孫 禎，侯巖雪，吳 雪

（燕山大學(xué)理學(xué)院，河北秦皇島 066004）

黨的二十大報(bào)告中提到教育、科技、人才是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐，重點(diǎn)闡明我國(guó)發(fā)展的現(xiàn)階段對(duì)高等教育的迫切需求［1］。習(xí)近平總書(shū)記在中共中央政治局第五次集體學(xué)習(xí)中也強(qiáng)調(diào)“建設(shè)教育強(qiáng)國(guó)，龍頭是高等教育”。由此展現(xiàn)出在全面建成社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)偉大征程中、在全民推進(jìn)中華民族偉大復(fù)興偉大事業(yè)中，高等教育肩負(fù)著實(shí)現(xiàn)高水平科技和培育高素質(zhì)人才的使命。中國(guó)高等教育在此時(shí)代背景下提出了一系列的教育改革新舉措：我國(guó)教育部在2017 年首次提出“新工科”的概念，要提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力［2］；2018 年相繼提出“小班化教學(xué)”“混合式教學(xué)”“翻轉(zhuǎn)課堂”等新型教學(xué)方式，打破“滿堂灌”課堂模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性［3］；2019 年印發(fā)了關(guān)于一流本科生課程建設(shè)的相關(guān)文件，必須深化教育教學(xué)改革，把教學(xué)改革成果落實(shí)到課程建設(shè)上［4］。

光學(xué)作為物理學(xué)專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的基礎(chǔ)課程，是物理學(xué)重要的分支。它以光的電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究光的本性、光的發(fā)射、傳播、接收以及光與物質(zhì)相互作用，是激光原理技術(shù)、光纖通信原理、光電檢測(cè)技術(shù)、量子光學(xué)及高等光學(xué)等物理學(xué)科的重要支柱。不僅如此，它與天文學(xué)、農(nóng)業(yè)學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域有著密不可分的關(guān)系。因此，在高等教育發(fā)展的今天，光學(xué)課程的建設(shè)尤為重要［5-6］。下面以所教授光學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐為基礎(chǔ)，筆者對(duì)光學(xué)課程教學(xué)改革進(jìn)行了積極的探討與分析。

一、光學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀分析

（一）學(xué)科的特點(diǎn)

光學(xué)課程是一門(mén)理論性和應(yīng)用性比較強(qiáng)的學(xué)科。為了讓學(xué)生真正地掌握光的本質(zhì)及應(yīng)用，講解的內(nèi)容從最簡(jiǎn)單的光線概念講起，然后逐漸過(guò)渡到光的波動(dòng)性，最后涉及光的量子性，并且伴隨著實(shí)際應(yīng)用的介紹。其中，對(duì)于光線的概念，學(xué)生大多在高中階段中接觸過(guò)，比較容易理解，而在介紹光的波動(dòng)性（光的干涉、光的衍射、光的偏振等）和光的量子性時(shí)，內(nèi)容比較抽象，涉及了許多概念、實(shí)驗(yàn)條件和計(jì)算過(guò)程，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)學(xué)習(xí)難度比較大。

（二）教學(xué)存在的問(wèn)題

1.教學(xué)方式單一

光學(xué)課堂講授偏向采用“板書(shū)+PPT”的形式，以教師講課、學(xué)生聽(tīng)課為主。教師講滿45 分鐘，學(xué)生配合聽(tīng)完，記下相關(guān)的筆記。這一套流程走下來(lái)，雖然重要的知識(shí)點(diǎn)被展示出來(lái)了，但是教師與學(xué)生之間的交流較少，學(xué)生參與度不高，大多處于被動(dòng)接受的狀態(tài)，學(xué)習(xí)的知識(shí)不能被很好地理解，最終只轉(zhuǎn)換成了筆記本中的文字，此外學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考的能力也沒(méi)有得到很好的鍛煉。

2.課堂教學(xué)偏重理論介紹

光學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，但是在講授光的重點(diǎn)知識(shí)時(shí)，教師往往以介紹物理概念和推導(dǎo)公式為切入點(diǎn)，比如菲涅爾公式、多光束干涉、夫瑯禾費(fèi)衍射等，經(jīng)過(guò)大篇幅的概念介紹和公式計(jì)算過(guò)程后，得到相關(guān)的規(guī)律與結(jié)論。理論推導(dǎo)占據(jù)了大部分時(shí)間，導(dǎo)致學(xué)生只注重?cái)?shù)學(xué)計(jì)算而忽略了對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。

3.網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)用較少

在網(wǎng)絡(luò)資源如此豐富的時(shí)代下，單靠課本作為獲取知識(shí)的唯一來(lái)源，已經(jīng)不能夠滿足新時(shí)代下教育改革的要求，因而中國(guó)大學(xué)慕課、學(xué)習(xí)通、雨課堂等多個(gè)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，線上線下混合教學(xué)模式形成。但是在大多數(shù)課堂中，教學(xué)活動(dòng)還是以課本或課件為主，上述工具只是簡(jiǎn)單用于出勤率的考查，沒(méi)有充分實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)在實(shí)際課堂中的應(yīng)用。

4.教學(xué)評(píng)價(jià)體系不完善

傳統(tǒng)的教學(xué)評(píng)價(jià)體系普遍地將“平時(shí)成績(jī)+期末考試成績(jī)”作為評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，期末考試成績(jī)占較重的比例，平時(shí)成績(jī)僅包括出勤率與作業(yè)。在這樣的評(píng)價(jià)體系下，學(xué)生只關(guān)注課上簽到、課后作業(yè)與期末考試，他們其他方面的能力得不到很好的體現(xiàn)。

為了更好地解決上述問(wèn)題，我們?cè)诠鈱W(xué)課程中開(kāi)展了“一課四維”混合教學(xué)模式的改革與探索，期望能充分體現(xiàn)“學(xué)生為中心、教師為主導(dǎo)”的教學(xué)理念，加深師生交流，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題以及解決問(wèn)題的能力，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力。

二、“一課四維”混合式教學(xué)模式

“一課四維”混合式教學(xué)模式是分成課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)演示、仿真模擬和線上教學(xué)四個(gè)部分。根據(jù)講解內(nèi)容不同，教師可以綜合運(yùn)用四種方法，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的課堂參與度，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)從理論走向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)變。

（一）課堂教學(xué)

課堂教學(xué)過(guò)程應(yīng)該包含課堂講解、課堂討論、隨堂測(cè)試三種。課程講解主要聚焦于本節(jié)課的重點(diǎn)與難點(diǎn)內(nèi)容，較難的理論推導(dǎo)過(guò)程會(huì)通過(guò)板書(shū)詳細(xì)地寫(xiě)出。對(duì)于要求學(xué)生通過(guò)課前預(yù)習(xí)或線上資源掌握的部分，課堂中不過(guò)多的闡述，只簡(jiǎn)單地通過(guò)PPT 展示。教師要根據(jù)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，在講解的過(guò)程中有設(shè)計(jì)性地提出問(wèn)題，讓學(xué)生分組討論，啟發(fā)式地引導(dǎo)學(xué)生思考問(wèn)題，并解決問(wèn)題。在每章結(jié)尾，隨機(jī)出1～2 道習(xí)題作為隨堂測(cè)驗(yàn)，檢查學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。

（二）實(shí)驗(yàn)演示

對(duì)于光的干涉、光的衍射及晶體雙折射等知識(shí)點(diǎn)的講解都是來(lái)源于對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，因此實(shí)驗(yàn)演示對(duì)于學(xué)生了解什么是光的波動(dòng)性十分重要。實(shí)驗(yàn)演示主要有視頻放映、虛擬實(shí)驗(yàn)或自主實(shí)驗(yàn)等方式。對(duì)于實(shí)驗(yàn)操作比較復(fù)雜或者實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察環(huán)境要求比較嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)（透鏡成像、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、牛頓環(huán)、邁克爾遜干涉儀、光的偏振等），一般采用視頻放映、虛擬實(shí)驗(yàn)的方式。而對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察比較容易或?qū)嶒?yàn)操作簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)（光的反射與折射、單縫衍射、晶體雙折射等），可以自制實(shí)驗(yàn)道具用于實(shí)驗(yàn)演示。

（三）仿真模擬

使用Matlab、FDTD、Comsol、Python 等計(jì)算軟件，通過(guò)編程仿真出來(lái)一些光學(xué)的現(xiàn)象，通過(guò)改變相關(guān)的參數(shù)，觀察實(shí)驗(yàn)圖形及實(shí)驗(yàn)曲線的變化，從而得出實(shí)驗(yàn)規(guī)律，加深學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。比如，在講解光柵衍射中的缺級(jí)現(xiàn)象時(shí)，若光柵線寬度為a，光柵間距為d，固定d 大小不變，改變a 的值，通過(guò)模擬出來(lái)的圖像可以看出，d/a 所有整數(shù)倍數(shù)的級(jí)次均會(huì)消失，得到缺級(jí)條紋級(jí)次應(yīng)該滿足j=d/aj′。

（四）線上課程

線上課程主要依靠網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)開(kāi)展，中國(guó)大學(xué)生MOOC、雨課堂、學(xué)習(xí)通等。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)軟件，教師可以發(fā)布課前預(yù)習(xí)資料、學(xué)習(xí)內(nèi)容、問(wèn)題討論等，網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)可以實(shí)時(shí)提供學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，便于教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。本人講授的光學(xué)課程以大學(xué)MOOC 為平臺(tái)開(kāi)展了混合式教學(xué)模式（如圖1 所示），選用中山大學(xué)《光學(xué)》國(guó)家精品課為線上學(xué)習(xí)內(nèi)容。光學(xué)課程共64 學(xué)時(shí)，其中線上16 學(xué)時(shí)，線下48 學(xué)時(shí)。在重點(diǎn)的四個(gè)章節(jié)（幾何光學(xué)成像、光的干涉、光的衍射和光的偏振）線上視頻觀看完之后進(jìn)行線上測(cè)試，由此來(lái)衡量出學(xué)生線上知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。除了發(fā)布教學(xué)內(nèi)容外，在大學(xué)生MOOC 中建立慕課堂，用于課上簽到、上傳課件或作業(yè)、問(wèn)題討論等內(nèi)容。

圖1 光學(xué)課程在大學(xué)MOOC 開(kāi)展數(shù)據(jù)圖

三、“一課四維”混合式教學(xué)模式——以分波前干涉為例

課前預(yù)習(xí)：上課前在慕課堂上發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)：（1）了解楊氏雙孔干涉實(shí)驗(yàn)裝置；（2）理解楊氏雙孔干涉基本原理。上課前查閱慕課堂中學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，并發(fā)布這節(jié)課的學(xué)生簽到情況（線上課程）。

課堂講學(xué)：先播放一段楊氏雙孔干涉實(shí)驗(yàn)操作短視頻，播放完了之后讓學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)的內(nèi)容回答出楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置包含什么，觀察到了什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。（實(shí)驗(yàn)演示）根據(jù)學(xué)生的回答，教師總結(jié)：楊氏雙孔實(shí)驗(yàn)裝置包括了光源、單孔屏、雙孔屏和觀察屏。根據(jù)惠更斯原理，光場(chǎng)中的每一個(gè)點(diǎn)都可以看作是次波源，單孔屏中的孔非常小，透過(guò)該孔的光波可以看成是點(diǎn)光源，向前傳播通過(guò)雙孔后分成兩束光波，這兩束光波看成是從同一個(gè)波前上取出來(lái)的，滿足相干條件（來(lái)自同一個(gè)光源、同頻率、振動(dòng)方向平行等），稱(chēng)為分波前干涉。在觀察屏上能看到相干條紋。楊氏雙孔干涉實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)有力地反駁了牛頓的“微粒說(shuō)”，這種不迷信學(xué)術(shù)權(quán)威，勇于創(chuàng)新的精神是值得我們學(xué)習(xí)的。教師提出問(wèn)題，引起學(xué)生思考“為什么會(huì)出現(xiàn)亮暗相間的干涉條紋”，并借助數(shù)學(xué)工具完成理論推導(dǎo)過(guò)程。

在PPT 上展示出來(lái)?xiàng)钍想p孔實(shí)驗(yàn)原理圖（如圖2 所示）（課堂教學(xué)）：

圖2 楊氏雙孔干涉實(shí)驗(yàn)原理圖

假設(shè)光源到單孔屏距離為R，雙孔屏到觀察屏距離為D，雙孔之間距離為d。雙孔（S1、S2）相對(duì)于S 對(duì)稱(chēng)放置，觀察點(diǎn)P靠近光軸。P 點(diǎn)S1、S2共面且P 點(diǎn)坐標(biāo)為x，S1、S2出射光強(qiáng)均為I1，到達(dá)P 點(diǎn)光強(qiáng)為（下邊公式為板書(shū)推導(dǎo)+PPT 展示）：

當(dāng)δ=±2jπ（j=0，1，2，3...），為亮條紋；亮條紋中心位置：

當(dāng)δ=±（2j+1）π（j=0，1，2，3...），為暗條紋；暗條紋中心位置：

根據(jù)上式推導(dǎo)可知，觀察點(diǎn)光強(qiáng)隨S1、S2出射兩束光波相位差呈現(xiàn)余旋式變化，故而會(huì)出現(xiàn)明暗相間干涉條紋，且條紋寬度與D、d、λ 三個(gè)因素有關(guān)。通過(guò)Matlab 來(lái)仿真模擬一下上述三種因素改變對(duì)條紋間距的影響，初始波長(zhǎng)λ=600 nm，D=1m，d=0.08mm，如圖3-a 所示。當(dāng)波長(zhǎng)變?yōu)?00 nm 時(shí)，條紋間距減小，如圖3-b 所示；D 增加到3m 時(shí)，條紋間距變寬，如圖3-c 所示；d 減小到0.04mm 時(shí)，條紋間距變大，如圖3-d所示（仿真模擬）。

最后給出拓展思考題：若光源使用白光，雙孔干涉條紋有什么特點(diǎn)？請(qǐng)同學(xué)們分組討論并得出結(jié)論。課程最后布置相關(guān)習(xí)題來(lái)鞏固知識(shí)點(diǎn)。本節(jié)課教學(xué)模式評(píng)價(jià)可以從課前預(yù)習(xí)、小組討論、課后作業(yè)三部分進(jìn)行。

四、總結(jié)與反思

在教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)光學(xué)課程在課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)演示、仿真模擬及線上課程四種混合式教學(xué)模式的結(jié)合使用下很好地解決了師生課堂零互動(dòng)、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高及知識(shí)點(diǎn)難理解的問(wèn)題。課堂教學(xué)環(huán)節(jié)可以培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力；實(shí)驗(yàn)演示部分可以使得學(xué)生的觀察力得到鍛煉；仿真模擬和線上課程不僅可以加深學(xué)生對(duì)概念的理解，也提高了自主學(xué)習(xí)的能力。在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，我們也會(huì)注重前沿科技、產(chǎn)業(yè)需求等內(nèi)容的融入，將光學(xué)課程的教學(xué)模式不斷完善。