光學教學中計算機輔助教學的實踐探究

王利強

摘要?光學課程的教學內容包含光的電磁理論、幾何光學和量子光學理論，概念多、公式多且易混淆，要求熟悉電磁學和高等數學的內容，然而隨著教學內容的深入，學生理解所學內容的困難逐漸增加，導致學習興趣逐漸下降。為發揮學生主觀能動性，可以采用計算機輔助教學和翻轉課堂等多種方式，提升課堂教學效果。本文就網絡資源利用、多媒體課件制作、虛擬實驗和光學器件設計等方面的計算機輔助光學教學進行了探究，相關案例也可為物理類其它課程提供幫助。

關鍵詞：光學教學；虛擬實驗；計算機輔助

一、概述

光學課程在理論物理、光信息等專業的學生培養中起著至關重要的作用，經典電磁理論、幾何光學理論和量子理論完美地解釋了實驗現象，實驗又推動理論進一步的完善。因此，光學課堂教學注重理論與實踐相結合，培養學生的實踐技能，使學生能夠更好地理解和應用所學知識，為更進一步地深造和工作打下堅實的基礎。但不可否認，光學內容且存在大量易混淆的公式，在具體教學中有大量的概念需要向學生介紹，在以傳授知識為主要目標的傳統教學實踐中，學生容易產生畏難情緒，進而對光學的學習興趣減弱，導致無法達到光學課程要求的水平，在光學的學習中敗下陣來[1]。例如光的干涉和衍射部分，既有楊氏雙縫干涉圖樣，又有單縫衍射圖樣，二者都屬于光波的疊加但描述圖樣的公式存在很大的不同，極易混淆。久而久之，對學生的求知積極性打擊很大，導致上課心不在焉，甚至出現逃課等現象。

為避免本科階段光學教學過程中產生的負面體驗，可以考慮多種手段改善光學教學效果，增強學習興趣，減輕學生負擔。將傳統教學中以傳授知識為出發點的培養模式，改變為重點培養學生創新能力和自主學習能力的培養模式。教師應該鼓勵學生通過自己努力達到光學教學大綱要求的知識水平，培養學生學習的自信心，養成主動探索的良好習慣，為就業做好必要的準備。翻轉課堂和虛擬實驗是成本較小的培養興趣的途徑，可以在光學課堂實踐中大膽嘗試。當然，虛擬實驗的開發離不開計算機資源的支持，但作為21世紀的大學生，計算機不再是奢侈的學習資源，因此，可以利用計算機輔助光學教和學，達到良好的教學效果。計算機輔助光學教學是利用計算機技術來輔助光學教學過程的一種方法，通過計算機軟件、模擬實驗等形式來提供更加生動、直觀的教學內容，實現對光學原理、光學設計和光學實驗等方面的教學內容進行模擬和演示，幫助學生更好地理解和掌握光學知識，從而提升學習興趣，進一步對相關專業本科教育產生積極影響。

二、網絡資源利用

網絡為21世紀的生活提供了很大的便利，購物、娛樂、社交和辦公都可以在網上進行。憑借豐富的資源，學習也可以在網上實現。眾所周知，接觸互聯網的方式很多，其中，計算機瀏覽器上網就是一種主流的上網方式。因此，教師可以利用網絡的優勢，為教師教學節省時間，為學生學習增添興趣。具體教學過程中，可以從思政教育、MOOC平臺使用和交互式學習等方面實踐。

（一）思政教育

光學教學中的思政教育旨在培養學生全面發展，提高學生的綜合素質和社會責任感，使他們成為具有良好道德品質和創新精神的光學專業人才。在光學課程的教學過程中，通過引導學生深入探討和思考光學原理、應用和發展等相關問題，幫助學生形成科學研究的態度和方法，培養學生的創新思維和動手能力，培養學生正確的價值觀、人生觀和世界觀。

為將思政教育融入課程教學，培養學生的愛國情懷和責任感，光學教學可以加深學生對光學科技在國家發展中的重要性的認識，激發學生對祖國科技事業的熱愛和責任感[2]。光學學科是一門理論與實踐相結合的學科，光學的日常教學中，潛移默化地培養著學生的科學精神和創新意識。光學技術的應用涵蓋了眾多領域，思政教育可以引導學生在光學實踐中注重社會效益和實踐創新，培養學生的職業道德和責任感。教師通過課后作業引導學生課后查找資料，了解人造光源的發光效率、節約能源，介紹利用光進行文物研究，探討光學成像技術的發展和隱私保護。光學教學對培養學生的團隊合作和溝通能力也有重要作用，光學學科涉及到實驗和工程項目，思政教育可以著重培養學生的團隊意識和協作能力，加強學生的溝通和交流能力。中國天眼生動地詮釋著南仁東院士為光學工程項目付出的心血。通過網上查找資料，使學生了解大型射電望遠鏡領域的研究現狀，激發大國工匠的使命感，增強當代大學生的時代責任感和使命感。

（二）MOOC平臺使用

在網上豐富的教學資源中，MOOC等平臺為學生研修喜歡的課程提供了方便，也為光學課程提供了大量的資源。上課沒有聽懂或請假的同學完全可以通過瀏覽網絡視頻資源達到自學的目的，MOOC平臺不但提供光學課程的學習資源，也有應用光學、激光物理學等相關課程的教學視頻，為學生補足學習短板提供了支持。MOOC等平臺也提供自我測試的機會，學習后可以利用測試自我檢查學習效果，也可以和不同高校的學生就學習進行探討。計算機輔助光學教學還可以通過互動性強的教學軟件，提供個性化的學習內容和反饋，幫助學生自主學習和鞏固知識。教師可以根據學生的學習進度和情況進行針對性的指導和輔導，提高教學效果和學生的學習興趣。

（三）交互式學習

高速發展的電子科技和多媒體交互產生了交互式學習的教學方式，是一種強調結合交流合作和電腦使用的教學方式，依靠交流獲取自己想要的知識。為培養學生的自主學習能力，可以采用交互式學習的方式占有網絡學習資源。網絡資源中也包含大量的電子書籍、多媒體課件和其它類型的資源。閱讀電子書籍環保而又攜帶方便，是學生可以利用的方式之一。閱讀電子書籍不僅包含中文書籍，更重要的是閱讀國外光學采用較多的優秀教材，通過閱讀英文教材，達到提高英文水平、理解光學知識的目的。利用網絡可以通過社交軟件直接和專家、老師交流，從而得到自己想要的信息。

總之，網絡資源已是當代大學生資源豐富的知識寶藏，計算機結合網絡技術挖掘自身需要的資源是大學生應該掌握的必要技能。當然，網絡資源也存在糟粕的部分，過度依賴網絡資源也是不可取的。

三、多媒體課件制作

光學現象的展示包含豐富多彩的顏色，傳統的黑板粉筆限制了教師水平的發揮，也制約了學生的想象空間。多媒體課件豐富的色彩和精妙的動畫效果使課堂效果達到了最大程度的發揮，因此，多媒體課件的使用也是當代大學生應該具備的技能之一，最基礎的功能包含閱讀、演示和制作。

微軟和金山公司的辦公軟件提供了豐富的功能以滿足我們的學習和工作中的需求，多媒體課件的諸多功能需要我們去發掘，其功能的增加在不斷進行中，合理利用多媒體課件，可以調動學習主動性，取得良好的教學效果。當然，多媒體課件展示的應該是精華，應該是有嚴密邏輯的內容，應該言簡意賅地表達自己的核心思想。

借助計算機制作多媒體課件，學生可以在課堂演示部分教學內容，實現課堂翻轉。顯然，教師可以合理安排，在主要內容講解完畢后，把課堂留給學生。例如，在講解光學的發展歷史時，每個階段都有光學發展的標志性成果和對光學理論發展做出重大貢獻的科學家，相關內容不難通過網絡和各種資料得到。利用翻轉課堂的方式，由學生來介紹科學事件和科學家事跡，對學生學習能力的提高具有積極意義。現代光學是一個多學科的領域，涉及物理學、數學、工程學等多個學科，其前沿知識并沒有在教課書中過多涉獵，學生可以通過查找科技文獻，了解科技前沿知識和理論，進而制作多媒體課件并展示。在學生講解完畢后，教師可以組織討論，指出課件制作的優秀和不足之處，最后總結并給出評價。經過翻轉課堂的設計，使學生的能力得以提高，激發學習的主動性，提升課堂教學效果。

四、虛擬實驗制作

物理世界的奇妙可以通過實驗直觀展示，即使簡單的三棱鏡分光實驗也可以揭示復色光的奧秘。普通光學實驗的開設可以讓學生直接觀察光學現象，計算機輔助光學教學可以通過虛擬實驗室模擬真實的光學實驗過程，讓學生在計算機上進行實驗操作，從而避免了實際實驗中可能出現的安全風險和實驗設備的限制。同時，計算機輔助光學教學還可以通過多媒體教學資源展示光學現象、模擬光線傳播等，使學生能夠更加清晰地理解光學原理。通常，虛擬實驗包含成熟軟件提供和自我設計實驗兩大部分。

仿真實驗軟件較多，例如VirtualLab作為一款行業內認可度較高的仿真軟件，基于麥克斯韋方程組的求解，獲取光學系統空間里的光波場矢量信息，進而模擬光波在光學元件中的能量傳輸，建模范圍包括了從幾何光學到物理光學及其組合的簡單或復雜的光學系統，具有用戶友好的界面和實時模擬功能，可讓學生進行各種光學實驗的模擬和觀察[3]。但此類軟件平臺大多只提供收費服務，對學生來說相當于設置了一道門檻。

當然，如果能自己實現虛擬實驗觀測，對學生能力的提升幫助更大。目前，matlab通過自己強大的矩陣運算能力，可以輕而易舉地解決光線的傳輸問題，也可以模擬干涉、衍射等產生的圖樣，但matlab也不屬于開源軟件。幸運的是c++、Fortran和Python等都存在開源版本，因此鼓勵學生以此類軟件為基礎，搭建屬于自己的虛擬實驗平臺。在開源軟件中，Python語言擁有強大的數據庫，在各行各業的用途日益廣泛，光學教學中鼓勵自學Python語言，本身就是為學生的未來投資[4]。光學教學中的許多實驗都能以虛擬實驗的方式進行，例如：在楊氏雙縫干涉講解中，光屏上坐標的相對光強為[5]

其中d代表雙縫之間的距離，x代表光屏上的位置，l表示入射光波波長，r代表光屏和狹縫之間的距離。

可以使用NumPy和Matplotlib等Python數據庫，以最簡單的方式編寫代碼，保證學生能理解代碼的含義。通過調整實驗參數，就能觀察到和真實實驗非常接近的干涉圖案。

#this?code?is?used?to?simulate?Youngs?double-slit?interference

import?numpy?as?np

import?matplotlib.pyplot?as?plt

#?setting?parameters

#?units?used?for?the?following?physical?quantities：?meters

wavelength?=?6328e-10??#?incident?light?wavelength

slit_width?=?10e-6??#?width?of?single?slit

slit_distance?=?1e-3??#?distance?between?two?slits

screen_distance?=?1??#?ditance?between?screen?and?double-slit

screen_width?=?1

screen_height?=?0.5

pixels?=?1000??#?number?of?sampling?points

#?generate?coordinate?grid

x?=?np.linspace（-screen_width/2，?screen_width/2，?pixels）

y?=?np.linspace（0，?screen_height，?pixels）

X，?Y?=?np.meshgrid（x，?y）

#?calculate?the?interference?pattern

intensity?=?（np.cos（np.pi?*?slit_width?*?X?/?（screen_distance?*?wavelength）））**2

intensity?=?intensity?/?np.max（intensity）??#?normalized?intensity

#?Plotting?grayscale

plt.imshow（intensity，?cmap='gray'，?extent=（-screen_width/2，?screen_width/2，?0，?screen_height））

plt.colorbar（）

plt.title（"Young's?Double?Slit?Interference"）

plt.xlabel（"Position_X"）

plt.ylabel（"Intensity"）

plt.show（）

為了讓學生更進一步理解干涉圖樣的特點，可以就虛擬實驗提出若干問題供學生討論，也可以讓學生封裝代碼，使虛擬實驗更接近真實實驗。在光柵部分的介紹中，光垂直入射在光柵上，從而產生更加復雜的圖樣，屬于受到單縫衍射調制的多縫干涉。利用動畫效果將干涉和衍射的函數加以綜合展示，難度大大增加，但對學生能力的提升將大幅增加。

五、光學器件設計

Zemax是一種常用于光學設計和仿真的軟件工具，更是全功能的光學設計分析軟件，?具有直觀、功能強大、靈活、快速、容易使用等優點，廣泛用于透鏡設計和系統優化，軟件提供了豐富的功能和工具，可以幫助工程師和科學家進行光學系統的設計、分析和優化[6]。在激光器、光學儀器和LED光源等行業中具有一定的知名度，學生學習此類軟件的使用有助于日后的就業。

Zemax首先通過添加透鏡、反射鏡、濾光片等光學元件，以及指定它們的屬性和位置，來建立光學系統的模型。在此基礎上，通過光路追跡、像差、MTF曲線和相位畸變等參數，評估設計的質量和性能。基于分析結果，可以通過調整元件參數、位置或者添加補償元件來優化設計。最后導出圖形和數據，以供后續的制造和測試。在具體的光學課堂教學中，許多內容可供學生作設計嘗試。例如在對望遠鏡的光路作講解后，教師可以將望遠鏡的設計作為開放性課題布置給學生，讓學生理解望遠鏡的光路設計屬于系統工程，需要綜合考慮垂軸放大率、分辨率、孔徑光闌和視場光闌等因素的影響，得到一款性能優良的望遠鏡設計。

六、總結

計算機輔助光學教學是一種創新的教學方式，通過利用計算機技術，可以提供更加生動、直觀的教學內容，幫助學生更好地掌握光學知識。光學教學的良好效果離不開計算機資源的合理利用，如何善加利用并產生良好的教學效果是每一個教師應該思考的問題。通過網絡資源的發掘、多媒體課件的制作、虛擬實驗的制作和光學器件的設計中下功夫，可以增強光學課堂教學的趣味性，調動學生學習主動性，發揮教師的課堂主導性作用。另外，在光學教學中結合實用性軟件的學習，相當于為學生的就業做前期投資，成為日后畢業生工作中的資源儲備。

參考文獻：

[1]侯宇.光學課程教改方法的探討與研究[J].教育教學論壇，2018，?26：125-127.

[2]涂亞峰，劉波，袁久紅．用社會主義核心價值觀引領知識教育——基于對江蘇高校現狀的調查研究與對策分析[J]．江蘇高教，2018，6：83-87.

[3]徐銘，吉建華.虛擬實驗在非線性光纖光學教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2004，26（3）：96-101.

[4]李增剛，戴光昊，廖暉.?Python編程基礎與科學計算[M].北京：清華大學出版社，?2022.

[5]姚啟鈞.光學教程[M].北京：高等教育出版社，2019.

[6]馬堃.ZEMAX?軟件在大學物理實驗中的應用探究[J].大學物理實驗，202，33（4）：76-78.