“應(yīng)用光學(xué)”教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計(jì)改革實(shí)踐

岳慧敏 張行至 劉爽

摘 要 我校對應(yīng)用光學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容、方法與設(shè)計(jì)進(jìn)行了探究與實(shí)踐。在教學(xué)內(nèi)容、方法方面進(jìn)行了如下四個(gè)方面的探索：緒論中引入應(yīng)用光學(xué)的鼻祖王大珩先生的科研生平介紹、增加現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容、注重傳統(tǒng)理論知識在現(xiàn)代實(shí)際工程中的應(yīng)用、注重科研與教學(xué)的結(jié)合。實(shí)施了由 “引”、“講”、“思”這三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成的重在啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)，收到了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 應(yīng)用光學(xué) 教學(xué)方法 教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.03.049

Abstract The teaching content， method and design of "Applied Optics" Course in our university have been explored and practiced. In terms of teaching contents and methods， the following four aspects are explored： introduction of Mr. Wang Dahong， the founder of applied optics， in the introduction， introduction of his scientific research life， addition of the basic content of modern optics， application of traditional theoretical knowledge in modern practical engineering， and combination of scientific research and teaching. The teaching design， which is composed of three links of "lead"， "talk" and "think"， focuses on inspiring and guiding students to study independently， has achieved good teaching results.

Keywords Applied Optics； teaching methods； teaching design

0 引言

應(yīng)用光學(xué)課程是以幾何光學(xué)理論為基礎(chǔ)，其主要內(nèi)容包括光學(xué)系統(tǒng)中光的傳播、成像、光度學(xué)、色度學(xué)、像差、典型光學(xué)系統(tǒng)及現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)等。我校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)是國家級特色專業(yè)，是以光通信與光電工程、信息顯示與光電技術(shù)、光電系統(tǒng)與信息處理技術(shù)等方向相互交叉滲透，以“光電信息+”為載體，以光、機(jī)、電、軟相互融合為特色的傳統(tǒng)而又新興的專業(yè)。本課程面向光電信息科學(xué)與工程專業(yè)本科生，屬于學(xué)科基礎(chǔ)課，也是后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課的理論基礎(chǔ)。應(yīng)用光學(xué)課程作為學(xué)生最早接觸的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，在培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)基本素養(yǎng)及基礎(chǔ)工程素質(zhì)方面具有重要作用。因此，本課程的目標(biāo)是通過學(xué)習(xí)讓學(xué)生掌握光學(xué)系統(tǒng)成像的基本概念和理論、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法；讓學(xué)生了解現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)；讓學(xué)生具備光學(xué)元件及系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)能力；在進(jìn)行基本理論教學(xué)的同時(shí)，重點(diǎn)突出該課程的工程應(yīng)用特點(diǎn)，在對實(shí)際工程問題的分析與討論中培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展的能力和創(chuàng)造性解決工程問題的能力。

應(yīng)用光學(xué)不僅是與我國光學(xué)儀器等相關(guān)專業(yè)一同誕生的傳統(tǒng)課程，也是全球具有悠久光學(xué)工程教育歷史的國際一流大學(xué)共同擁有的一門經(jīng)典課程。多所大學(xué)對應(yīng)用光學(xué)課程進(jìn)行了教學(xué)改革的探索。如，浙江大學(xué)采用研究型教學(xué)將科研與教學(xué)緊密結(jié)合，實(shí)踐環(huán)節(jié)采用了科研模式和學(xué)生自我評價(jià)機(jī)制，課程的教學(xué)效果得到顯著的提升。南京郵電大學(xué)在實(shí)施卓越計(jì)劃的背景下，對應(yīng)用光學(xué)課程進(jìn)行了面向工程教育的教學(xué)改革，探索從傳統(tǒng)的知識傳授型教學(xué)到結(jié)合工程教育的研究型教學(xué)轉(zhuǎn)變的途徑。針對應(yīng)用光學(xué)課程教學(xué)中教師、學(xué)生和企業(yè)三者之間不能實(shí)現(xiàn)資源有效共享的問題，武漢理工大學(xué)將產(chǎn)學(xué)研這一創(chuàng)新模式引入教學(xué)環(huán)節(jié)中。電子科技大學(xué)對應(yīng)用光學(xué)課程的探究式小班教學(xué)進(jìn)行了初探，給出了具體措施，通過實(shí)際案例分析指出了教師如何設(shè)計(jì)“恰到好處”的研討問題。

為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生的知識面和科技視野，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，培養(yǎng)學(xué)生的面向工程的創(chuàng)新能力，針對該課程內(nèi)容非常豐富、理論性較強(qiáng)、 概念較抽象但又具有工程應(yīng)用背景的特點(diǎn)，我校對應(yīng)用光學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容、方法與教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索與實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)方法與內(nèi)容的探究

考慮到應(yīng)用光課程內(nèi)容非常豐富、理論性較強(qiáng)、 概念較抽象但又具有工程應(yīng)用背景的特點(diǎn)，我們在十多年的教學(xué)實(shí)踐中，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容與方法進(jìn)行了改革與調(diào)整。

（1）緒論中引入應(yīng)用光學(xué)的鼻祖王大珩先生的科研生平介紹，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生愛國主義精神以及嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。在緒論部分，除了介紹世界光學(xué)發(fā)展簡史以及光學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用外，引入了應(yīng)用光學(xué)的鼻祖王大珩先生的科研生平介紹。中國科學(xué)院院士陳星旦說：“大珩先生作為中國現(xiàn)代光學(xué)事業(yè)的開創(chuàng)者，他的科研活動(dòng)無疑就是一部中國光學(xué)成長史”。光學(xué)玻璃、V棱鏡折射儀、長春光機(jī)所、兩彈一星、863計(jì)劃等這些標(biāo)簽都與王大珩先生有關(guān)。我們以這些標(biāo)簽為線索介紹王大珩先生的科研活動(dòng)，作為國內(nèi)應(yīng)用光學(xué)的近代發(fā)展史。1948年，滿懷科技強(qiáng)國的夢想，王大珩從國外回到祖國。“在舊中國留下的廢墟上，尋找不到一處可以完全利用的基礎(chǔ)，中國幾乎就沒有應(yīng)用光學(xué)！”王大珩曾說，“從此，我開始了一生的追求——發(fā)展祖國的應(yīng)用光學(xué)事業(yè)。”借由王大珩先生的科研足跡，不僅可以讓學(xué)生對中國應(yīng)用光學(xué)的發(fā)展有深入了解，還可以培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義情操。王大珩曾說，“在科學(xué)面前，再大的名氣都是毫無用處的，科學(xué)是一個(gè)自我校正系統(tǒng)，任何錯(cuò)誤在其中都不能長期隱瞞下去，只能老老實(shí)實(shí)地用科學(xué)的態(tài)度來對待科學(xué)”，借此培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

（2）增加現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容，拓寬學(xué)生的知識面和科技視野。結(jié)合基本內(nèi)容，將相關(guān)的最新發(fā)展和研究成果融入講授內(nèi)容， 使學(xué)生能緊跟科技發(fā)展步伐。如在講解透鏡時(shí)，引入“自聚焦透鏡”； 在講述典型光學(xué)系統(tǒng)“投影儀”時(shí)，增加“現(xiàn)代投影儀”的內(nèi)容；在講述典型光學(xué)系統(tǒng)“望遠(yuǎn)鏡”時(shí)，增加“現(xiàn)代大型天文望遠(yuǎn)鏡”的相關(guān)內(nèi)容；在典型光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入現(xiàn)代應(yīng)用光學(xué)系統(tǒng)，包括激光、光纖光學(xué)、紅外光學(xué)系統(tǒng)等。此外，我們給學(xué)生補(bǔ)充了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體流程圖，讓學(xué)生清楚應(yīng)用光學(xué)所學(xué)內(nèi)容在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖中的作用與位置關(guān)系，讓學(xué)生既可見“樹木”，又可見“森林”。

（3）注重傳統(tǒng)理論知識在現(xiàn)代實(shí)際工程中的應(yīng)用，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力、工程應(yīng)用和工程實(shí)踐能力。應(yīng)用光學(xué)是一門專業(yè)性很強(qiáng)的課，同時(shí)也是一門非常注重工程應(yīng)用的課程。因此對重要知識點(diǎn)可引入實(shí)際工程應(yīng)用例子，既可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又可培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用和工程實(shí)踐能力。例如，講述“全反射”現(xiàn)象時(shí)，除引入傳統(tǒng)的“光纖”的例子外，還可引入“指紋考勤機(jī)”、“智能雨刷”、“蜃景的形成原因”等例子；講述五角反射棱鏡時(shí)，除了講述教材中的潛望鏡的例子外，引入“單反照相機(jī)”的例子。在講解景深這一節(jié)時(shí)，引入大景深和小景深成像的攝影技巧。講解人眼的雙目視覺時(shí)，引入3D電影的原理、昆蟲復(fù)眼、光場相機(jī)的原理等。講解望遠(yuǎn)系統(tǒng)時(shí)，給出了幾個(gè)典型的世界最先進(jìn)的天文望遠(yuǎn)鏡，尤其是對世界著名的韋伯望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)進(jìn)行了深入分析。這些實(shí)際工程應(yīng)用例子貼近現(xiàn)實(shí)生活，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣顯著增強(qiáng)，并且真正做到學(xué)以致用。

（4）注重科研與教學(xué)的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生面向工程的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。在教學(xué)中努力加強(qiáng)學(xué)生的科研意識，將多位教師科研成果中與本課程相關(guān)的知識與技術(shù)融入到教學(xué)內(nèi)容中， 增加課程內(nèi)容的先進(jìn)性、 前沿性、 實(shí)用性。譬如在講解“人眼”這個(gè)典型光學(xué)系統(tǒng)的成像特點(diǎn)時(shí)，引入科研成果“光學(xué)三維傳感”， 擴(kuò)展了學(xué)生知識面。又如，在講解朗伯源及朗伯余弦定律，指出實(shí)際生活中很多漫發(fā)射物體表面，都可以近似看作朗伯源。引入科研成果“光纖旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)傳感器”，指出在該項(xiàng)目的光路設(shè)計(jì)與分析過程中，將葉片簡化為朗伯源，這樣簡化計(jì)算的科學(xué)依據(jù)就是基于此，培養(yǎng)學(xué)生面向工程的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)探究

在應(yīng)用光學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐中，我們實(shí)施了分為“引”、“講”、“思”這三個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)，下面以典型光學(xué)系統(tǒng)這一章節(jié)“人眼的成像與校正”這一小節(jié)為例，說明我們的教學(xué)設(shè)計(jì)思路。

2.1 啟發(fā)式的“引”

采用問題引入，“為什么在學(xué)習(xí)典型光學(xué)系統(tǒng)時(shí)首先學(xué)習(xí)人眼呢？”通過本問題，說明學(xué)習(xí)人眼的重要性，通過三個(gè)問題“人眼是如何看到物體的？ 人眼的成像特點(diǎn)？ 近視眼和遠(yuǎn)視眼的成像特點(diǎn)及校正？”引出本節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。

2.2 融合多種教學(xué)方法的“講”

“講”的過程中采用多種教學(xué)方法，如在本小節(jié)引入課堂小實(shí)驗(yàn)、問題啟發(fā)、互動(dòng)、分析與討論等教學(xué)方法。

（1）按照光線前進(jìn)的方向，結(jié)合圖片講解人眼解剖結(jié)構(gòu)（包括角膜、虹膜、前室、瞳孔、晶狀體、后室、鞏膜、視網(wǎng)膜、黃斑、盲斑）。

（2）與攝像系統(tǒng)進(jìn)行類比，重點(diǎn)指出角膜和晶狀體、視網(wǎng)膜及瞳孔在人眼成像中的作用。

（3）設(shè)計(jì)盲斑小實(shí)驗(yàn)，使同學(xué)們直觀的感知盲斑的存在的同時(shí)，活躍課堂氣氛。

（4）人眼的調(diào)節(jié)原理？啟發(fā)學(xué)生思考，根據(jù)透鏡制造者公式分析，此處透鏡制造者公式需板書，引導(dǎo)同學(xué)們一起來完成板書，并強(qiáng)調(diào)該公式的重要性。

（5）正常人眼處在沒有調(diào)節(jié)的自然狀態(tài)時(shí)，無限遠(yuǎn)物體正好成像在人眼的視網(wǎng)膜上。眼睛觀察無限遠(yuǎn)物體時(shí)一般不易疲勞，由此引出下面結(jié)論：對于目視光學(xué)儀器，如望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡，為方便人眼長時(shí)間觀察，它們通過目鏡所成的像一般應(yīng)設(shè)計(jì)成在無限遠(yuǎn)處。為后面望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的學(xué)習(xí)作鋪墊。

（6）講解完近視眼和遠(yuǎn)視眼后，特別指出，為適應(yīng)不同視力，望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的目鏡設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮視度調(diào)節(jié)，為以后的學(xué)習(xí)做鋪墊。

（7）非正常眼（近視、遠(yuǎn)視）的校正方法是難點(diǎn)。重點(diǎn)講解近視眼，遠(yuǎn)視眼簡單講解。其中，結(jié)合近視眼的校正，給大家指出校正的核心思想就是雙光組成像，需要利用前面學(xué)習(xí)過的高斯公式及雙光組組合的過渡公式。將視眼、遠(yuǎn)視眼成像及校正的光路做成動(dòng)畫演示，便于大家直觀的理解。板書與動(dòng)畫演示時(shí)注意與同學(xué)們的互動(dòng)。并在此引入討論，此處的焦距計(jì)算有沒有問題？

2.3 激發(fā)興趣的“思”

本小節(jié)給出如下思考題：正常人眼是不是理想成像呢？正常人眼成像如果有像差存在，怎么檢測呢？教材上沒有講述此內(nèi)容，讓同學(xué)們自己檢索相關(guān)資料并探究之。

采用“引”、“講”、“思”三個(gè)環(huán)節(jié)相結(jié)合的教學(xué)設(shè)計(jì)，課堂生動(dòng)活潑，學(xué)生參與度高，不但可以激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和探究，學(xué)生深入理解和掌握重要知識點(diǎn)，擴(kuò)展同學(xué)們的知識面，還可以鍛煉和提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

3 結(jié)語

我校對應(yīng)用光學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容、方法與教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了多年的探索與實(shí)踐。教學(xué)內(nèi)容與方法的改革從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了探索：緒論中引入應(yīng)用光學(xué)的鼻祖王大珩先生的科研生平介紹，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生愛國主義精神以及嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度；增加現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容，拓寬學(xué)生的知識面和科技視野；注重傳統(tǒng)理論知識在現(xiàn)代實(shí)際工程中的應(yīng)用，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力、工程應(yīng)用和工程實(shí)踐能力；注重科研與教學(xué)的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生面向工程的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。在應(yīng)用光學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐中，為啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生自主的學(xué)習(xí)，我們實(shí)施了分為“引”、“講”、“思”這三個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)，收到了良好的教學(xué)效果。

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