虛擬仿真實驗在物理光學課程教學中的應用

物理光學課程內容抽象，理論性強。傳統教學以課堂講授為主，輔以有限的實物實驗，難以幫助學生直觀地理解抽象概念與復雜原理，導致學生學習積極性不高。虛擬仿真實驗作為新興教學手段應運而生，并在教育領域廣泛應用。學生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達成認知與實踐教學目標，促進學科專業(yè)與信息技術深度融合。

一、物理光學課程的特點及傳統教學面臨的問題

（一）課程特點

物理光學課程以麥克斯韋電磁理論為基礎，通過大量數學公式推導來闡述光的傳播、干涉、衍射、偏振等現象。該課程中充斥著各類公式與定理，許多概念比較抽象，數學公式繁多，對學生的數學基礎及邏輯思維要求頗高。光的波動特性以及微觀作用機制無法通過肉眼直接觀測，學生難以構建直觀的感性認知。如光的干涉和衍射現象中的明暗條紋分布、光的偏振態(tài)等概念極為抽象，對于學生來說理解難度較大。此外，實體實驗裝置復雜，影響實驗效果的因素較多。物理光學實驗需要高精度的光學儀器以及復雜的實驗裝置，受到實驗條件、實驗難度和時間成本等因素的限制，目前實體實驗只針對部分光學現象。

（二）傳統教學面臨的問題

1.教師授課方式單一，學生對專業(yè)知識理解不深物理光學以麥克斯韋電磁理論為基礎，展開光的干涉、衍射和偏振等重要內容的講解，許多概念比較抽象，數學公式繁多。然而，目前物理光學授課主要采取教師“知識灌輸”式講授、學生被動接受知識的方式。不少學生覺得課程內容抽象復雜、理解難度較大，很大程度上打擊了學生的學習信心。很多學生并不理解公式的物理含義和物理規(guī)律，存在死記硬背公式的現象，對專業(yè)知識理解不深，難以靈活運用。

2.學生缺乏學習興趣，存在畏難情緒，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

物理光學課程理論性較強，公式較多，課程內容抽象，學生在學習過程中難以將理論與實際光學現象建立有效聯系，存在畏難情緒，容易在學習過程中喪失學習興趣，學習主動性不足，進而缺乏運用所學知識的能力，創(chuàng)新能力不足，不能滿足社會經濟持續(xù)發(fā)展對高素質創(chuàng)新人才的現實要求。

3.學生對課程與光學產業(yè)應用關聯認識不夠， 對課程前景感覺迷茫

作為粵港澳大灣區(qū)具有優(yōu)勢的光電子信息產業(yè)集群，在國家大力推進粵港澳大灣區(qū)建設的新形勢下，將迎來新一輪發(fā)展浪潮，產業(yè)升級發(fā)展需要高校輸送更多優(yōu)秀的光電子信息類創(chuàng)新人才。而光電專業(yè)的實驗課程體系是培養(yǎng)技術人才的重要支撐條件。廣東工業(yè)大學是廣東省著名的工科院校，擔負著為地方經濟建設培養(yǎng)人才的重任。然而，部分學生難以將抽象的課本知識與具體的光學產業(yè)應用相聯系，對課程前景感覺迷茫，不利于學生樹立專業(yè)自豪感和認同感；同時，難以完成高校向社會輸送具有扎實基礎理論知識和實踐能力的高素質光學人才的任務。

三、虛擬仿真實驗在物理光學課程教學中的優(yōu)勢

（一）增強學習的直觀性和趣味性

虛擬仿真實驗借助三維動畫、圖像以及聲音等多媒體手段，將物理光學概念與現象直觀地呈現給學生。以光的干涉實驗為例，學生能夠通過虛擬仿真實驗清晰觀察到兩束光干涉形成明暗條紋的動態(tài)變化過程，以及條紋間距、波長、光程差等因素的關聯，使得原本晦澀難懂的干涉原理變得直觀易懂。

（二）提供豐富靈活的仿真實驗資源

虛擬仿真實驗不受時間與空間的限制，學生能夠隨時隨地開展實驗操作。與傳統實體實驗相比，虛擬仿真實驗平臺可提供豐富多樣的實驗項目，并拓展傳統實體實驗的應用范疇，涵蓋一些在實際教學中難以開展的實驗，如高難度的光學測量實驗等。

（三）培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維

在虛擬仿真實驗中，學生能夠自主設計實驗方案、挑選實驗儀器與參數，并對實驗結果展開分析與討論。這種自主性實驗操作過程能夠有效培養(yǎng)學生的實踐能力與創(chuàng)新思維。學生在實驗過程中可嘗試不同實驗方法與思路，觀察實驗結果的變化，進而深入理解實驗原理與物理規(guī)律。同時，虛擬仿真實驗平臺配備實驗數據分析與處理工具，助力學生提升數據處理能力與科學研究素養(yǎng)。

四、虛擬仿真實驗在物理光學課程教學中的應用實踐

（一）實驗內容設計

依據物理光學課程的教學大綱與教學目標，結合虛擬仿真實驗的特性，廣東工業(yè)大學物理光學課程團隊精心設計一系列與課程內容緊密契合的虛擬仿真實驗項目。實驗項自覆蓋光的干涉、衍射、偏振等核心知識點，包括雙縫干涉實驗、單縫衍射實驗、圓孔衍射實驗、馬呂斯定律實驗、偏振光的產生與檢測實驗等。每個實驗項目均包含實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗步驟、實驗數據處理與分析等內容。在實驗設計過程中，注重實驗內容的系統性與層次性，由淺入深，逐步引導學生深入理解物理光學知識。

（二）教學過程實施

在開展虛擬仿真實驗前，教師向學生發(fā)布仿真實驗預習任務，學生上課前安裝好虛擬仿真實驗軟件VirtualLabFusion，并通過觀看教學視頻等方式學習虛擬仿真實驗軟件的基本操作。通過預習，學生對實驗內容有了初步認知，為課堂上順利開展虛擬仿真實驗奠定了基礎。

在課堂教學環(huán)節(jié)，教師先對實驗涉及的理論知識進行講解。理論知識講解完畢后，教師利用虛擬仿真實驗平臺進行實驗演示，向學生展示實驗操作流程與實驗現象，引導學生觀察實驗細節(jié)，并提出問題供學生思考。接著，學生分組開展虛擬仿真實驗，根據自身想法進行實驗設計與參數調整，觀察實驗結果的變化。教師在學生實驗過程中進行巡視指導，及時解答學生遇到的問題，并對學生的實驗操作進行評價與反饋。學生仿真實驗結束后，教師選取部分學生的實驗報告進行展示與點評，引導學生總結實踐經驗，深化對物理知識的理解。

為了進一步拓展學生的學習空間，培養(yǎng)學生的自主學習能力與創(chuàng)新能力，教師會在課后布置一些與虛擬仿真實驗相關的拓展任務。比如，讓學生針對菲涅爾透鏡的聚焦現象開展虛擬仿真實驗，深入探究影響聚焦效果的因素。通過完成課后拓展任務，學生能夠將課堂所學知識應用于解決實際問題中，提升自身綜合素養(yǎng)。

（三）教學案例分析

本項目采用可視化的VirtualLabFusion虛擬實驗仿真軟件。VirtualLabFusion是一個光學仿真實驗平臺，通過求解麥克斯韋方程組獲得整個光學系統空間的矢量光場信息，建模范圍包括從幾何光學到物理光學及其組合的光學系統，該平臺內部集成了大量常規(guī)的模塊化操作，采用流程圖的形式進行光學系統的建模和仿真分析，極大地簡化了理論建模、光路搭建等工作，能夠方便地實現物理光學課程中光的干涉、衍射、偏振等教學內容的虛擬仿真。

以邁克爾遜干涉實驗為例，該實驗詳細介紹了虛擬仿真實驗在物理光學課程教學中的應用效果。在傳統教學模式下，學生對等傾干涉和等厚干涉的理解多停留在理論層面。引入虛擬仿真實驗后，學生可通過虛擬仿真實驗平臺，自主調節(jié)反射鏡位置、角度、光路中的介質種類、光源波長等參數，觀察干涉條紋的變化情況，進而深入理解等傾干涉和等厚干涉。因此，通過親自動手操作仿真軟件，學生對等傾和等厚干涉的原理與影響因素有了更為深刻的理解。虛擬仿真實驗教學項目可實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，學生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達到所要求的認知與實踐教學效果，實現學科專業(yè)與信息技術的深度融合，是重要的信息化實驗教學資源。

五、虛擬仿真實驗應用效果評價

（一）學生學習興趣調查

廣東工業(yè)大學物理光學課程團隊采用問卷調查的方式對學生的學習興趣進行調查。調查結果顯示，絕大多數學生對虛擬仿真實驗表現出濃厚興趣，認為虛擬仿真實驗使物理光學課程變得更加生動有趣，極大地激發(fā)了他們的學習積極性。同時，學生普遍認為虛擬仿真實驗有助于理解抽象的物理概念與實驗原理，提升了學習效率。

（二）學生實踐能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)

廣東工業(yè)大學物理光學課程團隊通過觀察學生在虛擬仿真實驗中的表現，以及對學生實驗報告和拓展任務的評價，發(fā)現學生的實踐能力與創(chuàng)新思維得到了有效培養(yǎng)。在實驗過程中，學生能夠積極主動思考、勇于探索，嘗試不同的實驗方法與思路。在完成拓展任務時，學生能夠靈活運用所學知識，提出創(chuàng)新性的實驗方案與解決方案，充分體現了學生創(chuàng)新思維的發(fā)展。

（三）加強理論課程與實際應用的關聯性，為工程應用奠定基礎

物理光學課程是光學專業(yè)學生的專業(yè)基礎課，很多課程中的物理規(guī)律和原理可直接應用于工業(yè)生產中。光電信息科學與工程專業(yè)畢業(yè)生反饋，通過仿真實驗可讓學生明確本課程在產業(yè)應用中的重要性，因此建議教師鼓勵有就業(yè)傾向的學生學習使用虛擬仿真實驗軟件，并結合產業(yè)應用實例設計物理光學虛擬仿真實驗，讓學生動手使用軟件設計，為以后能夠勝任光學工程師崗位打好基礎。

六、結論與展望

虛擬仿真實驗作為一種新型教學手段，在物理光學課程教學中展現出顯著優(yōu)勢。將虛擬仿真實驗融入物理光學課程教學，能夠增強學習的直觀性與趣味性，提供豐富多元的實驗資源，有效培養(yǎng)學生的實踐能力與創(chuàng)新思維，顯著提高教學效率與質量。實踐證明，虛擬仿真實驗在物理光學課程教學中的應用成效斐然，得到了學生的廣泛認可。未來，授課教師在教學過程中應將虛擬仿真實驗與實物實驗有機結合、相互補充，會實現更佳的教學效果。同時，還可強化虛擬仿真實驗與其他教學方法的融合，如線上線下混合式教學、項目式學習等，推動物理光學課程教學改革向縱深發(fā)展，培育更多具備創(chuàng)新精神與實踐能力的高素質人才。

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基金項目：廣東省高等教育教學研究和改革項目“《物理光學》虛擬仿真實驗與理論授課融合改革”，項目編號：YJGH202430。

（作者單位：廣東工業(yè)大學）