基于工匠精神的光學實驗信息化教學平臺設計應用

任婷婷 張澤奎 石金發

摘 要：在國家大力推行工匠精神，培育“中國工匠”的背景下，高職教育應當深入滲透工匠精神。本文以光電技術應用專業核心課程“工程光學”教學為例，基于MATLAB仿真軟件，建立了一個光學實驗信息化教學平臺，該教學平臺的使用充分體現了刻苦鉆研、精益求精的匠人品質，實現了工匠精神在光電技術應用專業中的滲透。

關鍵詞：工匠精神；高職；光學實驗；信息化教學平臺；工程光學

作者簡介：任婷婷，碩士，武漢軟件工程職業學院講師，研究方向為光電信號處理；張澤奎，碩士，武漢軟件工程職業學院講師，研究方向為光電子技術；石金發，碩士，武漢軟件工程職業學院講師，研究方向為激光加工。（湖北 武漢 430205）

基金項目：本文系武漢市教育局高教處教研重點課題“基于工匠精神在光電技術應用專業建設中的滲透研究”（編號：2017038）的研究成果。

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）20-0074-03

目前，我國正大力倡導工匠精神，培育“中國工匠”。精益求精的“工匠精神”體現在企業的生產和服務過程中，卻始于職業教育。占據高等教育半壁江山的高職教育，已成為實現“一帶一路”“中國制造2025”等國家戰略的重要支撐力量。為社會培養技能人才的高職教育，必然在培育工匠精神中承擔重任。因此，在高職教育中深入滲透工匠精神具有重要意義。光電技術應用專業作為湖北省戰略性新興產業人才培養計劃專業、湖北省高等職業教育特色專業，其專業核心基礎課程“工程光學”是一門專業性、技術性較強的課程，學生對該門課程的掌握對后續專業課程的學習具有承上啟下的重要作用。此課程的教學目標是培養學生光學基礎理論的理解和運用技能，促使學生能在后續學習中掌握光電探測、光纖通信、激光技術等方面的應用技能。傳統教學中主要運用了講授和實操的教學方式，在信息化的時代背景下，本文運用ATLAB軟件設計了一個光學實驗信息化教學平臺，使得學生對光學現象的理解形象化，并通過舉一反三的實驗設計，深入鉆研該知識點，充分體現工匠精神在該課程教學中的滲透。

一、“工程光學”課程教學現狀

“工程光學”是對光學基礎知識的學習，學生通過研究一些基本的光學現象，學習和掌握工程光學的理論知識和實驗方法。傳統教學中，理論知識的教學以教師講授為主，實驗教學為輔，以此通過教學做一體化的方法使學生更容易理解和掌握知識點。教學中設計了“光的干涉”“光的衍射”“信息光學變換”等理論章節，對應理論章節設計了“雙棱鏡干涉”“衍射法測細絲直徑”“光的偏振”等實驗操作內容。而在實際教學中，工程光學實驗中使用的儀器比較精密，光學儀器的調節也比較復雜，只有在了解了儀器結構性能的基礎上，才能選擇有效而準確的調節方法，完成實驗內容。這就勢必要求學生在實驗前很好地掌握光學理論，調節過程中更要具備良好的科學實驗素養，整個實驗對學生的思考能力和動手能力要求較高。在實際的教學過程中，僅通過一定的理論講授后就要求學生充分理解理論知識并聯系實際，較好地完成實驗操作、理解實驗內容，是不現實的。大部分學生對光學實驗僅停留在按章操作的程度，并不能理解該實驗現象對應的理論知識。這種現象極大地影響了學生對光學知識的掌握，導致“工程光學”課程教學質量不高，很難培養出高素質的“工匠”型技能人才。

二、基于MATLAB的光學實驗平臺設計

針對上述實際教學中的問題，本文設計的光學實驗信息化教學平臺，能實現光的干涉、光的衍射、信息光學變換等多種光學實驗現象仿真，并對多種實驗參數進行調節，觀察不同實驗條件對實驗現象的影響，同時能與真實實驗現象進行對比，舉一反三，是學生深入理解和探究光學現象的有效手段。通過該平臺的運用，學生能在教師理論講授后，通過該平臺對理論知識進行一定的梳理，通過反復的現象仿真，思考這種光學現象產生的原理，并在仿真后進行實驗操作，對比仿真結果和實操結果，思考其中的異同。整個教學過程充分體現了工匠鉆研精神。

MATLAB作為科學計算軟件，主要適用于矩陣運算和信息處理領域的分析設計，其特點是使用方便、輸入便捷、運算功能齊全，并且帶有大量的函數庫可供使用。用它來編寫程序，不需要大量煩瑣的編程過程，只需以數學方式表達和描述，因此特別適合工程計算和教學軟件的編寫。采用MATLAB GUI設計對光學實驗進行仿真，界面豐富直觀，可以直接在界面中輸入和改變參數而不需要改變原程序，直觀地分析各參數的變化對實驗結果的影響。本文利用MATLAB GUI設計了一個光學實驗仿真信息化教學平臺，下面分別介紹該教學平臺中各個部分的設計：

1.平面波前的實現。二維x-y直角坐標可唯一地確定一個平面，用這個平面表示光波場的波前，可以在此平面上對光波場的復振幅作相應的各種運算。用MATLAB語言可以方便地確定這樣一個平面：利用MATLAB庫函數meshgrid（）生成兩個N×N維矩陣變量m和n，其中矩陣m按行變換，矩陣n按列變換，按照這兩個矩陣尋址可以確定用矩陣U表示的平面上的任意像素，可以根據需要確定矩陣的階數N，即平面的采樣點數。

2.光的干涉現象。以光的干涉原理為基礎，研究光的干涉實驗仿真的基本原理和仿真方法，程序中的可調參數為：入射光波長λ、雙縫的距離d、雙縫到觀察屏距離z。用光波波前疊加的方法實現了對楊氏雙縫干涉實驗的仿真，并展示仿真圖形結果，能通過界面調整雙縫寬度和雙縫到觀察屏的距離。

3.光的衍射現象。根據夫瑯和費衍射原理及實驗裝置建立仿真實驗的數學模型，利用光波疊加法得到單縫、矩形孔、圓孔衍射屏的夫瑯和費衍射仿真實驗結果，并展示仿真圖形結構，能通過界面調整單縫、矩形孔、圓孔衍射屏的寬度及衍射屏到觀察屏的距離。單縫衍射仿真與干涉仿真類似，矩形孔衍射的仿真只需要將光強隨x、y方向的變化計算出來即可。

4.信息光學變換。根據阿貝成像原理和4f系統給出光學空間濾波過程的物理公式，實現郎齊光柵空間濾波和阿貝—波特實驗的仿真，并展示仿真圖形結構，能通過界面調整濾波器的形狀和大小。調用MATLAB數據分析和傅里葉變換函數庫中的二維離散傅里葉變換函數fft2（）和逆變換函數ifft2（），對二維矩陣進行快速傅里葉變換，可得到包括振幅和相位兩部分的復振幅分布函數，實現濾波過程。另外，為了方便信息化教學，該平臺可同步到手機進行演示操作，可通過互動軟件共享實驗的數據，方便檢查評分。

三、光學實驗信息化教學平臺的應用

1.教師講解展示。由于“工程光學”課程具有極高的理論性，所以在課程前部分，教師應通過多媒體設備為學生詳細講解各知識點的來龍去脈，通過視頻展示各個光學現象在實際生活中的應用，這樣便于學生通過理論學習和視頻展示學習相關知識點，對枯燥的理論知識有一個形象的認識。

2.光學實驗平臺的操作演示。在理論講授結束后，教師可通過電腦將光學實驗平臺操作界面同步到學生手機上，讓學生能更直接地進行實驗步驟的模仿練習。演示過程中，學生可通過“彈幕”實時向教師反饋學習情況，提出疑問。

3.學生操作光學實驗平臺。通過教師演示后，學生可以自己進行光學實驗平臺的操作，觀察實驗現象，調整實驗參數，設計實驗過程，分析和對比實驗結果，循序漸進理解和掌握該知識點，并在該平臺上進行記錄評分。

4.學生進行實物實驗。運用光學元件對光學實驗進行實際操作，并實現在光學實驗平臺中設計的實驗過程，將實際實驗結果與平臺仿真結果進行對比，再由教師對學生實驗操作效果進行檢驗點評。

在后續教學中，我們還要不斷改革信息化教學模式，在教學過程中引入更多的信息化教學方法和教學引導機制，提升教學效果。例如，隨著電子產品及信息化時代的不斷發展，越來越多學生手機不離手。針對這一現象，后續我們可將該平臺設計移植到手機App中，讓學生能使用手機在課堂上與教師同步進行實驗仿真，讓有興趣的學生在課后隨時隨地進行實驗，激發學生的學習興趣。信息化教學模式是一種創新型的教學形式，在“工程光學”課程教學中使用“光學實驗信息化教學平臺”能極大地促進學生對課程理論知識和技能的掌握，通過該平臺實現課上和課下的學習，培養學生的鉆研精神，培養具有“工匠精神”的高端技能型人才。

參考文獻：

[1] 楊飛.基于信息化平臺的光學課程教學改革的研究[J].中國西部科技，2011，（31）：91.

[2] 師青梅.Matlab仿真技術在大學物理光學實驗教學中的應用[J].中國電力教育，2012，（15）：78.

[3] 鐘可君.基于Matlab GUI設計的光學實驗仿真[J].實驗室研究與探索，2010，（10）：52.

[4] 任寰.職業教育技能型人才“工匠精神”培養研究[D].武漢：湖北工業大學，2017.

責任編輯 陳 莉