物理光學課程教學設計實踐
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【摘要】以學生發(fā)展為中心是高等教育的核心理念。課程組設計和開展“以學為中心”的物理光學課程教學活動，突出由“教”向“學”的轉(zhuǎn)變，從強調(diào)提升教師講課能力和知識傳遞效果轉(zhuǎn)向關注學生能力的培養(yǎng)和學習效果的提升。在具體實施過程中，借助MATLAB數(shù)值仿真等方法，激發(fā)學生的學習興趣，幫助學生構建自身知識體系，提高學生運用知識解決具體問題的能力。
【關鍵詞】教學設計;學為中心;物理光學;數(shù)值仿真
以學生發(fā)展為中心是高等教育的核心理念，其理論基礎是人本主義和構建主義，強調(diào)學生是教學活動的主體，教師是教學活動組織者、引導者、參與者，內(nèi)涵是以學生為本，尊重學生、方便學生和發(fā)展學生［1］。為落實“以學生發(fā)展為中心”的教學理念，高等學校教師要認真設計和開展“以學為中心”的課堂教學，幫助學生內(nèi)化知識，構建自身的知識體系，培養(yǎng)學生運用自然科學、工程和專業(yè)知識解決復雜工程問題的能力，提高學生自主學習和終身學習的意識，使其具有較強的社會適應性［2］。物理光學課程是高等學校儀器儀表類、光學信息工程和其他相近本科專業(yè)的學科基礎課，在課程體系中起著非常重要的作用。該課程詳細闡述光的電磁波特性和傳播規(guī)律、光波的干涉和衍射、傅立葉光學基本原理、光的偏振特性和在晶體中的傳播特性。鑒于課程的理論性較強，有一定的學習難度，課程組設計和開展了“以學為中心”的教學活動，通過各種方式及時掌握學生對基本知識的理解程度和運用能力，并有針對性地進行答疑補缺，取得了良好的教學效果。
一、檢驗基礎知識學習效果
在課程教學過程中，教學目標起著十分重要的作用。整個教學活動要以教學目標為導向，要圍繞教學目標的實現(xiàn)而進行設計和組織。傳統(tǒng)的教學目標往往從教師的角度出發(fā)，重視的是知識的傳遞效果，以學生為中心的教學理念要求教學目標的關注點是學生的學習效果，強調(diào)的是學生的主體地位。任課教師合理設計課程知識點，形成課程知識圖譜［3］，在講授完成基本知識點后，學生要采用開展MATLAB數(shù)值仿真、構建思維導圖等方法，對知識點進行梳理和內(nèi)化。教師通過查看學生的仿真結(jié)果、思維導圖即可有效掌握學生的學習效果，進而有針對性地開展教學互動，將教學活動的重點放在了學生的學習效果。以光波及其性質(zhì)知識點為例，學生完成本模塊的理論學習后，需要在MATLAB軟件環(huán)境下，自己設計程序，建立沿不同方向傳播的平面波、球面波和柱面波的復振幅數(shù)值模型，通過仿真結(jié)果直觀地理解各種光波的波前分布。在此基礎上，學生在學習楊氏干涉后，將兩個球面波進行疊加即可觀察到球面波干涉的現(xiàn)象，另外通過修改光源和觀察平面的位置參數(shù)，仿真給出不同位置處的光波疊加后的強度分布，可以加深學生對抽象概念和公式的理解。學生通過自己的編程仿真得出與教材上插圖一致的結(jié)果后，會有一種學習的獲得感。這種方法有效地激發(fā)了學生的學習熱情，起到了事半功倍的效果。
二、培養(yǎng)知識綜合應用能力
工程教學專業(yè)認證要求畢業(yè)生在掌握數(shù)學、自然科學、工程和專業(yè)知識的基礎上，能夠針對復雜工程問題進行識別、表達，設計和開發(fā)方案，并最終解決。這就要求在課程教學環(huán)節(jié)，要注重培養(yǎng)學生綜合應用知識和解決復雜問題的能力，而實驗和課程設計等實踐環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學生學習能力和創(chuàng)新能力的重要基礎手段［4］。一般而言，驗證性的基礎實驗重在培養(yǎng)學生的基本實驗技能，而設計性實驗和課程設計更強調(diào)培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和解決復雜工程問題的能力。學生通過觀察、測定和分析，不僅可以驗證和加深對基本原理的理解，更有利于培養(yǎng)學生正確使用儀器設備，進行設計方案、測試、分析和綜合實驗結(jié)果以及撰寫研究報告等能力［5～6］。任課教師利用MATLAB軟件，組織學生開展了十余個設計性和綜合性實驗，從而拓寬了實驗教學內(nèi)容。由于這一部分數(shù)值仿真模塊比較難，可以由教師首先建立模型，然后學生開展實驗;也可以由教師作為創(chuàng)新實踐項目，指導學有余力的學生建立仿真實驗模塊［7］。以數(shù)字全息成像實驗為例，實驗內(nèi)容包括了干涉記錄和衍射重構兩部分。由于前期學生已經(jīng)對各種光波、干涉、衍射等基本知識點進行了數(shù)值仿真，因此能夠較為容易地建立數(shù)字全息中的相干探測模型并獲得模擬的數(shù)字全息圖，以及通過菲涅爾衍射數(shù)值仿真完成目標圖像的數(shù)值重構。數(shù)值仿真模型中，通過調(diào)整參考光與目標光的夾角，學生能夠充分理解空間頻率調(diào)制的作用;通過改變參考光的會聚程度，學生能夠掌握全息重構中衍射距離、目標像放大率等參數(shù)的調(diào)節(jié)方法［7］。在此基礎上，學有余力的學生還可以在參考光中加入澤尼克像差，進一步理解圖像失真的原因。分析近兩年的實驗教學效果發(fā)現(xiàn)，這種數(shù)值仿真實驗深受學生歡迎。由于數(shù)值仿真可以擺脫物理實驗條件的限制，因此學生可以充分發(fā)揮自己的想象力，驗證自己的新想法。另外通過MATLAB數(shù)值仿真還可以開展創(chuàng)新實踐教育。一是將科研成果編入教師的講義中，帶入課堂教學;二是指導學生開展基于物理光學知識的創(chuàng)新實踐活動。創(chuàng)新實踐項目是由本科生個人或團隊在導師指導下自主完成的綜合性實踐活動，主要包括問題分析、方案設計、條件準備、試驗、結(jié)果分析和報告撰寫等環(huán)節(jié)。課題組教師鼓勵學有余力的學生積極開展大學生創(chuàng)新項目研究［7］。每年有十余名學生在完成本課程學習后，積極開展數(shù)值仿真研究活動，如基于朗伯比爾定律的顆粒物濃度和粒徑測量，液晶空間光調(diào)制器的相位調(diào)制特性測量，雙波長數(shù)字全息相位解包裹方法、菲涅爾波帶片的設計及應用研究等。以雙波長數(shù)字全息數(shù)值仿真為例，學生基于該方法開展了物體三維形貌測量，利用MATLAB軟件建立了數(shù)字全息成像數(shù)值仿真模型，通過數(shù)值仿真分析了雙波長光學相位解包裹和數(shù)值相位解包裹相結(jié)合的三維形貌復原方法，分析了高斯噪聲對相位解包裹精度的影響［8］。教學實踐結(jié)果表明，結(jié)合教師科研活動，指導學生開展實踐性較強的創(chuàng)新項目，把教師的項目研究內(nèi)容與課程教學內(nèi)容有機地融合在一起，不僅提高了學生的課程學習興趣，鍛煉了學生的研究型思維和解決問題的能力，還可以讓學生了解到當前光學發(fā)展產(chǎn)生的新知識等［9］，提高自主學習的意識。
三、結(jié)語
教學是教師和學生共同參與的動態(tài)過程，要強調(diào)以學生發(fā)展為中心。為落實這一理念，教師要在課程教學這一人才培養(yǎng)主渠道中，主動由“教”向“學”轉(zhuǎn)變，設計和開展“以學為中心”的課堂教學，幫助學生構建自身知識體系，提高學習效果和知識應用能力。具體而言，在課程目標上，要從重視知識內(nèi)容的傳遞轉(zhuǎn)向關注學生的學習效果，在教學實施中，要從強調(diào)講課能力的提升轉(zhuǎn)向側(cè)重學習能力的培養(yǎng)。
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作者：陳波 劉子恒 張茁 程朋飛 王嶺娥 岳樹盛 單位：華北理工大學電氣工程學院