幾何作圖和MATLAB仿真模擬在眼視光應(yīng)用光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

王郡婕，王 成，楊艷妮，閆 瑾

(1.西安醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)系物理教研室，陜西 西安 710021；2.西安醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)系眼科視光學(xué)教研室，陜西 西安 710021)

·醫(yī)學(xué)教育·

幾何作圖和MATLAB仿真模擬在眼視光應(yīng)用光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

王郡婕1，王 成1，楊艷妮1，閆 瑾2

(1.西安醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)系物理教研室，陜西 西安 710021；2.西安醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)系眼科視光學(xué)教研室，陜西 西安 710021)

目的 為眼視光學(xué)專業(yè)學(xué)生儲備必要的光學(xué)理論知識，為后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)做鋪墊，探索幾何作圖和MATLAB仿真模擬在教學(xué)中的有效性。方法分別選取西安醫(yī)學(xué)院2012級和2013級眼視光專業(yè)60名學(xué)生作為對照組和實驗組，對2012級學(xué)生采用傳統(tǒng)教學(xué)，對2013級學(xué)生采用幾何作圖和MATLAB仿真模擬教學(xué)，通過比較兩組綜合成績、學(xué)生問卷調(diào)查結(jié)果和后續(xù)專業(yè)課教師評分，評價基于幾何作圖和MATLAB仿真模擬的教學(xué)效果。結(jié)果實驗組學(xué)生的綜合成績、自我評價及教師評價均優(yōu)于對照組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。結(jié)論基于幾何作圖和MATLAB仿真模擬可以使光學(xué)中的抽象概念形象化，幫助學(xué)生建立直觀的物理圖像，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果良好。

幾何作圖；MATLAB仿真模擬；眼視光應(yīng)用光學(xué)

眼視光學(xué)是近年來新興起來的一門學(xué)科，主要研究光學(xué)與視光學(xué)之間的相互關(guān)系。《眼視光應(yīng)用光學(xué)》將這兩者完美地結(jié)合起來，作為該專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅可以為學(xué)習(xí)和解答后續(xù)專業(yè)課程中出現(xiàn)的光學(xué)問題奠定良好的基礎(chǔ)，還可以在實踐操作中真正做到有理可依。但應(yīng)用光學(xué)是一門古老為復(fù)雜的學(xué)科，對于零基礎(chǔ)的眼視光專業(yè)學(xué)生而言，學(xué)習(xí)起來通常覺得內(nèi)容繁瑣抽象、枯燥乏味，極大影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。因此，本課程開設(shè)以來，我們不斷反思并積極進行教學(xué)改革，已取得了一定的效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料 我們選擇西安醫(yī)學(xué)院2013級眼視光專業(yè)的60名學(xué)生作為實驗組，在《眼視光應(yīng)用光學(xué)》的教學(xué)過程中采用幾何作圖法引導(dǎo)學(xué)生主動思考，并將涉及到的相關(guān)光學(xué)內(nèi)容用MATLAB軟件模擬；對照組選擇2012級眼視光專業(yè)的60名學(xué)生，采用傳統(tǒng)教學(xué)法授課。授課內(nèi)容按照教學(xué)大綱要求選擇《眼視光應(yīng)用光學(xué)》教材前七章，其中理論課時44學(xué)時，實驗8學(xué)時；兩組研究對象的入學(xué)成績及其他相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程的成績等因素均無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，可以進行比較。

1.2 方法

1.2.1 教學(xué)方法 對照組采用常規(guī)的傳統(tǒng)教學(xué)方法，對于課程涉及的波動光學(xué)、幾何光學(xué)及像差與像質(zhì)評價等問題借助板書與多媒體詳細(xì)說明，教學(xué)過程中盡量采用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，課后教師認(rèn)真答疑。實驗組在教學(xué)中采用幾何作圖和MATLAB仿真模擬說明相關(guān)問題。(1)教師課前要充分備課，除了達到傳統(tǒng)教學(xué)的基本要求外，需要花大量時間精力將課程中難理解的內(nèi)容用直觀的幾何圖形表示，將不同光學(xué)平面內(nèi)的光線用不同顏色的線條加以區(qū)分，幫助學(xué)生對光學(xué)基本概念的學(xué)習(xí)和理解；(2)教學(xué)過程中自制的幾何圖形可以被分解，通過分步驟演示將復(fù)雜問題簡單化，可在學(xué)生腦海中形成長時記憶；(3)對于有大量公式推導(dǎo)且結(jié)果抽象的內(nèi)容，比如像差理論，采用MATLAB軟件進行仿真模擬，學(xué)生不僅可以了解視光學(xué)中不同像差產(chǎn)生的原因，還可以直接觀察到模擬結(jié)果，使抽象問題形象化。

1.2.2 教學(xué)效果評價指標(biāo)

1.2.2.1 理論考試與實驗操作綜合成績 考核滿分為100分，其中理論考試占70%，實驗操作占30%。兩組的理論考核方式相同，試題難度系數(shù)、信度、效度一致，具有可比性。

1.2.2.2 學(xué)生問卷調(diào)查 通過問卷調(diào)查學(xué)生對本課程的知識掌握情況、學(xué)習(xí)興趣、歸納總結(jié)能力、應(yīng)用能力、實踐操作能力等。每個考核內(nèi)容設(shè)有三個選項：良好、一般、較差。

1.2.2.3 后續(xù)專業(yè)課教師評分 《眼視光應(yīng)用光學(xué)》是學(xué)習(xí)《視光學(xué)基礎(chǔ)》、《驗光技術(shù)》、《眼鏡學(xué)》等后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的基礎(chǔ)。同一專業(yè)課教師通過兩組學(xué)生的課堂表現(xiàn)、知識運用情況、學(xué)習(xí)積極性和問題分析能力等方面對其進行打分，每項25分，共計100分。

1.2.3 統(tǒng)計學(xué)分析 采用統(tǒng)計軟件SPSS16.0對數(shù)據(jù)進行分析，兩獨立樣本的計量資料采用t檢驗，等級數(shù)據(jù)采用秩和檢驗，正態(tài)分布計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示。計量資料以率表示，采用χ2檢驗。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 實驗組和對照組的綜合成績比較 按照西安醫(yī)學(xué)院命題要求，兩組《眼視光應(yīng)用光學(xué)》的理論命題均包括選擇題、填空題、簡答題、作圖題和計算題，試題難度系數(shù)均為0.35，屬難度適中，具有考核意義；實驗操作考察學(xué)生實際操作中的規(guī)范性、測得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及分析問題的邏輯性。經(jīng)統(tǒng)計分析，實驗組和對照組的綜合成績分布如圖1所示。由圖1可以看出，兩組的綜合成績均呈正態(tài)分布，采用幾何作圖和MATLAB仿真模擬后，實驗組的正態(tài)分布峰值向高分方向移動。 教學(xué)過程中采用幾何作圖和MATLAB仿真模擬后，實驗組的成績有明顯提高，且差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)；同時實驗組的成績極差較對照組降低，說明實驗組學(xué)生成績兩級分化的現(xiàn)象有所改善，大部分學(xué)生都能較好的掌握基本內(nèi)容，見表1。

圖1 實驗組和對照組的綜合成績分布圖

表1 實驗組和對照組綜合成績對比

2.2 兩組學(xué)生問卷調(diào)查結(jié)果比較 本課程結(jié)課后，我們分別對兩組學(xué)生進行了問卷調(diào)查，經(jīng)秩和檢驗分析結(jié)果如表2所示。采用幾何作圖和MATLAB仿真模擬教學(xué)的實驗組在知識掌握、學(xué)習(xí)興趣、歸納總結(jié)能力、應(yīng)用能力、實踐操作能力等方面都強于實驗組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。

表2 實驗組和對照組問卷調(diào)查結(jié)果對比[例（%）]

2.3 后續(xù)專業(yè)課教師評分 其他專業(yè)課教師通過學(xué)生在后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)中的課堂表現(xiàn)、知識運用情況、學(xué)習(xí)積極性以及問題分析能力對兩組學(xué)生進行打分，結(jié)果如表3。可以看出，實驗組的各方面表現(xiàn)均優(yōu)于對照組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。

表3 專業(yè)課教師對實驗組和對照組評分比較(分，±s)

表3 專業(yè)課教師對實驗組和對照組評分比較(分，±s)

組別 課堂表現(xiàn) 知識運用情況 學(xué)習(xí)積極性 問題分析能力對照組實驗組t值P值18.05±1.8420.00±1.76 -2.985＜0.0518.10±1.9121.33±1.68 -3.120＜0.0518.48±1.8720.07±1.57 -2.513＜0.0518.43±1.0920.47±1.30 -4.649＜0.05

3 討論

通過本課程的學(xué)習(xí)，要求眼視光專業(yè)的學(xué)生掌握應(yīng)用光學(xué)中的基本成像概念、規(guī)律以及一些最基本的實用光學(xué)技術(shù)，包括簡單的光路計算以及相應(yīng)的光路圖繪制[1]。眼視光學(xué)中，從角膜至眼底的大部分檢查、診斷、治療儀器，如屈光、視野、眼壓、眼底造影等方面，都要應(yīng)用到光學(xué)技術(shù)，因此本課程對于學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課或今后從事相關(guān)工作有重要的指導(dǎo)意義。

一直以來，由于光學(xué)課程中涉及的概念繁瑣、物理規(guī)律抽象，傳統(tǒng)教學(xué)一直都是口授筆演的方式，給學(xué)生學(xué)習(xí)掌握本課程帶來極大的困難，教學(xué)效果也不佳[2-3]。為了解決這一問題，近年來許多教師將計算機技術(shù)用于光學(xué)教學(xué)，但大多數(shù)都是簡單采用文本投影式教學(xué)，對光學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律缺乏科學(xué)形象的描述。本課程教學(xué)中嘗試采用幾何作圖法和MATLAB仿真模擬，為學(xué)生提供觀察物理現(xiàn)象的機會，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)與思考的能力。

幾何作圖法的采用不僅可以幫助學(xué)生清晰直觀地分析相關(guān)問題，還可提供全新的解決問題思路，將抽象的光學(xué)問題形象化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加課堂趣味性；同時，該方法可有效培養(yǎng)學(xué)生的思維水平和創(chuàng)新能力。

眼視光應(yīng)用光學(xué)的教學(xué)中涉及許多重要的光學(xué)圖像和光學(xué)過程，如何將這些物理現(xiàn)象進行直觀、深入淺出的描述對于學(xué)生而言是非常重要的。MATLAB是一種將科學(xué)計算和圖像功能完美結(jié)合的語言工具，通過模擬仿真，可使學(xué)生對圖樣變化與參量之間的關(guān)系有更直觀的感受，很好的解決了真實實驗因環(huán)境不能進課堂的難題，加深學(xué)生對相關(guān)光學(xué)知識的認(rèn)識。

本實驗組綜合成績的各項指標(biāo)均優(yōu)于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，說明實驗組除了理論知識掌握更好外，在實踐操作中也表現(xiàn)出較強的知識應(yīng)用能力。實驗組75%以上的學(xué)生能夠自主將理論知識與實際應(yīng)用聯(lián)系起來，學(xué)以致用，達到本專業(yè)人才培養(yǎng)的目的；且與對照組相比，實驗組在學(xué)習(xí)中具有主動提出問題、思考問題、解決問題的能力，而傳統(tǒng)教學(xué)的對照組學(xué)習(xí)依賴性較強，思維方式也不活躍[4-7]。

后續(xù)授課的專業(yè)課教師也對本課程改革后的教學(xué)方式充分肯定，他們表示實驗組的學(xué)生在相關(guān)專業(yè)課的表現(xiàn)更為突出。采用該教學(xué)模式下的學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)扎實、知識運用靈活且問題分析能力強。

4 建 議

雖然將幾何作圖和MATLAB仿真模擬用于眼視光應(yīng)用光學(xué)教學(xué)得到了學(xué)生和相關(guān)教師的普遍認(rèn)可，但這也對該課程授課教師提出了更高的要求。它不僅要求教師具有良好的專業(yè)知識素養(yǎng)和實踐操作能力[8-9]，還要求教師熟練掌握畫圖工具和MATLAB軟件。教學(xué)過程中，教師也應(yīng)鼓勵學(xué)生自主探索，在掌握基本知識的前提下，利用MATLAB編寫程序?qū)χR進行鞏固拓寬。

總之，通過以上研究討論，幾何作圖和MATLAB仿真模擬有利于將眼視光應(yīng)用光學(xué)教學(xué)過程中的抽象問題形象化，復(fù)雜問題簡單化，有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、思考和解決問題的能力，值得推廣。

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Application of geometric mapping and MATLAB simulation in teaching eye optical applied optics.

WANG Jun-jie1,WANG Cheng1,YANG Yan-ni1,YAN Jin2.1.Education&Research Office of Physics,Department of Medical Technology,Xi'an Medical University,Xi'an710021,Shaanxi,CHINA;2.Education&Research Office of Ophthalmology and Optometry,Department of Medical Technology,Xi'an Medical University,Xi'an710021,Shaanxi,CHINA

ObjectiveTo explore the effectiveness of applying geometric mapping and MATLAB simulation in the teaching with the purpose of reserving necessary optical theory knowledge for students and matting for subsequent related professional course.MethodsSixty students of grade2012 were chosen as control group(which were given traditional teaching),and60 students of grade2013 were chosen as experimental group(which were given geometric mapping and MATLAB simulation teaching).The teaching effect basing on geometric mapping and MATLAB simulation was evaluated by comparing the students'overall scores,questionnaires of self-assessment and the teachers'evaluation.ResultsThe students'comprehensive performance,self-assessment scores and teachers'evaluation of experimental group were all superior to those of control group,and the differences were statistically significant(P＜0.05).ConclusionThe application of geometric mapping and MATLAB simulation can visualize abstract concept in optics,help students establishing intuitive physical image and stimulate their interests in learning,therefore can obtain good teaching effect.

Geometric mapping;MATLAB simulation;Eye optical applied optics

R770.41

C

1003—6350（2015）16—2472—03

2015-01-27)

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.16.0895

王郡婕。E-mail：junjie880120@126.com