“工程光學(xué)”課程知識(shí)點(diǎn)體系建立與微課視頻庫(kù)開(kāi)發(fā)

高興宇 寧黎華

（1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 引言

“工程光學(xué)”課程是國(guó)內(nèi)高校光電信息科學(xué)與工程、測(cè)控技術(shù)及儀器、生物醫(yī)學(xué)工程、機(jī)械電子工程等多個(gè)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，其地位在各專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)中十分重要[1]。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，“工程光學(xué)”課程的新型教學(xué)方法改革的探索有很多[2-4]。將近幾年來(lái)在國(guó)內(nèi)外逐漸流行的“微課”教學(xué)模式應(yīng)用于“工程光學(xué)”課程教學(xué)過(guò)程也是必然趨勢(shì)。所謂“微課”是指以視頻為主要載體，記錄教師在課堂內(nèi)外教育教學(xué)過(guò)程中圍繞某個(gè)知識(shí)點(diǎn)（重點(diǎn)難點(diǎn)疑點(diǎn)）或教學(xué)環(huán)節(jié)而開(kāi)展的精彩教與學(xué)活動(dòng)全過(guò)程[5]?！拔⒄n”的核心組成內(nèi)容是課堂教學(xué)視頻（課例片段），同時(shí)還包含與該教學(xué)主題相關(guān)的教學(xué)設(shè)計(jì)、素材課件、教學(xué)反思、練習(xí)測(cè)試及學(xué)生反饋、教師點(diǎn)評(píng)等輔助性教學(xué)資源。因此，“微課”既有別于傳統(tǒng)單一資源類型的教學(xué)課例、教學(xué)課件、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)反思等教學(xué)資源，又是在其基礎(chǔ)上繼承和發(fā)展起來(lái)的一種新型教學(xué)資源。

現(xiàn)在大學(xué)課程的“微課”視頻大多數(shù)還都只是一些零散的視頻片段，很少有專門(mén)對(duì)某一個(gè)課程或一個(gè)專業(yè)的系列課程建立系統(tǒng)化、模塊化、規(guī)范化的微課資源庫(kù)，因而也沒(méi)有真正形成通過(guò)微課的教與學(xué)的互動(dòng)；“微課”的格式、內(nèi)容、選題還沒(méi)有一定的規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)化工作還有待深入進(jìn)行。桂林電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)將“工程光學(xué)”作為專業(yè)基礎(chǔ)必修課，該課程的微課視頻庫(kù)是本專業(yè)整個(gè)專業(yè)課程微課視頻庫(kù)的重要組成部分。本論文將重點(diǎn)闡述“工程光學(xué)”課程知識(shí)點(diǎn)體系建立和微課視頻庫(kù)開(kāi)發(fā)的方法、步驟，為本專業(yè)其他課程的微課視頻庫(kù)開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2 “工程光學(xué)”課程知識(shí)點(diǎn)體系建立

國(guó)內(nèi)《工程光學(xué)》教材也出版過(guò)多部，有些已經(jīng)發(fā)展到了第三版。各套“工程光學(xué)”教材內(nèi)容大同小異，基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)都基本相同。桂林電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)使用的是由天津大學(xué)郁道銀教授和浙江大學(xué)談恒英教授編著的《工程光學(xué)（第3版）》[6]。此教材被國(guó)內(nèi)幾十所大學(xué)使用，入選“十二五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。本論文以該教材內(nèi)容為基礎(chǔ)構(gòu)建“工程光學(xué)”課程知識(shí)點(diǎn)體系。該教材內(nèi)容豐富，分為幾何光學(xué)和物理光學(xué)上下兩篇。機(jī)械電子工程專業(yè)主要以幾何光學(xué)內(nèi)容為專業(yè)基礎(chǔ)課，物理光學(xué)內(nèi)容為專業(yè)選修課。

幾何光學(xué)主要分為三大部分：幾何光學(xué)基礎(chǔ)、像差理論和光學(xué)設(shè)計(jì)，每部分又包含若干基礎(chǔ)內(nèi)容，具體知識(shí)體系框架見(jiàn)圖 1所示。在教學(xué)過(guò)程中，第一節(jié)課就要首先對(duì)學(xué)生介紹清楚這門(mén)課的知識(shí)體系，讓學(xué)生在腦海中對(duì)所學(xué)內(nèi)容有一個(gè)總體的了解，從一開(kāi)始就認(rèn)清幾何光學(xué)三大部分的構(gòu)成及其關(guān)系。幾何光學(xué)基礎(chǔ)包括幾何光學(xué)的基本定律和最基礎(chǔ)的一階光學(xué)內(nèi)容，是學(xué)好光學(xué)的基礎(chǔ)；像差理論是光學(xué)成像理論的最重要部分，是實(shí)際設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)要解決的問(wèn)題；光學(xué)設(shè)計(jì)是在前兩部分理論基礎(chǔ)上的實(shí)際應(yīng)用。所以這三個(gè)部分環(huán)環(huán)相扣，是完整的理論體系，缺一不可。

在此基礎(chǔ)上，要再進(jìn)一步對(duì)每個(gè)基礎(chǔ)內(nèi)容細(xì)分，直至每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。下面以像差理論為例，介紹知識(shí)點(diǎn)解析結(jié)構(gòu)，如圖 2所示。幾何光學(xué)像差分為球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸變、軸向色差、垂軸色差七種，其中前五種是單色像差，后兩種是多色光的色差。本課程要詳細(xì)介紹每種像差的基本規(guī)律、計(jì)算方法和消像差方法，這是整個(gè)幾何光學(xué)教學(xué)過(guò)程中的重點(diǎn)，更是難點(diǎn)。具體以球差為例，首先要向?qū)W生介紹球差的定義，通過(guò)球差光路圖來(lái)使學(xué)生明白球差產(chǎn)生的來(lái)源；然后介紹初級(jí)球差和高級(jí)球差的定義及關(guān)系；進(jìn)一步較深理論部分是球差分布式，要詳細(xì)講解分布式中各參數(shù)的含義；然后是球差的校正方法，即用什么樣的光學(xué)結(jié)構(gòu)可以校正球差，校正后剩余最大球差是多少；最后介紹無(wú)球差的三類齊明點(diǎn)的定義和特點(diǎn)。這樣五個(gè)知識(shí)點(diǎn)逐一展開(kāi)，構(gòu)成了球差的知識(shí)點(diǎn)體系。其他像差的知識(shí)點(diǎn)體系也與球差類似，在此不再一一展開(kāi)闡述。

像球差這樣解析，幾何光學(xué)可以分解為上百個(gè)知識(shí)點(diǎn)，但是作為微課視頻庫(kù)的課程內(nèi)容來(lái)說(shuō)，并不是所有知識(shí)點(diǎn)都適合制作成微課的。因?yàn)榻處熒险n時(shí)已經(jīng)有了所有教學(xué)內(nèi)容的完整的 PPT課件，所有知識(shí)點(diǎn)都包括在內(nèi)。而“微課”的作用體現(xiàn)在對(duì)課堂講授內(nèi)容較難或極為重要的知識(shí)點(diǎn)上進(jìn)行進(jìn)一步的深入展開(kāi)討論，是課外教育的延伸，是對(duì)課堂教育的補(bǔ)充，所以要精心挑選和組織微課視頻庫(kù)的內(nèi)容。

3 微課視頻庫(kù)開(kāi)發(fā)步驟及成果

微課視頻庫(kù)是一個(gè)課程所有重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)的深入解析，還包括若干重要習(xí)題的講解，內(nèi)容小而精，不宜多而雜。在“工程光學(xué)”微課視頻庫(kù)中，我們?cè)谏鲜鲋R(shí)點(diǎn)體系框架中選擇重點(diǎn)、難點(diǎn)部分，分為若干段視頻講解。下面以幾何光學(xué)基礎(chǔ)部分內(nèi)容為例介紹微課視頻具體內(nèi)容及制作方案，如圖3所示。

經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)圖 3中所示知識(shí)點(diǎn)是同學(xué)們普遍感覺(jué)較難學(xué)習(xí)或不會(huì)做題的部分，將這些內(nèi)容作為微課視頻的內(nèi)容是對(duì)他們課堂學(xué)習(xí)的有益補(bǔ)充。例如作圖法求像，教材上的例子很簡(jiǎn)單，只介紹了正光焦度理想光學(xué)系統(tǒng)的作圖求像。在微課中就可以適當(dāng)展開(kāi)講解作圖法負(fù)光焦度求像、正負(fù)光焦度光組組合求像、三光組組合求像等更復(fù)雜的問(wèn)題，讓同學(xué)們對(duì)作圖法的理解更深刻，基本可以獨(dú)立解決對(duì)常用光組作圖法求像問(wèn)題。再比如遠(yuǎn)心光路問(wèn)題，教材中只用了一個(gè)光路圖來(lái)介紹。在微課中要結(jié)合實(shí)際測(cè)量物鏡的例子來(lái)深入講解遠(yuǎn)心光路的作用。在實(shí)際的機(jī)器視覺(jué)光學(xué)系統(tǒng)中遠(yuǎn)心光路應(yīng)用非常廣泛，高質(zhì)量的遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜，我們用自己實(shí)際的科研項(xiàng)目實(shí)例來(lái)講解，可以使同學(xué)們親身體會(huì)所學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性，提高學(xué)習(xí)興趣。消雜光技術(shù)在教材中屬于次要內(nèi)容，甚至可以不講，但是實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中消雜光技術(shù)非常重要，所以我們認(rèn)為有必要結(jié)合實(shí)例介紹消雜光技術(shù)。其他的一些計(jì)算實(shí)例都是對(duì)課后題和課外題的計(jì)算方法的講解，可以讓學(xué)生更好掌握如何將理論公式應(yīng)用于實(shí)際計(jì)算中去。

4 結(jié)論

開(kāi)發(fā)“工程光學(xué)”微課視頻庫(kù)是桂林電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)總體專業(yè)課視頻庫(kù)的重要部分，也為其他課程的微課視頻庫(kù)開(kāi)發(fā)開(kāi)創(chuàng)先例。本文首先闡述如何構(gòu)建“工程光學(xué)”課程知識(shí)點(diǎn)體系，以像差理論為例介紹在逐步細(xì)分教學(xué)內(nèi)容中抓住教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，進(jìn)行歸類總結(jié)。然后以“幾何光學(xué)基礎(chǔ)”部分為例介紹微課內(nèi)容選取的原則和方法，為微課視頻開(kāi)發(fā)的實(shí)施奠定良好的基礎(chǔ)。

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