光學(xué)課堂教學(xué)的趣味化探索

陳道群 熊飛 熊少華 周向陽

1 華中科技大學(xué)武昌分校 武漢 430064 2 通信指揮學(xué)院 武漢 430010

華中科技大學(xué)武昌分校的光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)成立之初，是在華中科技大學(xué)的光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的部分教師的幫助下建立起來，最初的課程體制沿用華中科技大學(xué)一套。課程較難，部分學(xué)生直接對其不感興趣。

自2007年9月講授應(yīng)用光學(xué)、物理光學(xué)，并助教光學(xué)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、激光原理與技術(shù)，至今已經(jīng)授課3輪。講授光學(xué)課程遇到的主要問題是：在學(xué)生是三本學(xué)生、光學(xué)課程學(xué)時(shí)普遍較少、培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)生經(jīng)驗(yàn)相對較少的情況下，始終面臨如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、效率和增加學(xué)生的就業(yè)問題。

解決這一問題，先分析光學(xué)課堂教學(xué)的難點(diǎn)及興趣的重要性，再在光學(xué)課堂內(nèi)外采取多種措施來激發(fā)學(xué)習(xí)主體內(nèi)在的、原始的動(dòng)力——興趣，問題便可得到較好解決。

1 光學(xué)課堂教學(xué)的難點(diǎn)

光學(xué)是一門歷史悠久的學(xué)科，尤其從1960年激光出現(xiàn)以后，光學(xué)以前所未有的規(guī)模和速度迅速發(fā)展，新課題、新概念、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，已形成許多分支學(xué)科和交叉學(xué)科[1]。

光學(xué)教學(xué)中有以下難點(diǎn)：1）光學(xué)知識(shí)的應(yīng)用面較廣，學(xué)生看到的應(yīng)用難以與所學(xué)知識(shí)聯(lián)系上，導(dǎo)致對所學(xué)知識(shí)的作用不了解，學(xué)習(xí)茫然，主動(dòng)性不高，興趣低下；2）嚴(yán)格定義而又乏味的概念、符號(hào)較多，且難記憶，在不同光學(xué)課程中符號(hào)規(guī)則還可能不一樣，如在應(yīng)用光學(xué)與激光原理中對光學(xué)面的半徑符號(hào)規(guī)定是不同的，導(dǎo)致光學(xué)矩陣的形式不同[2-3]，增加了學(xué)生的記憶難度；3）光學(xué)中公式繁多，推導(dǎo)較復(fù)雜，若只記公式的結(jié)果，其物理意義不易弄清晰，運(yùn)用時(shí)易出現(xiàn)混淆和錯(cuò)誤[4]。

而生活在這個(gè)五彩繽紛世界的許多學(xué)生，面對枯燥乏味的課堂往往只能保持10多分鐘的注意力。如何在光學(xué)課堂教學(xué)中提高學(xué)生的聽課興趣、延長學(xué)生的注意力，是眾多從事光學(xué)教學(xué)的教師的夢想。

2 興趣在光學(xué)學(xué)習(xí)中的重要性

孔子曰：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者。”即“興趣是最好的老師”，當(dāng)學(xué)習(xí)主體對光學(xué)產(chǎn)生濃厚興趣之后，自然就會(huì)沉浸在光學(xué)的知識(shí)海洋之中。捷克教育家夸美紐斯也說：“興趣是創(chuàng)造一個(gè)歡樂和光明的教育環(huán)境的主要途徑之一。”如何激發(fā)學(xué)生源自內(nèi)心對光學(xué)的興趣與熱愛就成了教授光學(xué)的教師的追求。

在此嘗試一條途徑，那就是在光學(xué)課堂教學(xué)中引入學(xué)生熟知的或感興趣的實(shí)驗(yàn)和光電產(chǎn)品實(shí)例，或利用光電系統(tǒng)獨(dú)有的聲光效應(yīng)激活干巴巴的光學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容。當(dāng)學(xué)生近距離接觸他們未來將要從事的工作可能觸及的產(chǎn)品，或他們從眼前的具有聲光效應(yīng)的課堂教學(xué)內(nèi)容中學(xué)習(xí)知識(shí)時(shí)，學(xué)生被激發(fā)出興趣甚至熱情的可能性是非常大的。

3 光學(xué)教學(xué)內(nèi)容的趣味化改革實(shí)例

3.1 利用激光在光學(xué)課堂教學(xué)中做演示實(shí)驗(yàn)，讓演示實(shí)驗(yàn)重回課堂

由于激光具有高亮度，單色性、方向性、相干性好等特性，特別是He-Ne激光器小型化，很容易搬進(jìn)課堂，演示的很多現(xiàn)象（如干涉、衍射等）效果較好，演示光路時(shí)（如全反射等）則可利用自制的散射裝置使發(fā)出的紅光光路清晰可見。通過激光用于光學(xué)課堂演示應(yīng)用，使光學(xué)現(xiàn)象鮮明、有趣，從而提升學(xué)生的興趣。

3.2 設(shè)計(jì)利用圖像傳感器實(shí)現(xiàn)光電測量的實(shí)驗(yàn)

光學(xué)課堂教學(xué)除了理論課教學(xué)外，還有至關(guān)重要的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。對于針對二、三類本科生培養(yǎng)應(yīng)用型人才的院校來說，實(shí)驗(yàn)課尤其重要。盡管實(shí)驗(yàn)課不同于理論課教學(xué)，可以讓學(xué)生看得見、摸得著他們要學(xué)習(xí)的東西，興趣要強(qiáng)于理論課，但仍有較大的改革空間。例如設(shè)計(jì)這樣的實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容：由光源、實(shí)物、鏡頭、圖像信息采集、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等構(gòu)成的光電測量系統(tǒng)，先由已知尺寸的實(shí)物和計(jì)算機(jī)屏幕上的圖像數(shù)據(jù)測算出物鏡的橫向放大率β等參數(shù)，再將未知尺寸物體替換已知尺寸物體，利用它（們）測量未知尺寸物體的尺寸數(shù)據(jù)，或利用光學(xué)衍射圖像測量細(xì)絲直徑。這不是傳統(tǒng)的沒有任何具體應(yīng)用目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如沒有光電測量應(yīng)用目標(biāo)的光路設(shè)計(jì)。二者比較起來，前者肯定會(huì)更多地引發(fā)學(xué)生的興趣與求知激情。

3.3 利用光電系統(tǒng)的聲光效應(yīng)提高學(xué)生興趣

光電產(chǎn)品比之其他行業(yè)的產(chǎn)品，有著很大的針對市場的廣告宣傳優(yōu)勢，這就是它的聲光效應(yīng)。將光電產(chǎn)品的聲光效應(yīng)直接展現(xiàn)在用戶的眼前，就是最好的廣告宣傳。為什么不能將它的這一優(yōu)勢，用于光學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，激發(fā)學(xué)生更大的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量呢？諸如紅眼航班飛機(jī)上間歇閃亮的紅燈——螢火蟲警示系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、紅外防盜器、汽車倒車防撞提示器、樓道照明燈的光控自動(dòng)開關(guān)等，這些貼近人們的生活，又聽得見、看得到、摸得著的光學(xué)、光電類實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容，一旦走進(jìn)實(shí)驗(yàn)課課堂，課堂對學(xué)生的吸引力可想而知。

3.4 加強(qiáng)學(xué)生參與光學(xué)課堂的積極性

在探索中發(fā)現(xiàn)，若教師在課堂上只是一味地講解光學(xué)知識(shí)，學(xué)生在第二節(jié)課時(shí)注意力明顯不如第一節(jié)集中。這是一個(gè)普遍現(xiàn)象，故采用以下措施：1）有時(shí)把第二節(jié)課的前5分鐘交給學(xué)生，讓學(xué)生播放他們在網(wǎng)上找到的有趣的光學(xué)現(xiàn)象、儀器、產(chǎn)品；2）點(diǎn)評學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成的書本外的一些作業(yè)，如在應(yīng)用光學(xué)中指導(dǎo)學(xué)生用Zemax完成文獻(xiàn)[5]中望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)實(shí)例（主要是為后續(xù)光學(xué)設(shè)計(jì)課程打下基礎(chǔ)），在物理光學(xué)中學(xué)生利用薄膜設(shè)計(jì)軟件TFC設(shè)計(jì)太陽能電池表面薄膜，在激光原理與技術(shù)中利用激光腔仿真設(shè)計(jì)軟件分析摻Y(jié)b3+:YAG激光光腔的熱分析、效率與泵浦閾值等。前一種活動(dòng)更受到學(xué)生歡迎，但時(shí)間上不宜把控。

3.5 組織課外光電科技創(chuàng)新活動(dòng)

在任教的2007級光信專業(yè)的0701和0702班上，調(diào)查“你希望物理光學(xué)課怎么教”這一問題。從70份調(diào)查卷中反映出，67%的學(xué)生希望讓他們多動(dòng)手。學(xué)校的光學(xué)課程是在模擬電子線路、數(shù)字電路之后開設(shè)，所以在開設(shè)光學(xué)課程的同時(shí)，組織學(xué)生進(jìn)行課外科技創(chuàng)新活動(dòng)。開展這樣的活動(dòng)，有4方面的目標(biāo)。1）通過實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。2）培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)。對于低年級學(xué)生來說，專業(yè)課中的任何問題，包括那些最簡單的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對他們都具有創(chuàng)新性質(zhì)，都可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)。例如2009年組織2008級學(xué)生的課外科技創(chuàng)新活動(dòng)，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下做出不少看似不可能做出的光電小系統(tǒng)。3）從學(xué)生入學(xué)那一天開始，就要讓學(xué)生在培養(yǎng)應(yīng)用型人才的軌道上邁開自己的步伐，為他日后就業(yè)創(chuàng)造條件。4）將少數(shù)無節(jié)制上網(wǎng)的學(xué)生從誤區(qū)拉回學(xué)校來。課外科技創(chuàng)新活動(dòng)是課堂教學(xué)的重要補(bǔ)充和必要支撐，也是光學(xué)課堂教學(xué)趣味化改革的重要措施之一。

4 效果

2007年（講授2005級光信專業(yè)的應(yīng)用光學(xué)與物理光學(xué)）的學(xué)生評分為83.3分，2008年學(xué)生評分為89.0分，2009年學(xué)生評分為95.6分，物理光學(xué)課程被評為華中科技大學(xué)武昌分校2009年教學(xué)質(zhì)量二等獎(jiǎng)。從學(xué)生給教師打分可以看出，光學(xué)課堂教學(xué)的趣味化探索效果較為明顯。

5 結(jié)論

由于光學(xué)課程本身有很多的嚴(yán)格定義且難理解、難記憶的概念、符號(hào)和公式，光學(xué)課堂教學(xué)和光學(xué)教材顯得枯燥乏味。通過在光學(xué)教學(xué)中引入演示實(shí)驗(yàn)，利用聲光效應(yīng)、課外光電創(chuàng)新活動(dòng)及自行設(shè)計(jì)的有趣的實(shí)驗(yàn)來提高學(xué)生對光學(xué)知識(shí)的興趣，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)精神，使學(xué)生積極去探索光學(xué)世界，來克服光學(xué)自身中的一些難點(diǎn)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和自主學(xué)習(xí)的能力的目標(biāo)。

[1]王秀琳.光學(xué)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào),2006,7(2):75-77

[2]李曉彤,岑兆豐.幾何光學(xué)像差光學(xué)設(shè)計(jì)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2004

[3]周炳昆,高以智,等.激光原理[M].6版.北京:國防工業(yè)出版社,2009

[4]郭仁慧,高志山.談《應(yīng)用光學(xué)》教學(xué)的改進(jìn)方法[J].高教論壇,2009(1):90-93

[5]李麗,劉曉波.工程光學(xué)教學(xué)改革探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2009,28(6):129-131