光通信類本科《物理光學(xué)》教學(xué)改革研究

陳陶 徐寧 關(guān)建飛 南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院 210003

前言

光學(xué)是一門歷史悠久的學(xué)科, 幾百年以來, 它的發(fā)展經(jīng)歷了微粒說、波動說、愛因斯坦光子說等時期。1960年激光發(fā)明以后, 光學(xué)獲得了空前的發(fā)展, 新概念、新成就不斷涌現(xiàn)。發(fā)展到今天, 已進(jìn)入到光子學(xué)時代?，F(xiàn)代光學(xué)包含的內(nèi)容十分豐富, 形成了許多各自成體系的學(xué)科分支。物理光學(xué)已成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)最活躍的前沿陣地之一。光子信息技術(shù)將成為21 世紀(jì)信息技術(shù)的核心, 21 世紀(jì)生命科學(xué)的發(fā)展也更多地需要光子技術(shù)的支持。近年來,由于激光理論和技術(shù)的突飛猛進(jìn),已使整個光學(xué)學(xué)科邁入了一個新階段。物理光學(xué)不論在理論還是在技術(shù)方面都取得了很多進(jìn)展,形成了很多分支學(xué)科,如非線性光學(xué)、量子光學(xué)、光電子學(xué)、光子學(xué)、光通信等。隨著光學(xué)理論和技術(shù)的迅猛發(fā)展,新的現(xiàn)象、光學(xué)儀器不斷涌現(xiàn),特別是當(dāng)今面臨著光電技術(shù)革命的挑戰(zhàn),因此光學(xué)的新概念、新成就和新技術(shù)都應(yīng)在物理光學(xué)課程中有所介紹。

《物理光學(xué)》課程作為光通信、光電信息工程、光信息等專業(yè)的基礎(chǔ)課程, 在光學(xué)專業(yè)人才的培養(yǎng)方面起到至關(guān)重要的作用, 是后續(xù)《光電子學(xué)》、《光纖通信技術(shù)》、《激光原理與技術(shù)》、《光電傳感技術(shù)》、《集成光電子器件》等課程的基礎(chǔ)。因此,《物理光學(xué)》課程是現(xiàn)代光電子、光學(xué)信息處理、光纖通信和光電傳感技術(shù)等的重要基礎(chǔ)理論課程, 也是光通信、光電子、光信息類專業(yè)的考研課程。

南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院的本科教學(xué)以培養(yǎng)光通信、光電信息工程、光電控制等信息產(chǎn)業(yè)，從事光通信系統(tǒng)和光電信息工程、信息光電器件、光電控制系統(tǒng)、光電傳感等的設(shè)計、研究與開發(fā)、建設(shè)和維護(hù)的中高級人才為導(dǎo)向。近幾年在院領(lǐng)導(dǎo)和校教務(wù)處大力支持下，對物理光學(xué)的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)反饋進(jìn)行了大力改革探索。

物理光學(xué)課題組從1998年開始承擔(dān)該課程的教學(xué)任務(wù)，至今已經(jīng)完成11輪的教學(xué)工作。通過這11輪教學(xué)任務(wù)的執(zhí)行和完成，對于本課程的性質(zhì)、目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容以及專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)有了深刻的認(rèn)識；對于學(xué)生如何學(xué)好本課程以及教學(xué)方式的采用，有了深入的體會。11輪的教學(xué)經(jīng)驗為促進(jìn)本課程的建設(shè)和教學(xué)方法的改革提供了有力的支撐。課題組還承擔(dān)過該課程的一些后續(xù)課程教學(xué)任務(wù)，包括“光電傳感技術(shù)”、“信息物理基礎(chǔ)（含光波導(dǎo)理論）”、“光纖通信系統(tǒng)”等，在教學(xué)實踐中能把該課程與相關(guān)后續(xù)課程有機結(jié)合起來。課題組成員長期從事光通信和光信息領(lǐng)域的科研工作，主持和參與過多個相關(guān)科研項目，了解光通信和光電子器件發(fā)展的前沿信息和最新研究動態(tài)，能在講課中不斷地融合、滲透該學(xué)科最前沿的成果，豐富教學(xué)內(nèi)容。

課題組成員均具有豐富的教學(xué)經(jīng)驗，承擔(dān)過多項教學(xué)工作和科研項目。其中徐寧副教授，畢業(yè)于加拿大拉瓦爾大學(xué)光學(xué)專業(yè)碩士，從2000年開始至今每年均承擔(dān)物理光學(xué)的教學(xué)工作，作為光電工程學(xué)院教學(xué)副院長，教學(xué)經(jīng)驗異常豐富，教學(xué)理念非常先進(jìn)?，F(xiàn)主要研究光通信、光通信無源器件及微流控光學(xué)，對光波導(dǎo)器件、光網(wǎng)絡(luò)和光通信等有較深入的研究。先后負(fù)責(zé)和參與完成了多項科研項目。主持并完成了校教改項目《光纖測量實驗計算機輔助設(shè)計》和《光學(xué)綜合實驗課程仿真設(shè)計》，并用于本科生實驗教學(xué)中，獲得較好的效果，本項目申請人有幸參與其中的主要研究過程。關(guān)建飛博士從2006年開始擔(dān)任本課程的教學(xué)工作，理論功底非常深厚，主要從事激光、光電子器件理論研究，先后參與國家自然科學(xué)基金項目和江蘇省自然科學(xué)基金項目。發(fā)表論文20余篇。

通過多年教學(xué)實踐，已經(jīng)獲得了本課程的寶貴的教學(xué)經(jīng)驗和體會，非常有利于教學(xué)改革方案的制訂。項目組成員平均年齡結(jié)構(gòu)合理，容易接受新事物、新理念，并具有較好的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊合作精神，已經(jīng)形成一個本課程具有先進(jìn)教學(xué)理念、人員結(jié)構(gòu)合理、教學(xué)功底強的教學(xué)團(tuán)隊。

一、存在的問題

課題組成員經(jīng)過多個輪次的教學(xué)實踐，現(xiàn)已積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗和教學(xué)素材，逐漸形成了各自的教學(xué)模式和教學(xué)風(fēng)格，掌握了先進(jìn)的教學(xué)方法、教學(xué)手段，在教學(xué)中取得了較好的效果。但在長期的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)同時也存在這樣一些問題：

（一）在教學(xué)內(nèi)容方面，作為本課程的重點內(nèi)容例如F-P干涉儀、閃耀光柵和晶體光學(xué)，在現(xiàn)代光通信、光信息處理、光電傳感、光電子器件等學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。同時該部分內(nèi)容也是本課程的教學(xué)難點，學(xué)生不容易掌握。另外隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，現(xiàn)代光電器件的發(fā)展更是日新月異。目前，有關(guān)現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)方面的教材在新技術(shù)的更新上都會有或多或少的滯后?，F(xiàn)有多媒體課件該部分內(nèi)容在表現(xiàn)力上和內(nèi)容上還不盡如人意。

（二）在考核方式方面,本課程一般不進(jìn)行期中考試，其總評成績采用期末考試卷面成績（占70%）+平時成績（占30%）形式。平時成績的判定對學(xué)生總評的成績影響很大，而現(xiàn)行的判定依據(jù)比較單一，基本上是學(xué)生作業(yè)完成情況+課堂到課率，由于當(dāng)今大學(xué)生作業(yè)抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，而課堂到課率主要采用隨機點名的方式，這些都很大程度上制約了學(xué)生平時成績判定的準(zhǔn)確性，也抑制了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

（三）在目前“考教分離”的大趨勢下，習(xí)題庫和試題庫的建設(shè)顯得非常重要?，F(xiàn)在市售的“物理光學(xué)”習(xí)題庫和試題庫有很多，但與光學(xué)類本科專業(yè)相符的、特別是與我校光通信、光信息和光電信息工程專業(yè)方向相符的習(xí)題庫和試題庫沒有。該類習(xí)題和試題的考核點以大學(xué)物理中的光學(xué)部分為主（占60%以上），這些內(nèi)容我們的學(xué)生已經(jīng)在先修課程——大學(xué)物理中已經(jīng)考核過。另外與現(xiàn)代實際問題相聯(lián)系的內(nèi)容特別是適合現(xiàn)代光通信要求的題目也不多。

因此, 很多學(xué)生在完成本課程科學(xué)習(xí)后, 由于學(xué)習(xí)效果不好，造成后續(xù)的相關(guān)課程的學(xué)習(xí)困難。因此造成了很多學(xué)生很難適應(yīng)光信息、光通信技術(shù)、光電傳感技術(shù)等應(yīng)用學(xué)科的需求,不能滿足各地興起的“光谷”對光學(xué)人才的需求。因此物理光學(xué)課程的教學(xué)改革是勢在必行、非常迫切的。

二、教學(xué)改革研究目標(biāo)與思路

課程改革指導(dǎo)的原則及目標(biāo)是著眼于培養(yǎng)21 世紀(jì)新型高科學(xué)素質(zhì)人才,在“物理光學(xué)”課程的教學(xué)改革實踐中我們的研究目標(biāo)和改革思路如下：

（一）研究目標(biāo)：與時俱進(jìn)，對本課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行權(quán)重調(diào)整，使本課程教學(xué)活動符合南郵跨越式大發(fā)展戰(zhàn)略要求；重點、難點教學(xué)手段的突破；平時成績判定機制的量化；建立和健全符合本校本課程的題庫，為“考教分離”做好準(zhǔn)備；教學(xué)方法的多樣化。

（二）研究思路：①完善教學(xué)大綱和調(diào)整授課計劃，在保證基礎(chǔ)內(nèi)容的前提下, 壓縮經(jīng)典光學(xué)的內(nèi)容, 刪除以往基礎(chǔ)光學(xué)教材中通常包含的非主體部分及與其他學(xué)科相重復(fù)的部分以及比較陳舊的內(nèi)容, 為增加現(xiàn)代光學(xué)內(nèi)容贏得時間；找出結(jié)合點，滲透前沿知識。采用局部融合式，即在經(jīng)典和現(xiàn)代光學(xué)中找出結(jié)合點，把相應(yīng)的物理前沿內(nèi)容滲透進(jìn)去。②通過制作高質(zhì)量的具有人機交互性的多媒體課件，幫助學(xué)生對重點和難點內(nèi)容例如F-P干涉儀、閃耀光柵和晶體光學(xué)的理解和掌握。③豐富評價機制，在維持學(xué)校關(guān)于學(xué)生期末總評成績比例不變的前提下，對平時成績的評價進(jìn)一步量化。④編制配套的課程復(fù)習(xí)大綱，建立和健全符合本校“物理光學(xué)”課程題庫。⑤教學(xué)方法多樣化，提高學(xué)習(xí)興趣和效果。

三、研究具體內(nèi)容

（一）從教學(xué)內(nèi)容體系上, 充分考慮傳統(tǒng)經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代光學(xué)前沿知識相結(jié)合, 刪掉一些陳舊過時的內(nèi)容, 增添一些現(xiàn)代光學(xué)的前沿知識, 特別是體現(xiàn)本學(xué)科專業(yè)特色的一些前沿知識，從而使其既具有本專業(yè)、本學(xué)校的光學(xué)專業(yè)的特色又緊跟光學(xué)知識的前沿，給學(xué)生提供充分的科學(xué)探索和求真的空間。例如波動光學(xué)內(nèi)容分為:光的干涉、衍射、偏振等內(nèi)容。光的干涉和衍射現(xiàn)象部分內(nèi)容主要是講授在各種條件下的光波疊加或各種干涉、衍射裝置, 并且大部分是基于普通光源的，針對激光光源的簡化裝置卻很少提及，對普通光源相干性的討論也占了相當(dāng)多的篇幅。在當(dāng)今相干性很好的激光光源普遍使用的情況下，針對普通光源的各種干涉、衍射裝置和相干性的討論，還有沒有必要詳細(xì)講解，是值得商榷的。波動光學(xué)這部分內(nèi)容應(yīng)作很大程度的改革。波動光學(xué)的主要應(yīng)用是光學(xué)精密測量, 過去重點講授波動光學(xué)中的各種干涉、衍射裝置是和光學(xué)精密測量知識的實際需求是吻合的。但是在目前光電信息時代,除光學(xué)精密測量外，光子信息技術(shù)已成為其最主要的應(yīng)用，目前的教學(xué)也應(yīng)與光子學(xué)知識的實際需求相吻合，增加講授以光子學(xué)知識為主的現(xiàn)代光學(xué)內(nèi)容的份量，同時作為光通信前沿的領(lǐng)域例如WDM等系統(tǒng)中大量采用的F-P干涉和光柵理論加以強調(diào)。因此必須精簡、刪除一些陳舊過時的波動光學(xué)內(nèi)容，重點講授光波疊加的基本原理，干涉、衍射作為光波疊加的現(xiàn)象給予介紹，這樣可增強系統(tǒng)性，節(jié)省學(xué)時。

（二）找出結(jié)合點，滲透前沿知識。采用局部融合式，即在經(jīng)典和現(xiàn)代光學(xué)中找出結(jié)合點，把相應(yīng)的物理前沿內(nèi)容滲透進(jìn)去。例如光波的疊加和光學(xué)信息處理基礎(chǔ)，主要講授光波疊加的基本規(guī)律、干涉和衍射現(xiàn)象、光學(xué)信息處理基礎(chǔ)等，將光學(xué)信息處理在此講授，主要考慮它是以光波的線性疊加為基礎(chǔ)的，顯得更有系統(tǒng)性。晶體光學(xué)基本原理與感應(yīng)雙折射現(xiàn)象相融合，主要講授光開關(guān)、光調(diào)制器、光隔離器等基本原理。這樣的體系安排明顯具有以下優(yōu)點: ①突顯了現(xiàn)代光通信學(xué)的內(nèi)容，使之和光學(xué)學(xué)科的發(fā)展相吻合；②將現(xiàn)代光通信學(xué)內(nèi)容融合到整個課程中，有利于現(xiàn)代光學(xué)內(nèi)容和傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)容的銜接，系統(tǒng)性較強，便于組織教學(xué)，節(jié)省教學(xué)時。

（三）對于重難點內(nèi)容如F-P干涉儀、閃耀光柵和晶體光學(xué)部分，作為現(xiàn)代光通信器件、光電傳感技術(shù)、光信息處理等的非常重要的理論基礎(chǔ)，學(xué)生必須要牢牢掌握其精髓，但存在一定的難度。通過制作高質(zhì)量的具有人機交互性的多媒體課件來幫助學(xué)生學(xué)習(xí)該部分內(nèi)容。教學(xué)輔助課件要具有多媒體效果，適當(dāng)插入動畫，最好采用三維立體模型講解，增加逼真性，具有人機交互性，吸引學(xué)生興趣，便于學(xué)生對這部分重點、難點內(nèi)容的學(xué)習(xí)、理解和掌握，提高學(xué)習(xí)效率。

（四）在維持學(xué)校關(guān)于學(xué)生期末總評成績比例（期末考試卷面成績70%+平時成績30%）前提下，對平時成績的評價進(jìn)一步量化。具體的做法是：平時作業(yè)和出勤情況占10%；新學(xué)期開始的第一次課布置小論文作業(yè)，內(nèi)容包括本課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)計劃（要求內(nèi)容詳盡具體）、學(xué)習(xí)方法、對教師的期望值等，占5%；期中根據(jù)學(xué)生平時表現(xiàn)、課堂練習(xí)和課后作業(yè)完成情況進(jìn)行中期檢查，然后要求學(xué)生對照開學(xué)初制定的學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)計劃等內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生查漏補缺，自我完善，使教師真正起到“指點迷津”的導(dǎo)學(xué)、助學(xué)作用，同時對教師的教學(xué)方法和內(nèi)容、手段提出意見和建議，以上內(nèi)容要求學(xué)生以期中小結(jié)的方式上交，努力做到“教（師）學(xué)（生）”相長，占5%；期末考試前兩周再布置任務(wù)——以8個學(xué)生為1個小組，每個小組整理負(fù)責(zé)整理一套考前模擬試卷（含答案），挖掘和調(diào)動學(xué)生的潛力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，占10%。

（五）建立健全“物理光學(xué)”課程題庫。課后的練習(xí)和測試對幫助學(xué)生鞏固課堂所學(xué)知識十分重要，因此對這一環(huán)節(jié)也決不能放松。同時，進(jìn)行習(xí)題與思考題的現(xiàn)代化。為了與現(xiàn)代光學(xué)及其應(yīng)用“接軌”,在習(xí)題和思考題中加入了相當(dāng)多的與現(xiàn)代實際問題相聯(lián)系的內(nèi)容。在考查和考考試題中除教材的主題內(nèi)容外還應(yīng)有一定分量的定性、科普知識性、分析說明性的題目，用以考查學(xué)生的知識面，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)有關(guān)知識。內(nèi)容包括以下4部分內(nèi)容：①基本概念題部分，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的難點自行編制了一套多重選擇題，分別作為課上練習(xí)和課后思考題布置，啟發(fā)學(xué)生積極思考問題。②試卷集錦部分, 收集整理了近8年來本課程期末考試的試卷和部分參考答案，以及要求學(xué)生期末考試前自己總結(jié)出來的試卷和答案，供教師參考和選擇使用。③習(xí)題解答部分，將教材中的課后習(xí)題整理作答， 附加多種解法和評述，在期末考試前提供給學(xué)生，供參考學(xué)習(xí)。

（六）新的教學(xué)方法的探索。①課堂教學(xué)——主要采用的教學(xué)方法有：(a) 啟發(fā)式教學(xué)方法，通過一些具有啟發(fā)式的提問，激勵學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力；(b) 討論式教學(xué)方法，積極引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力；(c) 歸納總結(jié)法,引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)、歸納，要求學(xué)生每學(xué)完一章，都對本章所涉及的基本理論和方法進(jìn)行總結(jié)，通過對所學(xué)知識的系統(tǒng)歸納總結(jié)，不僅能加深學(xué)生對課程內(nèi)容的理解，而且更能培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和分析問題的能力，提高學(xué)生的綜合能力及表達(dá)能力。②專題討論——專題討論全課程安排2～3 次專題討論會，每次兩小時，在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行，目的是調(diào)動學(xué)生的主動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在教師的引導(dǎo)下開拓學(xué)生的思路和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。討論會的主題分為F-P干涉儀、光柵、晶體光學(xué)的原理和應(yīng)用。具體情況可根據(jù)學(xué)生的具體情況臨時制定，可以小組討論或班級討論的形式進(jìn)行。③專題講座——專題講座由任課教師或聘請有關(guān)專家講授，內(nèi)容可包括：光學(xué)發(fā)展史、光學(xué)重要理論體系的建立、光學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用、光學(xué)技術(shù)前沿等，其目的在于開拓學(xué)生視野，豐富學(xué)生的課堂教學(xué)。④課外閱讀——課外閱讀是提高學(xué)生自發(fā)、主動學(xué)習(xí)的重要形式。閱讀內(nèi)容包括教材中的部分材料、光學(xué)領(lǐng)域的書刊、最新成果的介紹資料、光學(xué)科普讀物等。⑤開放實驗室——以光學(xué)實驗為基地，常年對學(xué)生開放，提供基本的光源、光學(xué)元器件、材料、儀器等物品，供學(xué)生觀察光學(xué)現(xiàn)象，測試光學(xué)數(shù)據(jù)，開展自制光學(xué)器件。⑥其他措施——采取邀請老教師聽課，學(xué)生問卷調(diào)查方式，根據(jù)反饋信息修正教學(xué)課件以及優(yōu)化教學(xué)方法。

四、教學(xué)改革實踐與成果

通過對近幾年教學(xué)改革實踐和直接教學(xué)經(jīng)驗的總結(jié),我們在物理光學(xué)的教學(xué)過程中進(jìn)行的一系列的實踐和探索已經(jīng)取得了很好的教學(xué)效果。我們在2007級本科專業(yè)學(xué)生中進(jìn)行了物理光學(xué)知識小競賽，內(nèi)容主要為物理光學(xué)知識在本專業(yè)研究方向的應(yīng)用。為培養(yǎng)團(tuán)隊精神把每個小班（約30人）分成8個小組，每個小組3～5人，要求提交軟件、動畫、論文、模型、仿真、實驗設(shè)計（或報告）等其中的一種或幾種方式組合。為進(jìn)一步提高學(xué)生參與的積極性，本次競賽的成績將計入本校的個性化學(xué)分，同時課題組拿出部分科研資金獎勵優(yōu)勝者并頒發(fā)獲獎證書。為方便學(xué)生選題，我們提供了一些參考課題例如：1）全反射現(xiàn)象及其在光通信中的應(yīng)用：光的耦合；光電傳感等。2）光學(xué)薄膜及其應(yīng)用：增透；增反；濾波；波導(dǎo)；在光通信中的其他應(yīng)用。3）多光束干涉（F-P干涉儀理論）的應(yīng)用：光通信；光傳感等。4）M-Z干涉儀原理應(yīng)用：（1）光通信；（2）光傳感；5）夫朗和費單縫與多縫衍射光強分布的仿真計算，有輸入輸出界面；同時分析輸入?yún)?shù)對光場分布的影響，并討論光柵在本專業(yè)研究方向的應(yīng)用。6）晶體光學(xué)元件：偏振器、波片、補償器、液晶光學(xué)元件等光通信、光傳感中的應(yīng)用。7）電光、聲光、磁光效應(yīng)及其在光通信中的應(yīng)用。通過收到的學(xué)生競賽小作品發(fā)現(xiàn)學(xué)生對本次競賽參與熱情非常高，參與的學(xué)生人數(shù)達(dá)到95%以上，其中不乏精品作品，這些作品我們準(zhǔn)備稍作整理后推薦參與高一級別的科技競賽課題，其中有些學(xué)生的小論文準(zhǔn)備到國內(nèi)相關(guān)知名雜志發(fā)表。

此外，通過書面不記名問答的形式，進(jìn)行了比較深入的調(diào)查，共收回有效問卷201份。對調(diào)查的大部分結(jié)果，加上平時與學(xué)生交談、對學(xué)生的走訪所取得的第一手資料進(jìn)行整理，得出結(jié)論如下：在所收回的201份有效問卷中，有61.19% 的學(xué)生明確表示喜歡《物理光學(xué)》這門課，明確表示不喜歡的僅占5.0%。這說明《物理光學(xué)》這門課在學(xué)生心目中還是很受歡迎的，物理光學(xué)課程自有它特有的魅力，更為重要的是，物理光學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中以及學(xué)生后續(xù)的課程中舉足輕重的地位和日常生活活動中的廣泛應(yīng)用，也是學(xué)生對其感興趣的原因之一。

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