光學(xué)課程教學(xué)的比較與啟示*
——以中美兩所大學(xué)為例

胡志娟 閆愛民

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)

1 引言

光學(xué)是高等學(xué)校理工科尤其是物理學(xué)相關(guān)專業(yè)的一門必修課程，在物理學(xué)科中占有重要的地位[1,2]．深入學(xué)習(xí)光學(xué)的基本概念和規(guī)律，建立清晰的物理圖像，為學(xué)習(xí)相關(guān)的其他學(xué)科，如激光原理、信息光學(xué)、高等光學(xué)等課程奠定基礎(chǔ)．自1960年激光器發(fā)明以來，光學(xué)相關(guān)的分支學(xué)科發(fā)展迅速，尤其在光電子學(xué)、非線性光學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、光通信等領(lǐng)域，因此，它是當(dāng)前科學(xué)研究領(lǐng)域中最活躍的前沿陣地之一．許多物理學(xué)前沿技術(shù)都離不開光學(xué)，隨著學(xué)科間的不斷交叉和融合，光學(xué)也成為許多工程技術(shù)類專業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科．筆者受國家留學(xué)基金委的資助，赴弗吉尼亞理工大學(xué)(簡稱VT)電子信息工程學(xué)院進(jìn)行了為期一年的訪學(xué)，并在此期間深入地學(xué)習(xí)了光學(xué)、電磁場理論兩門課程，深切感受到美國高校課堂教學(xué)在教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計和學(xué)習(xí)效果測評等方面的顯著特點．

本文以VT的光學(xué)課程為例，詳細(xì)介紹了該課程的教學(xué)內(nèi)容、課程設(shè)置、教學(xué)模式、作業(yè)和考試等方面的內(nèi)容，并與上海師范大學(xué)的光學(xué)課程進(jìn)行了對比分析，提出了光學(xué)課程教學(xué)改革的幾點建議和思考，希望能為我們的教學(xué)改革提供有益的參考．

2 VT光學(xué)課程的教學(xué)模式

2.1 課程設(shè)置

VT的光學(xué)課程由教授主講，3學(xué)分，32課時，每課時75 min，授課對象是高年級本科生和研究生．采用的教材是Eugene Hecht編著的《Optics》第4版[3]，主要內(nèi)容包括電磁場理論、幾何光學(xué)、偏振光學(xué)、干涉和衍射光學(xué)、傅里葉光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)等．其他參考書目有《Handbook of Optics》《Principle of Optics》《Optics-Principles and Applications》《Principles of Lasers and Optics》等[4]．課程的目標(biāo)是學(xué)習(xí)光學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)知識、物理概念和研究方法，讓學(xué)生了解光學(xué)學(xué)科的物理規(guī)律和發(fā)展趨勢，為學(xué)生在光學(xué)應(yīng)用創(chuàng)新方面打下堅實的基礎(chǔ)．

2.2 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)計劃

VT光學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)計劃如表1所示，主要內(nèi)容包括電磁場理論、幾何光學(xué)、光的傳播特性、偏振光學(xué)、光的干涉和衍射以及現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)專題．教學(xué)內(nèi)容非常豐富，不僅包含了光學(xué)基本概念和原理，還涉及到生產(chǎn)生活中實際應(yīng)用的諸多現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)．

表1 VT光學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容和課時安排

2.3 考核方式與評價

VT光學(xué)課程的總評成績分為4部分：作業(yè)占30%，第一次期中考試占20%，第二次期中考試占20%，期末考試占30%．作業(yè)包括課前預(yù)習(xí)作業(yè)和課后鞏固作業(yè)．課前預(yù)習(xí)的目的是鼓勵學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，通過查閱文獻(xiàn)和資料廣泛閱讀，用于課堂交流和小組討論．課后作業(yè)每周一次，每次5～6道題．期中考試每次6道題，考試時間75 min，期末考試10道題，考試時間2 h．考試內(nèi)容包括光學(xué)基本概念、規(guī)律和現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)應(yīng)用，目的是檢驗學(xué)生對光學(xué)基本理論的理解、掌握和貫通能力．考試題目都是分析計算題，難度較大，每個題目中涉及多個知識點．

3 光學(xué)課程的教學(xué)對比與探究

3.1 教學(xué)內(nèi)容比較

以上海師范大學(xué)的光學(xué)課程為例，上海師范大學(xué)的光學(xué)課程主要面向物理學(xué)專業(yè)的本科生，課程共64課時，3學(xué)分，每課時為45 min．所用的教材是以姚啟鈞原著、華東師范大學(xué)光學(xué)教材編寫組改編的《光學(xué)教程》(第六版)為主要教材，以趙凱華先生的《光學(xué)》[1]以及《光學(xué)新教程》[5]為輔助教材．教學(xué)目標(biāo)是通過光學(xué)課程的教學(xué)，完成對學(xué)生“知識目標(biāo)、能力目標(biāo)、態(tài)度目標(biāo)”的培養(yǎng)．“知識目標(biāo)”包括掌握波動光學(xué)的基本知識、理論和方法，理解光學(xué)的基本概念和規(guī)律，了解現(xiàn)代光學(xué)與其他學(xué)科、技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展?fàn)顩r．“能力目標(biāo)”包括培養(yǎng)批判性思維方法，提高獨立分析和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主發(fā)展的能力，培養(yǎng)溝通交流能力和團隊協(xié)作精神．“態(tài)度目標(biāo)”包括培養(yǎng)辯證唯物主義世界觀，實事求是、嚴(yán)格認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，創(chuàng)新意識和科學(xué)美感等．

上海師范大學(xué)光學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容如表2所示，主要包括波動光學(xué)(光的干涉、衍射、偏振)、幾何光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)．對比兩校光學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容，VT的光學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容范圍更廣，實際總教學(xué)時長可達(dá)2 400 min，其中光的干涉、衍射、偏振和幾何光學(xué)部分內(nèi)容的教學(xué)總時長約為1 350 min，占比總教學(xué)時長的62%．上海師范大學(xué)的光學(xué)課程總教學(xué)時長為2 880 min，其中2 070 min用于波動光學(xué)和幾何光學(xué)內(nèi)容的講授，占總教學(xué)時長的72%，波動光學(xué)部分知識點的內(nèi)容比VT的這部分內(nèi)容講解得更詳細(xì)，但是現(xiàn)代光學(xué)部分的內(nèi)容和課時比VT少．以前由于課時緊張，通常會壓縮現(xiàn)代光學(xué)部分內(nèi)容的講解，在近幾年的教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)增加科技應(yīng)用密切相關(guān)的現(xiàn)代光學(xué)前沿和應(yīng)用方面的介紹，對開拓學(xué)生眼界，培養(yǎng)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生將來從事相關(guān)的科研工作有很好的啟發(fā)作用．鑒于此，對于現(xiàn)代光學(xué)內(nèi)容的教學(xué)，不應(yīng)以課時少而進(jìn)行刪減，同時應(yīng)該考慮在有限的時間內(nèi)增加這部分內(nèi)容的介紹．教師可考慮利用視頻資源或開展專題講座形式進(jìn)行講授，對于信息光學(xué)的基本原理及應(yīng)用方面的教學(xué)，也可以考慮采用學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)模式開展．

表2 上海師范大學(xué)光學(xué)課程內(nèi)容與課時安排

3.2 教學(xué)模式比較

在教學(xué)模式上，VT采用的是傳統(tǒng)教師講授、黑板板書的授課模式，課堂不以純粹的講授理論知識為目的，非常注重運用知識解決實際問題能力的培養(yǎng)．教師按照教學(xué)計劃完成重要知識點的講授后，會引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實際生活和現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)應(yīng)用的實例進(jìn)行小組討論，教師會根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)給予評分，鼓勵學(xué)生積極分享自己的觀點．此外，VT的光學(xué)課程不僅面向本科生，還面向研究生，包括碩士和博士．課程采用多層次的分級教學(xué)和評價方法，某些章節(jié)的專題項目，只要求研究生掌握．這種階梯式的教學(xué)模式使得各個年級的學(xué)生有交流溝通的機會，有利于學(xué)生溝通能力的提高和團隊合作能力的培養(yǎng)．

上海師范大學(xué)的光學(xué)課程長期以來也采用教師講、學(xué)生聽為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式，教學(xué)中面臨著光學(xué)知識覆蓋面大、前沿光學(xué)內(nèi)容不斷豐富與課時不足的教學(xué)矛盾，以及學(xué)生來自全國各地，基礎(chǔ)不同與同班教學(xué)的矛盾．從2018年開始，我們逐漸將講授內(nèi)容遷移到課程網(wǎng)站上，課程網(wǎng)站提供課程視頻、每章導(dǎo)學(xué)、題庫，為學(xué)生提供了個性化自主學(xué)習(xí)的平臺．這些資料可供學(xué)有余力的學(xué)生提前學(xué)習(xí)和拓展學(xué)習(xí)，也能為基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生提供反復(fù)學(xué)習(xí)的課程資源．同時利用網(wǎng)站平臺、微信和QQ學(xué)習(xí)群進(jìn)行科技前沿、物理軼事和生活中的物理等知識的拓展推送，以解決課時少與知識覆蓋面大、講授內(nèi)容多的矛盾．

從2020年開始上海師范大學(xué)光學(xué)課程采用線上線下結(jié)合的混合式教學(xué)，開展“問題主導(dǎo)的探究式自主學(xué)習(xí)”的教學(xué)模式，光學(xué)課程從單一的知識傳授向?qū)W生多維度能力塑造的知識體系建構(gòu)轉(zhuǎn)變．教學(xué)過程采用“2+2”模式，即每周4課時中的2課時用于學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)，2課時用于線下課堂教學(xué)．每周課前，教師根據(jù)教學(xué)設(shè)計將教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為若干問題，以課前學(xué)習(xí)任務(wù)單的形式發(fā)布給學(xué)生，學(xué)生通過課程視頻、自讀課本、查閱資料等方式，了解和熟知預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，對基礎(chǔ)知識形成一定的認(rèn)識．線下課堂中教師會設(shè)計多種教學(xué)活動，如搶答、隨堂測試、分組活動匯報等，對學(xué)生的課前自主學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行檢測，解答學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中遇到的問題．并針對每周教學(xué)內(nèi)容的重點、難點進(jìn)行知識梳理和講解，達(dá)到知識的鞏固強化和延伸的效果.教學(xué)過程中注重師生的互動．關(guān)于分組活動，針對每個單元的教學(xué)內(nèi)容，教師會提前發(fā)布4～6個分組任務(wù)活動，由學(xué)生自行分組進(jìn)行小組合作學(xué)習(xí)并在線提交團隊學(xué)習(xí)的過程和討論結(jié)果，在課堂上進(jìn)行任務(wù)陳述，鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力，整個過程結(jié)合小組自評、互評和教師評價．課后除常規(guī)作業(yè)以外，每章配置一些拓展性作業(yè)．課程答疑方式則靈活多樣，線下指導(dǎo)并結(jié)合“網(wǎng)絡(luò)復(fù)習(xí)+平臺答疑+微信輔導(dǎo)”的模式．在考核評估方面注重過程性評價與結(jié)果性評價相結(jié)合，課程結(jié)束后，對學(xué)生平時線上線下的表現(xiàn)，包括線上考勤、視頻觀看時長次數(shù)、作業(yè)提交情況、參與討論互動、搶答等課程活動過程，以及學(xué)生期中期末成績進(jìn)行綜合評價，并通過信息化的教學(xué)工具進(jìn)行過程性活動的分?jǐn)?shù)記錄和統(tǒng)計．

我們開展的線上線下混合式教學(xué)模式，以學(xué)生為中心，教學(xué)中注重學(xué)生知識的融會貫通及探究能力的培養(yǎng)，以問題主導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，分組任務(wù)為驅(qū)動引導(dǎo)學(xué)生探究學(xué)習(xí)，以小組合作學(xué)習(xí)實現(xiàn)能力梯度進(jìn)階，對學(xué)生夯實光學(xué)基礎(chǔ)、培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力、 提高教學(xué)效果都有明顯幫助，豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，為不同層次的學(xué)生提供了個性化的學(xué)習(xí)平臺．

3.3 教材內(nèi)容比較

兩所高校所用教材的深度和廣度有明顯的差異，國內(nèi)教材重點在經(jīng)典光學(xué)基礎(chǔ)知識，對現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的原理和應(yīng)用的介紹篇幅較少．E. Hecht的《Optics》教材中對相同知識點闡述的深度和內(nèi)容的豐富度更高，也非常注重應(yīng)用知識的介紹．除了第十三章專門介紹典型的現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用外，在每一章中也穿插了一些和本章知識點相關(guān)的應(yīng)用光學(xué)技術(shù)，能為讀者提供開闊的視野．此外，國內(nèi)的教材多文字說明和理論公式的推導(dǎo)，而國外教材內(nèi)容上的生動形象、應(yīng)用性強．在內(nèi)容的描述上為了避免物理概念太抽象，國外教材中的一些重要知識通常配有示意圖，圖表豐富，形象生動，便于學(xué)生理解．比如我們所用的教材[2]中的光的偏振這一章節(jié)中，關(guān)于“光軸與晶體結(jié)構(gòu)”“晶體中的波面”等內(nèi)容的描述，很多學(xué)生僅看教材中的文字描述很難理解．在講到幾何光學(xué)中照像機的光圈數(shù)與光通量關(guān)系時，不少學(xué)生并不了解實物鏡頭上參數(shù)的意義．而在E. Hecht的《Optics》教材中關(guān)于這部分內(nèi)容配有大量的立體圖、實物圖，能夠有效地幫助讀者理解．再如，在薄透鏡的特性這一節(jié)，我們用的《光學(xué)教程》[2]教材中有7張插圖，都是描述透鏡的聚焦準(zhǔn)直特性的原理示意圖，而E. Hecht的《Optics》教材中這一節(jié)有23張插圖，除了相關(guān)原理的示意圖，還有針對各種特征參數(shù)和物理量給出的數(shù)據(jù)圖表、與光線傳播有關(guān)的圖示等．另外，《Optics》教材中每一章的課后習(xí)題數(shù)量很多，例如第二章有48道題目，第三章有58道題目，第四章有82道題目，第五章有91道題目．在我們的教材中對應(yīng)章節(jié)的習(xí)題數(shù)目與之相比都較少．

3.4 作業(yè)設(shè)計比較

VT光學(xué)課程的課前作業(yè)和課后作業(yè)具有鮮明的特點，課前作業(yè)是自主學(xué)習(xí)，表面上沒有具體的習(xí)題，但這個作業(yè)卻是非常重要的．由于課堂上教師講授的內(nèi)容信息量非常大，知識點很多，如果學(xué)生在課前沒有花時間去預(yù)習(xí)、閱讀文獻(xiàn)和參考書籍，課堂上聽不懂，課后作業(yè)也很難正確地完成．課后作業(yè)的內(nèi)容和國內(nèi)光學(xué)課的課后作業(yè)差別很大，從國內(nèi)的課程設(shè)置來看，教師一般選取光學(xué)教材上對應(yīng)章節(jié)的習(xí)題，而VT的課后作業(yè)則是教師的自編題目，有一部分修改自教材的習(xí)題，但不純粹是原題照抄．這種作業(yè)的好處是能夠檢驗學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的真正效果，避免抄襲教材配套練習(xí)題答案．例如：VT光學(xué)課程的第一次作業(yè)共有5道題目，其中4道是教師自己設(shè)計的，1道題目是修改自教材的．而且教師在作業(yè)中也明確地告訴學(xué)生修改習(xí)題的原題在第幾章的第幾題，這對于學(xué)生而言是一個比較重要的線索，學(xué)生如果碰到疑問或者不會做，可以通過鉆研參考教材的習(xí)題來鞏固知識，從而達(dá)到應(yīng)用到新題的解答中，用學(xué)過的知識自主思考．縱觀教師自編的作業(yè)題，從題干可以發(fā)現(xiàn)，所考查的知識點很巧妙地融入到了實際生活中，從生活中感知物理．這里以其中2道自編作業(yè)題[6]作為舉例.

【題1】

a. Imagine a hemispherical interface between air and glass (n=1.5), with a radius of curvature of radius 5 cm.Describe the image of an object 3 cm tall placed 30 cm from the vertex (where in the glass will it be imaged? how big will it appear? and everything you can about the image).

b.Now we cut off the glass on the right forming a thick biconvex lens,with the surface having a radius of curvature of 10 cm. If the lens is 10 cm thick,determine the total magnification, position and everything you can about the image.

c.Use the thin-lens equation to see how far off it is in determining the final-image location.

【題2】

A blade of grass standing 10.0 mm tall is 150 mm in front of a thin positive lens having a 100 mm focal length; 250 mm behind that first lens is a thin negative lens with a focal length of-75.0 mm.

a. Show that the first lens forms an image 300 mm behind it.

b. Describe that image.

c. What’s its magnification?

d. Prove that the final image formed by both lenses is located 150 mm behind the negative lens.

e. What is the total magnification of the combination?

目前國內(nèi)教材的習(xí)題設(shè)計比較理論化，部分內(nèi)容教學(xué)上理論與實踐脫節(jié)．為此，我們的課后作業(yè)可以借鑒VT光學(xué)課程課后作業(yè)習(xí)題的設(shè)計方式，增強學(xué)生對知識的理解和運用能力．

4 總結(jié)

隨著現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)教育技術(shù)的快速發(fā)展，中國高等教育正在隨著時代的大潮進(jìn)行新一輪的教育教學(xué)改革[7]．光學(xué)課程教學(xué)改革應(yīng)有利于促進(jìn)學(xué)生個性化、深層次學(xué)習(xí)，有利于促進(jìn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)和師生的共同發(fā)展．我們在不斷地探索和實踐新的教學(xué)模式過程中，借鑒國外著名高校在課程教學(xué)的優(yōu)勢和特色，揚長避短、循序漸近，逐步摸索出適合我國本土化光學(xué)課程教學(xué)改革的教學(xué)方法．從以上對VT光學(xué)課程教學(xué)的分析可以看出，其豐富的教學(xué)內(nèi)容、生動形象的教學(xué)設(shè)計、與實際生產(chǎn)生活緊密聯(lián)系的課后鞏固習(xí)題等方面都給我們不少的啟發(fā)和思考．