工程光學課程思政案例設計

楊曉霞，薛 彬，董 建

（1.天津職業技術師范大學 自動化與電氣工程學院，天津 300222；2.天津大學 海洋科學與技術學院，天津 300072）

引言

將思想政治教育貫穿于人才培養全過程是推進大學生思想政治教育的重要舉措，且思想政治教育入課堂是貫徹落實這一舉措的有效途徑。專業課堂是向學生傳遞知識和思想的主要陣地，專業課的授課過程是注入思政元素的良好載體。思政元素與課程知識內容的自然過渡與有機結合是教學實踐中的重點和難點，尤其對于工科類課堂而言，這是對傳統工學知識講授方式的改革。本文以工程光學課程為例，對教學過程中涉及的思政點進行挖掘和梳理，從學史增信、鑒往知來、家國情懷、使命擔當、理論聯系實際等方面設計教學案例，總結光學課程的思想政治教育方法，亦希望能為其他相關工科類課程提供思路和參考。

本文首先總結工程光學的課程特點，并以此為依據確定思政元素挖掘方向；再根據各思政元素點設計教學案例；最后對所提案例進行總結。

一、光學課程特點

工程光學是光電類、儀器類等工科專業的基礎必修課，授課內容一般包括物理光學、幾何光學的基本概念、理論及應用，開設該課程的主要目的是為后續光電系統設計、檢測方案設計、光電成像、光信息等相關課程學習或科學研究工作打下理論基礎。根據光學課程的起源、發展歷程、知識特征、應用場景及其在軍事國防、國民經濟、生活日常等方面的地位，將光學學科及課程特點總結為：（1）我國光學研究歷史悠久。我國人民對光的認識和研究可追溯至2000多年前，有記載的研究成果為光學學科的發展作出很大貢獻。（2）光學研究由國家需求導向。光學技術在諸多重要領域都有應用需求，光學技術研究關系到國防安全、國民經濟等領域的發展，多年來一直是各國間充滿競爭、不容松懈的研究學科。（3）光學的應用性強。課程所涉及的基本光學規律、原理都要與實際現象、應用相聯系。

根據以上特點，本文從學史增信、鑒往知來、家國情懷、使命擔當、理論聯系實際等角度挖掘思想政治教學案例。

二、思想政治教學案例設計

以工程光學課程特點為依據，以所提挖掘的方向為導向，對該課程可引入的思政元素及切入點進行設計，形成下述案例。

（一）學史增信，鑒往知來

理工科的學生從中學開始偏重理工類課程的學習，對歷史、時事的學習程度及敏感性不及文科生，故大都對我國歷史中的科學發展案例了解較少。而在理工科各門基礎課程的學習過程中，涉及大量國外學者提出的重要定理、技術等，這樣的知識獲得結構可能使學生在潛意識里產生對自己國家文化不自信的情緒。因此，在理工類課程中適時加入我國在該學科的研究史及輸出貢獻，是對學生進行“學史增信”教育的有效手段。結合光學學科的歷史發展特點，在緒論中引入我國的光學探索史。

現今很多學科的發展歷程都可追溯到我國古代，人類對光的探索史也不例外，遠在春秋戰國時期，我國就有對光的研究及記載。墨家學說的創立者墨子是我國古代極具代表性的科學家之一，他最早完成了小孔成像的實驗，并通過實驗現象探討了物體經小孔成像的特點、成像的大小與物體斜正及光源遠近之間的關系，這是幾何光學概念的起源。墨子還通過運動物體的影子實驗指出影子運動的根本原因是物體的運動，反映出了物和影像之間的對應關系。墨子及其弟子后將各種光學現象以實驗的形式記錄于《墨經》之中，是我國最早關于光學研究的論著，基本完整地呈現了幾何光學的思想精髓，從時間上講，早于歐幾里得所著的光學書籍。到唐宋時期，也出現幾位具有代表性的科學家在光學領域作出了突出的貢獻。沈括將光學與數學結合，用數學表征反射、折射等光學現象，并對小孔成像和凹面鏡成像的關系進行了闡述，即為“格術”。這些成果和貢獻均在他編著的《夢溪筆談》中有詳細記載。趙友欽也是該時期著名的光學實驗物理學家，其著作《革象新書》中的“小罅光景”卷記載了他在光學方向的工作和成就。在前人積累的基礎上，他在光的直線傳播、照明度等方向進行了大量的實驗，實驗方法科學且嚴謹。對月的盈虧變化進行了實物模擬實驗，并對小孔成像中的物距、像距、孔徑大小、光源形狀等因素進行了探討。在視角方面，他指出“遠視物則微，近視物則大”，是對物、像關系的進一步研究和探索。另外，在很多對光的應用及簡單光學器件的制作方面，我國也在時間上領先于西方國家。早在東漢時期就有“以日影定其徑界于山之脊”的記載，即利用日光影的位置來定向。后人們將木桿或石柱立在地面上，通過觀察日光影的位置和長度來定向或定時，這樣的儀器即為“表”，是最早的光學儀器。漢晉時期，我國就有用水晶珠作為凸透鏡聚光取火的記載。這些文物和記載都顯示出我國古代人民非凡的才能和智慧。

當然，受封建制度影響，在中華人民共和國成立之前，我國在科技方面明顯落后于發達國家。但是，面對國家發展對各項科學技術的需求，中國的科技工作者不畏困難，潛心研究，勇攀科技高峰，攻克一個個技術難題。在這樣的困難時期，涌現出很多為國奉獻出一生才學的科技工作者，他們淡泊名利、無私奉獻的民族精神是留給我們最寶貴的財富。經過科技工作者前仆后繼的艱苦奮斗，現如今的祖國已成為科技大國，在光學科技方面的發展也是突飛猛進，取得了很多傲人的成就。由科學家南仁東作為總設計師，我國設計建造了世界上口徑最大（500米）的射電望遠鏡FAST，被稱為中國的“天眼”，可用于助力宇宙大尺度物理學研究、觀測脈沖星、探測星際分子、搜索星際通訊信號等。在性能方面，FAST的探測靈敏度遠高于德國、美國等的同類型大口徑望遠鏡，是目前最具威力的射電望遠鏡。在激光技術方面，我國也處于世界領先水平。我國自主研發的非線性光學晶體獨步全球，同樣功率下的激光輸出性能遠優于其他，使得我國激光制造技術壟斷歐美多年。在光學攝影系統方面，我國也立于世界強林。在2022年北京冬奧會上，短道速滑賽道的“黑科技”——高速攝像系統“獵豹”吸引了全世界人民的眼球。“獵豹”是我國自主研發的超高速4K軌道攝像機系統，是一款特種攝像設備，可以時速90公里的速度進行超高清拍攝，最大程度地保證了比賽的公平性。在光學領域，我國領先世界的技術不止于此，比如在超精密光學零件制造、光通信等方面，都有突出成就。未來，在我國強勁的科技發展勢頭下，必然還會有更多的世界領先技術。當代大學生要堅信，我們有這樣的智慧和才能，我國的科技實力一定會在新一代人的努力下更加強大。

（二）家國情懷，使命擔當

我國現今欣欣向榮的科技發展勢頭離不開老一輩科技工作者的嘔心瀝血，他們不畏艱苦、為國奉獻的精神值得新一代青年發揚和學習。在光學課程相關知識點的講解中引入前輩科技工作者的奮斗事跡，是激發學生家國情懷，引導學生擔起時代使命責任的良好契機。

近代中國受封建社會制度影響，科技發展受阻，一段時期落后于西方國家。然而，即使在那滿目瘡痍、戰火連綿的時代，依舊有很多科技工作者懷揣著“科技救國”的夢想，從未停下前進的腳步。到中華人民共和國成立初期，百廢待興，從國防安全到國民經濟，很多技術都被國外卡了“脖子”。我國有志青年急國家之所急，躊躇滿志，時刻準備為國效力。很多海外留學的中華學子無畏外國的阻撓和迫害，歷盡艱辛回到祖國。在艱苦的工作條件下，老一輩科技工作者創造了一個又一個奇跡。光學的發展關系著國計民生、國防安全，在這個時期，涌現出了很多優秀的光學領域科學家。中國科學院院士嚴濟慈少年時期就受到新文化思想的熏陶，在法國留學并從事光學方面的研究工作。取得博士學位后回國在大學中任教，并于1931年開始籌建北平研究院物理研究所。抗日戰爭開始后，嚴濟慈將科技作為武器，用制造的光學儀器為抗日作出了卓越的貢獻。他將北平研究院物理研究所秘密遷至昆明郊區，為國家保存了一支完整的科研隊伍。戰火中，設備和資料損耗極大，在這樣的艱苦條件下，嚴濟慈將自己多年研究成果轉化研制抗戰所需的儀器設備。他對研究所內的工作人員說，“侵略者破壞了我們從事科學研究的條件，使得每個愛國的中國人都不能袖手旁觀了”，于是帶領技術人員研制壓電水晶振蕩器、顯微鏡、望遠鏡等，建起了小具規模的工廠。據統計，抗日期間研究所為前線醫院共生產了500個顯微鏡，為前線行軍提供了300余套望遠鏡和測距儀，1000多個用于無線發報機的振蕩器。這些儀器設備在抗戰中起到了非常關鍵的作用，這支以嚴濟慈先生為首的研究隊伍功不可沒。同時期的龔祖同先生也是為我國光學事業作出卓越貢獻的科學家。為求得我國光學技術上的獨立，從1939年開始，嚴濟慈先生開始研制光學玻璃，從最初在上海研制被敵人迫害，到貴陽建廠被國民黨撤銷，再到秦皇島玻璃廠試制被國民黨上級反對，研制光學玻璃經歷了三次失敗。直到1953年，中國的第一堝光學玻璃于長春熔煉而成，結束了我國光學玻璃只能依靠進口的歷史。那一刻，龔祖同先生講：“一生的重擔從此獲得解脫，這是我畢生最幸福的日子。”這是老一輩科學家對祖國的承諾和踐諾。后期與龔祖同先生共同參與研制光學玻璃的還有王大珩先生，他是20世紀下半葉我國光學事業的領軍人。早年為了解決德國法西斯對光學玻璃的壟斷，王大珩先生去英國留學，專門學習光學玻璃制造技術。攻讀博士學位期間，英國玻璃公司招聘光學研究人員從事光學玻璃研制工作，王大珩先生想到這可能是盡快掌握光學玻璃制造技術的好機會，急祖國之所急，他毅然放棄了自己的博士學位，去公司參加研制工作。1948年，王大珩先生學成歸國，一心撲在我國光學事業的發展上，帶領科技工作者開啟了我國光學事業發展的良好局面。1951年，王大珩先生主持籌備中國科學院儀器館，即后來的長春光學精密機械研究所。在他的領導下，研究所在顯微鏡、光學玻璃、激光器及大型光學觀測設備等方向取得了突破性成就，為中國光學事業的發展作出了巨大的貢獻。

在光學領域，還有很多為我國科技發展作出卓越貢獻的工作者，他們都以家國所需為重，不計個人得失，勇擔歷史使命，埋頭擔當，是我輩學習的榜樣。引導學生對所提案例進行學習總結，在課下自主挖掘更多的榜樣事跡，并反思作為新時代知識青年，應該奮發圖強，擔負起歷史使命。

（三）理論聯系實際

工程光學課程注重理論知識與實際現象、應用的聯系，具體體現在光學理論知識對既存現象的解釋、應用基本理論解決實際應用問題等，二者在教學過程中相輔相成，實際現象幫助學生理解基本理論，夯實的理論知識又為光學的實際應用奠定基礎。基本理論與實際應用的契合點是引入“理論與實際結合”思想的好時機，以培養學生理論聯系實際的良好作風。具體可從如下兩個方面切入。

1.從生活走近光學。生活中存在著多種多樣的光學現象，通過對這些現象的深層挖掘可以使學生更容易走進抽象的光學理論體系。為什么人類看到的世界是五顏六色的？由此引出光頻率與顏色的關系。陽光下，為什么會有物體的影子？為什么會有日食、月食現象？由此引出光沿直線傳播理論。通過一面鏡子，如果你能看到對方，對方必然也能通過鏡子看到你，這是為什么？由此引出光路的可逆性原理。光學本就來源于生活，課本上抽象的理論最初也是從生活中總結凝練而得，以生活中經常能看到、經歷的案例作為啟發點，可以把抽象的定理、公式以更生動的形式具化于學生的頭腦中，更易懂，印象更深刻。同樣，在一些定理的講授過程中，也要啟發學生聯想并列舉生活中的相關應用及現象。比如講到反射定律，啟發學生列舉平面鏡等生活應用；講到折射定律，引導學生嘗試解釋水中筷子彎折等常見現象。

2.用光學洞悉世界。從基礎的光學原理，到簡單元器件的光學作用，最終教學目標還是要落到光學的實際應用上。例如，應用幾何光學基本定律、理想光學系統成像原理等基本理論知識去理解望遠鏡、顯微鏡、攝影系統等典型光學應用系統的工作原理。引導學生通過實際光學系統的使用進一步體驗光學的奇妙之處，并在實驗課中設計搭建典型光學系統的環節。再例如，學完平面鏡旋轉特性后，可引導學生應用該特性設計一角度測量裝置；學完各種棱鏡的特性后，可提出某特定工程需求去設計一個應用光路等。這些實際應用及實踐活動是光學理論到實踐的有效途徑，學生可以用光去觀察、測量，體驗用光學洞悉世界。

在以上教學環節的實施過程中，潛移默化地引導學生在學習過程中注重理論聯系實際，不能只知概念、定理，不知應用，要將原理和規律引申到實際現場。作為一名工科學生，在日常學習、生活中，要有從現象探索原理、將理論付諸實踐的意識和能力。

結語

專業課堂是加強大學生思想政治教育的重要陣地，將思政元素有機融入專業課程是高校教師當前教學改革工作的重要任務。本文為工程光學課程設計若干思想政治案例。分析光學課程的主要特點，并以此為依據，從學史增信、鑒往知來、家國情懷、使命擔當、理論聯系實際等角度設計與該課程相關度較高的思政元素，以學科為背景，將其潛移默化地灌輸給學生，振奮的科學成就、感人的奉獻事跡、知行合一的親身體驗都將順勢引起學生對歷史使命、學業規劃等的思考，并對學生建立正確的價值觀起到積極的作用。希望上述案例能為同類型課程的思想政治教學設計提供借鑒。