淺談光科技在現(xiàn)代社會中的應(yīng)用通識課程教學(xué)改革

周輝 鄭國興 吳瓊水

[摘 要] 光科技在現(xiàn)代社會中的應(yīng)用課程是武漢大學(xué)“科學(xué)精神與生命關(guān)懷”領(lǐng)域內(nèi)的第一批通識課，旨在為全校非光學(xué)專業(yè)的學(xué)生普及光科技知識，提升學(xué)生的科研素養(yǎng)。為提高課程的教學(xué)質(zhì)量，文章從課程開設(shè)的必要性、課程內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)方法和考核方式四個方面進行論述課程改革的基本情況。同時，對課程改革過程中存在的問題進行梳理和分析。

[關(guān)鍵詞] 光科技;通識課;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法;考核方式

[作者簡介] 周 輝（1979—），男，江西撫州人，博士，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院副教授，研究方向為激光遙感與空間探測。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）42-0169-03? ? [收稿日期] 2019-11-29

一、引言

光學(xué)是一門歷史悠久的基礎(chǔ)學(xué)科，也是當(dāng)今世界高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的主導(dǎo)學(xué)科之一。光學(xué)的起源最早可追溯到公元兩千多年前，經(jīng)歷了萌芽時期、幾何光學(xué)時期、波動光學(xué)時期、量子光學(xué)時期、現(xiàn)代光學(xué)時期等5個時期的發(fā)展[1]，期間涌現(xiàn)出光纖通信、光傳感、光加工、光存儲、光計算和光顯示等新興的光電信息產(chǎn)業(yè)和技術(shù)，極大地推動了人類社會的發(fā)展，使得人類在21世紀邁入了信息社會[2]。

光學(xué)在現(xiàn)代社會的應(yīng)用如此廣泛，以至于今天的文明生活、科技和文化都離不開光學(xué)，明天社會的發(fā)展更依賴于光學(xué)。但是，光學(xué)對現(xiàn)代社會進步和發(fā)展的作用尚未得到應(yīng)有的廣泛了解。因此，要大力普及光學(xué)知識，讓人們享受光學(xué)、理解光學(xué)和用好光學(xué)[3]。然而，光學(xué)知識的普及不僅僅應(yīng)側(cè)重于光學(xué)專業(yè)理論的灌輸和技能培訓(xùn)，還應(yīng)從通識教育角度出發(fā)，培養(yǎng)非光學(xué)專業(yè)學(xué)生對相關(guān)光學(xué)常識的認知。

受益于武漢大學(xué)通識課改革政策的支持，筆者在“科學(xué)精神與生命關(guān)懷”領(lǐng)域申報并獲批了《光科技在現(xiàn)代社會中的應(yīng)用》通識課程。本課程秉持理論與實際相結(jié)合的教學(xué)理念，從身邊的簡單光自然現(xiàn)象、生活中常見的光科技產(chǎn)品和高深的光科學(xué)前沿等方面入手，通過講述基本的光學(xué)概念與原理，解釋這些現(xiàn)象的產(chǎn)生原因和光科技產(chǎn)品的工作過程及其應(yīng)用，從而讓廣大學(xué)生了解有關(guān)光科技在現(xiàn)代社會中的科普知識。這將有利于學(xué)生掌握光科技在生活、醫(yī)療、軍事和科學(xué)研究方面的應(yīng)用發(fā)展，同時，促進光學(xué)與機械加工、通信、遙感、測繪和資源環(huán)境等不同學(xué)科領(lǐng)域的交叉滲透、知識融通，為學(xué)生更好學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程和未來工作奠定基礎(chǔ)。本文將從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式三個方面展開論述，并對課程改革中存在的問題提出可能的解決方法。

二、開展課程內(nèi)容設(shè)計，體現(xiàn)課程的通識性

作為一門通識課，《光科技在現(xiàn)代社會中的應(yīng)用》面向全校理、工、文、法、醫(yī)等各年級學(xué)生開設(shè)，其課程內(nèi)容的設(shè)計必須考慮授課對象的知識層次和專業(yè)背景的差異，兼顧其學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)興趣，強調(diào)教學(xué)內(nèi)容的普適性和入門性[4]。區(qū)別傳統(tǒng)一成不變的專業(yè)課程，本課程內(nèi)容要求不斷更新，旨在提升其新穎性和現(xiàn)實應(yīng)用性。

光科技所涉及的范圍非常廣，在課程內(nèi)容設(shè)計上，以貼近生活的光科技產(chǎn)品和熱門的光科技前沿為導(dǎo)向，以通識科普教育為原則，將課程內(nèi)容分為七個章節(jié)：

第一章對光學(xué)發(fā)展歷程的回顧與展望。以時間線為出發(fā)點，對光學(xué)發(fā)展歷史階段所出現(xiàn)的重要歷史人物和歷史事件進行回顧，總結(jié)各階段光學(xué)發(fā)展的特點，同時，闡述現(xiàn)階段光科技在現(xiàn)代社會中的應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)特點和作用。最后，展望光科技的發(fā)展趨勢及在未來社會中的應(yīng)用前景。

第二章激光技術(shù)與應(yīng)用。闡述激光的基本概念、發(fā)展歷史以及激光的產(chǎn)生原理，同時，論述激光區(qū)別于普通光所具備的特點、常見的激光器類型及其應(yīng)用場合。最后，從醫(yī)療、工業(yè)、能源到科學(xué)研究和軍事等應(yīng)用領(lǐng)域，具體講述激光醫(yī)療、激光加工、激光核聚變、激光干涉引力波探測和激光制導(dǎo)與激光武器等激光科技或產(chǎn)品的基本概念、工作原理和具體應(yīng)用。

第三章光電檢測技術(shù)。詳述光電傳感器的種類與工作原理、光電檢測系統(tǒng)的基本組成及其類型。同時，借助于光在大氣中傳輸?shù)乃婕暗墓鈱W(xué)定律解釋常見的大氣光學(xué)現(xiàn)象。最后，以激光測距系統(tǒng)、激光雷達系統(tǒng)和光譜檢測系統(tǒng)為例，闡述這些系統(tǒng)的組成、工作原理及應(yīng)用實例。

第四章光通信技術(shù)。講述通信的基本知識（包括通信的方式和通信的波段）和光通信的發(fā)展歷史，并論述現(xiàn)代光通信系統(tǒng)的基本組成和工作過程，重點闡述目前光通信網(wǎng)絡(luò)中常見的無源光通信器件，最后簡述幾種無線光通信技術(shù)（無線可見光通信和激光通信）。

第五章圖像傳感技術(shù)。首先講述人眼的基本結(jié)構(gòu)、視覺成像過程及其視覺成像的特性，并從人眼視覺成像中存在的缺陷，引述出光學(xué)相機的發(fā)展歷史和基本組成，重點描述圖像傳感器的工作原理及其特點。最后，詳述圖像傳感器的幾個應(yīng)用實例，包括常見的家用數(shù)碼相機、航天相機與哈勃望遠鏡、微光夜視儀、內(nèi)窺鏡等。

第六章光電顯示技術(shù)。講述光電顯示的圖像的基本屬性及光電顯示的基本原理、顯示器的基本分類及其關(guān)鍵的技術(shù)指標，介紹現(xiàn)代社會中常見的幾種顯示方式，包括陰極射線管顯示、等離子體顯示、液晶顯示、有機發(fā)光二極管顯示、投影顯示和3D顯示。

第七章光存儲技術(shù)。簡述常見的數(shù)據(jù)存儲器的類型，闡述光盤存儲的優(yōu)勢、發(fā)展歷史以及現(xiàn)有光盤分類與特點，重點介紹光盤的結(jié)構(gòu)及其讀寫的基本原理，同時，展望在未來光盤的發(fā)展方向（包括藍光光盤、全息光盤）。

各章節(jié)內(nèi)容之間相互獨立，均以相關(guān)光科技的概念、發(fā)展歷史、工作原理和應(yīng)用實例為核心內(nèi)容。各章節(jié)內(nèi)容會根據(jù)現(xiàn)有光科技的發(fā)展和應(yīng)用情況進行實時更新，旨在讓學(xué)生掌握光科技的基本科普知識，了解日常生活和科學(xué)研究中常見的光科技產(chǎn)品的原理與特點，為其未來的生活、工作和科學(xué)研究提供一定的知識儲備。

三、革新教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

光科技在現(xiàn)代社會中的應(yīng)用作為一門通識選修課，總的課程時間為32學(xué)時，而課程內(nèi)容涉及的知識面較廣，我們不可能深入地講述光科技的細枝末節(jié)，但是，對課程內(nèi)容中的重要概念和應(yīng)用實例，則需要采用生動的語言并借助于輔助工具加以形象表達。因此，為提升學(xué)生對本課程知識點的興趣，光科技的應(yīng)用課程采取了以下新的教學(xué)方式：

1.課程內(nèi)容是開放式的，會以現(xiàn)實生活中最熱門的光科技產(chǎn)品或近幾年諾貝爾物理學(xué)獎所涉及的光科技前沿為牽引開展課程內(nèi)容的講述，從而最大限度地引起學(xué)生的關(guān)注。例如，在講述光顯示技術(shù)章節(jié)內(nèi)容時，我們會先展示華為手機最新的柔性屏顯示的例子，并提問這種光顯示的特點與優(yōu)勢是什么，激發(fā)學(xué)生對光顯示技術(shù)的興趣，從而循序漸進地展開光顯示技術(shù)章節(jié)內(nèi)容的講述。

2.搜集與課程內(nèi)容相關(guān)的圖片、動畫和視頻素材，建設(shè)課程資源庫，采用多媒體方式直觀展現(xiàn)光科技的基本概念、工作原理和應(yīng)用實例。例如，在講述激光技術(shù)與應(yīng)用章節(jié)內(nèi)容時，我們首先會通過放映一段視頻讓學(xué)生了解激光產(chǎn)生的歷史過程及其原理，然后利用圖片和動畫素材解釋激光產(chǎn)生所涉及的物理概念，最后，又通過所剪輯的科幻電影片段和新聞報道等視頻再現(xiàn)激光在武器、制導(dǎo)等方面的應(yīng)用，從而使得學(xué)生形象地掌握激光到底是什么，激光好在哪，激光可以干什么等等常識。

3.結(jié)合相關(guān)教學(xué)器具，展示部分光科技的工作過程或解釋部分光學(xué)現(xiàn)象。筆者將所在實驗室已有的部分科研設(shè)備和部分購置的教具搬入課堂，配合幻燈片形象講述部分課程內(nèi)容。例如，在講述光纖通信章節(jié)內(nèi)容時，我們會展現(xiàn)光纖、光纖分光器和可見光通信模擬系統(tǒng)，讓學(xué)生對光纖、光無源器件和光通信系統(tǒng)等組成和工作原理有更為深入的理解。

4.增加課堂討論環(huán)節(jié)，讓學(xué)生更加積極地參與到課堂教學(xué)中。例如，在講述光存儲技術(shù)時，我們提出光盤在現(xiàn)代社會中的應(yīng)用逐漸減少，那么未來光盤會不會從我們生活中消失，以此為題，讓學(xué)生對未來光盤的發(fā)展趨勢進行展望?？傊?，本課程在講述過程中，采用多種媒體與部分現(xiàn)場展示相結(jié)合的方式進行授課，增加課堂討論環(huán)節(jié)，以提升課程內(nèi)容的趣味性，增強學(xué)生與老師之間的互動性，從而減少課程內(nèi)容的枯燥性，加深學(xué)生對課程內(nèi)容的理解與掌握。[5]

四、改革考核方式，提升評價的科學(xué)性

傳統(tǒng)的教學(xué)考核主要以學(xué)生作業(yè)和考卷成績作為評價標準，這種考核方式能夠考查學(xué)生對知識點的掌握程度，卻無法體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新思維。因此，本課程采用多種靈活措施相結(jié)合的方式進行考核，重視學(xué)生的創(chuàng)造性應(yīng)用能力。

1.根據(jù)課程內(nèi)容中所涉及的光科技知識，筆者編寫相應(yīng)的課程題庫，考查學(xué)生對基礎(chǔ)知識點的掌握情況。

2.將學(xué)生課堂的表現(xiàn)包括課堂回答問題和討論情況作為考核成績的一部分，極大鼓勵學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的參與和互動。

3.若期末考核以提交作品形式來呈現(xiàn)時，題材和題目不限，學(xué)生可以根據(jù)某一個光科技熱點問題或?qū)ｎ}展開論述或分析。形式不限，學(xué)生可以按照課程論文、PowerPoint文檔或視頻方式提交作品。

4.若期末考核以試卷形式來完成時，則以主觀開放性試題為主，考核學(xué)生的發(fā)散性思維和舉一反三的應(yīng)用能力。

上述考核方式各有利弊，會根據(jù)每學(xué)期課程的開設(shè)情況，靈活選擇合適的考核方法，其主要目的是希望調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生主動性思考能力，從而真正學(xué)好本課程。

五、存在的問題

光學(xué)是一門不斷在發(fā)展的學(xué)科，隨著科技的不斷發(fā)展，光科技在現(xiàn)代社會中的應(yīng)用越來越廣，相應(yīng)的光科技成果或報道也越來越多。如何全面搜集這些最新的信息并將其融合到課程章節(jié)內(nèi)容中，其工作量和難度都是非常巨大的。因此，在本課程建設(shè)過程中，可以借鑒其他同類課程的優(yōu)秀成果或經(jīng)驗[6-7]，從而及時更新課程內(nèi)容。

另外，課堂展示的光學(xué)器具成本較高，在課程建設(shè)經(jīng)費有限的條件下，無法購置課程內(nèi)容所需的全部器件，從而使得課堂展示的效果受到一定影響。后期將根據(jù)課程內(nèi)容重新設(shè)計相關(guān)的展示環(huán)節(jié)，并通過不斷補充新的課堂器具，更為生動地呈現(xiàn)核心課程內(nèi)容。

六、結(jié)束語

進入21世紀，光科技及其產(chǎn)業(yè)逐漸成為當(dāng)今世界高科技產(chǎn)業(yè)中的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。它不僅是電子信息產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重大變革的基礎(chǔ)，而且對世界政治、經(jīng)濟、文化等物質(zhì)和人們生活產(chǎn)生了重大影響。光科技在現(xiàn)代社會中的應(yīng)用通識課從課程內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)方法和考核方式三個方面開展課程改革，旨在讓非光學(xué)專業(yè)的學(xué)生掌握光科技的基本常識，可拓寬學(xué)生知識基礎(chǔ)，培養(yǎng)其多角度思考問題能力、批判性思維能力等[8]。目前，該課程的改革尚處于初步探索階段，后期將在具體的教學(xué)實踐過程中進一步調(diào)整和優(yōu)化。

參考文獻

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On the Teaching Reform of the General Course in the Application of Optical Science and Technology in Modern Society

ZHOU Hui，ZHENG Guo-xing，WU Qiong-shui

（Electronic Information School，Wuhan University，Wuhan，Hubei 430072，China）

Abstract：The course in the Application of Optical Science and Technology in Modern Society belongs to the first batch of general courses of Wuhan University in the fields of scientific spirit and life concern.The purpose of this course is to popularize the knowledge of optical science and technology for the non-optical professional undergraduates and improve their scientific research accomplishments.In order to enhance the teaching quality of this course，this paper expounds the fundamental situation of the course reform from four aspects：the necessity of offering course，content design，teaching method，and assessment form.At the same time，some issues existing in the reform of this course are sorted out and analyzed.

Key words：optical science and technology;general course;teaching content;teaching method;assessment form