面向行業特色的高等物理光學課程建設與改革探索

汪盛佳 高帥 耿濤 楊興華 孫偉民

［摘? ? ? ? ? ?要］? “船舶工業、海軍裝備、海洋開發、核能應用”是哈爾濱工程大學的辦學特色和研究優勢。在行業特色型高校中加強特色學科專業建設能夠發揮學校優勢，適應新工科背景下對高等院校發展的需求。對光電類專業研究生課程高等物理光學進行課程改革與建設，培養適合當前科技發展需求的行業特色型光電專業人才，是加強高等院校行業特色學科專業建設的有效途徑。

［關? ? 鍵? ?詞］? 行業特色；特色學科專業課程；高等物理光學

［中圖分類號］? G641? ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文獻標志碼］? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文章編號］? 2096-0603（2023）16-0０85-04

一、引言

哈爾濱工程大學具有“船舶工業、海軍裝備、海洋開發、核能應用”，即“三海一核”四個領域的辦學特色和研究優勢[1]。我校光電類專業的畢業生被大量輸送到“三海一核”相關領域的企業、研究院所和高等院校。對于光電類專業的研究生培養和教學而言，培養方向和講學內容應更有針對性地向我校特色化優勢傾斜，以更好地滿足人才培養要求和用人單位的實際需求。高等物理光學是光電類專業研究生的一門核心專業必修課，對“三海一核”領域中的許多研究起到重要的支撐作用。例如，在海洋裝備和海洋開發領域，涉及大量的光學技術和光學方法，其主要特點和著重需要考慮的問題側重于偏振成像、光譜吸收和復雜介質中的光場傳播等方面，這些都是高等物理光學中的重點內容。

在行業特色型高校中進行特色學科專業的課程建設十分有必要[2]。隨著現代科技的飛速發展，學科在高度分化之后又朝著相互交叉與融合的方向發展，學科間的內在聯系也越來越密切。學科交叉是現代科技發展的必然產物，是培養復合型拔尖創新人才、推動知識創新與研究創新發展的土壤[3]。因此，發揮學校的領域優勢，建設特色學科專業課程，能夠更好地服務于學校定位，服務于國家戰略。

（一）高等物理光學課程教學現狀

高等物理光學是物理、光學工程、電子信息（光學方向）等研究生專業的一門重要核心課程[4]。特別是在物理和工程領域，高等物理光學進一步深化光波動屬性的講授，包括干涉、衍射、偏振、全息等。高等物理光學的教育研究涉及探索和開發新的教學方法、材料和技術，以促進研究生對這些復雜概念的有效學習[5]。

對于高等物理光學的教育研究，主要目標之一是幫助學生從概念上理解光學的基本原理，而不是簡單地記住方程和公式，因此，需要使用強調主動學習和解決實際問題的教學策略。例如，結合行業特性對課程進行細化和拓展，面向實際問題進行教學，幫助學生探索光的波動屬性，在常規教學內容的基礎上，結合特色行業中的典型案例，使課程內容直接對接一線行業需求。

高等物理光學的教學方法主要包括講授課時和實驗課時兩大方面。講授課時通常用于介紹新的概念和理論，而實驗課時則為學生提供使用光學系統和儀器的實踐經驗。高等物理光學教學資源因院校而不同，因此有必要面向不同的院校特色開展有針對性的教學工作。同時，學生對高等物理光學課程的參與度可能因課程水平和興趣而不同，一些學生可能對這門學科很有興趣，而另一些學生可能會覺得它很有挑戰性或不那么有趣。我院開設的高等物理光學課程依托“纖維集成光學”教育部重點實驗室、“海洋光子材料與器件物理”工業和信息化部重點實驗室等科研平臺，并結合我校“船舶工業、海軍裝備、海洋開發、核能應用”的辦學和研究特色進行課程設置，進一步強化高等物理光學課程的知識廣度和深度，使高等物理光學的教學改革方向與特色行業的需求相一致。

（二）課程教學中存在的問題

高等物理光學以光的電磁理論為理論基礎，講授光在各項同性和異性介質中的傳播規律，光的干涉、衍射、偏振特性以及光的吸收、色散和散射等內容[6]。其先修課程主要為高等數學、大學物理、應用光學、物理光學、電磁理論等基礎課程，后續專業課程則包括激光原理與技術、光電檢測技術、光纖光學、傅里葉光學、光纖通信等。可以看出，其起著重要的承上啟下作用，因此高等物理光學中的知識點既需要對其他課程起銜接作用，又需要考慮其在實際工程問題中的應用。

在現有的傳統高等物理光學教學體系中，基礎性教學雖然能夠較好地引導學生對基本概念進行細致的研究和討論，但在“船舶工業、海軍裝備、海洋開發、核能應用”行業特色方面尚未建立專門的教學體系和教學方法。

1.高等物理光學課程內容較多，教學內容較重，因此高等物理光學一直是一門教師難教、學生難學的課程。在教學過程中，通常更加強調前序課程和預備知識的理論性，而對知識在“三海一核”領域的應用性和工程性給予較少的關注，無法做到理論聯系實際。因此，在教學中不自覺地存在“重理論基礎，輕工程應用”的傾向，淡化了課程本身擁有的工程應用背景特性。

2.教學中教師的主導地位強而學生的參與程度較弱，培養學生實踐精神、工程意識和創新能力的活動空間不足。課程與前沿應用接觸較少，研究生在課程中接觸實際“三海一核”領域工程問題的機會較少，存在內容相對滯后、學生獲得前沿創新訓練機會不足的問題，教學與工程設計及行業企業的要求相脫節。

3.高等物理光學的教學中包含許多抽象的物理規律，且包含大量的原理推導與數學公式，學生往往容易記住公式卻忘記了公式背后的物理意義和分析方法，無法舉一反三、學以致用。在課堂中，如果單純依靠講授的方法，教學效果容易偏向純理論化教學，難以滿足研究生的培養目標要求，這不但影響學生對課程內容的理解、掌握，還會影響學生的學習和探索興趣，從而阻礙學生創新能力和探究能力的培養。

可見，現有課程及實踐體系缺乏優質行業特色的相關教學，缺少優質行業實踐資源平臺支持，理論知識與前沿需求難以對接，導致學生對專業應用的指向性缺乏認識，且知識結構相對陳舊，很難適應行業特色型的實際應用需求。因此，研究面向行業特色型課程的教學內容、教學方法的改革與創新勢在必行。

二、課程建設改革途徑

（一）行業特色型高等物理光學課程的特色梳理

高等物理光學涉及眾多先進的光學原理和尖端技術，并且相較于先導課程的知識深度更深，所講授的技術更前沿。在光學測試、光學通信以及在光與物質相互作用方面，都有更為深入的探討和研究。面向行業特色的高等物理光學課程，首先需要清晰梳理其所講授內容在“三海一核”特色行業的交叉與應用[7]，并與現有課程大綱進行有機融合與匹配。例如，在海軍裝備研制方面，光學器件可用于海軍設備，如潛望鏡、測距儀和目標指示器；在海洋開發中，光學傳感器和相機可用于研究海洋環境、繪制海底地圖和研究海洋生物的行為。

通過梳理上述特色行業中所涉及的光學技術，使高等物理光學課程更有針對性地服務于行業特色型院校的研究生人才培養，使課程設置和教學過程更好地面向特色行業實際需求。

（二）面向特色行業的教學內容改革

在梳理特色行業需求和研究內容的基礎上，需要將零散的行業特色化需求和技術進行系統化的整理和安排。構建具有行業特色的新型知識體系，使“三海一核”行業特色與高等物理光學中的教學內容高效、順暢地結合，提高研究生對所掌握光學知識的應用能力，使學生對面向行業特色的知識體系有一個整體把握，同時兼顧具體技術和知識的運用。利用行業特色型知識體系，提高解決“三海一核”特色行業問題和技術難題的能力。我們對高等物理光學課程的部分教學內容進行了優化和調整，意圖拓展和加深課程涵蓋知識內容在“三海一核”領域的深度和廣度。

1.結合偏振、成像、光與物質相互作用的水下物理光學。現階段的高等物理光學課程大多講授和討論光在真空或空氣中的物理性質。在高等物理光學課程改革中，將教學內容進一步拓展到水介質環境，圍繞水下光傳輸的特性開展教學。例如，水下偏振成像是一種利用光的偏振特性獲取水下目標圖像的技術。光的偏振在與不同材料（如水）相互作用時發生變化，可用于增強水下成像。偏振成像的工作原理是利用偏振光照射水下環境，偏振光從水中的物體反射并返回成像系統，對其進行分析以確定光的偏振狀態。通過將入射光的偏振狀態與出射光的偏振態進行比較，成像系統可以生成傳統成像技術看不到特征的圖像。

在授課內容方面，將從海洋生物學、水下考古、水下監視、水下航行等水下偏振成像的應用展開，拓展了高等物理光學課程的內容涵蓋范圍，同時也通過具體實例將課程的目標明確化，突出“三海一核”的特色，引導學生進行自主學習，提高學生在課程講授環節和實踐環節的參與度。

2.深化視覺、干涉、全息在船舶制造業背景下的知識深度。在高等物理光學課程內容調整中，將課程重點從基礎知識的掌握轉移到實際船舶制造行業應用的具體實例中。在課程教學內容的安排上，將干涉測量技術和數字全息技術進行整合，作為一個整體進行授課，并有針對性地安排探究性實驗，使學生實際掌握如何應用所學知識解決實際問題。例如，基于光學原理的船體檢測技術，它可以檢測傳統檢測技術可能遺漏的船體缺陷和異常。在講授環節以討論組的形式進行光測系統方案設計，后續安排探究性實驗，利用激光掃描或視覺攝影測量對船體模型表面進行精確3D建模，檢測預設的小裂紋、腐蝕和變形。利用數字全息實驗檢測船體模型，創建船體表面的全息圖，獲得有關表面結構的詳細信息，并檢測缺陷或異常。通過分組方案設計探究性實驗，學生進一步明確基于光學原理的船體檢測技術具有非侵入性的優點，可以在不損壞船體的情況下進行，通過及早發現缺陷和異常，船舶運營商可以采取預防措施，降低更嚴重損壞的風險，延長船舶壽命，提高海上安全。

通過行業中實際應用的高等物理光學知識，以具體應用為導向，拓展授課內容的深度。在船舶制造工業的大背景下，為常規課程大綱和課程體系配備真實案例，重新整合課程規劃，使學生可以從單純掌握概念到知識的綜合運用，進一步提升課程的特色化和專業化。

3.拓展光纖光學和導波光學在核能應用領域的知識廣度。光纖和波導光學器件是我院的研究優勢和特色。由于光纖和波導能夠以最小的損耗和高可靠性遠距離傳輸光，其被越來越多地用于核能應用領域。因此，在高等物理光學課程內容改革方面拓展了光纖光學和導波光學在核能應用領域的知識廣度，覆蓋了核能應用領域常見的光學技術。同時，光纖和波導光學器件可用于核電站的遠距離探測，避免由于輻射對操作人員造成傷害。光纖光波導通信方面，課程將結合核電站中的數據傳輸，利用光纖光波導通信系統不受電磁干擾的特點，組織學生開展探索性研究與小組討論，規劃光纖光波導數據傳輸可行方案。在輻射計量測定方面，課程將光纖傳感技術拓展到測量核電站的輻射劑量。以其高靈敏的特點，針對測量輻射劑量微小的變化開展光纖傳感方面的教學，意在結合實際應用，提升教學內容的實用性，鍛煉學生的團隊協作能力。

通過對光纖光學和導波光學在核能應用領域的知識拓展，進一步將高等物理光學中的常規內容具象化，摒棄了傳統教學中枯燥的理論推導與死記硬背，在核能應用領域的實際背景需求下開展教學工作。在課程內容組織方面，重新規劃了先導知識的講授順序，以應對課程內容拓展方面所需的基礎性原理和概念。

（三）教學方法改革

在重新安排和整合面向“三海一核”行業特色的高等物理光學課程內容的基礎上，還需要有針對性地對課程教學方法進行改革，以更好的講授邏輯覆蓋課程的全部教學內容。在教學內容的改革中，打破了常規教材或課時中的章節安排，將全部64學時進行有序分割。利用前16學時集中對基礎性內容和高等物理光學的整體框架進行講授，使學生對高等物理光學課程中所涉及的概念和原理有了解性掌握，將具體原理的推導和延伸以大作業的形式安排在課下環節。前16學時的安排針對研究生階段的授課特點，主要是使學生加深對高等物理光學課程的整體認識，提高學生對高等物理光學課程的宏觀概念的把握，不拘泥于具體原理和細節，為后續課程做概述性鋪墊。對先導課程，如光學原理中所涉及的知識不再機械性重復。

在后48學時的授課過程中，為避免出現單純講授知識難以令學生產生共鳴的問題，結合了具體案例或實踐加深對所授知識的掌握和理解。通過結合案例式教學方法，以特色行業需求作為背景和要求，完成教學過程中對知識的具體化、可操作化、特色化。在后48學時中，課程以行業特色應用為導向設置課程重點，將學時進行模塊化分割，課程整體安排和多元化評價方式如表1所示。

在水下物理光學模塊中，課程的重點在水環境下的光學特性。在前序基礎理論模塊的基礎上，進一步加深對光的偏振、光在介質中傳播以及光與物質相互作用方面的知識深度。此模塊以課堂講述為主要教學手段，并以調研報告的形式對其在海洋生物學、水下考古、水下檢測和水下導航方面進行拓展。

在先進制造業中的光學技術模塊，結合船舶制造行業的船體檢測需求，將學生分為3～5人的小組進行分組式教學。教學內容涉及光的干涉、衍射、全息，以及波前檢測等方面的內容。此模塊以課程設計為主要教學手段，在實驗室中給定具有預設缺陷的船體模型結構，圍繞光學測量手段，不限定具體技術，組織學生對光學檢測方案進行設計，并進行方案匯報，教師從方案的原理可行性、設備可行性等方面對每組設計方案進行評價。針對可行的方案進行后續探究性實驗；針對可行性不足的方案提出改進建議，并重新進行方案規劃。在評價方面，每個小組首先明確成員分工，授課教師對小組在前期調研、方案設計和實驗性能方面進行整體評價。

在核能應用纖維集成光學模塊中，仍采取上述方式開展教學和評價。預設光纖波導測溫、應變測量和輻射劑量測量三組實驗，各學習小組任選實驗。課程設置中給定測量目標，規定所選用技術，如光纖光柵溫度傳感、長周期光纖光柵應變測、光纖輻射計量技術等，開展實驗，并與實驗室中的標準溫箱、標準力學裝置以及標準輻射裝置的結果進行比較。在評價方面，以最終實驗結果與標準結果的偏差為評價標準對學習小組的學習完成情況進行評價。

在64學時課程結課后，對學生進行標準化考試。標準化考試中弱化具體光學概念的考核，強調利用所學知識解決實際問題的能力。以簡答題和論述題為主要試題形式，僅預設參考性答案，對于偏離參考性答案但具有正確光學技術原理的回答按正確回答處理；對于具有創新性的回答，可超出規定分數最高20%的分數彈性制給分。

三、結語

根據哈爾濱工程大學在“三海一核”領域的特色優勢和特色行業人才培養方面的具體要求，對光電類專業研究生核心課程高等物理光學進行了改革。從課程體系、課程內容和教學方式三個方面對已有的高等物理光學課程大綱進行了調整和優化，使之進一步提高對“三海一核”行業特色人才培養的有效支撐。將課程進行了模塊化教學，提高學生的實踐能力和解決行業真實一線問題的能力，解決了現有課程與行業需求脫節的問題。利用多元化評價方式對學生進行考核，使課程整體不拘泥于對知識點的機械性記憶。通過探索新的教學策略，授課教師幫助學生創造了更具吸引力的課程內容和有效的學習方法。最終，面向“三海一核”行業特色的高等物理光學課程改革將有助于培養新一代科學家和工程師，使其具備切實可用的知識儲備，并對物理光學有更深刻的理解，有能力運用所學知識解決現實問題。

參考文獻：

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◎編輯 栗國花