wǎng)課效果感覺很好，沒想到還能看到直播實驗。”“謝謝老師們辛苦地準備與講解，收獲很大！”學生總體對直播實驗的感受是從期待到驚喜。

因網(wǎng)絡直播的固有缺點和條件限制、疫情下的倉促上陣等原因，也發(fā)現(xiàn)不少需改進的地方。學生反饋的問題有：攝像頭拍攝近景時的晃動和特寫鏡頭中激光照射引起曝光飽和，造成聽課學生眩暈和不適，影響對實驗現(xiàn)象的觀察。對網(wǎng)上實驗直播，教師和學生都沒有經(jīng)驗，多鏡頭的頻繁切換會帶來疲勞和混亂，對學生集中注意力聽講不利。如何在表現(xiàn)形式多樣化和突出重點兩者之間，做得恰到好處，是今后在線課程設計努力的方向［16］。

4 結(jié) 語

回顧應對疫情的實驗直播教學，有以下幾點體會：

（1）實驗內(nèi)容重組和直播腳本設計至為關鍵。應將內(nèi)容復雜的大實驗分解為相對獨立的小片段，減輕學生聽課負擔，改善教學效果。

（2）網(wǎng)課形式可考慮兩位教師對話：一位主講，另一人適時提問討論。營造輕松愉快的對話氛圍，吸引學生注意力。教師團隊分工協(xié)作非常重要，除了屏幕前的主講教師，也離不開負責現(xiàn)場照明、跟拍和網(wǎng)絡維護人員的密切配合。

（3）硬件保障須加強。最好配置遠中近景攝像機多角度拍攝實驗現(xiàn)場，購置專業(yè)攝影照明設備。軟件和網(wǎng)絡環(huán)境保障對網(wǎng)課的順利進行起著決定作用。準備2 種直播軟件同時使用；應準備有線、無線、手機流量熱點上網(wǎng)等幾種模式，防止網(wǎng)絡故障造成網(wǎng)課中斷或卡頓等教學事故。

隨著互聯(lián)網(wǎng)應用升級，今后在線教學勢在必行。順應這一趨勢，將傳統(tǒng)的光學實驗與在線直播有機結(jié)合，將是光學學科乃至教育界長期的努力方向。新冠疫情是挑戰(zhàn)，也是直播實驗教學新模式發(fā)展的機遇。

·名人名言·

大學的榮譽，不在它的校舍與人數(shù)；而在于它一代一代人的質(zhì)量。

——柯南特