新工科背景下的物理光學與應用光學教學改革思考

摘?要：新工科背景下，物理光學與應用光學教學改革具有重要意義。本文將從提高教學質量、注重實踐性、促進交叉學科發展、適應產業需求、強化國際化教育和創新教育理念等方面予以闡述，本課程教學改革需關注學生創新能力、實踐能力、跨學科能力和國際視野的培養，以適應科技發展和產業需求。

關鍵詞：物理光學與應用光學；新工科；教學改革

一、概述

物理光學與應用光學這門課程重點研究光的產生、傳播、干涉、衍射、偏振以及與物質相互作用的一系列現象，并對以此原理構建的光學器件及其應用進行介紹，因而這門課程在光學領域具有很高的理論性和實踐性。隨著科技的進步和社會需求的變化，物理光學與應用光學的應用領域也在不斷擴大。在新工科建設的背景下，對該門課程進行教學改革的思索，是應對新經濟挑戰，服務國家戰略，滿足相關產業需求的切實要求［12］。教學改革需要緊跟時代發展的步伐，調整課程內容，確保教育與社會、產業發展的緊密聯系，立足于課程的新要求，即在布局未來產業領域內人才培養的內在需求上，引入新模式、新方法、新技術，這樣可以培養出更具有應用價值和發展潛力的人才，為社會和產業發展做出貢獻。同時教學改革需要教師具備更新的教育理念和教學方法，通過教師培訓、教學研討等方式，提高教師的教學水平和教育教學能力，為學生提供更好的教育環境。

改革建立在對現狀的了解基礎上，物理光學與應用光學這門課程在教學過程中面臨一些挑戰。首先，物理光學涉及許多抽象概念，如電磁波、波動方程等，這些概念需要學生具備扎實的數學基礎和物理知識，以便進行數學建模和理論推導。然而，部分學生可能在這方面存在不足，導致理解困難。其次，光學現象如干涉、衍射和偏振等具有一定的復雜性，傳統的板書和PPT展示可能過于簡略，難以將這些現象展示得淋漓盡致。初學者可能會感到困惑，無法全面理解這些現象。

課堂教學時間安排不足，在工科學校中，物理光學與應用光學的課時常常安排不夠，同時缺乏同步的實驗課程。這降低了對學生實際操作能力的要求，也喪失了提升實驗數據分析能力的鍛煉機會。應用光學在各個領域都有廣泛應用，但目前由于課時、師資等限制，授課知識面過窄，這導致學生難以掌握各種光學技術和原理，并在跨學科領域進行運用。

二、新工科背景下的課程改革思路

為了在教學中克服上述難點，本文提供以下思路：

（一）解放思想，勇于革新教學方式

雖然是老生常談，但實際中依然有不少老師局限于既往經驗，沉溺于舒適區，不愿意擁抱新技術。每年從國家層面到各省市教育主管部門都為新技術的普及做了大量工作，面向未來，就必須積極利用這些技術，服務教學，提高教學效率。例如翻轉課堂［3］，線上教師可提前錄制講解光學概念和原理的視頻，讓學生在課前觀看。學生可以根據自己的進度和需求反復觀看視頻，鞏固知識點。本校這門課程在學習通線上平臺建課，上傳了各章節教課視頻，并設置了與知識點相關的在線練習，學生在學習過程中也可以不斷地檢查知識點掌握情況。線上課程充分調動了學生學習的主動性，線下課堂時間主要用于討論、提問、解決問題或進行演示實驗。通常組織學生進行小組討論、解答疑問，將線上學習沒有弄懂的知識點進行分析解答。在課上交流過程中，教師也對學生的學習情況有了一個摸底，如果出現共性問題，說明線上內容有需要補充或完善的地方，這樣教學就更有的放矢。混合式教學也是一個很好的選擇，線上通過線上平臺提供課程材料、視頻講座、模擬實驗、在線測試等資源，幫助學生自主學習。線下進行面授課程，講解難點，進行實驗課程，組織課堂討論和互動等活動。通過線上線下結合的教學方法，教師可以更好地滿足學生的個性化需求，提高教學效果和學生的學習積極性。而且這一平臺化建設的過程，也是對傳統教學資源與新技術進行整合的過程，便于教研活動的開展，可以有力地緩解課時不足的現實困境。線上資源的多樣性和豐富性可以幫助學生拆解負責概念，并提供直觀物理圖像，例如用彩虹解釋光的色射現象，用偏振太陽鏡來解釋光的偏振現象等，利用動畫、視頻和模擬實驗等多媒體教學手段直觀地展示光學現象，幫助學生形成清晰的概念和認識。

（二）服務學生需求，建立分層教學考評體系

貫徹OBE教學理念，切實做到以學生為主體，以行業或科研能力培養為目標，從內驅化的方式不斷增強教學質量和提高學生學習效率［4］。學生在學習本門課程時有自我需求和目標，據此在基本教學大綱的框架內，對學生進行不同能力和水平的教學，有效提高教學質量和學生的學習效果。具體教學中需要做到體系化分層，包括知識層次分層、學生能力分層、課堂活動分層及評估與反饋分層。知識層次分層即是將物理光學與應用光學的知識點分成基礎層、進階層和高級層?；A層可以包括基本概念、光的傳播規律、光的折射、反射等；進階層可以涉及干涉、衍射、偏振等現象；高級層可以包括非線性光學、量子光學等領域。知識分層有利于學生掌握知識譜系，并根據自身條件有目標地開展學習活動，教師也可以通過分層進行教學內容梳理。學生能力分層：我校該課程屬于小班教學，便于教師對學生進行能力評估，了解他們在物理光學與應用光學方面的基本知識和技能，然后將學生分為幾個差異層次。這樣，教師可以根據學生的能力層次進行針對性的教學，提高學生的學習效果。教學方法分層方面，針對不同層次的學生，教師可以采用不同的教學方法。對于基礎層學生，可以使用更多的實例和圖解來解釋概念，注重培養學生的基本技能；對于進階層學生，可以引入一些實際問題和應用案例，鼓勵學生進行探究式學習；對于高級層學生，可以組織學生進行課題研究、實驗操作，提高學生的創新能力。課堂活動分層是一種有效的教學策略，可以滿足不同學生的需求，提高課堂教學效果。分層教學可以幫助教師針對學生的不同能力和特點進行有針對性的指導，使他們在合適的挑戰下取得更好的進步。這種方法可以激發學生的學習興趣和積極性，提高課堂參與度，為學生創造良好的學習環境。教師需要了解學生的學術水平、興趣和需求，以便為他們制定適當的分層任務，這可以通過觀察學生在課堂上的表現、與學生溝通以及參考過往成績等方式實現?；趯W生的需求，教師可以設計不同難度和主題的分層活動，這些活動應該涵蓋課程的核心知識點，同時充滿趣味性和挑戰性，以激發學生的學習熱情。將學生按照能力和特點進行分組，讓同一層次的學生相互合作，這有助于學生互相學習、互相幫助，實現取長補短、共同進步。教師要根據不同層次的學生提供適當的指導和支持，確保他們能夠完成任務并取得進步。在活動進行過程中，教師要密切關注學生的學習情況，隨時提供幫助和調整。分層評估與反饋：在物理光學與應用光學的教學過程中，根據設定的評估標準，對學生進行分層評估，評估內容涵蓋課堂表現、作業完成情況、實驗操作、項目實踐等方面。課堂表現主要觀察學生的積極參與程度、提問與回答質量，以及對講解內容的理解程度；作業完成情況則關注學生對知識點的掌握，以及在解決問題時的創新思維；實驗操作方面，評估學生的實驗技能、操作規范性、實驗數據處理能力和實驗結果分析能力；項目實踐主要關注學生在實際項目中的創新能力、團隊協作能力和解決實際問題的能力。針對不同層次的學生，根據他們在各個方面的表現，給出相應的反饋和建議。對于理論基礎較好但實踐能力較弱的學生，可以鼓勵他們多參與實驗和項目實踐，提高實踐能力；對于實踐能力較強但理論基礎較弱的學生，則需要加強對基本概念和原理的學習。同時，教師要關注學生的個性化需求，幫助他們找到自己的不足之處，并提供改進的方法，以便更好地提高他們的綜合能力。根據學生的評估結果和反饋情況，教師需要及時調整教學策略，以更好地滿足學生的需求。例如，如果發現某個層次的學生在理論知識方面表現不佳，可以針對性地增加該方面的教學內容，通過更多的案例和實例講解，幫助學生深入理解光學原理；如果發現學生在實踐能力方面表現不佳，可以增加實驗操作和實踐環節，或者組織一些實際項目讓學生參與，以提高他們的實踐能力。在整個教學過程中，教師需要不斷進行評估與反饋，以便及時發現問題并進行調整。這一過程要求教師具備靈活的教學思維和豐富的教育經驗，以便在教學過程中做出合適的判斷和調整。同時，教師要鼓勵學生主動參與評估和反饋過程，以增強學生的自主學習能力和自我調整能力，鼓勵學生提出問題和建議，這有助于教師更好地了解學生的需求和困惑，從而做出相應的教學策略調整。

（三）強化實踐教學，增強技能培訓

增加實驗課程和實踐環節，讓學生在實驗中親手操作光學儀器和設備，加深對理論知識的理解，鼓勵學生參與課題研究、實習和實訓，增強實際操作能力。作為實驗課程的備選或者補充，虛擬實驗室平臺也是一個很好的選擇，充分利用例如全球在線實驗室、開源物理等開放平臺，讓學生在計算機上模擬實際實驗，提供了一個安全、靈活且易于訪問的學習環境。另一個重要措施是引入光學設計和分析軟件（如Zemax）的教學和實踐，使學生熟練掌握相關軟件的使用，為未來職業生涯做好準備。Zemax軟件是一款專業的光學設計和分析軟件，廣泛應用于物理光學和應用光學領域。在物理光學與應用光學這門課程中，Zemax的應用和意義表現在以下幾個方面。模擬光學系統：Zemax可以有效地模擬光學系統，例如透鏡、反射鏡、光纖等。通過這種模擬，學生們可以更好地理解光學元件的工作原理，學習如何設計和優化光學系統，以滿足實際應用需求。光學設計與優化：Zemax軟件可以幫助學生進行光學設計與優化，例如設計成像系統、光學傳感器、光纖通信系統等。通過使用Zemax進行光學設計，學生可以在實際應用中更好地解決光學問題。教學與實踐相結合：通過在課堂上使用Zemax軟件，教師可以更直觀地展示光學原理和光學系統的性能。此外，學生可以通過實際操作軟件，加深對光學知識的理解，提高動手能力和實際應用能力?？鐚W科應用：Zemax軟件不僅適用于物理光學與應用光學領域，還廣泛應用于其他相關學科，如光電子學、生物醫學工程、大氣科學等。因此，學習使用Zemax軟件可以幫助學生在跨學科領域中更好地運用光學知識。提高就業競爭力：掌握Zemax軟件的使用，對于光學工程師和光學研究人員來說是一項重要技能。在求職過程中，具備Zemax軟件操作經驗的學生將具有更高的競爭力。

（四）創新實踐平臺，努力實現產學研結合

在校內搭建實驗平臺，建設與產業現狀結合的實驗室和實驗設施，定期更新和升級實驗室設備，引入先進的光學儀器和測量設備，保證學生能夠接觸到行業最新技術。設計與實際應用相結合的實驗項目是物理光學與應用光學課程的重要組成部分，它有助于培養學生的實際操作能力和實際問題解決能力。教師需要精心設計實驗項目，使其既具有理論性，又具有實際應用價值。實驗項目應涵蓋光學的基本原理、典型現象和關鍵技術，以幫助學生全面了解光學知識體系。此外，實驗項目應具有一定的難度和挑戰性，激發學生的求知欲和創新意識。鼓勵學生開展獨立或小組實驗項目，培養他們的自主學習和研究能力。教師可以指導學生制訂實驗方案、分析實驗數據、撰寫實驗報告等，以鍛煉學生的科學研究能力。同時，教師應關注學生的團隊協作能力和溝通能力，為學生未來的職業生涯打下堅實基礎。通過設置豐富多樣的實驗項目，提高學生的動手操作和實驗能力。實驗項目可以包括基本實驗、綜合實驗、創新實驗等，以滿足不同層次和興趣的學生需求。同時，教師可以根據學生的反饋和評估結果，及時調整實驗項目，以保持實驗教學的針對性和有效性。與企業和研究機構建立合作關系，共同制定研究計劃和技術開發目標，這有助于將最新的產業動態和技術成果引入教學，提高教學質量。通過產學研合作，學生可以參與實際項目，了解行業需求，提升自己的實踐能力和就業競爭力。邀請產業界專家進行講座、研討會等活動，拓展學生的行業視野。這可以幫助學生了解光學技術在各個領域的應用，激發他們對光學學科的興趣。同時，與產業界專家的交流還能幫助學生建立良好的人際關系。積極主動建立產學研合作關系，與企業共建實習基地，為學生提供實習實訓機會。設立創新實踐基地：在校內或校外設立光學創新實踐基地，鼓勵學生參與課題研究、實驗設計、技術開發等創新活動，培養其獨立思考、解決問題和創新能力。舉辦光學技術競賽和活動：定期舉辦光學技術競賽、研討會、講座等活動，鼓勵學生展示自己的光學技能，提高學術交流水平，拓展視野。開展實習實訓：與企業合作，為學生提供實習實訓機會，讓學生在實際工作環境中鍛煉技能，了解企業需求，增強實際應用能力。引入項目課程和團隊合作：將實際項目和團隊合作引入課程設計，讓學生在完成項目的過程中，學會團隊協作，提高溝通與組織協調能力，提高學生在實際工作中的適應性。拓展國際合作與交流：與國際知名高校和研究機構建立合作關系，開展聯合研究項目、學術交流活動等，提升學生的國際化視野和跨文化交流能力。

結語

在新工科背景下，物理光學與應用光學教學改革應緊密圍繞培養學生的創新能力、實踐能力和跨學科協作能力這一核心目標進行。我們需要在教學內容、教學方法、實驗教學等方面進行創新，以提高教學質量和學生的滿意度；要關注跨學科的發展趨勢，提高學生的國際視野，為學生提供更多實踐項目的機會，培養他們的實際問題解決能力；要充分利用現代信息技術，實現線上線下教學的有機結合，提高教學資源的質量和豐富度，這將有助于滿足不同層次和興趣的學生需求，提高教學質量。在新工科背景下，我們要不斷探索物理光學與應用光學教學改革的路徑，培養出更多具有國際競爭力的優秀光學人才，為國家的科技創新和產業發展貢獻力量。

參考文獻：

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［2］趙瑞，孔梅梅，彭玲，等.“應用光學”課程教學模式改革［J］.電氣電子教學學報，2015，37（3）：3335.

［3］張萍，DING?Lin，張文碩.翻轉課堂的理念，演變與有效性研究［J］.教育學報，2017，13（01）：4655.

［4］徐源.基于OBE教學模式的本科教學課程改革研究［J］.課程教育研究，2017（17）：208.

資助項目：江蘇省教育廳青藍工程人才項目

作者簡介：江敏（1987—?），男，漢族，江蘇無錫人，博士，講師，從事光學工程、表面等離子體共振光鑷研究。