素質教育理念下的信息光學課程教學改革探索

付艷華 張興強

湖北汽車工業學院理學院 湖北十堰 442002

素質教育理念下的信息光學課程教學改革探索

付艷華 張興強

湖北汽車工業學院理學院 湖北十堰 442002

基于信息光學課程理論起點高、公式繁多，同時既重視基礎又強調應用的特點，通過對教學內容和教學目的研究，對信息光學理論教學進行改革。針對不同教學內容的特點，采用不同的教學方法和手段，使學生在掌握基本理論知識的同時，具備一定的學習能力、解決問題的能力、團隊合作能力及科學創新精神，促進學生的素質教育。

信息光學；理論教學；教學改革；素質教育

自20世紀40年代后期起，通信理論中“系統”的觀點和數學上的傅里葉分析方法被引入到光學中來，形成了現代光學的一個重要分支—信息光學。信息光學以傅里葉積分變換為數學基礎，從系統的觀點分析光學成像過程的信息傳遞機制，并利用光學方法進行信息處理、計算和存儲。它是聯系物理光學和信息科學的一門交叉學科，也是信息科學的一個重要組成部分。經過這幾十年的迅速發展，信息光學已滲透到科學技術的諸多領域，并得到越來越廣泛的應用。

信息光學是光學中的前沿學科。其課程內容既強調基礎理論及應用，又注重介紹學科前沿的具體成果，是一門理論聯系實際的課程，也是一門多學科交叉的科學，對于培養學生科學的思想方法、理論聯系實際的能力以及對知識融會貫通、靈活運用的能力起著開闊視野、開發思路的重要作用，是光信息科學與技術專業本科學生的一門重要的專業基礎課。考慮普通本科院校學生基礎相對薄弱，而信息光學課程具有理論起點高、公式繁多，不易理解等特點。因此，在教學過程中采取怎樣的教學方法和手段，激發學生的學習興趣，使學生在掌握基本理論知識的同時，具備一定的學習能力、解決問題的能力、團隊合作能力及科學創新精神，是本次教學研究的主要目的。本文主要從教學內容，教學方法和手段、考核方式等方面進行改革探索[1]。

1 教學內容分析

我們采用的教材是由蘇顯渝、呂乃光、陳家璧編著的《信息光學原理》一書。該教材包括8章，其中前三章是理論基礎部分，后五章是應用部分。我們選用前四章和第六章光學信息處理作為主要授課內容。在教學中，根據兩部分內容的特點和要求，采取不同的教學方法和手段。對于理論基礎部分，一是強調抓住兩條主線—傅里葉分析方法和線性系統理論，讓學生學會用傅里葉分析的方法和線性系統理論研究和

分析光學問題；二是注重培養學生的數學計算能力。理論基礎部分中主要的一部分是數學基礎，只有這里的數學基礎打好了，才能夠學好后面的內容。因此，在教學中，一方面通過習題，強化對這些數學知識的掌握；另一方面，在講這些公式、定理時，一定要與物理模型聯系起來，把公式中的物理含義講清楚，讓學生知道這些數學知識在信息光學中有什么用，可以用來解決什么樣的問題，在學生頭腦中建立起清晰的物理模型。例如，在講矩形函數的表達式時，向學生說明在光學中，矩形函數常用來表示狹縫或矩孔的透過率，并舉個狹縫或矩孔的例子，讓學生寫出其數學描述。從而加強學生對物理模型及其數學描述的認識。還有如講卷積和相關運算，不只讓學生學會這兩種運算的定義，還要讓學生知道這兩種運算在光學上的應用，卷積運算在光學上是用來計算成像系統的像分布，而互相關運算可以用于實現光學圖像識別；對于應用部分，重在培養學生理論聯系實際的能力和科學創新精神。在教學中，可以通過具體的應用專題或科研成果展開介紹，結合實際應用講解理論知識，從而激發學生的學習興趣。例如在講光學全息時，通過了解最新的數字全息技術和全息投影技術的應用實例，讓學生在學習基本的全息原理的同時，了解到最新的研究成果，啟發學生的思維，培養創新精神。還可以把課程的核心內容與光學史、人文精神，創新能力結合起來。讓學生了解這些理論知識的來龍去脈，學到對應的思維方法，對他們更好地掌握理論知識，啟發學生獨立思考，培養創新能力都有好處[2,3]。

2 教學方法和手段改革

在教學中，采取怎樣的方法和手段充分調動學生學習的積極性和主動性，并能夠培養學生的各種能力、發展智力，是教學方法研究的方向。由于信息光學課程理論性強、概念比較抽象，公式繁復，學生學起來有難度，所以要達到良好的教學效果，教學方法和教學手段的科學合理地運用就至關重要。

在教學中靈活運用教學方法，將類比引申法、基于問題的學習等教學方法引入到信息光學教學中來。當學生剛接觸信息光學的內容時, 類比引申法是一種提高學生理解程度的有效方法。例如，對于二維線性系統分析部分的內容, 可以與信號與系統中的內容比較學習，在信號與系統課程中，這里的很多公式、定理都講過，只是將分析對象從一維的時間信號擴展到二維的空間信號，也就是把信息科學中的處理方法運用到光學中來，這也是信息光學的本質。如矩形函數，在信號與系統中稱為“門函數”，它與某函數相乘，可以限制自變量的范圍，起到截取的作用，在信息光學中也同樣有這樣的作用，它常用來表示狹縫、矩孔的透過率。通過這樣的對比分析加深學生對這些枯燥、難懂的定理、公式的理解記憶，提高教學效率。以問題為中心的教學法以學生為主體，更能體現學生學習的主動性，在講解應用部分的內容時，多采用此方法。例如在講全息術之前，先留出一次課的時間布置任務，將學生分成幾個小組，選出一個帶隊的學生，讓他帶領本小組學生回去查閱資料，了解全息術的發明背景，Gabor兩步成像的思想是怎樣產生的？從傳統全息三維顯示技術到如今數字全息技術和全息投影技術，了解全息術的發展歷程，從中可以得到哪些啟發？學生在了解這些光學史的同時，也學習到了全息術的基本思想，以及光學偉人當時的思維過程，要比照本宣科的講理論和公式更有效。下次課每組以答辯的形式用PPT給大家做研究報告，其他學生可以提出問題或不同見解進行討論。教師對每組的研究報告做總結，對于基本原理和一些知識點講解有錯誤的教師加以更正，其他問題的回答都是開放性的，學生可以各抒己見。以這種方式組織教學過程，充分體現了學生為學習主體的核心思想。通過課下預習、課堂演講和討論的形式，不但可以活躍課堂氣氛，調動學生學習的積極性，還可以培養學生的自學能力、解決問題的能力和團隊合作能力，對于提高學生的綜合素質很有幫助。同時對于學生提出來的有價值的想法，鼓勵學生做深入研究，與大學生創新創業項目或科研聯系起來。在講阿貝成像理論時，讓學生先了解阿貝個人及其對光學發展的貢獻，說說自己的感想[4]。回答幾個問題：什么是顯微鏡的分辨本領？影響顯微鏡分辨本領的因素有哪些？提高顯微鏡分辨本領的途

徑有哪些？讓大家關注2014諾貝爾化學獎，獲獎者巧妙地繞開阿貝對光學顯微鏡分辨率的極限定義，突破性的將光學顯微鏡的分辨本領提高到納米尺度。了解目前國際上超分辨率成像的最新進展。

充分利用多媒體教學手段，同時堅持傳統教學方式的優勢。信息光學課程教學內容的基礎理論部分包含很多公式繁復，概念抽象的教學內容，用PPT展示這些公式推演可以節省板書時間，但如果在同一張PPT頁面上出現大量的公式，又不逐條顯示，學生看到估計頭都大了。所以對于有公式推導的PPT，采用逐條顯示的同時，結合板書講解。在講解公式過程中，不只是講清楚公式推導中的重要步驟，更重要的是學習其分析方法。例如講衍射的角譜理論時，讓學生了解角譜的傳播規律就是利用傅里葉分析和線性系統理論分析光傳播問題得來的，以及公式中每個符號的物理意義，學生搞清楚了這些，那么這個知識點也基本掌握了。PPT中盡量多以動畫、視頻和演示實驗等直觀的形式展示教學內容，增加教學內容的生動性，把一些光學現象可視化，也更易于學生理解復雜的物理理論，提高教學效率[5]。例如講光學信息處理部分時，可以利用MATLAB仿真使光學圖像處理結果可視化，結合程序編寫過程講解這些知識，培養學生理論聯系實際的能力。

利用互聯網平臺傳播知識，實現知識資源的共享。建設課程在線教學平臺，將電子教案、電子圖書、教學課件及一些相關的教學資源上網，學生可以在線學習，打造開放的學習平臺，如果學生由于某些原因不能到課堂上，可以網上自學，自學完后，以回答問題的方式考核學習效果，從而滿足不同學生的學習需求。

3 考核方式改革

針對目前的教學方式，對考核方式進行相應的改革。以往的考核方式中考試成績占70%，平時成績占30%，主要以考試成績評價學生的學習效果，這種評價方式不符合本課程的教學目的：學習知識的同時，更注重培養學生的學習能力、解決問題的能力、交流能力、團隊合作能力和創新能力。因此，對考核方式做了如下改革：課程考核成績由開卷考試成績50%+作業成績20%+討論課成績30%構成。在整個教學過程中組織2～3次案例討論課，對課堂分組討論的評價分為三方面：前期資料準備、課堂答辯、總結報告。這種評價方式更注重對學生的素質教育，而不是要死記硬背一些公式、定理。

4 結束語

本文通過對教學內容和教學目的研究，對信息光學理論教學方法進行改革，針對不同教學內容，采用不同教學方法和手段。對于基礎理論和知識，靈活運用多種教學方法和手段，通過習題訓練強化對基礎知識的掌握，以圖形、動畫、軟件仿真等方式加強學生對理論概念的理解及物理模型的建立；對于應用部分，更注重對學生綜合能力的培養，采用以問題為中心的教學法為主，使學生成為學習的主體，通過自學、答辯、課堂討論等形式，不但可以調動學生的積極性，還可以使學生有展示自己能力的機會，促進學生的素質教育。

[1] 張莉.提高“信息光學”課程教學效果的探索與實踐[J].科技信息,2010(28):529.

[2] 王仕璠.信息光學理論與應用[M].北京:北京郵電大學出版社,2004.

[3] 蘇顯渝,呂乃光,陳家璧.信息光學原理[M].北京:北京電子工業出版社,2010.

[4] 浦萬成,劉戰存.從夫瑯和費和阿貝看創新人才的作用[J].北京聯合大學報,1999,13(2):103-106.

[5] 鄭繼紅,陳家璧.培養興趣,引導創新:《信息光學》理論教學改革實踐[J].光學技術,2007(33):317-319.

Teaching Reform Exploration on Information Optics Course Under the Quality-oriented Education Ideas

Fu Yanhua, Zhang Xingqiang
Department of Mathematics and Physics, Hubei Automotive Industries Institute, Shiyan, 442002, China

Based on the characteristics of the information optics course,and the studies on the teaching contents and teaching objectives, the teaching reform on information optics course is carried out. Depending on the characteristic of different teaching contents, different teaching methods and means are adopted, which make the students master the basic theory of knowledge while have the ability to learn, problemsolving ability,team-work ability and scientific innovation spirit, further promote the quality education for students.

information optics; theory teaching; teaching reform; quality education

2016-05-25

付艷華，碩士，講師。

湖北汽車工業學院教學研究項目(編號：JX201 588)。