心中有光 光亮世界
——工程光學（下）課程思政教學探索

屈玉福，樊尚春

（北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191）

習近平總書記在2018 年全國教育大會上指出，教育是民族振興、社會進步的重要基石，是功在當代、利在千秋的德政工程，對提高人民綜合素質、促進人的全面發展、增強中華民族創新創造活力、實現中華民族偉大復興具有決定性意義。教育是國之大計、黨之大計[1]。立德樹人是教師的根本任務。怎樣才能發揮教師隊伍“主力軍”、課程建設“主陣地”和課堂教學“主渠道”的作用，是每一位教師需要思考和探索的問題[2-3]。

在教育部課程思政示范課程傳感器技術與應用教學團隊多次說課聽課評課、一起研磨思考題、一起梳理課程思政體系和課程思政案例等教學活動的指導和引領下，工程光學（下）借鑒傳感器技術與應用課程把學生自己變成傳感器的課程思政教學理念，工程光學（下）課程的基礎知識點是光的屬性及光與物質的相互作用，因此提出“心中有光，光亮世界”的價值塑造理念。

一、課程的定位和培養目標

（一）課程定位

儀器類專業本科生的知識培養目標之一是信息獲取，信息獲取方式的一個重要分支是光電信息獲取。而工程光學（下）這門課正是以光這種物質的基本屬性為基礎，講授光的基本屬性、光的傳播規律及光與物質的相互作用。該課程基于電磁波理論描述光的波動性質，并介紹光在各向同性介質中傳播時發生的光的干涉、光的衍射和光的偏振現象，以及光在各向異性介質中傳播時所表現出的現象，著重強調光與物質相互作用后，光的基本參量如何改變，如何利用光的參量的改變來獲取物質的信息。讓同學們打好堅實的光電信息獲取基礎知識，為后續完全掌握光電信息獲取知識和能力奠定基礎。在傳授課程知識和培養能力的同時，塑造同學們的價值觀，讓同學們要心中有光，并用這束光照亮世界。

（二）課程知識和能力層次目標

工程光學（下）課程在知識傳授方面，要使學生掌握物理光學的基本理論知識，并掌握其在工程中的應用，使學生對光電儀器和光電系統光學部分的原理、構成、設計方法及性能分析等有一個基本的了解和掌握。

工程光學（下）課程在能力培養方面，要使學生掌握實際動手搭建光路的能力，為工程應用提供相關能力；并要使學生掌握進行仿真程序設計能力，以驗證所學知識和進行相關設計。

（三）課程思政層面目標

工程光學（下）的基礎知識點是光的屬性及光與物質的相互作用，因此提出“心中有光，光亮世界”的價值塑造理念。是光孕育了這個世界的萬物，每個人都心中有光，出生后相當于一束自然光，經過不同的培養和教學變成了不同相干度的相干光，不管這個相干光的相干度多長，都要用這束光來照亮世界，用這束光來改變世界，為實現中華民族偉大復興貢獻力量，為推進人類進步貢獻力量。

（四）課程思政教學挑戰

工程光學（下）課程內容相對較難，公式多，概念抽象，如何在有限的課堂時間內滲透價值塑造、能力培養，將其與課程知識有機融合，做到潤物細無聲，需創新發展教學理念和教學方法。

（五）課程思政教學具體思路

工程光學（下）課程構建了“一念、兩線、三融”的“123”課程思政建設總體設計思路，如圖1 所示。

圖1 工程光學（下）課程建設總體思路

1.“一念”：塑造“心中有光、光亮世界”的一個教學創新理念。所有教學環節結合知識點有機融入光學歷史發展進程中的人物、故事及國內科學家解決“卡脖子”問題的科學奉獻精神和家國情懷，激發學生樹立遠大的理想和抱負。

2.“兩線”：明確知識線、思政線兩條主線。知識線是思政線的線索、脈絡和載體，思政線是“珍珠線”是教學的亮點和學生的興奮點，可同時加深對知識點理解。兩條主線有機融合。

3.“三融”：實施融思政于技術發展、融思政于專業知識和融思政于典型案例三項教學舉措。

二、課程思政教學舉措

（一）融思政于技術發展

課程從第一節介紹光的本質的認識開始引入課程思政內容。3 000 多年前，埃及和中國就開始使用銅鏡來反射自己的面像，相當于最早的光學儀器。公元前4 世紀，中國和希臘已有光學現象的記錄，墨翟在他所著的《墨經》中介紹了光的直線傳播性和針孔成像。《墨經》是有關光學知識的最早記錄，比古希臘數學家歐幾里得所著的《光學》早100 多年。300 多年前，惠更斯和牛頓開始思考光的本質，并分別提出了波動說和微粒說。牛頓根據光的直線傳播性質，想象光像直線運動的小球一樣，照射到一個表面又反彈回來，由此提出了光是微粒流的理論。惠更斯認為光和聲的一些現象相似，所以他反對光的微粒說，認為光是在一種叫作“以太”的物質中傳播的波。到了19 世紀初，波動光學的體系已初步形成。1801 年，托馬斯·楊用光的干涉原理非常滿意地解釋了白光照射下的薄膜顏色的原因，并做了著名的“楊氏雙縫干涉實驗”，還第一次成功地測定了七種顏色的光的波長，從而完全確認了光的周期性，為光的波動理論找到了又一個強有力的證據。“楊氏雙縫干涉實驗”重新引起了光的波動學說解釋。1818 年，法國科學院的征文大獎主席泊松指出如果年輕的土木工程師菲涅爾關于光的衍射的描述對的話，如果在光束的傳播路徑中插入一塊不透光的圓板，那么因為圓板邊緣對光的衍射，在離不透光圓板一定距離的圓板陰影中央就會出現一個亮斑。年輕的菲涅爾接受了學術權威泊松的挑戰，經過精心地實驗設計，實現了圓板陰影中心出現亮斑的實驗。菲涅爾還用楊氏雙縫干涉的原理補充了惠更斯的原理，形成了人們所熟知的惠更斯-菲涅爾原理。解釋了衍射現象，從而結束了一百多年的光的微粒學說的統治地位，在對光的解釋中光的波動學占了主導地位。但在100 多年前，愛因斯坦為解釋光電效應，提出了光量子論，改變了牛頓的引力觀，恢復了光的粒子性，使人們終于認識清楚了光的波粒二象性，并且在光量子論的啟示下發現了德布羅意物質波，為后來建立量子力學奠定了基礎。90 多年前，泡利為了解釋β 衰變的能量守恒問題，提出了他自己都認為無法找到的中微子。50 多年前，魯賓在研究星系自轉時發現它們轉得太快了，從而假定宇宙中存在暗物質，進一步驗證了茲維基在80 多年前的猜測。正是在這些巨匠的思索下，人們才對宇宙有了更深刻的理解，也引發了一次次的革命。他們就像光一樣，照亮了一代又一代人前行的道路[4]。

（二）融思政于專業知識

1873 年，德國物理學家恩斯特·阿貝指出：光學顯微鏡分辨率的極限，大約是可見光波長的一半[5]。即使用可見光中波長最短的0.4 μm 左右波長的藍紫光，也只能分辨0.2 μm 左右的物體，如果兩點之間的距離小于0.2 μm，那么光學顯微鏡由于衍射極限將無法分辨出這是兩個點。光學成像系統的衍射極限通常稱為“阿貝極限”。由于這一偉大的發現，后人在阿貝的墓碑上刻上了這個衍射極限公式。“阿貝極限”清楚地告訴人們光學顯微鏡的分辨極限，例如直徑只有0.02～0.3 μm 的病毒無法用光學顯微鏡觀察清楚，無須再做更多的努力去改進光學顯微鏡的分辨率，這就是光學顯微鏡分辨的極限。1990 年，在德國海德堡大學博士畢業的史蒂芬·赫爾，一直不甘心“阿貝極限”對光學成像系統分辨率的限制，試著用各種方法來超越這個限制，但當時德國幾乎所有的頂尖科學家都不支持他的想法。史蒂芬·赫爾于1994 年發表了一篇利用“受激發射減損技術（STimulated Emission Depletion，STED）”來突破“阿貝極限”的文章，他采用一束為激發光和一束損耗光照明熒光分子。激發光激發艾里斑范圍內的熒光分子，使其中的電子躍遷到激發態，損耗光讓位于艾里斑四周的分子熒光熄滅，只留下艾里斑中心部分的光，損耗光的光強越強，中間留下的部分越小，最小可達15 nm，從而實現“阿貝極限”的突破。在接下來的數年里，他將自己的設想逐漸變成現實：他開發出了STED 顯微鏡。2000 年，他用他開發的STED 顯微鏡對大腸桿菌進行攝像，達到以前任何光學顯微鏡都達不到的空間分辨率，并由此證明束縛了人們200多年的“阿貝極限”的突破是有可能的，也由此開創了突破“阿貝極限”的研究熱潮。2014 年，他和另外兩位科學家一同被授予了2014 年諾貝爾化學獎。獲得了諾貝爾獎的史蒂芬·赫爾沒有停下他進一步突破“阿貝極限”的腳步，2017 年，史蒂芬·赫爾發展了MINFLUX 技術（MINimal photon FLUXes，最低光子數顯微成像），并將其稱為“后諾貝爾獎時代的顯微技術”，MINFLUX 進一步提升了光學分辨率，可以獲得約1 nm 的定位精度和約5 nm 的空間分辨率，1 nm 的定位精度已經與單個分子的大小十分接近。用這個顯微鏡分辨率的相關事件引申介紹，讓同學們看到活生生的科學精神，敢于批判和懷疑，勇于探索和創新，勝于堅持和努力。更能從史蒂芬·赫爾身上看到人存于世的價值觀，他沒有因為獲得了諾貝爾獎而躺平，更沒有到處做報告撈金，而是仍然在追求著自己的科研夢想，通過自己的研究工作來改變世界。

衍射光柵是光譜儀的“心臟”，也是實現光刻系統準分子激光光源大功率、窄帶寬輸出的關鍵元件。極大天文望遠鏡中需要大尺寸中階梯光柵和大尺寸橫向色散光柵，大面積光柵可以獲得卓越的聚光能力和分辨本領。在慣性約束核聚變（ICF）中，大面積全息光柵用于實現高功率強激光的脈沖展寬與壓縮，為實現更高的抗損傷閾值，要求光柵尺寸達到米級以上，但大面積全息光柵制作是世界性難題，是我國成像光譜儀、光刻機和高精度光柵長度基準的“卡脖子”關鍵元件。在上課過程中播放我國成功研制世界上面積最大中階梯光柵的中央電視臺新聞報道視頻，介紹中科院長春光機研究所歷經八年攻關的艱難與堅持，激發學生的科技報國情懷和堅忍不拔的科學精神。

（三）融思政于典型案例

1881 年，美國物理學家邁克爾遜為證明光是一種在“以太”介質中傳輸的機械波，與莫雷合作設計了一種可以將參考光和測量光分離的干涉儀，后人稱之為邁克爾遜干涉儀。盡管該干涉儀沒能證明“以太”的存在，但卻為狹義相對論的基本假設提供了實驗依據。1907 年，邁克爾遜由于發明了邁克爾遜干涉儀被授予了諾貝爾物理學獎。美國高新激光干涉儀引力波天文臺（Advanced LIGO）基于邁克爾遜干涉儀和F-P 干涉儀構建了引力波探測系統，探測分辨率可達10-21m，可靈敏探測地球和太陽距離之間的一個原子直徑的變化。該儀器多次成功探測到黑洞并合發出的引力波信號，不僅驗證了愛因斯坦的廣義相對論，也為了解雙黑洞系統的成因提供了線索。2017 年，由于在“LIGO 探測器、引力波探測方面的決定性貢獻”，雷納·韋斯等三位在引力波探測計劃起重要作用的美國科學家被授予了諾貝爾物理學獎。

望遠鏡的口徑越大，望遠鏡的角分辨率就越高，就能看得更遠，看得更清，接收到更多來自外太空的訊息，1994 年，南仁東為了擴大望遠鏡的口徑，提出了500 m 口徑球面射電望遠鏡（FAST）建設計劃。南仁東先生花費12年多的時間，利用上百幅衛星遙感圖像對比了上千個洼地，最后在中國西南的大山里確定了貴州省平塘縣的喀斯特洼坑作為FAST 的建設地址。后來又作為資深咨詢專家，在FAST 的建設過程中，建議了單波束和多波束接收機等關鍵技術。南先生由于長期積勞成疾，罹患肺癌。在“中國天眼”落成啟用前的2016 年9 月，盡管南先生身體不適，但仍然堅持從北京飛到貴州的FAST 建設地，親眼見證了他自己耗費22 年心血建成的FAST[6-7]。

1966 年7 月，高琨和他的同事們基于光的全反射原理，首次提出把玻璃纖維作為光傳播介質用于通信的理論，他們相信通過降低材料中的雜質濃度，實現光波損耗在20dB/km 以下即可滿足光通信的需求。但是光在大氣介質中的信號衰減和無法穿越障礙物的巨大缺陷嚴重困擾了學術界和工業界。由于看不到光通信的前途，業界普遍對這個領域的探索缺乏興趣，更不愿投入巨資嘗試理論中衰減率低于20 dB/km 的超純凈光纖。當時的高錕先生跑遍了玻璃制品廠，到世界各地向各個工業產地實驗室推介玻璃光纖的研究，甚至自己動手成了玻璃工藝專家，與此同時，他也與同事一起解決了玻璃損耗的測量等問題，最終在1970 年，康寧公司制作出了17 dB/km 的纖維波導，開啟了光纖通信的大幕，點亮了光通信的燈塔。1981 年，世界上首個商用光纖通信系統問世，每10 千米僅需要一個中繼的前提下，傳輸速度可達到45 Mb/s。此時距離高老論文發表已過15 年，他的夢想終成現實。今天，光纖已經成為全世界高速互聯網的重要基礎設施，大到國家的寬帶計劃，小到街頭巷尾的光纖入戶，沒有光纖，我們上網基本上無法享受到這樣的速度，包括我們今天依賴的手機，信息基站之間的傳輸也離不開光纖傳輸，是光纖造福了人類，是高錕先生對科學的不懈追求改變了我們的生活。

三、結束語

本文在教育部課程思政示范課程傳感器技術與應用教學團隊的指導和引領下，基于工程光學（下）的基礎知識點——光的屬性及光與物質的相互作用，提出了“心中有光，光亮世界”的價值塑造理念。構建了“一念、兩線、三融”的“123”課程思政建設總體設計思路。探索融思政于技術發展、融思政于專業知識和融思政于典型案例的三項教學舉措。最后在課程的總結中，基于課程的整個知識體系和關鍵知識點相干度的概念，將課程的內容升華，每一個人出生的時候都是方向隨機、相位隨機和偏振隨機的自然光，經過多年的教育和培養，變成了不同相干度的相干光，最終一個人對國家和人類的貢獻有多大，和自己所成光的相干度正相關，要盡可能讓自己這束光的相干度變長，并用它照亮世界和改變世界，在國家和人類的發展史上留下自己的干涉條紋。