“應用光學”教學內容與教學設計改革實踐

岳慧敏 張行至 劉爽

摘 要 我校對應用光學課程的教學內容、方法與設計進行了探究與實踐。在教學內容、方法方面進行了如下四個方面的探索：緒論中引入應用光學的鼻祖王大珩先生的科研生平介紹、增加現代光學基礎內容、注重傳統理論知識在現代實際工程中的應用、注重科研與教學的結合。實施了由 “引”、“講”、“思”這三個環節構成的重在啟發和引導學生自主學習的教學設計，收到了良好的教學效果。

關鍵詞 應用光學 教學方法 教學設計

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.03.049

Abstract The teaching content， method and design of "Applied Optics" Course in our university have been explored and practiced. In terms of teaching contents and methods， the following four aspects are explored： introduction of Mr. Wang Dahong， the founder of applied optics， in the introduction， introduction of his scientific research life， addition of the basic content of modern optics， application of traditional theoretical knowledge in modern practical engineering， and combination of scientific research and teaching. The teaching design， which is composed of three links of "lead"， "talk" and "think"， focuses on inspiring and guiding students to study independently， has achieved good teaching results.

Keywords Applied Optics； teaching methods； teaching design

0 引言

應用光學課程是以幾何光學理論為基礎，其主要內容包括光學系統中光的傳播、成像、光度學、色度學、像差、典型光學系統及現代光學系統等。我校光電信息科學與工程專業是國家級特色專業，是以光通信與光電工程、信息顯示與光電技術、光電系統與信息處理技術等方向相互交叉滲透，以“光電信息+”為載體，以光、機、電、軟相互融合為特色的傳統而又新興的專業。本課程面向光電信息科學與工程專業本科生，屬于學科基礎課，也是后續專業基礎課的理論基礎。應用光學課程作為學生最早接觸的專業基礎課程之一，在培養學生專業基本素養及基礎工程素質方面具有重要作用。因此，本課程的目標是通過學習讓學生掌握光學系統成像的基本概念和理論、光學系統設計的基本方法；讓學生了解現代光學系統；讓學生具備光學元件及系統的分析和設計能力；在進行基本理論教學的同時，重點突出該課程的工程應用特點，在對實際工程問題的分析與討論中培養學生學習與發展的能力和創造性解決工程問題的能力。

應用光學不僅是與我國光學儀器等相關專業一同誕生的傳統課程，也是全球具有悠久光學工程教育歷史的國際一流大學共同擁有的一門經典課程。多所大學對應用光學課程進行了教學改革的探索。如，浙江大學采用研究型教學將科研與教學緊密結合，實踐環節采用了科研模式和學生自我評價機制，課程的教學效果得到顯著的提升。南京郵電大學在實施卓越計劃的背景下，對應用光學課程進行了面向工程教育的教學改革，探索從傳統的知識傳授型教學到結合工程教育的研究型教學轉變的途徑。針對應用光學課程教學中教師、學生和企業三者之間不能實現資源有效共享的問題，武漢理工大學將產學研這一創新模式引入教學環節中。電子科技大學對應用光學課程的探究式小班教學進行了初探，給出了具體措施，通過實際案例分析指出了教師如何設計“恰到好處”的研討問題。

為激發學生學習興趣，拓寬學生的知識面和科技視野，培養學生理論聯系實際的能力，培養學生的面向工程的創新能力，針對該課程內容非常豐富、理論性較強、 概念較抽象但又具有工程應用背景的特點，我校對應用光學課程的教學內容、方法與教學設計進行了探索與實踐，取得了較好的教學效果。

1 教學方法與內容的探究

考慮到應用光課程內容非常豐富、理論性較強、 概念較抽象但又具有工程應用背景的特點，我們在十多年的教學實踐中，從以下幾個方面進行教學內容與方法進行了改革與調整。

（1）緒論中引入應用光學的鼻祖王大珩先生的科研生平介紹，激發學生學習興趣，培養學生愛國主義精神以及嚴謹求實的科學態度。在緒論部分，除了介紹世界光學發展簡史以及光學在各領域的應用外，引入了應用光學的鼻祖王大珩先生的科研生平介紹。中國科學院院士陳星旦說：“大珩先生作為中國現代光學事業的開創者，他的科研活動無疑就是一部中國光學成長史”。光學玻璃、V棱鏡折射儀、長春光機所、兩彈一星、863計劃等這些標簽都與王大珩先生有關。我們以這些標簽為線索介紹王大珩先生的科研活動，作為國內應用光學的近代發展史。1948年，滿懷科技強國的夢想，王大珩從國外回到祖國?！霸谂f中國留下的廢墟上，尋找不到一處可以完全利用的基礎，中國幾乎就沒有應用光學！”王大珩曾說，“從此，我開始了一生的追求——發展祖國的應用光學事業?！苯栌赏醮箸裣壬目蒲凶阚E，不僅可以讓學生對中國應用光學的發展有深入了解，還可以培養學生的愛國主義情操。王大珩曾說，“在科學面前，再大的名氣都是毫無用處的，科學是一個自我校正系統，任何錯誤在其中都不能長期隱瞞下去，只能老老實實地用科學的態度來對待科學”，借此培養學生嚴謹求實的科學態度。

（2）增加現代光學基礎內容，拓寬學生的知識面和科技視野。結合基本內容，將相關的最新發展和研究成果融入講授內容， 使學生能緊跟科技發展步伐。如在講解透鏡時，引入“自聚焦透鏡”； 在講述典型光學系統“投影儀”時，增加“現代投影儀”的內容；在講述典型光學系統“望遠鏡”時，增加“現代大型天文望遠鏡”的相關內容；在典型光學系統的基礎上加入現代應用光學系統，包括激光、光纖光學、紅外光學系統等。此外，我們給學生補充了光學系統設計的整體流程圖，讓學生清楚應用光學所學內容在光學系統設計流程圖中的作用與位置關系，讓學生既可見“樹木”，又可見“森林”。

（3）注重傳統理論知識在現代實際工程中的應用，增強學生學習興趣，培養理論聯系實際的能力、工程應用和工程實踐能力。應用光學是一門專業性很強的課，同時也是一門非常注重工程應用的課程。因此對重要知識點可引入實際工程應用例子，既可提高學生的學習興趣，又可培養學生工程應用和工程實踐能力。例如，講述“全反射”現象時，除引入傳統的“光纖”的例子外，還可引入“指紋考勤機”、“智能雨刷”、“蜃景的形成原因”等例子；講述五角反射棱鏡時，除了講述教材中的潛望鏡的例子外，引入“單反照相機”的例子。在講解景深這一節時，引入大景深和小景深成像的攝影技巧。講解人眼的雙目視覺時，引入3D電影的原理、昆蟲復眼、光場相機的原理等。講解望遠系統時，給出了幾個典型的世界最先進的天文望遠鏡，尤其是對世界著名的韋伯望遠鏡的結構、特點進行了深入分析。這些實際工程應用例子貼近現實生活，學生學習興趣顯著增強，并且真正做到學以致用。

（4）注重科研與教學的結合，培養學生面向工程的應用能力和創新能力。在教學中努力加強學生的科研意識，將多位教師科研成果中與本課程相關的知識與技術融入到教學內容中， 增加課程內容的先進性、 前沿性、 實用性。譬如在講解“人眼”這個典型光學系統的成像特點時，引入科研成果“光學三維傳感”， 擴展了學生知識面。又如，在講解朗伯源及朗伯余弦定律，指出實際生活中很多漫發射物體表面，都可以近似看作朗伯源。引入科研成果“光纖旋轉葉片振動傳感器”，指出在該項目的光路設計與分析過程中，將葉片簡化為朗伯源，這樣簡化計算的科學依據就是基于此，培養學生面向工程的應用能力和創新能力。

2 教學設計探究

在應用光學課程的教學實踐中，我們實施了分為“引”、“講”、“思”這三個環節的教學設計，下面以典型光學系統這一章節“人眼的成像與校正”這一小節為例，說明我們的教學設計思路。

2.1 啟發式的“引”

采用問題引入，“為什么在學習典型光學系統時首先學習人眼呢？”通過本問題，說明學習人眼的重要性，通過三個問題“人眼是如何看到物體的？ 人眼的成像特點？ 近視眼和遠視眼的成像特點及校正？”引出本節的教學內容。

2.2 融合多種教學方法的“講”

“講”的過程中采用多種教學方法，如在本小節引入課堂小實驗、問題啟發、互動、分析與討論等教學方法。

（1）按照光線前進的方向，結合圖片講解人眼解剖結構（包括角膜、虹膜、前室、瞳孔、晶狀體、后室、鞏膜、視網膜、黃斑、盲斑）。

（2）與攝像系統進行類比，重點指出角膜和晶狀體、視網膜及瞳孔在人眼成像中的作用。

（3）設計盲斑小實驗，使同學們直觀的感知盲斑的存在的同時，活躍課堂氣氛。

（4）人眼的調節原理？啟發學生思考，根據透鏡制造者公式分析，此處透鏡制造者公式需板書，引導同學們一起來完成板書，并強調該公式的重要性。

（5）正常人眼處在沒有調節的自然狀態時，無限遠物體正好成像在人眼的視網膜上。眼睛觀察無限遠物體時一般不易疲勞，由此引出下面結論：對于目視光學儀器，如望遠鏡和顯微鏡，為方便人眼長時間觀察，它們通過目鏡所成的像一般應設計成在無限遠處。為后面望遠鏡和顯微鏡的學習作鋪墊。

（6）講解完近視眼和遠視眼后，特別指出，為適應不同視力，望遠鏡和顯微鏡的目鏡設計時需要考慮視度調節，為以后的學習做鋪墊。

（7）非正常眼（近視、遠視）的校正方法是難點。重點講解近視眼，遠視眼簡單講解。其中，結合近視眼的校正，給大家指出校正的核心思想就是雙光組成像，需要利用前面學習過的高斯公式及雙光組組合的過渡公式。將視眼、遠視眼成像及校正的光路做成動畫演示，便于大家直觀的理解。板書與動畫演示時注意與同學們的互動。并在此引入討論，此處的焦距計算有沒有問題？

2.3 激發興趣的“思”

本小節給出如下思考題：正常人眼是不是理想成像呢？正常人眼成像如果有像差存在，怎么檢測呢？教材上沒有講述此內容，讓同學們自己檢索相關資料并探究之。

采用“引”、“講”、“思”三個環節相結合的教學設計，課堂生動活潑，學生參與度高，不但可以激發學生興趣，引導學生進行自主學習和探究，學生深入理解和掌握重要知識點，擴展同學們的知識面，還可以鍛煉和提升學生的綜合素養。

3 結語

我校對應用光學課程的教學內容、方法與教學設計進行了多年的探索與實踐。教學內容與方法的改革從以下幾個方面進行了探索：緒論中引入應用光學的鼻祖王大珩先生的科研生平介紹，激發學生學習興趣，培養學生愛國主義精神以及嚴謹求實的科學態度；增加現代光學基礎內容，拓寬學生的知識面和科技視野；注重傳統理論知識在現代實際工程中的應用，增強學生學習興趣，培養理論聯系實際的能力、工程應用和工程實踐能力；注重科研與教學的結合，培養學生面向工程的應用能力和創新能力。在應用光學課程的教學實踐中，為啟發和引導學生自主的學習，我們實施了分為“引”、“講”、“思”這三個環節的教學設計，收到了良好的教學效果。

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