關于新時代下光學課程建設及教學改革的探索

李鵬 呂長武

新疆大學物理科學與技術學院 新疆烏魯木齊 830046

隨著經濟社會的發展，國家對教育的支持和投入不斷增長，課程建設和教學改革不斷推進。慕課、微課、直播課等視頻課程大量上線，一流專業、一流課程建設大力開展，線上線下混合式、融合式教學模式發揮了重要的作用，并將持續發揮其網絡優質資源優勢。新時代為建設教育強國，高等學校落實黨的教育方針，以立德樹人為根本任務，努力培養德智體美勞全面發展的高層次人才，走內涵式發展道路。我院抓住機遇積極開展一流課程建設和教學改革以適應新時代教育改革要求[1]，下面以光學課程為例介紹課程建設和教學改革現狀。

一、完善課程團隊梯隊建設

“光學”是物理學專業的基礎課程，是物理學課程的重要組成部分。學院承擔學校理工科“大學物理”“大學物理實驗”等公共課程教學，教學任務比較重，專業教師數量就略顯不足。長久以來，學院的專業課都是由資深老教師承擔并傳承下來，由于專業班級不是很多，二合班或者三合班就較為常見，所以一門專業課程基本都是一位到兩位老師進行授課。在教師少學生多、沒有助教的情況下，教師在時間和空間上，都不能夠做到和學生較好地開展教與學，也使得教師對學生的學習狀況和個人情況了解和掌握不夠全面。面對新的形勢，就需要打破現有的專業課程教學的不利局面。一是要以雙一流建設為契機，大力引進具有高學歷、高學識、高素質的優秀青年人才。通過集中培訓、個別聽課、組織學習后充實到專業課程教學隊伍當中，同時可以使青年教師在科研領域研究的最前沿的內容融入教學中；二是注重專業課程團隊的建立和梯隊的建設。優秀的團隊可以彌補單人承擔課程教學的許多不足，可以通過集體備課確定重難點、共同探討教學設計、責任及明確的分工，做好充分教學準備。建立的團隊要形成良好梯隊，既要有經驗豐富的中年教師，也要有活力四射的青年教師，不僅要充分發揮個人特質及特長，更要發揮團隊協作優勢；三是單班授課。單班授課可以使團隊中的教師都能積極投身于教學一線，不僅可以使團隊教師迅速成長，還可以讓教師有精力充分掌握班級學生具體情況，因材施教。專業教師的投入并不是對師資力量的浪費，這不僅可以讓教師的教學對科研提供幫助，還可以讓教師的科研反哺教學，做到教學科研相長；四是加強加深對于專業課程的認識。根據教育部統計調查顯示[2]，高校教師80%以上是專業教師，高校課程80%以上是專業課程，學生學習時間80%以上是專業學習，而80%的大學生認為，對自己成長影響最深的是專業課和專業教師。不難看出，專業課教師是我們的“主力軍”，專業課教學是教師的“主戰場”，專業課課堂更是育人的“主渠道”。

二、積極開展線上線下混合式教學

線上線下混合式教學模式已經出現并慢慢成熟起來。對于物理學中基礎課程“光學”課程來說，這種模式可能成為更好的選擇。一個行政教學班級在雨課堂中設置為兩個編號班級，一個編號班級用于線下教學，一個編號班級用于線上教學。線下教學的班級，是在同一個空間里通過雨課堂在網絡上同步開啟在線教學，教室里的同學可以在現場聽教師的授課，學習知識，通過直接交流或者反轉課堂達到學習目的。還可以通過手機參與雨課堂中的答題、投稿、彈幕等互動環節。與此同時，由于各種原因不能在班級里上課的同學通過雨課堂在線聽課，通過雨課堂的多種互動功能(答題、投稿、彈幕等)結合騰訊會議等達到與在教室上課的同學一樣上課的感受和效果。線下的課程主要以重點、難點等知識點為主要授課內容，也可以拓展相關內容。同時也通過雨課堂在線直播錄制教學視頻，提供給學生反復觀看和收聽。線上教學的班級，主要是通過雨課堂給同學發送“光學”課程相關的慕課視頻、預習課件、課后作業、測試題、PPT學習課件、復習課件等提高學生自主學習能力，培養預習、自學、復習的良好習慣。同時可以根據教學進度和學生掌握情況不定時地有選擇性地開啟在線直播，講解習題，和學生一起探討“光學”課程中遇到的在線下課程中沒有解決的問題。線上課程的開啟和融合，使慕課視頻的觀看和學習、課件的學習和總結、課后作業習題的解答變得直觀有效，更重要的是解除了共同學習、自主學習時間和空間上的限制。

三、通過教學設計改變教學方法

物理學是一門以實驗為基礎的基礎學科，而“光學”是一門實驗性很強的專業基礎課程，僅僅用以前PPT課件或者板書進行課程講解已經遠遠不夠。需要通過教學設計在教學方法上有新的變革。以往的“滿堂灌”“填鴨式”的教學方法完全破壞了學生獨立思考、自主學習能力，教師細致的講解、反復的強調也逐漸培養了學生被動式學習和依賴性。這種授課方式大大降低了學生自我體驗、自我感悟、自我探索的積極性。要通過教學方法的改變，提高學生自主性學習、合作性學習、研究性學習的能力。可以試著從以下幾個方面開展：一是做好教學設計，確定主體。教學設計是根據“光學”課程要求和教學對象的特點，將教學所有要素做好安排，確定合適的教學方案的設想和計劃。通過調整教學方法，充分運用小組討論環節、拓展反轉課堂等，讓學生成為教學中的核心。二是增加課堂演示，印象深刻。“光學”課程中將實驗演示搬入課堂。譬如比較經典的單縫衍射、圓孔衍射以及三棱鏡分光實驗，可以充分利用課堂暗環境和簡單光學元件即可實現較為明顯的實驗現象，讓學生身臨其境，充分感受光學的神奇，從而激發學生的好奇心和探索欲。三是課堂中加入慕課視頻或者Flash動畫，生動形象。譬如雙縫干涉實驗，采用不同波長的單色光、不同的雙縫間距或是雙縫與觀察屏不同的距離進行實驗，可以很清楚的看到觀察屏上干涉條紋間距的變化等現象，使學生在學習過程中記憶深刻。慕課視頻是“光學”課程改革的重要組成部分。目前，也有很多高校都已經制作了慕課視頻，方式多樣，但是質量參差不齊。慕課的制作應該根據學生的特點和選取的教材，有針對性地、有重點地進行視頻和音頻的錄制。上傳到學校的云端，供學生觀看學習。四是和理論課程配套的單獨開設的“光學實驗”，理論結合實驗。譬如在幾何光學的介紹中，薄透鏡(凸透鏡、凹透鏡、凸面鏡、凹面鏡)成像的實驗，阿貝折射實驗、邁克爾遜干涉實驗等就可以很好地讓學生親自動手完成相應實驗課程的內容，體驗光學的魅力與樂趣。在等厚干涉的理論學習中，有對應的牛頓環實驗和薄片厚度的測量。學生可以在實驗的過程中，通過改變不同條件觀察光學圖樣的變化。從中提升自我體驗、自我探索的積極性。五是多采取舉例分析式、問題解決式、學生宣講式、開放討論式的以學生為主體的開放式的教學方法，讓學生真正成為教與學的主體。

四、教學設計案例

在“光學”課程講授中，把對光的本性認識發展的經典故事、生活中的光學現象、古詩詞中的光學景象適當引入知識點的教學當中，通過舉例、問題引導和探究性學習把抽象的概念和問題具體化、形象化，引發學生深入思考從而提高大學生的學習積極性和創新思維能力，更好達到人才培養的目的。

在講到光的波粒二象性這一知識點時，目前光的波粒二象性在科學界已有共識，光不僅是粒子也是波，但不是我們所熟識的經典粒子或者經典的波，而是波動性和粒子性的矛盾的對立統一體。學生在學習過程中對“既對立又統一”這一認識會很疑惑，光是一種電磁波，為什么一會說是波，一會又說成是粒子。在楊氏雙縫干涉實驗中，光主要表現出的是波動性，電磁波的相干疊加，但這并不意味著光不具有粒子性，只是在這種情況的下，粒子性不明顯。同樣在光電效應的實驗中，光所表現出來時的粒子性，這也不代表光沒有波動性，這就需要學生擁有哲學上的辯證思維。此時可以引入對光的本質認識歷程中著名的微粒說和波動說之爭，說明人們對光的認識同樣經歷了曲折的過程，對光的認識才越來越深刻，對世界的物質性和辯證唯物主義原理也有了更深刻的認識。

在講到光的干涉這一章節時，由于干涉是波動光學重要的組成部分，需要學生重點掌握。但不論是掌握干涉的基本原理還是從相干光線的光路演示，以及光程差公式推導對于學生都是有一定難度的。如何讓學生在學習的過程中感到輕松有趣呢？我們設定啟發式問題情境，提出有趣問題：水面上的油膜在陽光照射下呈現出彩色的圖案，但是玻璃窗在陽光照射在上卻沒有出現彩色圖案？自然界中有很多昆蟲，例如蝴蝶的翅膀上為什么會呈現出美麗的色彩？以前我們生活中常見的光盤，在陽光的照射下為什么呈現出色彩斑斕的條紋？通過生活中常見的光學現象舉例，讓學生參與互動課堂討論，培養學生的參與熱情。通過對問題的分析和討論，運用探究性學習和總結的手段，通過探索問題、揭示出復雜問題的本質，使學生掌握解決這些問題的能力。

在講到光的散射這一章節中，對于美麗的朝霞和晚霞等常見的自然現象，如何讓學生對原理記憶深刻又能拓展學生的知識廣度呢？清晨日出或傍晚日落時，看到太陽呈紅色，這是因為太陽光幾乎平行于地平面，穿過最后的大氣層，較短波長的光都側向散射了，僅僅剩下紅光到達觀察者的眼中。仰面看向天空時依舊能夠看見淺藍色，而云朵此時被陽光所照射，就呈現出炫目的紅色[3]。更進一步拓展可以請學生回答交通信號燈和信號旗為什么采用紅色？這些可以用散射的理論來解釋。通過實例深刻認識和理解瑞利散射、米氏散射及分子散射之間的聯系和區別。同時我們還可以引入中國傳統文化中的詩詞活躍課堂氛圍，感受優秀傳統古詩詞的神韻和光學原理。描寫光的散射的詩句有著名詩人白居易《暮江吟》：“一道殘陽鋪水中，半江瑟瑟半江紅”，還有楊慎的《臨江仙 滾滾長江東逝水》：“青山依舊在，幾度夕陽紅[4]”；描寫光的直線傳播的詩句有詩仙李白《月下獨酌》的詩句：“舉杯邀明月，對飲成三人”；描寫光的反射的詩句有劉禹錫《望洞庭》：“湖光秋月兩相和，潭面無風鏡未磨”。通過這樣的教學設計，不僅學習常見現象背后的光學原理，還學習了古詩詞，實踐了文化育人。

講到光的偏振時，我們也可以舉出很多實例，比如蜜蜂的8字舞、蜻蜓的復眼、非洲的糞金龜，還有最具攻擊性的螳螂蝦[5]，它們都是利用天空中光的偏振模式進行導航，完成覓食、回穴等一系列活動。除了這些可愛的動物之外，在我們的日常生活中也會利用到的偏振光的例子：在電影院看3D電影及所戴的眼鏡，電視電腦的液晶顯示器，開車時所戴的太陽鏡，汽車的前擋風玻璃，等等。

在講授中通過引入有趣的故事和生活中的物理現象，不僅能夠提高學生對物理的學習的興趣，還可以提升對所學專業的認同，從而堅定學習物理光學的信心和決心，為自然科學基礎研究培養更多的人才。光學不僅僅是有趣的，還包含大量的數學公式的理論推導和分析，數學公式是物理概念的直觀表現形式之一，而物理概念的闡述離不開數學公式的表述，數學公式為物理概念提供直觀載體。講清楚復雜數學公式及推導的物理本質，通過分析討論和自主實驗，使學生更加深刻理解公式的物理意義。

五、注重學習過程的考核方式

在線下課程普遍、線上課程沖擊的新時代下，線上線下混合式教學模式的開展已是大勢所趨，課程的考核不能再用簡單的期末考試成績作為學生學習成果的唯一檢驗標準，更為重要的是加強過程性考核。過程性考核重點在于學生在學習過程中的投入如何，譬如學生在線上線下中的參與度(彈幕、投稿、習題作答、課堂回答問題等)、課前的預習(PPT課件、視頻、音頻、電子圖書資料等)、課后的復習(作業、總結、課堂講解回放等)以及線上單元測試或期中測試等部分。根據課程特點和線下線上混合式教學方式應用，重視過程性考核。可以考慮嘗試將該門課程的總評成績大致分為兩部分：一部分為平時成績占50%，另一部分為期末考試成績占50%，平時成績占比的增加正是專業課程過程性考核的重要體現。

課程建設和教學改革不是簡單的方法和材料的堆砌，而是思想、目標、人的有序組織和展示。要培養21世紀符合中國特色社會主義發展的建設者和可靠接班人，高等教育中課程建設也是重要的環節，只有統一思想，群策群力才能做好高等教育的教學改革工作。