光學課程教學的比較與啟示*
——以中美兩所大學為例

胡志娟 閆愛民

(上海師范大學數理學院 上海 200234)

1 引言

光學是高等學校理工科尤其是物理學相關專業的一門必修課程，在物理學科中占有重要的地位[1,2]．深入學習光學的基本概念和規律，建立清晰的物理圖像，為學習相關的其他學科，如激光原理、信息光學、高等光學等課程奠定基礎．自1960年激光器發明以來，光學相關的分支學科發展迅速，尤其在光電子學、非線性光學、導波光學、光通信等領域，因此，它是當前科學研究領域中最活躍的前沿陣地之一．許多物理學前沿技術都離不開光學，隨著學科間的不斷交叉和融合，光學也成為許多工程技術類專業的基礎學科．筆者受國家留學基金委的資助，赴弗吉尼亞理工大學(簡稱VT)電子信息工程學院進行了為期一年的訪學，并在此期間深入地學習了光學、電磁場理論兩門課程，深切感受到美國高校課堂教學在教學方法、教學內容、教學設計和學習效果測評等方面的顯著特點．

本文以VT的光學課程為例，詳細介紹了該課程的教學內容、課程設置、教學模式、作業和考試等方面的內容，并與上海師范大學的光學課程進行了對比分析，提出了光學課程教學改革的幾點建議和思考，希望能為我們的教學改革提供有益的參考．

2 VT光學課程的教學模式

2.1 課程設置

VT的光學課程由教授主講，3學分，32課時，每課時75 min，授課對象是高年級本科生和研究生．采用的教材是Eugene Hecht編著的《Optics》第4版[3]，主要內容包括電磁場理論、幾何光學、偏振光學、干涉和衍射光學、傅里葉光學、現代光學技術等．其他參考書目有《Handbook of Optics》《Principle of Optics》《Optics-Principles and Applications》《Principles of Lasers and Optics》等[4]．課程的目標是學習光學相關的基礎知識、物理概念和研究方法，讓學生了解光學學科的物理規律和發展趨勢，為學生在光學應用創新方面打下堅實的基礎．

2.2 教學內容和教學計劃

VT光學課程的教學內容和教學計劃如表1所示，主要內容包括電磁場理論、幾何光學、光的傳播特性、偏振光學、光的干涉和衍射以及現代光學技術專題．教學內容非常豐富，不僅包含了光學基本概念和原理，還涉及到生產生活中實際應用的諸多現代光學技術．

表1 VT光學課程教學內容和課時安排

2.3 考核方式與評價

VT光學課程的總評成績分為4部分：作業占30%，第一次期中考試占20%，第二次期中考試占20%，期末考試占30%．作業包括課前預習作業和課后鞏固作業．課前預習的目的是鼓勵學生進行自主學習，通過查閱文獻和資料廣泛閱讀，用于課堂交流和小組討論．課后作業每周一次，每次5～6道題．期中考試每次6道題，考試時間75 min，期末考試10道題，考試時間2 h．考試內容包括光學基本概念、規律和現代光學技術應用，目的是檢驗學生對光學基本理論的理解、掌握和貫通能力．考試題目都是分析計算題，難度較大，每個題目中涉及多個知識點．

3 光學課程的教學對比與探究

3.1 教學內容比較

以上海師范大學的光學課程為例，上海師范大學的光學課程主要面向物理學專業的本科生，課程共64課時，3學分，每課時為45 min．所用的教材是以姚啟鈞原著、華東師范大學光學教材編寫組改編的《光學教程》(第六版)為主要教材，以趙凱華先生的《光學》[1]以及《光學新教程》[5]為輔助教材．教學目標是通過光學課程的教學，完成對學生“知識目標、能力目標、態度目標”的培養．“知識目標”包括掌握波動光學的基本知識、理論和方法，理解光學的基本概念和規律，了解現代光學與其他學科、技術相結合的發展狀況．“能力目標”包括培養批判性思維方法，提高獨立分析和解決問題的能力，培養學生自主學習和自主發展的能力，培養溝通交流能力和團隊協作精神．“態度目標”包括培養辯證唯物主義世界觀，實事求是、嚴格認真的科學態度，創新意識和科學美感等．

上海師范大學光學課程的教學內容如表2所示，主要包括波動光學(光的干涉、衍射、偏振)、幾何光學和現代光學基礎．對比兩校光學課程的教學內容，VT的光學課程教學內容范圍更廣，實際總教學時長可達2 400 min，其中光的干涉、衍射、偏振和幾何光學部分內容的教學總時長約為1 350 min，占比總教學時長的62%．上海師范大學的光學課程總教學時長為2 880 min，其中2 070 min用于波動光學和幾何光學內容的講授，占總教學時長的72%，波動光學部分知識點的內容比VT的這部分內容講解得更詳細，但是現代光學部分的內容和課時比VT少．以前由于課時緊張，通常會壓縮現代光學部分內容的講解，在近幾年的教學過程中，我們發現增加科技應用密切相關的現代光學前沿和應用方面的介紹，對開拓學生眼界，培養學生興趣，引導學生將來從事相關的科研工作有很好的啟發作用．鑒于此，對于現代光學內容的教學，不應以課時少而進行刪減，同時應該考慮在有限的時間內增加這部分內容的介紹．教師可考慮利用視頻資源或開展專題講座形式進行講授，對于信息光學的基本原理及應用方面的教學，也可以考慮采用學生線上自主學習模式開展．

表2 上海師范大學光學課程內容與課時安排

3.2 教學模式比較

在教學模式上，VT采用的是傳統教師講授、黑板板書的授課模式，課堂不以純粹的講授理論知識為目的，非常注重運用知識解決實際問題能力的培養．教師按照教學計劃完成重要知識點的講授后，會引導學生結合實際生活和現代光學技術應用的實例進行小組討論，教師會根據學生的課堂表現給予評分，鼓勵學生積極分享自己的觀點．此外，VT的光學課程不僅面向本科生，還面向研究生，包括碩士和博士．課程采用多層次的分級教學和評價方法，某些章節的專題項目，只要求研究生掌握．這種階梯式的教學模式使得各個年級的學生有交流溝通的機會，有利于學生溝通能力的提高和團隊合作能力的培養．

上海師范大學的光學課程長期以來也采用教師講、學生聽為主的傳統教學模式，教學中面臨著光學知識覆蓋面大、前沿光學內容不斷豐富與課時不足的教學矛盾，以及學生來自全國各地，基礎不同與同班教學的矛盾．從2018年開始，我們逐漸將講授內容遷移到課程網站上，課程網站提供課程視頻、每章導學、題庫，為學生提供了個性化自主學習的平臺．這些資料可供學有余力的學生提前學習和拓展學習，也能為基礎薄弱的學生提供反復學習的課程資源．同時利用網站平臺、微信和QQ學習群進行科技前沿、物理軼事和生活中的物理等知識的拓展推送，以解決課時少與知識覆蓋面大、講授內容多的矛盾．

從2020年開始上海師范大學光學課程采用線上線下結合的混合式教學，開展“問題主導的探究式自主學習”的教學模式，光學課程從單一的知識傳授向學生多維度能力塑造的知識體系建構轉變．教學過程采用“2+2”模式，即每周4課時中的2課時用于學生線上自主學習，2課時用于線下課堂教學．每周課前，教師根據教學設計將教學內容轉化為若干問題，以課前學習任務單的形式發布給學生，學生通過課程視頻、自讀課本、查閱資料等方式，了解和熟知預設的學習內容，進行自主學習，對基礎知識形成一定的認識．線下課堂中教師會設計多種教學活動，如搶答、隨堂測試、分組活動匯報等，對學生的課前自主學習結果進行檢測，解答學生在自主學習過程中遇到的問題．并針對每周教學內容的重點、難點進行知識梳理和講解，達到知識的鞏固強化和延伸的效果.教學過程中注重師生的互動．關于分組活動，針對每個單元的教學內容，教師會提前發布4～6個分組任務活動，由學生自行分組進行小組合作學習并在線提交團隊學習的過程和討論結果，在課堂上進行任務陳述，鍛煉學生的表達能力，整個過程結合小組自評、互評和教師評價．課后除常規作業以外，每章配置一些拓展性作業．課程答疑方式則靈活多樣，線下指導并結合“網絡復習+平臺答疑+微信輔導”的模式．在考核評估方面注重過程性評價與結果性評價相結合，課程結束后，對學生平時線上線下的表現，包括線上考勤、視頻觀看時長次數、作業提交情況、參與討論互動、搶答等課程活動過程，以及學生期中期末成績進行綜合評價，并通過信息化的教學工具進行過程性活動的分數記錄和統計．

我們開展的線上線下混合式教學模式，以學生為中心，教學中注重學生知識的融會貫通及探究能力的培養，以問題主導學生自主學習，分組任務為驅動引導學生探究學習，以小組合作學習實現能力梯度進階，對學生夯實光學基礎、培養自主學習能力、 提高教學效果都有明顯幫助，豐富的網絡教學資源，為不同層次的學生提供了個性化的學習平臺．

3.3 教材內容比較

兩所高校所用教材的深度和廣度有明顯的差異，國內教材重點在經典光學基礎知識，對現代光學技術的原理和應用的介紹篇幅較少．E. Hecht的《Optics》教材中對相同知識點闡述的深度和內容的豐富度更高，也非常注重應用知識的介紹．除了第十三章專門介紹典型的現代光學應用外，在每一章中也穿插了一些和本章知識點相關的應用光學技術，能為讀者提供開闊的視野．此外，國內的教材多文字說明和理論公式的推導，而國外教材內容上的生動形象、應用性強．在內容的描述上為了避免物理概念太抽象，國外教材中的一些重要知識通常配有示意圖，圖表豐富，形象生動，便于學生理解．比如我們所用的教材[2]中的光的偏振這一章節中，關于“光軸與晶體結構”“晶體中的波面”等內容的描述，很多學生僅看教材中的文字描述很難理解．在講到幾何光學中照像機的光圈數與光通量關系時，不少學生并不了解實物鏡頭上參數的意義．而在E. Hecht的《Optics》教材中關于這部分內容配有大量的立體圖、實物圖，能夠有效地幫助讀者理解．再如，在薄透鏡的特性這一節，我們用的《光學教程》[2]教材中有7張插圖，都是描述透鏡的聚焦準直特性的原理示意圖，而E. Hecht的《Optics》教材中這一節有23張插圖，除了相關原理的示意圖，還有針對各種特征參數和物理量給出的數據圖表、與光線傳播有關的圖示等．另外，《Optics》教材中每一章的課后習題數量很多，例如第二章有48道題目，第三章有58道題目，第四章有82道題目，第五章有91道題目．在我們的教材中對應章節的習題數目與之相比都較少．

3.4 作業設計比較

VT光學課程的課前作業和課后作業具有鮮明的特點，課前作業是自主學習，表面上沒有具體的習題，但這個作業卻是非常重要的．由于課堂上教師講授的內容信息量非常大，知識點很多，如果學生在課前沒有花時間去預習、閱讀文獻和參考書籍，課堂上聽不懂，課后作業也很難正確地完成．課后作業的內容和國內光學課的課后作業差別很大，從國內的課程設置來看，教師一般選取光學教材上對應章節的習題，而VT的課后作業則是教師的自編題目，有一部分修改自教材的習題，但不純粹是原題照抄．這種作業的好處是能夠檢驗學生課堂學習的真正效果，避免抄襲教材配套練習題答案．例如：VT光學課程的第一次作業共有5道題目，其中4道是教師自己設計的，1道題目是修改自教材的．而且教師在作業中也明確地告訴學生修改習題的原題在第幾章的第幾題，這對于學生而言是一個比較重要的線索，學生如果碰到疑問或者不會做，可以通過鉆研參考教材的習題來鞏固知識，從而達到應用到新題的解答中，用學過的知識自主思考．縱觀教師自編的作業題，從題干可以發現，所考查的知識點很巧妙地融入到了實際生活中，從生活中感知物理．這里以其中2道自編作業題[6]作為舉例.

【題1】

a. Imagine a hemispherical interface between air and glass (n=1.5), with a radius of curvature of radius 5 cm.Describe the image of an object 3 cm tall placed 30 cm from the vertex (where in the glass will it be imaged? how big will it appear? and everything you can about the image).

b.Now we cut off the glass on the right forming a thick biconvex lens,with the surface having a radius of curvature of 10 cm. If the lens is 10 cm thick,determine the total magnification, position and everything you can about the image.

c.Use the thin-lens equation to see how far off it is in determining the final-image location.

【題2】

A blade of grass standing 10.0 mm tall is 150 mm in front of a thin positive lens having a 100 mm focal length; 250 mm behind that first lens is a thin negative lens with a focal length of-75.0 mm.

a. Show that the first lens forms an image 300 mm behind it.

b. Describe that image.

c. What’s its magnification?

d. Prove that the final image formed by both lenses is located 150 mm behind the negative lens.

e. What is the total magnification of the combination?

目前國內教材的習題設計比較理論化，部分內容教學上理論與實踐脫節．為此，我們的課后作業可以借鑒VT光學課程課后作業習題的設計方式，增強學生對知識的理解和運用能力．

4 總結

隨著現代互聯網教育技術的快速發展，中國高等教育正在隨著時代的大潮進行新一輪的教育教學改革[7]．光學課程教學改革應有利于促進學生個性化、深層次學習，有利于促進創新人才的培養和師生的共同發展．我們在不斷地探索和實踐新的教學模式過程中，借鑒國外著名高校在課程教學的優勢和特色，揚長避短、循序漸近，逐步摸索出適合我國本土化光學課程教學改革的教學方法．從以上對VT光學課程教學的分析可以看出，其豐富的教學內容、生動形象的教學設計、與實際生產生活緊密聯系的課后鞏固習題等方面都給我們不少的啟發和思考．