《工程光學（下）》仿真作業內容及考核方式探索

屈玉福 江潔 劉惠蘭

摘要：《工程光學（下）》是一門理論性很強的課程，目前的課堂講授方式很難使學生對課程有很深的印象。為了充分調動學生學習的積極性，文章設計了小知識點仿真和綜合大作業仿真結合的學生仿真作業，小知識點仿真包括課本知識點、課后作業和課程實驗三部分內容，每個同學單獨選做5—8個題目;綜合大作業仿真題目源于課本知識點，又適當拓展知識點外延，3個同學組成一組，選做1—2個題目，這部分以同學展示的方式進行考核，主要考核仿真內容的正確性、全面性和完善性等。

關鍵詞：工程光學;仿真;考核

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）49-0103-02

一、引言

教練結合、翻轉課堂等教學方式已是目前高等教育改革的發展方向，在新的教學方式中如何合理設計教學要求和考核評價方式是目前教育改革迫切需要解決的細節性問題。

《工程光學（下）》是面向工科類專業開設的《物理光學》課，課程內容有光波的描述、菲涅爾公式、光波的疊加、光的衍射和光的偏振等，是一門理論性很強的課程。目前的講授方式多以老師課堂講授、學生課后做作業的方式來完成該課程的學習。學生學習后的結果是印象不深，考完試之后不久就全忘了。因此，有部分單位給這門課增加了學生做仿真作業的內容，讓學生使用Matlab等仿真軟件通過對課本的公式、原理和等內容的仿真，加深對課本知識點的認識[1]。從2015年起，我們學校的《工程光學（下）》也增加了仿真作業的要求，但有部分同學照抄現有參考書的內容[2]，起不到訓練的目的。為了充分調動同學們的積極性，我們設計了源于課本內容，又超出課本內容的仿真作業題目，這些題目既能讓學生很好地理解知識點，也能讓同學充分發揮自己的主觀能動性，獲得很多超出課本知識點，且是很有趣的知識。

二、仿真作業題目

考慮整個課程可仿真的內容主要包括課本知識點、課后作業和課程實驗三部分內容。因此，本文將仿真作業分成兩部分內容：小知識點仿真和綜合大作業仿真。小知識點仿真主要仿真課程中的一個具體的知識點，可以仿真一道課后作業題，也可以將課程實驗所用器件的參數數字化，讓學生通過理論仿真和實際實驗驗證兩種方式相互驗證，來加深對知識點的理解。小知識點仿真要求每個學生單獨選做5—8個仿真題目，主要是讓學生掌握利用Matlab進行光學仿真的能力。

學生完成小知識點仿真作業后，再3個同學組成一組選做1—2個綜合仿真大作業。綜合仿真大作業既能加深學生對課程知識點的理解，又能使學生通過仿真現象拓展知識點的外延。本文設計了下面10個仿真大作業的建議題目：

1.仿真多束光波（平面波、球面波和柱面波等）的疊加，要包括不同傳播方向、不同頻率、不同偏振方向、不同初始相位、不同振幅大小等。

2.菲涅耳公式的仿真，要包括全反射、倏逝波和半波損失等內容，可直觀顯示光波的傳播方向、振幅、相位和能量等值的變化。

3.楊氏雙縫干涉實驗，要包括光源大小、位置和光譜等內容的變化;兩孔位置、距離和大小的變化;觀察屏位置和大小的變化，討論空間相干性和時間相關性對條紋可見度的影響，討論在各個縫上添加偏振片后干涉條紋的變化。

4.邁克爾遜干涉實驗，要包括光源大小、位置和光譜等內容的變化;兩反射鏡相對位置、距離和方位的變化;討論在分光鏡后加入λ/4波片后干涉條紋的變化，討論空間相干性和時間相關性對條紋可見度的影響。

5.單縫夫瑯禾費衍射，要包括光源的變化（點光源、線光源），光源的位置、大小和方位的變化;單縫峰寬和位置的變化，觀察屏距離和方位的變化。（可參考參考文獻[3]第159頁第（一）題第3—6小題的條件變化）

6.圓孔夫瑯禾費衍射，要包括光源的變化（點光源、線光源），光源的位置、大小和方位的變化;圓孔直徑大小和位置的變化，觀察屏距離和方位的變化。（可參考參考文獻[3]第159頁第（一）題第3—6小題的條件變化）

7.復雜圖形夫瑯禾費衍射仿真，要包括基礎單元圖形的變化（圓形、方形、三角形等）;基礎單元的大小變化;基礎單元的分布形式（圓形、方形、環狀等，等間隔、不等間隔等）;單層、兩層和多層分布等。

8.光柵衍射仿真，光柵單元的相位調制、振幅調制和反射方向特性可編輯，光柵的大小、分布形式和周期可編輯。

9.橢偏儀原理仿真，可視化展示橢偏儀測量薄膜的折射率和厚度結果。

10.洛匈棱鏡反向使用后的結果仿真和討論。

三、仿真作業考核方式的探索

考核方式設計的標準是使同學在有適當壓力的情況下保質保量地完成仿真作業，這樣既能高效、扎實地學到知識，又能得到一個客觀公正的分數。

為了防止同學在交作業的最后時刻照抄、敷衍仿真作業，本文將小知識點仿真和綜合大作業仿真分成兩步進行考核，具體方法如下：

第一部分內容的分數占仿真模擬大作業總成績的50%，在開學后的第八周—第十周考核，學生只交仿真程序，老師根據對仿真程序的閱讀和對部分同學附加的面試（確定是否為抄襲），判斷學生是否掌握了這部分的內容，如沒掌握這部分內容，則不能進入第二部分的仿真，什么時候掌握什么時候進入第二階段的仿真，這一部分的仿真分數按通過和不通過給，通過成績為滿分，不通過成績為零分。

第二部分內容的分數占仿真模擬大作業總成績的50%，最后以展示的方式考核，專門占用兩個課時的時間，讓同學展示他們的大作業仿真結果。第二部分的考核主要從以下幾個方面考察同學大作業的完成情況：

1.仿真內容的正確性、全面性和完善性（占大作業總成績的25%）;

2.仿真報告的撰寫質量（占大作業總成績的15%）;

3.仿真內容的交流和展示效果（占大作業總成績的10%）。

四、結論

基于以上《工程光學（下）》仿真作業的內容和考核方式的設計，我們學校已完成了兩個學年的教學。以上仿真作業內容和考核方式的設計增加了學生主動求知、探索和實踐的欲望，使學生在一步步調試仿真程序的過程中體會到了學習的樂趣。通過仿真程序的實現，將理論分析結果直觀地顯現出來，給枯燥無味的理論分析過程增添了很多樂趣，也能使學生將課程所學內容永遠印到腦海里。

參考文獻：

[1]毛少娟，陳玉丹，殷建玲.基于MATLAB的物理光學仿真[J].教育教學論壇，2016，（44）：100-102.

[2]胡章芳，羅元，席兵，潘武.Matlab仿真及其在光學課程中的應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015：65-90.

[3]蔡懷宇.工程光學復習指導與習題解答[M].第二版.北京：機械工業出版社，2016：108-180.