物理光學(xué)的混合式與可視化教學(xué)改革

韓克禎，王本義，孫玉萍

（山東理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

一、教學(xué)中存在的問(wèn)題

“物理光學(xué)”是光電專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有公式多、內(nèi)容抽象的特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)模式下，學(xué)生學(xué)習(xí)不夠深入，難以建立課本知識(shí)與實(shí)際光學(xué)器件的聯(lián)系。學(xué)生對(duì)教學(xué)的滿意度和對(duì)專業(yè)的認(rèn)同感較低。經(jīng)過(guò)梳理，“物理光學(xué)”課程前期存在的問(wèn)題主要有以下四個(gè)方面。

（一）課程內(nèi)容復(fù)雜抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大

“物理光學(xué)”以麥克斯韋電磁理論為基礎(chǔ)，并以此展開(kāi)光的干涉、衍射、偏振和晶體光學(xué)等重要內(nèi)容的講解，許多概念比較抽象，數(shù)學(xué)公式繁多。不少學(xué)生反映課程復(fù)雜抽象，理解和掌握的難度較大。這在一定程度上打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和信心。同時(shí)，學(xué)生難以將抽象的課本知識(shí)與具體的光學(xué)器件相聯(lián)系，對(duì)課程前景感覺(jué)迷茫，不利于學(xué)生樹(shù)立專業(yè)自豪感和認(rèn)同感。

（二）師生互動(dòng)不足，生生交流欠缺

傳統(tǒng)課堂模式下，教師在講臺(tái)上賣(mài)力地推導(dǎo)公式、講解概念，學(xué)生辛苦地記錄筆記。課堂上很少進(jìn)行師生互動(dòng)及學(xué)生間的討論和交流。課后交流就更少了。毫無(wú)疑問(wèn)，師生、生生交流匱乏，不利于學(xué)生表達(dá)能力、溝通協(xié)調(diào)能力、思辨能力的鍛煉，不利于學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握，嚴(yán)重影響課程教學(xué)效果，不利于學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的提高。

（三）優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源較少

“物理光學(xué)”經(jīng)典的紙質(zhì)教材較多，但紙質(zhì)教材固有的內(nèi)容單一、形式單調(diào)、不能交互反饋、不夠環(huán)保等缺點(diǎn)，使之不能適應(yīng)當(dāng)前信息化、交互化、便捷化的閱讀和學(xué)習(xí)需要。特別是對(duì)“物理光學(xué)”課程來(lái)講，很多抽象的概念僅靠紙質(zhì)教材的文字描述難以解釋清楚。因此，內(nèi)容豐富、形式靈活的數(shù)字化教學(xué)資源是非常急需的。但當(dāng)前富含多種媒體資源且高質(zhì)量的在線教學(xué)資源較少，這不利于學(xué)生進(jìn)行課前自主預(yù)習(xí)和課后深入拓展。

（四）學(xué)生自學(xué)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與解決實(shí)際問(wèn)題的能力有待提高

學(xué)生課堂上記住幾個(gè)定理和公式，課后演算幾道習(xí)題就算公式作業(yè)，課程學(xué)習(xí)流于形式，難以建立課本知識(shí)與實(shí)際光學(xué)器件的聯(lián)系。學(xué)生學(xué)習(xí)停留在“課堂記筆記、課下做習(xí)題”的應(yīng)試型低階學(xué)習(xí)模式上，缺少與真實(shí)光學(xué)實(shí)踐相關(guān)的自主能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的鍛煉，難以解決實(shí)際光學(xué)問(wèn)題。

因此，如何迎接信息化時(shí)代挑戰(zhàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)自信，調(diào)動(dòng)他們的積極性，提升他們的參與度，為學(xué)生提供鍛煉機(jī)會(huì)，提高培養(yǎng)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)課程對(duì)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的支撐度和貢獻(xiàn)度，成為亟待解決的課題。

二、解決思路

針對(duì)“物理光學(xué)”傳統(tǒng)教學(xué)中存在的上述問(wèn)題，筆者經(jīng)過(guò)與學(xué)生交流、廣泛調(diào)研和深入思考，從教學(xué)工具與方法、教學(xué)策略、教學(xué)內(nèi)容、考核方式等方面，提出了對(duì)應(yīng)的解決思路。

（一）化抽象為形象，實(shí)現(xiàn)抽象內(nèi)容可視化

對(duì)理工科學(xué)生來(lái)說(shuō)，數(shù)學(xué)軟件在當(dāng)前的學(xué)習(xí)和建模、將來(lái)的科研和工作等很多場(chǎng)合都有重要的應(yīng)用。我們將數(shù)學(xué)軟件輔助“物理光學(xué)”教學(xué)，利用數(shù)學(xué)軟件自主編寫(xiě)程序，將抽象的物理光學(xué)概念、復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)化為生動(dòng)形象的教學(xué)動(dòng)畫(huà)，降低了理解難度；編制交互程序，學(xué)生可以任意調(diào)節(jié)參數(shù)，及時(shí)觀察參數(shù)改變對(duì)光學(xué)器件工作性能的影響，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互，深化了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解和掌握［1］。

（二）優(yōu)化教學(xué)策略，變革教學(xué)過(guò)程，鼓勵(lì)交流合作

改變傳統(tǒng)教師講課、學(xué)生聽(tīng)課的教學(xué)模式，代之以學(xué)生為中心組織教學(xué)活動(dòng)，并充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，積極探索線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式。組織教學(xué)活動(dòng)時(shí)，應(yīng)注重學(xué)生的參與感和專注度，形式靈活、內(nèi)容豐富，鼓勵(lì)小組討論與協(xié)作，提高學(xué)生的表達(dá)能力與溝通協(xié)調(diào)能力。

（三）豐富優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，動(dòng)態(tài)完善教學(xué)資源

深入研究課程內(nèi)容，力求深入淺出，聯(lián)系實(shí)際光電器件及教師的個(gè)人科研項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，也使學(xué)生明白課程的重要實(shí)用價(jià)值；對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)串聯(lián)整合，根據(jù)行業(yè)發(fā)展和需求變化及時(shí)調(diào)整課程大綱、動(dòng)態(tài)補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容；加強(qiáng)與企業(yè)聯(lián)系，高效匯集雙方資源，產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人。課程思政教育潛移默化貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程［2］，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際復(fù)雜光學(xué)問(wèn)題的創(chuàng)新能力、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)素養(yǎng)和科技報(bào)國(guó)的人生信念。

（四）改革考核方式，加強(qiáng)能力考核

參照國(guó)家金課建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，保證課程高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，有力提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的過(guò)程性評(píng)價(jià)，合理量化過(guò)程性評(píng)價(jià)具體指標(biāo)，使學(xué)生學(xué)會(huì)充分利用碎片化時(shí)間，避免平時(shí)松懈、考前突擊的現(xiàn)象，使學(xué)生適當(dāng)?shù)孛ζ饋?lái)。激勵(lì)學(xué)生踏實(shí)進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)、主動(dòng)開(kāi)展課外探索等具有一定難度的高階課程活動(dòng)，切實(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和自學(xué)能力與研究能力。

三、具體措施

（一）計(jì)算機(jī)軟件輔助教學(xué)，實(shí)現(xiàn)抽象內(nèi)容可視化和交互化

根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容靈活采用最適合的教學(xué)手段，對(duì)于抽象復(fù)雜的理論，利用計(jì)算機(jī)軟件編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)抽象教學(xué)內(nèi)容的可視化、形象化教學(xué)。目前，我們已經(jīng)自主編程制作了近百個(gè)可視化動(dòng)畫(huà)。比如，學(xué)生在學(xué)習(xí)平面簡(jiǎn)諧電磁波在兩種電介質(zhì)分界面上的反射和折射時(shí)，會(huì)接觸到入射面、p分量和s分量的概念，但常見(jiàn)教科書(shū)中的抽象示意圖學(xué)生不容易理解［3］。我們利用數(shù)學(xué)軟件繪制了三維空間中觀察簡(jiǎn)諧波在入射面上的分解情況，形象直觀、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。再比如，物理光學(xué)中有一個(gè)難以理解的概念，叫“半波損失”。我們將最常見(jiàn)的三種半波損失的情形編程制成動(dòng)畫(huà)，配合適當(dāng)講解，學(xué)生就能非常容易又準(zhǔn)確地理解半波損失的物理含義，達(dá)到一圖勝千言的效果。

借助計(jì)算機(jī)軟件編程，還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的交互效果，比如在Fabry-Perot濾波片部分，編制可實(shí)時(shí)交互的計(jì)算機(jī)程序，學(xué)生可以任意改變透過(guò)率、折射率和厚度參數(shù)，實(shí)時(shí)觀察參數(shù)改變對(duì)濾波特性的影響。通過(guò)這種形式，學(xué)生可以在更高的維度上看待教科書(shū)上的公式，不是將公式記住做題考試，而是能夠利用這些公式設(shè)計(jì)實(shí)用的光學(xué)器件，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用。

（二）堅(jiān)持以學(xué)生為中心理念，積極運(yùn)用混合式教學(xué)模式

堅(jiān)持以學(xué)生為中心，采用融合了BOPPPS教學(xué)設(shè)計(jì)的線上線下混合式教學(xué)模式［4］。在授課過(guò)程中，事先通知學(xué)生預(yù)習(xí)網(wǎng)絡(luò)課程資源相關(guān)內(nèi)容，包括導(dǎo)學(xué)任務(wù)單、教學(xué)課件、視頻資源等，利用在線教學(xué)平臺(tái)提供支撐，采用雨課堂、課程伴侶、超星學(xué)習(xí)通、數(shù)學(xué)軟件、數(shù)位板等現(xiàn)代化教學(xué)工具推送習(xí)題、實(shí)現(xiàn)抽象內(nèi)容的可視化教學(xué)，采取線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，真正實(shí)現(xiàn)課程資源、教學(xué)平臺(tái)、教學(xué)工具、教學(xué)模式四維一體有機(jī)融合。學(xué)生課前需要在線上完成課前預(yù)習(xí)，課堂上會(huì)進(jìn)行線上測(cè)試、隨堂討論、親身演示實(shí)驗(yàn)，課后利用教學(xué)平臺(tái)完成答疑討論、研究型學(xué)習(xí)任務(wù)和作業(yè)的提交等內(nèi)容。

教學(xué)過(guò)程中采用全納教學(xué)理念，注重全體學(xué)生的全方面發(fā)展。因此，鼓勵(lì)所有學(xué)生深入?yún)⑴c討論，而不是只關(guān)注個(gè)別學(xué)生；鼓勵(lì)學(xué)生親自參與隨堂演示實(shí)驗(yàn)，為保證后排學(xué)生的觀看效果，連接網(wǎng)絡(luò)的攝像頭將演示過(guò)程實(shí)時(shí)投屏，使每一名學(xué)生都能清楚地感受到現(xiàn)場(chǎng)效果。

（三）串聯(lián)整合教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)思想政治教育的潛移默化

興趣是最好的老師。要引起學(xué)生的興趣，不能只靠風(fēng)趣幽默的授課風(fēng)格。筆者的方法就是使教學(xué)內(nèi)容聯(lián)系生活實(shí)際、聯(lián)系光電應(yīng)用、聯(lián)系國(guó)家重大光學(xué)工程、聯(lián)系物理學(xué)史，甚至聯(lián)系文學(xué)和藝術(shù)，自然而然地滲透課程思政，潛移默化地進(jìn)行科學(xué)素養(yǎng)和愛(ài)國(guó)情懷教育。比如，在多光束干涉理論部分，將理論內(nèi)容跟窄線寬激光器聯(lián)系起來(lái)，使學(xué)生明白貌似枯燥抽象的公式背后，是生動(dòng)具體的激光器件，學(xué)生非但不覺(jué)枯燥，而且感受到了內(nèi)容的具體應(yīng)用，對(duì)課程的迷茫也隨之一掃而空。在邁克爾遜干涉儀部分，結(jié)合19世紀(jì)末期為驗(yàn)證以太而進(jìn)行干涉實(shí)驗(yàn)，最終促成了狹義相對(duì)論的誕生；聯(lián)系最近的科研成果，結(jié)合激光干涉引力波天文臺(tái)驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的引力波而獲得2017年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)看似簡(jiǎn)單的光學(xué)儀器，卻跟相對(duì)論有如此不解之緣，于是迫切想要掌握邁克爾遜干涉儀的原理和應(yīng)用。在光學(xué)儀器分辨本領(lǐng)部分，結(jié)合國(guó)家重大光學(xué)工程項(xiàng)目500米口徑的“中國(guó)天眼”，并介紹天眼之父南仁東先生的奉獻(xiàn)故事；學(xué)習(xí)光學(xué)晶體時(shí)，講到山東大學(xué)的KDP晶體在神光系統(tǒng)的應(yīng)用和中科院物理所的KBBF晶體能夠?qū)γ绹?guó)進(jìn)行多年禁運(yùn)，不動(dòng)聲色地將課本知識(shí)和民族自豪感聯(lián)系起來(lái)，學(xué)生在潛移默化中提升科技報(bào)國(guó)的思想情操。學(xué)習(xí)布儒斯特定律時(shí)，以物理學(xué)家費(fèi)曼在巴西講學(xué)的故事引入，結(jié)尾處恰到好處地引入“水是眼波橫，山是眉峰聚”（宋·王觀《卜算子·送鮑浩然之浙東》），將“水是眼波橫”巧妙地解釋為“光以布儒斯特角入射，經(jīng)水面反射后，進(jìn)入人眼的光波振動(dòng)方向是橫向（水平）的”，學(xué)生在驚訝于詩(shī)詞與定律能夠巧妙結(jié)合的同時(shí)，感受到了科學(xué)技術(shù)知識(shí)和人文詩(shī)詞藝術(shù)的水乳交融，獲得高層次的審美享受。

（四）加強(qiáng)過(guò)程性評(píng)價(jià)

將學(xué)生線上線下所有的學(xué)習(xí)活動(dòng)表現(xiàn)都納入形成性考核，如將在線測(cè)試得分、教學(xué)材料閱讀、學(xué)習(xí)筆記整理、課程論壇發(fā)文、課程作業(yè)提交、合計(jì)在線時(shí)長(zhǎng)、小組討論表現(xiàn)等進(jìn)行合理的分值分配，占總成績(jī)的40%。其中每一項(xiàng)得分都有細(xì)化規(guī)則，保障了過(guò)程性考核的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性，全面評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)光學(xué)知識(shí)的掌握程度和運(yùn)用能力，幫助學(xué)生運(yùn)用光學(xué)知識(shí)分析解決實(shí)際問(wèn)題，體現(xiàn)課程的挑戰(zhàn)性，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和培養(yǎng)質(zhì)量。

四、創(chuàng)新特色

針對(duì)“物理光學(xué)”課程的特點(diǎn)與學(xué)生的學(xué)情基礎(chǔ)，結(jié)合教學(xué)團(tuán)隊(duì)教學(xué)創(chuàng)新改革實(shí)踐，總體來(lái)講，本團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新特色有以下兩部分。

（一）抽象內(nèi)容可視化和應(yīng)用內(nèi)容實(shí)物化

利用數(shù)學(xué)軟件將抽象的教學(xué)內(nèi)容制作成形象生動(dòng)且可以實(shí)時(shí)交互的圖片或動(dòng)畫(huà)文件，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容理解的正確度和深刻性。對(duì)于能與實(shí)際相聯(lián)系的教學(xué)內(nèi)容，將各種器件以實(shí)物或圖片、視頻的形式展示給學(xué)生，并緊密結(jié)合教師曾參與的工程實(shí)例，使學(xué)生在教學(xué)內(nèi)容和實(shí)際器件之間建立直觀聯(lián)系，解除了學(xué)生的迷茫，使其找到未來(lái)的方向。

（二）以生為本，采用與時(shí)俱進(jìn)的教育理念、教學(xué)模式和教育技術(shù)

基于學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)、協(xié)同育人的教學(xué)理念制定課程教學(xué)大綱，組織教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，及時(shí)更新串聯(lián)教學(xué)內(nèi)容，采用BOPPPS進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)課程資源、教學(xué)平臺(tái)、教學(xué)工具、教學(xué)模式四位一體的有機(jī)融合。一切為了學(xué)生，為了一切學(xué)生，一切活動(dòng)都緊密?chē)@學(xué)生成長(zhǎng)成才而開(kāi)展。

五、教學(xué)效果

經(jīng)過(guò)多年的課程建設(shè)與教學(xué)改革，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了資源豐富、使用便捷的程度，目前精心錄制的在線視頻時(shí)長(zhǎng)1072分鐘、在線題目500題、其他輔助學(xué)習(xí)資源近300個(gè)，覆蓋了導(dǎo)學(xué)任務(wù)單、教學(xué)課件、自制可視化教學(xué)圖片動(dòng)畫(huà)和音頻資料、翻轉(zhuǎn)課堂記錄、前沿進(jìn)展、考研資料、國(guó)外教學(xué)視頻等。學(xué)生充分利用碎片化時(shí)間，借助手機(jī)或電腦進(jìn)行線上學(xué)習(xí)，打破了時(shí)間、空間的限制，極大提高了學(xué)習(xí)效率，方便師生在線交流。

學(xué)生認(rèn)為混合式教學(xué)模式時(shí)間利用率高，靈活便捷。抽象內(nèi)容可視化的教學(xué)方法深受歡迎，提高了學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容理解的正確性和深刻度。學(xué)生滿意度、專業(yè)認(rèn)同感明顯提升。參加各類競(jìng)賽的獲獎(jiǎng)人次及物理光學(xué)考研成績(jī)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。我們的教學(xué)模式以教學(xué)沙龍和教師培訓(xùn)項(xiàng)目的形式在全校推廣。課程建設(shè)受到國(guó)家光電專業(yè)教指委專家的認(rèn)可，并獲批山東省2021年度線上線下混合式一流課程。