幾何作圖和MATLAB仿真模擬在眼視光應(yīng)用光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

王郡婕，王 成，楊艷妮，閆 瑾

(1.西安醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)系物理教研室，陜西 西安 710021；2.西安醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)系眼科視光學(xué)教研室，陜西 西安 710021)

·醫(yī)學(xué)教育·

幾何作圖和MATLAB仿真模擬在眼視光應(yīng)用光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

王郡婕1，王 成1，楊艷妮1，閆 瑾2

(1.西安醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)系物理教研室，陜西 西安 710021；2.西安醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)系眼科視光學(xué)教研室，陜西 西安 710021)

目的 為眼視光學(xué)專業(yè)學(xué)生儲(chǔ)備必要的光學(xué)理論知識(shí)，為后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)做鋪墊，探索幾何作圖和MATLAB仿真模擬在教學(xué)中的有效性。方法分別選取西安醫(yī)學(xué)院2012級(jí)和2013級(jí)眼視光專業(yè)60名學(xué)生作為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組，對(duì)2012級(jí)學(xué)生采用傳統(tǒng)教學(xué)，對(duì)2013級(jí)學(xué)生采用幾何作圖和MATLAB仿真模擬教學(xué)，通過比較兩組綜合成績、學(xué)生問卷調(diào)查結(jié)果和后續(xù)專業(yè)課教師評(píng)分，評(píng)價(jià)基于幾何作圖和MATLAB仿真模擬的教學(xué)效果。結(jié)果實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的綜合成績、自我評(píng)價(jià)及教師評(píng)價(jià)均優(yōu)于對(duì)照組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。結(jié)論基于幾何作圖和MATLAB仿真模擬可以使光學(xué)中的抽象概念形象化，幫助學(xué)生建立直觀的物理圖像，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果良好。

幾何作圖；MATLAB仿真模擬；眼視光應(yīng)用光學(xué)

眼視光學(xué)是近年來新興起來的一門學(xué)科，主要研究光學(xué)與視光學(xué)之間的相互關(guān)系?！堆垡暪鈶?yīng)用光學(xué)》將這兩者完美地結(jié)合起來，作為該專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅可以為學(xué)習(xí)和解答后續(xù)專業(yè)課程中出現(xiàn)的光學(xué)問題奠定良好的基礎(chǔ)，還可以在實(shí)踐操作中真正做到有理可依。但應(yīng)用光學(xué)是一門古老為復(fù)雜的學(xué)科，對(duì)于零基礎(chǔ)的眼視光專業(yè)學(xué)生而言，學(xué)習(xí)起來通常覺得內(nèi)容繁瑣抽象、枯燥乏味，極大影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。因此，本課程開設(shè)以來，我們不斷反思并積極進(jìn)行教學(xué)改革，已取得了一定的效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料 我們選擇西安醫(yī)學(xué)院2013級(jí)眼視光專業(yè)的60名學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)組，在《眼視光應(yīng)用光學(xué)》的教學(xué)過程中采用幾何作圖法引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，并將涉及到的相關(guān)光學(xué)內(nèi)容用MATLAB軟件模擬；對(duì)照組選擇2012級(jí)眼視光專業(yè)的60名學(xué)生，采用傳統(tǒng)教學(xué)法授課。授課內(nèi)容按照教學(xué)大綱要求選擇《眼視光應(yīng)用光學(xué)》教材前七章，其中理論課時(shí)44學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)；兩組研究對(duì)象的入學(xué)成績及其他相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程的成績等因素均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，可以進(jìn)行比較。

1.2 方法

1.2.1 教學(xué)方法 對(duì)照組采用常規(guī)的傳統(tǒng)教學(xué)方法，對(duì)于課程涉及的波動(dòng)光學(xué)、幾何光學(xué)及像差與像質(zhì)評(píng)價(jià)等問題借助板書與多媒體詳細(xì)說明，教學(xué)過程中盡量采用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，課后教師認(rèn)真答疑。實(shí)驗(yàn)組在教學(xué)中采用幾何作圖和MATLAB仿真模擬說明相關(guān)問題。(1)教師課前要充分備課，除了達(dá)到傳統(tǒng)教學(xué)的基本要求外，需要花大量時(shí)間精力將課程中難理解的內(nèi)容用直觀的幾何圖形表示，將不同光學(xué)平面內(nèi)的光線用不同顏色的線條加以區(qū)分，幫助學(xué)生對(duì)光學(xué)基本概念的學(xué)習(xí)和理解；(2)教學(xué)過程中自制的幾何圖形可以被分解，通過分步驟演示將復(fù)雜問題簡單化，可在學(xué)生腦海中形成長時(shí)記憶；(3)對(duì)于有大量公式推導(dǎo)且結(jié)果抽象的內(nèi)容，比如像差理論，采用MATLAB軟件進(jìn)行仿真模擬，學(xué)生不僅可以了解視光學(xué)中不同像差產(chǎn)生的原因，還可以直接觀察到模擬結(jié)果，使抽象問題形象化。

1.2.2 教學(xué)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2.2.1 理論考試與實(shí)驗(yàn)操作綜合成績 考核滿分為100分，其中理論考試占70%，實(shí)驗(yàn)操作占30%。兩組的理論考核方式相同，試題難度系數(shù)、信度、效度一致，具有可比性。

1.2.2.2 學(xué)生問卷調(diào)查 通過問卷調(diào)查學(xué)生對(duì)本課程的知識(shí)掌握情況、學(xué)習(xí)興趣、歸納總結(jié)能力、應(yīng)用能力、實(shí)踐操作能力等。每個(gè)考核內(nèi)容設(shè)有三個(gè)選項(xiàng)：良好、一般、較差。

1.2.2.3 后續(xù)專業(yè)課教師評(píng)分 《眼視光應(yīng)用光學(xué)》是學(xué)習(xí)《視光學(xué)基礎(chǔ)》、《驗(yàn)光技術(shù)》、《眼鏡學(xué)》等后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的基礎(chǔ)。同一專業(yè)課教師通過兩組學(xué)生的課堂表現(xiàn)、知識(shí)運(yùn)用情況、學(xué)習(xí)積極性和問題分析能力等方面對(duì)其進(jìn)行打分，每項(xiàng)25分，共計(jì)100分。

1.2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS16.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，兩獨(dú)立樣本的計(jì)量資料采用t檢驗(yàn)，等級(jí)數(shù)據(jù)采用秩和檢驗(yàn)，正態(tài)分布計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示。計(jì)量資料以率表示，采用χ2檢驗(yàn)。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的綜合成績比較 按照西安醫(yī)學(xué)院命題要求，兩組《眼視光應(yīng)用光學(xué)》的理論命題均包括選擇題、填空題、簡答題、作圖題和計(jì)算題，試題難度系數(shù)均為0.35，屬難度適中，具有考核意義；實(shí)驗(yàn)操作考察學(xué)生實(shí)際操作中的規(guī)范性、測(cè)得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及分析問題的邏輯性。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的綜合成績分布如圖1所示。由圖1可以看出，兩組的綜合成績均呈正態(tài)分布，采用幾何作圖和MATLAB仿真模擬后，實(shí)驗(yàn)組的正態(tài)分布峰值向高分方向移動(dòng)。 教學(xué)過程中采用幾何作圖和MATLAB仿真模擬后，實(shí)驗(yàn)組的成績有明顯提高，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)；同時(shí)實(shí)驗(yàn)組的成績極差較對(duì)照組降低，說明實(shí)驗(yàn)組學(xué)生成績兩級(jí)分化的現(xiàn)象有所改善，大部分學(xué)生都能較好的掌握基本內(nèi)容，見表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的綜合成績分布圖

表1 實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組綜合成績對(duì)比

2.2 兩組學(xué)生問卷調(diào)查結(jié)果比較 本課程結(jié)課后，我們分別對(duì)兩組學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，經(jīng)秩和檢驗(yàn)分析結(jié)果如表2所示。采用幾何作圖和MATLAB仿真模擬教學(xué)的實(shí)驗(yàn)組在知識(shí)掌握、學(xué)習(xí)興趣、歸納總結(jié)能力、應(yīng)用能力、實(shí)踐操作能力等方面都強(qiáng)于實(shí)驗(yàn)組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。

表2 實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組問卷調(diào)查結(jié)果對(duì)比[例（%）]

2.3 后續(xù)專業(yè)課教師評(píng)分 其他專業(yè)課教師通過學(xué)生在后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)中的課堂表現(xiàn)、知識(shí)運(yùn)用情況、學(xué)習(xí)積極性以及問題分析能力對(duì)兩組學(xué)生進(jìn)行打分，結(jié)果如表3?？梢钥闯觯瑢?shí)驗(yàn)組的各方面表現(xiàn)均優(yōu)于對(duì)照組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。

表3 專業(yè)課教師對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組評(píng)分比較(分，±s)

表3 專業(yè)課教師對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組評(píng)分比較(分，±s)

組別 課堂表現(xiàn) 知識(shí)運(yùn)用情況 學(xué)習(xí)積極性 問題分析能力對(duì)照組實(shí)驗(yàn)組t值P值18.05±1.8420.00±1.76 -2.985＜0.0518.10±1.9121.33±1.68 -3.120＜0.0518.48±1.8720.07±1.57 -2.513＜0.0518.43±1.0920.47±1.30 -4.649＜0.05

3 討論

通過本課程的學(xué)習(xí)，要求眼視光專業(yè)的學(xué)生掌握應(yīng)用光學(xué)中的基本成像概念、規(guī)律以及一些最基本的實(shí)用光學(xué)技術(shù)，包括簡單的光路計(jì)算以及相應(yīng)的光路圖繪制[1]。眼視光學(xué)中，從角膜至眼底的大部分檢查、診斷、治療儀器，如屈光、視野、眼壓、眼底造影等方面，都要應(yīng)用到光學(xué)技術(shù)，因此本課程對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課或今后從事相關(guān)工作有重要的指導(dǎo)意義。

一直以來，由于光學(xué)課程中涉及的概念繁瑣、物理規(guī)律抽象，傳統(tǒng)教學(xué)一直都是口授筆演的方式，給學(xué)生學(xué)習(xí)掌握本課程帶來極大的困難，教學(xué)效果也不佳[2-3]。為了解決這一問題，近年來許多教師將計(jì)算機(jī)技術(shù)用于光學(xué)教學(xué)，但大多數(shù)都是簡單采用文本投影式教學(xué)，對(duì)光學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律缺乏科學(xué)形象的描述。本課程教學(xué)中嘗試采用幾何作圖法和MATLAB仿真模擬，為學(xué)生提供觀察物理現(xiàn)象的機(jī)會(huì)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)與思考的能力。

幾何作圖法的采用不僅可以幫助學(xué)生清晰直觀地分析相關(guān)問題，還可提供全新的解決問題思路，將抽象的光學(xué)問題形象化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加課堂趣味性；同時(shí)，該方法可有效培養(yǎng)學(xué)生的思維水平和創(chuàng)新能力。

眼視光應(yīng)用光學(xué)的教學(xué)中涉及許多重要的光學(xué)圖像和光學(xué)過程，如何將這些物理現(xiàn)象進(jìn)行直觀、深入淺出的描述對(duì)于學(xué)生而言是非常重要的。MATLAB是一種將科學(xué)計(jì)算和圖像功能完美結(jié)合的語言工具，通過模擬仿真，可使學(xué)生對(duì)圖樣變化與參量之間的關(guān)系有更直觀的感受，很好的解決了真實(shí)實(shí)驗(yàn)因環(huán)境不能進(jìn)課堂的難題，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)光學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。

本實(shí)驗(yàn)組綜合成績的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，說明實(shí)驗(yàn)組除了理論知識(shí)掌握更好外，在實(shí)踐操作中也表現(xiàn)出較強(qiáng)的知識(shí)應(yīng)用能力。實(shí)驗(yàn)組75%以上的學(xué)生能夠自主將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來，學(xué)以致用，達(dá)到本專業(yè)人才培養(yǎng)的目的；且與對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組在學(xué)習(xí)中具有主動(dòng)提出問題、思考問題、解決問題的能力，而傳統(tǒng)教學(xué)的對(duì)照組學(xué)習(xí)依賴性較強(qiáng)，思維方式也不活躍[4-7]。

后續(xù)授課的專業(yè)課教師也對(duì)本課程改革后的教學(xué)方式充分肯定，他們表示實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生在相關(guān)專業(yè)課的表現(xiàn)更為突出。采用該教學(xué)模式下的學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)運(yùn)用靈活且問題分析能力強(qiáng)。

4 建 議

雖然將幾何作圖和MATLAB仿真模擬用于眼視光應(yīng)用光學(xué)教學(xué)得到了學(xué)生和相關(guān)教師的普遍認(rèn)可，但這也對(duì)該課程授課教師提出了更高的要求。它不僅要求教師具有良好的專業(yè)知識(shí)素養(yǎng)和實(shí)踐操作能力[8-9]，還要求教師熟練掌握畫圖工具和MATLAB軟件。教學(xué)過程中，教師也應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生自主探索，在掌握基本知識(shí)的前提下，利用MATLAB編寫程序?qū)χR(shí)進(jìn)行鞏固拓寬。

總之，通過以上研究討論，幾何作圖和MATLAB仿真模擬有利于將眼視光應(yīng)用光學(xué)教學(xué)過程中的抽象問題形象化，復(fù)雜問題簡單化，有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、思考和解決問題的能力，值得推廣。

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Application of geometric mapping and MATLAB simulation in teaching eye optical applied optics.

WANG Jun-jie1,WANG Cheng1,YANG Yan-ni1,YAN Jin2.1.Education&Research Office of Physics,Department of Medical Technology,Xi'an Medical University,Xi'an710021,Shaanxi,CHINA;2.Education&Research Office of Ophthalmology and Optometry,Department of Medical Technology,Xi'an Medical University,Xi'an710021,Shaanxi,CHINA

ObjectiveTo explore the effectiveness of applying geometric mapping and MATLAB simulation in the teaching with the purpose of reserving necessary optical theory knowledge for students and matting for subsequent related professional course.MethodsSixty students of grade2012 were chosen as control group(which were given traditional teaching),and60 students of grade2013 were chosen as experimental group(which were given geometric mapping and MATLAB simulation teaching).The teaching effect basing on geometric mapping and MATLAB simulation was evaluated by comparing the students'overall scores,questionnaires of self-assessment and the teachers'evaluation.ResultsThe students'comprehensive performance,self-assessment scores and teachers'evaluation of experimental group were all superior to those of control group,and the differences were statistically significant(P＜0.05).ConclusionThe application of geometric mapping and MATLAB simulation can visualize abstract concept in optics,help students establishing intuitive physical image and stimulate their interests in learning,therefore can obtain good teaching effect.

Geometric mapping;MATLAB simulation;Eye optical applied optics

R770.41

C

1003—6350（2015）16—2472—03

2015-01-27)

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.16.0895

王郡婕。E-mail：junjie880120@126.com