現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)在線直播教學(xué)實(shí)踐

朱 昊， 郭 宏， 宗 嵩， 李瑤瑤， 曹良才

（清華大學(xué)精密儀器系光電工程研究所，北京 100084）

0 引 言

自2020 年初至今，一場(chǎng)突如其來(lái)的新冠疫情使我國(guó)乃至全球的教育系統(tǒng)遭遇前所未有的挑戰(zhàn)，學(xué)生無(wú)法返校，大中小學(xué)因防疫需要全面轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)［1］。與傳統(tǒng)的課堂授課相比，實(shí)驗(yàn)課程，尤其是對(duì)儀器的精細(xì)調(diào)節(jié)有嚴(yán)格要求的研究生光學(xué)實(shí)驗(yàn)，改成直播網(wǎng)課，會(huì)面臨許多困難［2-4］。光學(xué)實(shí)驗(yàn)在正常教學(xué)中的調(diào)節(jié)和操作已很復(fù)雜，經(jīng)常需要在暗室環(huán)境操作，且信號(hào)微弱，不易觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。而直播網(wǎng)課卻需要明亮的背景、對(duì)比度強(qiáng)烈的圖像，這就產(chǎn)生了一定的矛盾。我校精密儀器系將2020 年春季學(xué)期的研究生現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容從實(shí)驗(yàn)室移到網(wǎng)上，通過(guò)技術(shù)手段和課程設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行探索，獲得了良好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 從實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)到網(wǎng)課PPT

現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程已開(kāi)設(shè)20 多年，課堂授課與實(shí)驗(yàn)操作各占50%學(xué)時(shí)，是一門(mén)理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合的課程。本學(xué)期有14 名學(xué)生選修，主要來(lái)自精密儀器系、物理系和能源動(dòng)力系的博士生。課程改為網(wǎng)課后，將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)按網(wǎng)課特點(diǎn)改為PPT，精簡(jiǎn)文字，大量插入實(shí)驗(yàn)裝置全景照片、以及不同角度和距離拍攝的特寫(xiě)照片，必要時(shí)插入短視頻和解說(shuō)詞。

在教學(xué)設(shè)計(jì)中參考了科教記錄片的表現(xiàn)方法，深入淺出、形象生動(dòng)地將深?yuàn)W理論轉(zhuǎn)換成模型觀察和簡(jiǎn)化原理圖，做到一目了然，與生活實(shí)際結(jié)合且有趣［5］。例如，課程中有一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是體視顯微鏡的拆裝。要求學(xué)生先操作體視顯微鏡觀察樣本，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)拆解，記錄拍攝過(guò)程，復(fù)原儀器至正常工作狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上網(wǎng)后，固然有學(xué)生無(wú)法實(shí)際操作的缺憾難以彌補(bǔ)，但自制模型用手機(jī)通過(guò)左右兩個(gè)顯微目鏡拍攝特寫(xiě)照片，將以前實(shí)驗(yàn)操作中學(xué)生容易忽視的細(xì)節(jié)凸顯出來(lái)。隨后引入自創(chuàng)的立體視覺(jué)形成的正方形與圓組合的原理圖［6］，附加一個(gè)課堂思考題：如何借助立體反光鏡或其他技術(shù)手段，將正方形圖案由遠(yuǎn)到近或由近到遠(yuǎn)，穿越空中的圓形圖案，在人眼中獲得立體電影效果（見(jiàn)圖1）？目前這個(gè)問(wèn)題在許多科技館和博物館的立體展示柜中都有涉及，也有相應(yīng)的解決方案，但都必須在較遠(yuǎn)距離和暗環(huán)境下才能觀察到［7-8］。這個(gè)思考題，具有實(shí)用性、挑戰(zhàn)性，可激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力。

圖1 體視顯微鏡拆裝實(shí)驗(yàn)的部分網(wǎng)課課件

網(wǎng)課課件編寫(xiě)指導(dǎo)思想是生動(dòng)、形象、簡(jiǎn)短。多插入小視頻和特寫(xiě)照片，注意利用特殊顏色和符號(hào)標(biāo)注突出重點(diǎn)。注意交互性，適時(shí)提出思考題，可加入對(duì)學(xué)生提問(wèn)環(huán)節(jié)，以保持課堂關(guān)注度，防止學(xué)生注意力渙散。

1.2 直播實(shí)驗(yàn)時(shí)間分配和教學(xué)內(nèi)容重組

網(wǎng)課直播與線下光學(xué)實(shí)驗(yàn)有截然不同的特點(diǎn)，學(xué)生在家上網(wǎng)課，易疲勞，難長(zhǎng)久保持精神緊張狀態(tài)。教育部要求將網(wǎng)課分成20 min左右的小段，段間為學(xué)生休息時(shí)間；而實(shí)際的光學(xué)實(shí)驗(yàn)往往持續(xù)1 h 以上。這要求教師將整塊實(shí)驗(yàn)內(nèi)容切割成小片段，片段間相對(duì)獨(dú)立，每一片段介紹一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。為此，以計(jì)算全息實(shí)驗(yàn)為例制訂了網(wǎng)課時(shí)間分配方案如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)課時(shí)間分配方案

以計(jì)算全息和數(shù)字全息為例對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了重組。這2 套系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)干板全息需用化學(xué)濕法暗室工藝（曝光、定影、顯影、晾干）的缺點(diǎn)，利用天文級(jí)10 μm以下小像素CMOS相機(jī)和空間光調(diào)制器（SLM）構(gòu)建為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。所用器材多、光路調(diào)節(jié)復(fù)雜，是結(jié)合了光學(xué)、數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的綜合性教學(xué)實(shí)驗(yàn)［9-11］，具有代表性。如圖2 所示。

圖2 計(jì)算全息與數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)

學(xué)生以線下操作方式在實(shí)驗(yàn)室完成這2 個(gè)實(shí)驗(yàn)需要3 學(xué)時(shí)：計(jì)算全息實(shí)驗(yàn)1 學(xué)時(shí)，數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)2 學(xué)時(shí)。改成網(wǎng)課直播，先必須省略大量光學(xué)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)；因課時(shí)所限要改成20 min的短片段。因此，將計(jì)算全息實(shí)驗(yàn)改編成段落1（再按每個(gè)片段20 min 分成3 個(gè)短片段，下同）；將數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)中的全息圖頻譜記錄部分編為段落2、將數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)的全息圖再現(xiàn)部分改成段落3。改編依據(jù)是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的復(fù)雜程度和相對(duì)獨(dú)立性。每個(gè)段落信息量相當(dāng)，學(xué)生可以單獨(dú)學(xué)習(xí)，基本不受其他段落影響。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境要求苛刻，直播時(shí)可將需暗室環(huán)境的一些實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象用錄播的方式展現(xiàn)給學(xué)生；注意在課件中用特寫(xiě)照片凸顯關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，教師在解說(shuō)時(shí)強(qiáng)調(diào)知識(shí)點(diǎn)，發(fā)揮網(wǎng)課在表現(xiàn)手法多樣性方面的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短。

線下實(shí)驗(yàn)改成直播，操作時(shí)間縮短約一半，可將多余時(shí)間用于介紹其他相關(guān)知識(shí)或進(jìn)行師生網(wǎng)上互動(dòng)交流討論；以豐富教學(xué)形式、避免單調(diào)乏味的單純講授。

為保證拍攝質(zhì)量，在財(cái)力允許范圍內(nèi)盡可能采購(gòu)較高檔的攝像機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)照明設(shè)備（如LED 背景燈）、手機(jī)拍攝穩(wěn)定設(shè)備（可防止拍攝近景時(shí)因人手抖動(dòng)造成的圖像晃動(dòng)模糊，見(jiàn)圖3）、無(wú)線麥克風(fēng)等［12］。

2 教學(xué)直播

2.1 直播硬件系統(tǒng)構(gòu)建

現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程基本都是光機(jī)電結(jié)合的綜合實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置1 臺(tái)以上電腦。直播中講到某個(gè)實(shí)驗(yàn)，就將該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)控電腦的顯示屏共享到騰訊會(huì)議的主界面上，讓學(xué)生有身臨其境的效果［13］。

網(wǎng)課直播借鑒了科教記錄電影的拍攝方式?，F(xiàn)場(chǎng)配置3 臺(tái)攝像頭：一臺(tái)固定機(jī)位全景攝像機(jī)拍攝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體；一臺(tái)特寫(xiě)攝像用安裝了穩(wěn)定設(shè)備的手機(jī)拍攝實(shí)驗(yàn)近景和特寫(xiě)鏡頭；一臺(tái)拍攝中景，跟隨教師走動(dòng)，拍攝教師和講解的裝置。這樣的設(shè)計(jì)兼顧了遠(yuǎn)、中、近景，實(shí)現(xiàn)了全方位、無(wú)死角觀察實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可在網(wǎng)課的軟件界面，選擇自己感興趣的攝像頭放大觀看，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的參與度和主動(dòng)性。

在圖3 中，學(xué)生通過(guò)電腦的桌面能看到實(shí)驗(yàn)原理和一些預(yù)先拍攝的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并能通過(guò)3 個(gè)攝像頭看到實(shí)驗(yàn)中的不同場(chǎng)景，有一個(gè)攝像由手機(jī)攝像頭提供，手機(jī)攝像頭由大疆（DJI）靈眸手持云臺(tái)穩(wěn)定器作為直播支架，提供穩(wěn)定的近景圖像視頻。

2.2 實(shí)驗(yàn)直播的軟件平臺(tái)

為充分利用教育網(wǎng)帶寬高、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了有線連接、無(wú)線連接、手機(jī)熱點(diǎn)連接等多種上網(wǎng)方式，課前進(jìn)行多種聯(lián)網(wǎng)方式切換測(cè)試，防止網(wǎng)課進(jìn)行過(guò)程中因斷網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定引起的教學(xué)中斷。直播中的聲音主要由電腦或近景手機(jī)來(lái)采集，注意關(guān)閉和屏蔽其他聲音，避免產(chǎn)生回聲或雜音。

直播軟件平臺(tái)采用以騰訊會(huì)議為主、清華大學(xué)學(xué)堂在線開(kāi)發(fā)的荷塘雨課堂線上教學(xué)平臺(tái)為輔的方式［14］。學(xué)生可同時(shí)用2個(gè)軟件上網(wǎng)課，用手機(jī)和電腦同時(shí)觀看不同的視角，并根據(jù)自己喜好和習(xí)慣選擇切換［15］。

3 教學(xué)效果分析

為保證教學(xué)質(zhì)量，改進(jìn)教學(xué)方式，教師在課程進(jìn)行中做了多次無(wú)記名問(wèn)卷調(diào)查，絕大多數(shù)同學(xué)們對(duì)這種新型教學(xué)方式持支持態(tài)度，對(duì)教學(xué)效果比較滿意。學(xué)生微信群評(píng)論：“今天的網(wǎng)課效果感覺(jué)很好，沒(méi)想到還能看到直播實(shí)驗(yàn)。”“謝謝老師們辛苦地準(zhǔn)備與講解，收獲很大！”學(xué)生總體對(duì)直播實(shí)驗(yàn)的感受是從期待到驚喜。

因網(wǎng)絡(luò)直播的固有缺點(diǎn)和條件限制、疫情下的倉(cāng)促上陣等原因，也發(fā)現(xiàn)不少需改進(jìn)的地方。學(xué)生反饋的問(wèn)題有：攝像頭拍攝近景時(shí)的晃動(dòng)和特寫(xiě)鏡頭中激光照射引起曝光飽和，造成聽(tīng)課學(xué)生眩暈和不適，影響對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。對(duì)網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)直播，教師和學(xué)生都沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，多鏡頭的頻繁切換會(huì)帶來(lái)疲勞和混亂，對(duì)學(xué)生集中注意力聽(tīng)講不利。如何在表現(xiàn)形式多樣化和突出重點(diǎn)兩者之間，做得恰到好處，是今后在線課程設(shè)計(jì)努力的方向［16］。

4 結(jié) 語(yǔ)

回顧應(yīng)對(duì)疫情的實(shí)驗(yàn)直播教學(xué)，有以下幾點(diǎn)體會(huì)：

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重組和直播腳本設(shè)計(jì)至為關(guān)鍵。應(yīng)將內(nèi)容復(fù)雜的大實(shí)驗(yàn)分解為相對(duì)獨(dú)立的小片段，減輕學(xué)生聽(tīng)課負(fù)擔(dān)，改善教學(xué)效果。

（2）網(wǎng)課形式可考慮兩位教師對(duì)話：一位主講，另一人適時(shí)提問(wèn)討論。營(yíng)造輕松愉快的對(duì)話氛圍，吸引學(xué)生注意力。教師團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作非常重要，除了屏幕前的主講教師，也離不開(kāi)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)照明、跟拍和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員的密切配合。

（3）硬件保障須加強(qiáng)。最好配置遠(yuǎn)中近景攝像機(jī)多角度拍攝實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，購(gòu)置專業(yè)攝影照明設(shè)備。軟件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境保障對(duì)網(wǎng)課的順利進(jìn)行起著決定作用。準(zhǔn)備2 種直播軟件同時(shí)使用；應(yīng)準(zhǔn)備有線、無(wú)線、手機(jī)流量熱點(diǎn)上網(wǎng)等幾種模式，防止網(wǎng)絡(luò)故障造成網(wǎng)課中斷或卡頓等教學(xué)事故。

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用升級(jí)，今后在線教學(xué)勢(shì)在必行。順應(yīng)這一趨勢(shì)，將傳統(tǒng)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)與在線直播有機(jī)結(jié)合，將是光學(xué)學(xué)科乃至教育界長(zhǎng)期的努力方向。新冠疫情是挑戰(zhàn)，也是直播實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式發(fā)展的機(jī)遇。

·名人名言·

大學(xué)的榮譽(yù)，不在它的校舍與人數(shù)；而在于它一代一代人的質(zhì)量。

——柯南特