“一課四維”光學課程混合式教學模式的探索

孫 禎，侯巖雪，吳 雪

（燕山大學理學院，河北秦皇島 066004）

黨的二十大報告中提到教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐，重點闡明我國發展的現階段對高等教育的迫切需求［1］。習近平總書記在中共中央政治局第五次集體學習中也強調“建設教育強國，龍頭是高等教育”。由此展現出在全面建成社會主義現代化強國偉大征程中、在全民推進中華民族偉大復興偉大事業中，高等教育肩負著實現高水平科技和培育高素質人才的使命。中國高等教育在此時代背景下提出了一系列的教育改革新舉措：我國教育部在2017 年首次提出“新工科”的概念，要提升學生解決實際問題的能力［2］；2018 年相繼提出“小班化教學”“混合式教學”“翻轉課堂”等新型教學方式，打破“滿堂灌”課堂模式，提高學生學習積極性［3］；2019 年印發了關于一流本科生課程建設的相關文件，必須深化教育教學改革，把教學改革成果落實到課程建設上［4］。

光學作為物理學專業一門重要的基礎課程，是物理學重要的分支。它以光的電磁場理論為基礎，重點研究光的本性、光的發射、傳播、接收以及光與物質相互作用，是激光原理技術、光纖通信原理、光電檢測技術、量子光學及高等光學等物理學科的重要支柱。不僅如此，它與天文學、農業學、材料學、生物學、醫學等多個領域有著密不可分的關系。因此，在高等教育發展的今天，光學課程的建設尤為重要［5-6］。下面以所教授光學課程的教學實踐為基礎，筆者對光學課程教學改革進行了積極的探討與分析。

一、光學教學現狀分析

（一）學科的特點

光學課程是一門理論性和應用性比較強的學科。為了讓學生真正地掌握光的本質及應用，講解的內容從最簡單的光線概念講起，然后逐漸過渡到光的波動性，最后涉及光的量子性，并且伴隨著實際應用的介紹。其中，對于光線的概念，學生大多在高中階段中接觸過，比較容易理解，而在介紹光的波動性（光的干涉、光的衍射、光的偏振等）和光的量子性時，內容比較抽象，涉及了許多概念、實驗條件和計算過程，對于學生來說學習難度比較大。

（二）教學存在的問題

1.教學方式單一

光學課堂講授偏向采用“板書+PPT”的形式，以教師講課、學生聽課為主。教師講滿45 分鐘，學生配合聽完，記下相關的筆記。這一套流程走下來，雖然重要的知識點被展示出來了，但是教師與學生之間的交流較少，學生參與度不高，大多處于被動接受的狀態，學習的知識不能被很好地理解，最終只轉換成了筆記本中的文字，此外學生的自主學習和獨立思考的能力也沒有得到很好的鍛煉。

2.課堂教學偏重理論介紹

光學是一門以實驗為基礎的學科，但是在講授光的重點知識時，教師往往以介紹物理概念和推導公式為切入點，比如菲涅爾公式、多光束干涉、夫瑯禾費衍射等，經過大篇幅的概念介紹和公式計算過程后，得到相關的規律與結論。理論推導占據了大部分時間，導致學生只注重數學計算而忽略了對實驗現象的觀察。

3.網絡資源應用較少

在網絡資源如此豐富的時代下，單靠課本作為獲取知識的唯一來源，已經不能夠滿足新時代下教育改革的要求，因而中國大學慕課、學習通、雨課堂等多個網絡學習平臺應運而生，線上線下混合教學模式形成。但是在大多數課堂中，教學活動還是以課本或課件為主，上述工具只是簡單用于出勤率的考查，沒有充分實現網絡平臺在實際課堂中的應用。

4.教學評價體系不完善

傳統的教學評價體系普遍地將“平時成績+期末考試成績”作為評分標準，期末考試成績占較重的比例，平時成績僅包括出勤率與作業。在這樣的評價體系下，學生只關注課上簽到、課后作業與期末考試，他們其他方面的能力得不到很好的體現。

為了更好地解決上述問題，我們在光學課程中開展了“一課四維”混合教學模式的改革與探索，期望能充分體現“學生為中心、教師為主導”的教學理念，加深師生交流，提高學生學習的自主性和積極性，培養學生發現問題、提出問題以及解決問題的能力，在此基礎上進一步激發學生的創新思維與創新能力。

二、“一課四維”混合式教學模式

“一課四維”混合式教學模式是分成課堂教學、實驗演示、仿真模擬和線上教學四個部分。根據講解內容不同，教師可以綜合運用四種方法，以此激發學生的學習熱情，提高學生的課堂參與度，加深學生對知識點的理解，使學生實現從理論走向實踐的轉變。

（一）課堂教學

課堂教學過程應該包含課堂講解、課堂討論、隨堂測試三種。課程講解主要聚焦于本節課的重點與難點內容，較難的理論推導過程會通過板書詳細地寫出。對于要求學生通過課前預習或線上資源掌握的部分，課堂中不過多的闡述，只簡單地通過PPT 展示。教師要根據知識點之間的關系，在講解的過程中有設計性地提出問題，讓學生分組討論，啟發式地引導學生思考問題，并解決問題。在每章結尾，隨機出1～2 道習題作為隨堂測驗，檢查學生對知識點的掌握情況。

（二）實驗演示

對于光的干涉、光的衍射及晶體雙折射等知識點的講解都是來源于對實驗現象的觀察，因此實驗演示對于學生了解什么是光的波動性十分重要。實驗演示主要有視頻放映、虛擬實驗或自主實驗等方式。對于實驗操作比較復雜或者實驗現象觀察環境要求比較嚴格的實驗（透鏡成像、楊氏雙縫干涉實驗、牛頓環、邁克爾遜干涉儀、光的偏振等），一般采用視頻放映、虛擬實驗的方式。而對于實驗現象觀察比較容易或實驗操作簡單的實驗（光的反射與折射、單縫衍射、晶體雙折射等），可以自制實驗道具用于實驗演示。

（三）仿真模擬

使用Matlab、FDTD、Comsol、Python 等計算軟件，通過編程仿真出來一些光學的現象，通過改變相關的參數，觀察實驗圖形及實驗曲線的變化，從而得出實驗規律，加深學生對教學內容的理解。比如，在講解光柵衍射中的缺級現象時，若光柵線寬度為a，光柵間距為d，固定d 大小不變，改變a 的值，通過模擬出來的圖像可以看出，d/a 所有整數倍數的級次均會消失，得到缺級條紋級次應該滿足j=d/aj′。

（四）線上課程

線上課程主要依靠網絡學習平臺開展，中國大學生MOOC、雨課堂、學習通等。通過網絡學習軟件，教師可以發布課前預習資料、學習內容、問題討論等，網絡后臺可以實時提供學生的學習數據，便于教師了解學生的學習動態。本人講授的光學課程以大學MOOC 為平臺開展了混合式教學模式（如圖1 所示），選用中山大學《光學》國家精品課為線上學習內容。光學課程共64 學時，其中線上16 學時，線下48 學時。在重點的四個章節（幾何光學成像、光的干涉、光的衍射和光的偏振）線上視頻觀看完之后進行線上測試，由此來衡量出學生線上知識點的掌握程度。除了發布教學內容外，在大學生MOOC 中建立慕課堂，用于課上簽到、上傳課件或作業、問題討論等內容。

圖1 光學課程在大學MOOC 開展數據圖

三、“一課四維”混合式教學模式——以分波前干涉為例

課前預習：上課前在慕課堂上發布預習任務：（1）了解楊氏雙孔干涉實驗裝置；（2）理解楊氏雙孔干涉基本原理。上課前查閱慕課堂中學生的預習情況，并發布這節課的學生簽到情況（線上課程）。

課堂講學：先播放一段楊氏雙孔干涉實驗操作短視頻，播放完了之后讓學生根據預習的內容回答出楊氏雙縫干涉實驗的實驗裝置包含什么，觀察到了什么實驗現象。（實驗演示）根據學生的回答，教師總結：楊氏雙孔實驗裝置包括了光源、單孔屏、雙孔屏和觀察屏。根據惠更斯原理，光場中的每一個點都可以看作是次波源，單孔屏中的孔非常小，透過該孔的光波可以看成是點光源，向前傳播通過雙孔后分成兩束光波，這兩束光波看成是從同一個波前上取出來的，滿足相干條件（來自同一個光源、同頻率、振動方向平行等），稱為分波前干涉。在觀察屏上能看到相干條紋。楊氏雙孔干涉實驗的設計有力地反駁了牛頓的“微粒說”，這種不迷信學術權威，勇于創新的精神是值得我們學習的。教師提出問題，引起學生思考“為什么會出現亮暗相間的干涉條紋”，并借助數學工具完成理論推導過程。

在PPT 上展示出來楊氏雙孔實驗原理圖（如圖2 所示）（課堂教學）：

圖2 楊氏雙孔干涉實驗原理圖

假設光源到單孔屏距離為R，雙孔屏到觀察屏距離為D，雙孔之間距離為d。雙孔（S1、S2）相對于S 對稱放置，觀察點P靠近光軸。P 點S1、S2共面且P 點坐標為x，S1、S2出射光強均為I1，到達P 點光強為（下邊公式為板書推導+PPT 展示）：

當δ=±2jπ（j=0，1，2，3...），為亮條紋；亮條紋中心位置：

當δ=±（2j+1）π（j=0，1，2，3...），為暗條紋；暗條紋中心位置：

根據上式推導可知，觀察點光強隨S1、S2出射兩束光波相位差呈現余旋式變化，故而會出現明暗相間干涉條紋，且條紋寬度與D、d、λ 三個因素有關。通過Matlab 來仿真模擬一下上述三種因素改變對條紋間距的影響，初始波長λ=600 nm，D=1m，d=0.08mm，如圖3-a 所示。當波長變為300 nm 時，條紋間距減小，如圖3-b 所示；D 增加到3m 時，條紋間距變寬，如圖3-c 所示；d 減小到0.04mm 時，條紋間距變大，如圖3-d所示（仿真模擬）。

最后給出拓展思考題：若光源使用白光，雙孔干涉條紋有什么特點？請同學們分組討論并得出結論。課程最后布置相關習題來鞏固知識點。本節課教學模式評價可以從課前預習、小組討論、課后作業三部分進行。

四、總結與反思

在教學實踐中我們發現光學課程在課堂教學、實驗演示、仿真模擬及線上課程四種混合式教學模式的結合使用下很好地解決了師生課堂零互動、學生學習積極性不高及知識點難理解的問題。課堂教學環節可以培養學生分析和解決問題的能力；實驗演示部分可以使得學生的觀察力得到鍛煉；仿真模擬和線上課程不僅可以加深學生對概念的理解，也提高了自主學習的能力。在未來發展過程中，我們也會注重前沿科技、產業需求等內容的融入，將光學課程的教學模式不斷完善。