高職院?！皯?yīng)用光學(xué)”課程教學(xué)改革初探

王 旭 許雪芬 王志萍 錢超義 雷盼靈

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 基礎(chǔ)部，江蘇 無錫 214121)

“應(yīng)用光學(xué)”是光電信息科學(xué)與工程、光學(xué)工程等本科專業(yè)以及光電制造與應(yīng)用技術(shù)等?？茖I(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程[1-2]。對比國內(nèi)外的“應(yīng)用光學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)教學(xué)側(cè)重點有一定異同。國內(nèi)高校對于“應(yīng)用光學(xué)”的教學(xué)，內(nèi)容詳盡豐富，理論全面系統(tǒng)。以浙江大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)為例，圍繞“應(yīng)用光學(xué)”主體課程，開設(shè)了“應(yīng)用光學(xué)實驗”“光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計”“光學(xué)器件與系統(tǒng)的建模仿真”“視覺信息應(yīng)用技術(shù)”“現(xiàn)代光學(xué)CAD技術(shù)”等課程。歐美國家的大學(xué)同樣有內(nèi)容豐富的“應(yīng)用光學(xué)”教學(xué)內(nèi)容。以美國羅切斯特大學(xué)(光學(xué)工程專業(yè)排名常年保持美國第一)為例，其光學(xué)工程專業(yè)并未直接開設(shè)包括各種成像和像差理論內(nèi)容的“應(yīng)用光學(xué)”課程，而是把“應(yīng)用光學(xué)”分解為很多相關(guān)課程，例如“幾何光學(xué)”“光學(xué)系統(tǒng)布局與分析簡介”“光學(xué)照明簡介”“光源與探測器”“光學(xué)制造及測試”“透鏡設(shè)計(光學(xué)設(shè)計)”“高級光學(xué)設(shè)計”等，其教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)全面，且對課程內(nèi)容的分解更偏向應(yīng)用，課程門類更多。相比之下，國內(nèi)高職院校的“應(yīng)用光學(xué)”教學(xué)則相形見絀，不僅課時偏少，師生比偏低，相關(guān)課程也系統(tǒng)性不足，幾乎沒有外圍的或后續(xù)的相關(guān)課程。同時，高職院校的學(xué)生對新鮮知識的接受能力相對較弱。這些問題對高職院?！皯?yīng)用光學(xué)”課程取得滿意的教學(xué)效果帶來了嚴(yán)峻的考驗。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

高職院?！皯?yīng)用光學(xué)”課程的實踐訓(xùn)練軟硬件條件、師資配比、學(xué)生能力等方面均明顯不足于本科高校，但學(xué)生的培養(yǎng)工作一樣可以獨辟蹊徑、殊途同歸，達(dá)到需要的培養(yǎng)目標(biāo)。研究高職院校的學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，高職院校更側(cè)重于培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的、技術(shù)應(yīng)用能力強的、知識面較寬的應(yīng)用性專門人才。光電制造與應(yīng)用專業(yè)需要培養(yǎng)的是社會和企業(yè)需要的光學(xué)工程師，這些工程師將來主要從事光學(xué)元件加工、光電器件生產(chǎn)與檢測、光學(xué)機床與激光加工設(shè)備的使用與維護、光學(xué)設(shè)計、光學(xué)儀器的技術(shù)維護和銷售等工作。這必然要求高職院校的“應(yīng)用光學(xué)”課程教學(xué)不能完全照搬普通高校的教學(xué)方式。為此，高職院校的“應(yīng)用光學(xué)”課程需舍棄一定的系統(tǒng)性，豐富更多的實用性，重視使用工具軟件和操作硬件的能力。同時在有限的教學(xué)時間內(nèi)，拓展學(xué)生的知識寬度，培養(yǎng)學(xué)生的敬業(yè)精神。

傳統(tǒng)“應(yīng)用光學(xué)”授課采用板書與課件結(jié)合進行理論講解和公式推導(dǎo)的教學(xué)方式。由于“應(yīng)用光學(xué)”課程具有符號、公式繁多，概念抽象難懂、易混淆的特點，傳統(tǒng)的板書加課件的教學(xué)模式會使課堂顯得枯燥乏味。同時，“應(yīng)用光學(xué)”屬于較成熟的理論，課程中有大量的公式推導(dǎo)和光線追跡計算[3-4]，對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)有較高的要求。如果缺乏教學(xué)改革，高職院校的學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程的過程中會不斷遇到困難，打擊學(xué)習(xí)信心，進而喪失學(xué)習(xí)興趣，獲得較差的學(xué)習(xí)效果。

針對上述問題，筆者所在教學(xué)團隊通過教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整、教學(xué)手段的更新、教學(xué)模式的改變、考核方式的改進，嘗試提升“應(yīng)用光學(xué)”課程的教學(xué)效果。同時通過課后的興趣小組建設(shè)，進一步實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

2 教學(xué)探索

2.1 教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

“應(yīng)用光學(xué)”課程主要包括幾何光學(xué)、光線的光路計算和光學(xué)系統(tǒng)、光度學(xué)基礎(chǔ)、像差理論、典型光學(xué)系統(tǒng)、光的干涉和衍射、光的偏振、光學(xué)材料、光學(xué)設(shè)計基礎(chǔ)等內(nèi)容，課程所涉及的知識面較廣。一些普通高校通過“大學(xué)物理”和“物理光學(xué)”的學(xué)習(xí)，可以刪減“應(yīng)用光學(xué)”中的幾何光學(xué)、光的干涉衍射和偏振等內(nèi)容[5-7]。這對高職院校來說是不可取的，因為高職院校普遍不開設(shè)“物理光學(xué)”課程，甚至“大學(xué)物理”也很少開設(shè)。因此，幾何光學(xué)或基礎(chǔ)光學(xué)部分在高職院校并不能被刪減，需要加強教學(xué)。這些光學(xué)基礎(chǔ)也是學(xué)習(xí)后期光學(xué)元件設(shè)計必需的儲備知識。此外，由于課時的限制，典型光學(xué)系統(tǒng)、現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)等內(nèi)容可以留給學(xué)生按自身需求進行自習(xí)。教學(xué)內(nèi)容上還可以適當(dāng)引入較前沿的一些光學(xué)應(yīng)用的簡單介紹，如激光雷達(dá)光信號收發(fā)系統(tǒng)、光刻機自動聚焦光路等，這些前沿內(nèi)容的引入可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。考慮到高職學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)薄弱，實際教學(xué)過程中還需要考慮減少繁雜的公式推導(dǎo)，注重概念的理解和過程的邏輯分析。例如在講解光線的光路計算時，著重講解近軸條件下單折射面的光路計算，使學(xué)生理解光路計算的本質(zhì);對于多折射面光學(xué)系統(tǒng)的光路計算，主要介紹計算結(jié)果及相應(yīng)的規(guī)律，不展開具體的解析推導(dǎo)；對于多光組光學(xué)系統(tǒng)成像的理論計算也以介紹為主?；诖耍瑢W(xué)生通過“應(yīng)用光學(xué)”課程的學(xué)習(xí)，能理解幾何光學(xué)的基本概念和理論，基本掌握光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)的成像特征，并初步具備工程實踐的能力。

2.2 教學(xué)手段的更新

傳統(tǒng)“應(yīng)用光學(xué)”多媒體加板書的教學(xué)手段已經(jīng)不能完全適應(yīng)信息技術(shù)時代教學(xué)的需求，無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院采用了兩種教學(xué)手段輔助教學(xué)。

一是借助網(wǎng)絡(luò)平臺，將微課、習(xí)題、多媒體課件等資源共享給學(xué)生。無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院的“應(yīng)用光學(xué)”課程借助超星平臺，實現(xiàn)了與學(xué)生的資源共享。學(xué)生可以隨時獲取相關(guān)課件和微課內(nèi)容，同時，還可以在留言區(qū)提出問題，教師或?qū)W生都可以在討論區(qū)里討論作答。教師可以利用該平臺簽到、點名，發(fā)布課后作業(yè)、單元測試、階段測試等內(nèi)容。這個平臺既可以使學(xué)生充分利用空閑時間學(xué)習(xí)并在這個平臺的討論區(qū)把問題記錄下來，又能使教師及時了解學(xué)生學(xué)習(xí)課程中遇到的難點，逐步提高教師的教學(xué)能力和教學(xué)成效。

二是借助一些軟件，實現(xiàn)虛擬實驗、模擬實驗。因為“應(yīng)用光學(xué)”具有很強的實用性，同時理論偏復(fù)雜，具有一定的抽象性，采用Matlab、Zemax等虛擬實驗教學(xué)手段可以很好地將教學(xué)內(nèi)容形象化，使學(xué)生更容易和更深入地掌握關(guān)鍵知識點，鍛煉學(xué)生的實踐能力。例如借助Zemax平臺，學(xué)生可以實現(xiàn)很多光學(xué)元件的仿真，如透鏡、棱鏡、擴束鏡、波導(dǎo)管、LED反光杯等，并能直觀地了解這些元件的性能，同時學(xué)生借助Zemax也可以進行簡單的光學(xué)設(shè)計學(xué)習(xí)，了解成像質(zhì)量的判斷依據(jù)。而Matlab可以實現(xiàn)一些光路計算以及光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和處理。圖1為學(xué)生利用Matlab編寫的復(fù)眼透鏡裝配公差分析界面圖，圖中顯示了復(fù)眼透鏡裝配公差的數(shù)值大小與效率，以及均勻度之間的關(guān)系。

圖1 復(fù)眼透鏡裝配公差分析界面

教學(xué)手段的更新不僅是傳授知識的需要，更是學(xué)生盡早接觸市面上實際使用的一些工具軟件的重要途徑。通過若干軟件的使用，學(xué)生能夠感受到這門課程的實用性，從而端正學(xué)習(xí)態(tài)度并在課外額外投入時間用于軟件的使用練習(xí)。如果在一些軟件的使用過程中能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更能事半功倍地提升“應(yīng)用光學(xué)”課程的學(xué)習(xí)效果。

2.3 教學(xué)模式的改變

國外大學(xué)課時充分，更多采用討論教學(xué)法，即師生在課堂上的互動問答比較多。國內(nèi)高校受限于師生比例較低且課時有限，課堂授課以理論為主、實踐為輔，需要積極拓展課外學(xué)習(xí)時間。如浙江大學(xué)就采用協(xié)同教學(xué)的模式，使學(xué)生組成小組，課外共同學(xué)習(xí)課程內(nèi)容并解決教師布置的任務(wù)，教師利用課堂的少量時間進行點評。高職院校的學(xué)生同樣適用協(xié)同教學(xué)的模式，但仍有一些區(qū)別。

一是教師布置的任務(wù)可以酌情降低難度。這些課后任務(wù)可以是書本上現(xiàn)成的一些案例的延伸，如滿足一定性能的雙膠合透鏡的設(shè)計、滿足一定參數(shù)范圍的齊明透鏡的設(shè)計、滿足一定像差條件的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計等，以此降低任務(wù)難度，提高學(xué)生的任務(wù)完成成功率，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)信心。二是放寬時間限制，促進學(xué)生展開討論，允許學(xué)生在一周甚至兩周后完成任務(wù)。給予學(xué)生充分的課后調(diào)研時間，通過圖書館查書，網(wǎng)絡(luò)搜索相關(guān)資料，最終經(jīng)過小組討論得到結(jié)論。并且通過小組同學(xué)間的交流、小組之間的交流，以及班組間的交流，可以使學(xué)生更牢固地掌握課堂不易于直接掌握的知識點。三是提交任務(wù)的方式不局限于文檔等固定形式。由于高職院校的學(xué)生畢業(yè)后面對的是社會多變的需求，所以包括PPT、視頻、短視頻、WORD文檔、甚至手寫版等格式他們都可以接受，但不管什么格式，能夠完成任務(wù)的小組就可以獲得平時成績的加分。

探究式教學(xué)也常被應(yīng)用于本課程教學(xué)過程中。以適當(dāng)?shù)摹皢栴}解決”為指引，在課堂上循循善誘，按一定的思路逐步解決問題，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生自主思維、獨立解決問題的能力。例如在“如何消除或減小軸向球差”的實例中，引導(dǎo)學(xué)生嘗試多種方式解決問題，從而開拓學(xué)生思維，加強理解“球差”的概念。

此外，無論國內(nèi)還是國外高校，“應(yīng)用光學(xué)”課程的實踐環(huán)節(jié)必不可少。高職院校受限于實驗室條件與授課課時，一般不會獨立開設(shè)“應(yīng)用光學(xué)實驗”課程，因此需要在“應(yīng)用光學(xué)”課程內(nèi)配備若干基礎(chǔ)光學(xué)實驗，如“透鏡焦距的測量”“自組顯微鏡”等。

2.4 考核方式的改進

傳統(tǒng)的考核方式是以平時成績與期末考試成績加權(quán)平均的結(jié)果，期末考試所占比重約為70%，這樣的考核方式容易造成學(xué)生平時不認(rèn)真學(xué)習(xí)，考前突擊復(fù)習(xí)。而且僅僅一份期末考試的紙質(zhì)試卷并不能反映學(xué)生實踐能力的鍛煉結(jié)果。為此，我們將期末試卷的權(quán)重降低至40%，增加了軟件模擬的上機考試，以及兩個平時的階段測試。這樣的考核方式，既能對學(xué)生在各個不同階段的學(xué)習(xí)情況進行考核，及時發(fā)現(xiàn)問題，又可以反映學(xué)生實踐能力和軟件使用能力的強弱，實現(xiàn)均衡化的考核。

2.5 課外興趣小組的建立

“應(yīng)用光學(xué)”課程結(jié)束后，學(xué)習(xí)優(yōu)異且對軟件應(yīng)用有濃厚興趣的學(xué)生可以加入學(xué)校的“應(yīng)用光學(xué)”興趣小組，主要負(fù)責(zé)協(xié)助教師開展教學(xué)和科研工作。這樣，一部分學(xué)生可以繼續(xù)獲得進一步學(xué)習(xí)“應(yīng)用光學(xué)”的機會，進一步練習(xí)一些軟件的使用，提升自身的實踐能力。尤其是一些學(xué)生如果能夠參與企業(yè)的合作項目，便能極大提升學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力。

3 引入課程思政

適當(dāng)引入課程思政[8]也是取得良好教學(xué)效果的一個有效途徑。因為“應(yīng)用光學(xué)”課程是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，面向的是剛剛進入大學(xué)校園的新生。這些學(xué)生剛經(jīng)歷過高考的艱辛，憧憬著大學(xué)的幸福生活，他們的人生觀和價值觀還很不成熟，很多學(xué)生還不能完全把心思放到學(xué)習(xí)中。因此，在課程教學(xué)過程中融入一些課程思政元素，既能引導(dǎo)學(xué)生正確對待“應(yīng)用光學(xué)”課程的學(xué)習(xí)，也能幫助學(xué)生建立正確的人生觀、價值觀。

“應(yīng)用光學(xué)”作為一門實踐性較強的課程，其中的思政元素十分豐富。如在講述光學(xué)發(fā)展歷史和進程時，一定要提到中國春秋時期的學(xué)者墨子。墨子的傳世之作《墨經(jīng)》中記載：“景到，在午有端與景長，說在端。”整體解釋這句話的意思是：“影像倒立, 在光線交會處有一小孔；關(guān)于影像的大小，在于小孔相對物、像的位置?！边@是人類歷史上首次對小孔成像進行描述和分析。古希臘的歐幾里得在著作《光學(xué)》中也記載了小孔成像，但比《墨經(jīng)》的記錄要晚一百多年。所以，《墨經(jīng)》被認(rèn)為是世界上最早的光學(xué)知識著作。墨子在光學(xué)方面的研究不只是停留在小孔成像上，據(jù)《墨經(jīng)》中記載，墨子還首先探討了光與影的關(guān)系，包括物體的本影和副影的問題。此外，墨子對平面鏡、凹面鏡、凸面鏡等也進行了相當(dāng)系統(tǒng)的研究，得出了類似幾何光學(xué)的一系列基本原理。

在講述全反射及光纖時，務(wù)必提到2009年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的 “光纖之父”高錕。他利用石英玻璃制成的光纖在全世界掀起了一場光纖通信的革命。并且，高琨選擇了放棄“光纖”專利，全球人民免費享受光纖傳輸?shù)目旖莺捅憷Ｔ谥v述光學(xué)系統(tǒng)時，當(dāng)然少不了提及執(zhí)行中國首次火星探測任務(wù)的“天問一號”探測器?！疤靻栆惶枴彼鶖y帶的高分辨相機是由長春光機所自行研制的，采用了長焦距離軸三反消像散光系統(tǒng)，應(yīng)用了高陡度大偏離量離軸高次非球面反射鏡。

當(dāng)然，“應(yīng)用光學(xué)”的思政案例還有很多。如王大珩院士事跡、南仁東的“中國天眼”FAST、華為公司50倍變焦手機鏡頭等。思政案例的引入明顯可以增強學(xué)生的民族自豪感，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的信心。

4 結(jié)語

“應(yīng)用光學(xué)”作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有非常強的實踐性。針對高職院校的學(xué)生基礎(chǔ)和培養(yǎng)要求，基于高職院校的師資和課時情況，不能照搬普通本科高校的教學(xué)方式。增加學(xué)生實踐能力的提升，適當(dāng)降低理論教學(xué)的難度，壓縮非主體教學(xué)內(nèi)容，加強若干計算機輔助軟件的實操，將有助于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，有利于學(xué)生的專業(yè)實習(xí)和就業(yè)，使之成長為能夠適應(yīng)當(dāng)代信息化社會高速發(fā)展需要的應(yīng)用型人才。

高職院?！皯?yīng)用光學(xué)”的課程整合和建設(shè)是一項任重道遠(yuǎn)的工程。如何在有限的教學(xué)時間和教學(xué)資源的限制下盡可能提升學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力，需要從教學(xué)手段、教學(xué)方法等各個方面去挖掘潛力。最后，適當(dāng)引入課程思政，對教學(xué)效果的提升有畫龍點睛的效果。