MATLAB實踐在物理光學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

□陳 波 徐其峰 張 茁 王嶺娥

現(xiàn)代教育要求以學(xué)生的發(fā)展為本，著力培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力、創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力，教師的授課方式要從傳統(tǒng)的講授知識轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)能力，要更加注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力[1]。物理光學(xué)是電子科學(xué)與技術(shù)、測控技術(shù)與儀器等本科專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[2]，在課程體系中起著承上啟下的作用，是學(xué)習(xí)激光原理、信息光學(xué)、光電檢測、光纖光學(xué)等課程的基礎(chǔ)。本課程以光的波動性為主要研究對象，從電磁波理論和傅里葉分析兩個角度，講授光的傳播、干涉、衍射、偏振性質(zhì)以及這些規(guī)律和現(xiàn)象的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)理論和實踐相結(jié)合[3～4]。由于課程理論知識較為復(fù)雜和抽象，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)難度較大，難以充分理解教學(xué)內(nèi)容。如何將抽象的理論和直觀的光學(xué)現(xiàn)象以及具體實際應(yīng)用有效結(jié)合起來，是需要教師在教學(xué)活動中思考和實踐的問題。MATLAB軟件可以進(jìn)行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，能夠應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測等領(lǐng)域，是學(xué)生不可缺少的軟件工具之一。

為了更好地讓學(xué)生掌握課程基本知識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，根據(jù)《物理光學(xué)》課程的教學(xué)特點和難點，結(jié)合MATLAB軟件，華北理工大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)系開展了課程教學(xué)實踐改革，綜合運用啟發(fā)式和討論式教學(xué)方法，將課堂講解與MATLAB仿真演示、課后探究式作業(yè)和實踐有機(jī)結(jié)合，并采取了與此相適應(yīng)的課程考試方式。課程考核成績由期末筆試成績和課后探究式作業(yè)成績組成，其中筆試占比70%，重點考察基本概念和原理，課后探究式作業(yè)成績占比30%，重點考察學(xué)生應(yīng)用MATLAB軟件解決具體問題的能力。

一、課堂教學(xué)引入MATLAB數(shù)值仿真

課堂教學(xué)是大學(xué)教育活動的主陣地，是當(dāng)前教學(xué)中普遍采用的教學(xué)手段。教師在課堂教學(xué)中最容易忽視的就是學(xué)生的主體地位，尤其是在授課內(nèi)容較多的基礎(chǔ)課程中。將MATLAB數(shù)值仿真引入課堂，采用現(xiàn)象演示和啟發(fā)式討論相結(jié)合的教學(xué)方式，隨時演示重要概念和原理的MATLAB程序及結(jié)果，能夠較好地加深學(xué)生對抽象原理的理解[3]。

在講授完每一章內(nèi)容后，根據(jù)該章節(jié)的重要知識點和難點問題，增加了基于MATLAB軟件的編程仿真和討論環(huán)節(jié)。例如，在學(xué)完“光的干涉和干涉系統(tǒng)”這一部分后，在課堂上利用MATLAB軟件，仿真說明本章的重要知識點：光波干涉的條件。仿真過程中，通過修改光波長參數(shù)，還可以觀察到之前學(xué)過的光學(xué)拍的現(xiàn)象，從而加深理解。又例如在講解雙縫干涉條紋間距的相關(guān)課后題目時，先在MATLAB環(huán)境下編寫柱面波干涉程序，然后修改參數(shù)使其滿足題目要求，讓學(xué)生觀察干涉條紋分布，并確定題目的答案。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行原理講解和計算公式推導(dǎo)，從理論分析的角度給出正確答案。采用這種原理和現(xiàn)象相結(jié)合的方法，促進(jìn)了學(xué)生對基本概念的掌握和對知識的應(yīng)用能力。同時，還利用MATLAB軟件，開展了課堂提問、討論和當(dāng)場演示解釋的授課方法。例如在講解“干涉條紋的可見度”這一難點時，先請學(xué)生思考并討論光源大小對干涉條紋可見度的影響，然后通過疊加相鄰位置的點光源的干涉圖樣的編程方法，給出不同光源大小參數(shù)下干涉條紋的可見度仿真結(jié)果，當(dāng)場驗證學(xué)生的答案。如果時間允許，還可以讓學(xué)生自己編寫相應(yīng)的程序來驗證抽象的理論推導(dǎo)結(jié)果。這種在課堂上結(jié)合實際提出問題，并當(dāng)場演示、分析結(jié)果的授課方式，增加了教師與學(xué)生的互動和交流，活躍了課堂氣氛，深受學(xué)生歡迎。與學(xué)生座談了解到，在課堂上運用MATLAB編寫程序來演示知識點、分析具體問題，非常有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)，而且這些程序也成為了學(xué)生學(xué)習(xí)MATLAB軟件的素材。

二、基于MATLAB的課后探究式學(xué)習(xí)

督促學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)是課程教學(xué)改革的另一個重要內(nèi)容[4]。利用課后作業(yè)中實踐性較強(qiáng)的題目和課程中的某個主題，遵循自由結(jié)伴、分析問題、編程實踐、總結(jié)結(jié)果的步驟，以課后作業(yè)的形式指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，從而激發(fā)學(xué)生獨立思考和創(chuàng)新實踐的意識，培養(yǎng)他們的主動學(xué)習(xí)和創(chuàng)新探索精神，從而切實提高了教學(xué)質(zhì)量[5～6]。

課程考核成績中課后探究式作業(yè)成績占比30%，作業(yè)題目主要有兩類，一是教材中的課后作業(yè)，二是來源于教師科研中具體問題?！翱蒲蟹床附虒W(xué)”是創(chuàng)新大學(xué)教育理念、提高教育質(zhì)量的有效方法。結(jié)合教師科研活動，把教師的科研成果與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)地融合在一起，布置有一定探索性的課后作業(yè)。例如在學(xué)習(xí)光的衍射和光柵知識后，結(jié)合課后題目中計算閃耀光柵的夫瑯禾費衍射圖像等題目，要求學(xué)生利用MATLAB編寫程序進(jìn)行實踐，同時查閱資料，結(jié)合傅里葉光學(xué)，編寫菲涅爾衍射的程序，分析不同衍射距離處的光斑分布。教師還拓展了菲涅爾波帶片和二元光學(xué)的知識，指導(dǎo)學(xué)生仿真設(shè)計了相位型菲涅爾波帶片，讓學(xué)生查閱菲涅爾波帶片應(yīng)用相關(guān)資料，編寫了基于該波帶片的波前曲率傳感器仿真程序，開展了光學(xué)元件表面測量實驗。此外，教師還布置了基于數(shù)字離軸全息的綜合性作業(yè)，要求學(xué)生分析記錄全息圖時參考光與目標(biāo)光的夾角的要求，要求學(xué)生分析全息重構(gòu)中衍射距離、目標(biāo)像放大率等參數(shù)的控制方法。

批閱學(xué)生的探究式作業(yè)總結(jié)及感想發(fā)現(xiàn)，這種教學(xué)活動可以拓展學(xué)生的視野，學(xué)到很多新的知識，培養(yǎng)團(tuán)隊合作精神，因此受到了學(xué)生的熱烈歡迎。教學(xué)實踐結(jié)果表明，這種方式可以給學(xué)生補(bǔ)充當(dāng)前光學(xué)發(fā)展產(chǎn)生的新知識、新技術(shù)等內(nèi)容，培養(yǎng)了學(xué)生的研究型思維和解決問題的能力。

三、結(jié)語

針對《物理光學(xué)》課程理論性強(qiáng)、知識點多、復(fù)雜難學(xué)的特點，對課程教學(xué)進(jìn)行了一系列實踐探索。課程組教師通過指導(dǎo)學(xué)生在MATLAB環(huán)境下建立數(shù)值仿真模型，采用觀察現(xiàn)象、講解原理、啟發(fā)式討論、結(jié)果驗證、自主探索等多種教學(xué)方式，讓學(xué)生感受、理解知識產(chǎn)生和發(fā)展的過程，使學(xué)生的理論分析能力、實踐能力和創(chuàng)新思維得到了進(jìn)一步提高。課程改革取得了良好的教學(xué)效果。