基于工匠精神的光學實驗信息化教學平臺設(shè)計應(yīng)用

任婷婷 張澤奎 石金發(fā)

摘 要：在國家大力推行工匠精神，培育“中國工匠”的背景下，高職教育應(yīng)當深入滲透工匠精神。本文以光電技術(shù)應(yīng)用專業(yè)核心課程“工程光學”教學為例，基于MATLAB仿真軟件，建立了一個光學實驗信息化教學平臺，該教學平臺的使用充分體現(xiàn)了刻苦鉆研、精益求精的匠人品質(zhì)，實現(xiàn)了工匠精神在光電技術(shù)應(yīng)用專業(yè)中的滲透。

關(guān)鍵詞：工匠精神；高職；光學實驗；信息化教學平臺；工程光學

作者簡介：任婷婷，碩士，武漢軟件工程職業(yè)學院講師，研究方向為光電信號處理；張澤奎，碩士，武漢軟件工程職業(yè)學院講師，研究方向為光電子技術(shù)；石金發(fā)，碩士，武漢軟件工程職業(yè)學院講師，研究方向為激光加工。（湖北 武漢 430205）

基金項目：本文系武漢市教育局高教處教研重點課題“基于工匠精神在光電技術(shù)應(yīng)用專業(yè)建設(shè)中的滲透研究”（編號：2017038）的研究成果。

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）20-0074-03

目前，我國正大力倡導工匠精神，培育“中國工匠”。精益求精的“工匠精神”體現(xiàn)在企業(yè)的生產(chǎn)和服務(wù)過程中，卻始于職業(yè)教育。占據(jù)高等教育半壁江山的高職教育，已成為實現(xiàn)“一帶一路”“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略的重要支撐力量。為社會培養(yǎng)技能人才的高職教育，必然在培育工匠精神中承擔重任。因此，在高職教育中深入滲透工匠精神具有重要意義。光電技術(shù)應(yīng)用專業(yè)作為湖北省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)計劃專業(yè)、湖北省高等職業(yè)教育特色專業(yè)，其專業(yè)核心基礎(chǔ)課程“工程光學”是一門專業(yè)性、技術(shù)性較強的課程，學生對該門課程的掌握對后續(xù)專業(yè)課程的學習具有承上啟下的重要作用。此課程的教學目標是培養(yǎng)學生光學基礎(chǔ)理論的理解和運用技能，促使學生能在后續(xù)學習中掌握光電探測、光纖通信、激光技術(shù)等方面的應(yīng)用技能。傳統(tǒng)教學中主要運用了講授和實操的教學方式，在信息化的時代背景下，本文運用ATLAB軟件設(shè)計了一個光學實驗信息化教學平臺，使得學生對光學現(xiàn)象的理解形象化，并通過舉一反三的實驗設(shè)計，深入鉆研該知識點，充分體現(xiàn)工匠精神在該課程教學中的滲透。

一、“工程光學”課程教學現(xiàn)狀

“工程光學”是對光學基礎(chǔ)知識的學習，學生通過研究一些基本的光學現(xiàn)象，學習和掌握工程光學的理論知識和實驗方法。傳統(tǒng)教學中，理論知識的教學以教師講授為主，實驗教學為輔，以此通過教學做一體化的方法使學生更容易理解和掌握知識點。教學中設(shè)計了“光的干涉”“光的衍射”“信息光學變換”等理論章節(jié)，對應(yīng)理論章節(jié)設(shè)計了“雙棱鏡干涉”“衍射法測細絲直徑”“光的偏振”等實驗操作內(nèi)容。而在實際教學中，工程光學實驗中使用的儀器比較精密，光學儀器的調(diào)節(jié)也比較復雜，只有在了解了儀器結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，才能選擇有效而準確的調(diào)節(jié)方法，完成實驗內(nèi)容。這就勢必要求學生在實驗前很好地掌握光學理論，調(diào)節(jié)過程中更要具備良好的科學實驗素養(yǎng)，整個實驗對學生的思考能力和動手能力要求較高。在實際的教學過程中，僅通過一定的理論講授后就要求學生充分理解理論知識并聯(lián)系實際，較好地完成實驗操作、理解實驗內(nèi)容，是不現(xiàn)實的。大部分學生對光學實驗僅停留在按章操作的程度，并不能理解該實驗現(xiàn)象對應(yīng)的理論知識。這種現(xiàn)象極大地影響了學生對光學知識的掌握，導致“工程光學”課程教學質(zhì)量不高，很難培養(yǎng)出高素質(zhì)的“工匠”型技能人才。

二、基于MATLAB的光學實驗平臺設(shè)計

針對上述實際教學中的問題，本文設(shè)計的光學實驗信息化教學平臺，能實現(xiàn)光的干涉、光的衍射、信息光學變換等多種光學實驗現(xiàn)象仿真，并對多種實驗參數(shù)進行調(diào)節(jié)，觀察不同實驗條件對實驗現(xiàn)象的影響，同時能與真實實驗現(xiàn)象進行對比，舉一反三，是學生深入理解和探究光學現(xiàn)象的有效手段。通過該平臺的運用，學生能在教師理論講授后，通過該平臺對理論知識進行一定的梳理，通過反復的現(xiàn)象仿真，思考這種光學現(xiàn)象產(chǎn)生的原理，并在仿真后進行實驗操作，對比仿真結(jié)果和實操結(jié)果，思考其中的異同。整個教學過程充分體現(xiàn)了工匠鉆研精神。

MATLAB作為科學計算軟件，主要適用于矩陣運算和信息處理領(lǐng)域的分析設(shè)計，其特點是使用方便、輸入便捷、運算功能齊全，并且?guī)в写罅康暮瘮?shù)庫可供使用。用它來編寫程序，不需要大量煩瑣的編程過程，只需以數(shù)學方式表達和描述，因此特別適合工程計算和教學軟件的編寫。采用MATLAB GUI設(shè)計對光學實驗進行仿真，界面豐富直觀，可以直接在界面中輸入和改變參數(shù)而不需要改變原程序，直觀地分析各參數(shù)的變化對實驗結(jié)果的影響。本文利用MATLAB GUI設(shè)計了一個光學實驗仿真信息化教學平臺，下面分別介紹該教學平臺中各個部分的設(shè)計：

1.平面波前的實現(xiàn)。二維x-y直角坐標可唯一地確定一個平面，用這個平面表示光波場的波前，可以在此平面上對光波場的復振幅作相應(yīng)的各種運算。用MATLAB語言可以方便地確定這樣一個平面：利用MATLAB庫函數(shù)meshgrid（）生成兩個N×N維矩陣變量m和n，其中矩陣m按行變換，矩陣n按列變換，按照這兩個矩陣尋址可以確定用矩陣U表示的平面上的任意像素，可以根據(jù)需要確定矩陣的階數(shù)N，即平面的采樣點數(shù)。

2.光的干涉現(xiàn)象。以光的干涉原理為基礎(chǔ)，研究光的干涉實驗仿真的基本原理和仿真方法，程序中的可調(diào)參數(shù)為：入射光波長λ、雙縫的距離d、雙縫到觀察屏距離z。用光波波前疊加的方法實現(xiàn)了對楊氏雙縫干涉實驗的仿真，并展示仿真圖形結(jié)果，能通過界面調(diào)整雙縫寬度和雙縫到觀察屏的距離。

3.光的衍射現(xiàn)象。根據(jù)夫瑯和費衍射原理及實驗裝置建立仿真實驗的數(shù)學模型，利用光波疊加法得到單縫、矩形孔、圓孔衍射屏的夫瑯和費衍射仿真實驗結(jié)果，并展示仿真圖形結(jié)構(gòu)，能通過界面調(diào)整單縫、矩形孔、圓孔衍射屏的寬度及衍射屏到觀察屏的距離。單縫衍射仿真與干涉仿真類似，矩形孔衍射的仿真只需要將光強隨x、y方向的變化計算出來即可。

4.信息光學變換。根據(jù)阿貝成像原理和4f系統(tǒng)給出光學空間濾波過程的物理公式，實現(xiàn)郎齊光柵空間濾波和阿貝—波特實驗的仿真，并展示仿真圖形結(jié)構(gòu)，能通過界面調(diào)整濾波器的形狀和大小。調(diào)用MATLAB數(shù)據(jù)分析和傅里葉變換函數(shù)庫中的二維離散傅里葉變換函數(shù)fft2（）和逆變換函數(shù)ifft2（），對二維矩陣進行快速傅里葉變換，可得到包括振幅和相位兩部分的復振幅分布函數(shù)，實現(xiàn)濾波過程。另外，為了方便信息化教學，該平臺可同步到手機進行演示操作，可通過互動軟件共享實驗的數(shù)據(jù)，方便檢查評分。

三、光學實驗信息化教學平臺的應(yīng)用

1.教師講解展示。由于“工程光學”課程具有極高的理論性，所以在課程前部分，教師應(yīng)通過多媒體設(shè)備為學生詳細講解各知識點的來龍去脈，通過視頻展示各個光學現(xiàn)象在實際生活中的應(yīng)用，這樣便于學生通過理論學習和視頻展示學習相關(guān)知識點，對枯燥的理論知識有一個形象的認識。

2.光學實驗平臺的操作演示。在理論講授結(jié)束后，教師可通過電腦將光學實驗平臺操作界面同步到學生手機上，讓學生能更直接地進行實驗步驟的模仿練習。演示過程中，學生可通過“彈幕”實時向教師反饋學習情況，提出疑問。

3.學生操作光學實驗平臺。通過教師演示后，學生可以自己進行光學實驗平臺的操作，觀察實驗現(xiàn)象，調(diào)整實驗參數(shù)，設(shè)計實驗過程，分析和對比實驗結(jié)果，循序漸進理解和掌握該知識點，并在該平臺上進行記錄評分。

4.學生進行實物實驗。運用光學元件對光學實驗進行實際操作，并實現(xiàn)在光學實驗平臺中設(shè)計的實驗過程，將實際實驗結(jié)果與平臺仿真結(jié)果進行對比，再由教師對學生實驗操作效果進行檢驗點評。

在后續(xù)教學中，我們還要不斷改革信息化教學模式，在教學過程中引入更多的信息化教學方法和教學引導機制，提升教學效果。例如，隨著電子產(chǎn)品及信息化時代的不斷發(fā)展，越來越多學生手機不離手。針對這一現(xiàn)象，后續(xù)我們可將該平臺設(shè)計移植到手機App中，讓學生能使用手機在課堂上與教師同步進行實驗仿真，讓有興趣的學生在課后隨時隨地進行實驗，激發(fā)學生的學習興趣。信息化教學模式是一種創(chuàng)新型的教學形式，在“工程光學”課程教學中使用“光學實驗信息化教學平臺”能極大地促進學生對課程理論知識和技能的掌握，通過該平臺實現(xiàn)課上和課下的學習，培養(yǎng)學生的鉆研精神，培養(yǎng)具有“工匠精神”的高端技能型人才。

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責任編輯 陳 莉