淺談光科技在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用通識(shí)課程教學(xué)改革

周輝 鄭國(guó)興 吳瓊水

[摘 要] 光科技在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用課程是武漢大學(xué)“科學(xué)精神與生命關(guān)懷”領(lǐng)域內(nèi)的第一批通識(shí)課，旨在為全校非光學(xué)專業(yè)的學(xué)生普及光科技知識(shí)，提升學(xué)生的科研素養(yǎng)。為提高課程的教學(xué)質(zhì)量，文章從課程開(kāi)設(shè)的必要性、課程內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)方法和考核方式四個(gè)方面進(jìn)行論述課程改革的基本情況。同時(shí)，對(duì)課程改革過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行梳理和分析。

[關(guān)鍵詞] 光科技;通識(shí)課;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法;考核方式

[作者簡(jiǎn)介] 周 輝（1979—），男，江西撫州人，博士，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院副教授，研究方向?yàn)榧す膺b感與空間探測(cè)。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）42-0169-03? ? [收稿日期] 2019-11-29

一、引言

光學(xué)是一門歷史悠久的基礎(chǔ)學(xué)科，也是當(dāng)今世界高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的主導(dǎo)學(xué)科之一。光學(xué)的起源最早可追溯到公元兩千多年前，經(jīng)歷了萌芽時(shí)期、幾何光學(xué)時(shí)期、波動(dòng)光學(xué)時(shí)期、量子光學(xué)時(shí)期、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期等5個(gè)時(shí)期的發(fā)展[1]，期間涌現(xiàn)出光纖通信、光傳感、光加工、光存儲(chǔ)、光計(jì)算和光顯示等新興的光電信息產(chǎn)業(yè)和技術(shù)，極大地推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展，使得人類在21世紀(jì)邁入了信息社會(huì)[2]。

光學(xué)在現(xiàn)代社會(huì)的應(yīng)用如此廣泛，以至于今天的文明生活、科技和文化都離不開(kāi)光學(xué)，明天社會(huì)的發(fā)展更依賴于光學(xué)。但是，光學(xué)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)步和發(fā)展的作用尚未得到應(yīng)有的廣泛了解。因此，要大力普及光學(xué)知識(shí)，讓人們享受光學(xué)、理解光學(xué)和用好光學(xué)[3]。然而，光學(xué)知識(shí)的普及不僅僅應(yīng)側(cè)重于光學(xué)專業(yè)理論的灌輸和技能培訓(xùn)，還應(yīng)從通識(shí)教育角度出發(fā)，培養(yǎng)非光學(xué)專業(yè)學(xué)生對(duì)相關(guān)光學(xué)常識(shí)的認(rèn)知。

受益于武漢大學(xué)通識(shí)課改革政策的支持，筆者在“科學(xué)精神與生命關(guān)懷”領(lǐng)域申報(bào)并獲批了《光科技在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用》通識(shí)課程。本課程秉持理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)理念，從身邊的簡(jiǎn)單光自然現(xiàn)象、生活中常見(jiàn)的光科技產(chǎn)品和高深的光科學(xué)前沿等方面入手，通過(guò)講述基本的光學(xué)概念與原理，解釋這些現(xiàn)象的產(chǎn)生原因和光科技產(chǎn)品的工作過(guò)程及其應(yīng)用，從而讓廣大學(xué)生了解有關(guān)光科技在現(xiàn)代社會(huì)中的科普知識(shí)。這將有利于學(xué)生掌握光科技在生活、醫(yī)療、軍事和科學(xué)研究方面的應(yīng)用發(fā)展，同時(shí)，促進(jìn)光學(xué)與機(jī)械加工、通信、遙感、測(cè)繪和資源環(huán)境等不同學(xué)科領(lǐng)域的交叉滲透、知識(shí)融通，為學(xué)生更好學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程和未來(lái)工作奠定基礎(chǔ)。本文將從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式三個(gè)方面展開(kāi)論述，并對(duì)課程改革中存在的問(wèn)題提出可能的解決方法。

二、開(kāi)展課程內(nèi)容設(shè)計(jì)，體現(xiàn)課程的通識(shí)性

作為一門通識(shí)課，《光科技在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用》面向全校理、工、文、法、醫(yī)等各年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)，其課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)必須考慮授課對(duì)象的知識(shí)層次和專業(yè)背景的差異，兼顧其學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容的普適性和入門性[4]。區(qū)別傳統(tǒng)一成不變的專業(yè)課程，本課程內(nèi)容要求不斷更新，旨在提升其新穎性和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用性。

光科技所涉及的范圍非常廣，在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)上，以貼近生活的光科技產(chǎn)品和熱門的光科技前沿為導(dǎo)向，以通識(shí)科普教育為原則，將課程內(nèi)容分為七個(gè)章節(jié)：

第一章對(duì)光學(xué)發(fā)展歷程的回顧與展望。以時(shí)間線為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)光學(xué)發(fā)展歷史階段所出現(xiàn)的重要?dú)v史人物和歷史事件進(jìn)行回顧，總結(jié)各階段光學(xué)發(fā)展的特點(diǎn)，同時(shí)，闡述現(xiàn)階段光科技在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)特點(diǎn)和作用。最后，展望光科技的發(fā)展趨勢(shì)及在未來(lái)社會(huì)中的應(yīng)用前景。

第二章激光技術(shù)與應(yīng)用。闡述激光的基本概念、發(fā)展歷史以及激光的產(chǎn)生原理，同時(shí)，論述激光區(qū)別于普通光所具備的特點(diǎn)、常見(jiàn)的激光器類型及其應(yīng)用場(chǎng)合。最后，從醫(yī)療、工業(yè)、能源到科學(xué)研究和軍事等應(yīng)用領(lǐng)域，具體講述激光醫(yī)療、激光加工、激光核聚變、激光干涉引力波探測(cè)和激光制導(dǎo)與激光武器等激光科技或產(chǎn)品的基本概念、工作原理和具體應(yīng)用。

第三章光電檢測(cè)技術(shù)。詳述光電傳感器的種類與工作原理、光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成及其類型。同時(shí)，借助于光在大氣中傳輸?shù)乃婕暗墓鈱W(xué)定律解釋常見(jiàn)的大氣光學(xué)現(xiàn)象。最后，以激光測(cè)距系統(tǒng)、激光雷達(dá)系統(tǒng)和光譜檢測(cè)系統(tǒng)為例，闡述這些系統(tǒng)的組成、工作原理及應(yīng)用實(shí)例。

第四章光通信技術(shù)。講述通信的基本知識(shí)（包括通信的方式和通信的波段）和光通信的發(fā)展歷史，并論述現(xiàn)代光通信系統(tǒng)的基本組成和工作過(guò)程，重點(diǎn)闡述目前光通信網(wǎng)絡(luò)中常見(jiàn)的無(wú)源光通信器件，最后簡(jiǎn)述幾種無(wú)線光通信技術(shù)（無(wú)線可見(jiàn)光通信和激光通信）。

第五章圖像傳感技術(shù)。首先講述人眼的基本結(jié)構(gòu)、視覺(jué)成像過(guò)程及其視覺(jué)成像的特性，并從人眼視覺(jué)成像中存在的缺陷，引述出光學(xué)相機(jī)的發(fā)展歷史和基本組成，重點(diǎn)描述圖像傳感器的工作原理及其特點(diǎn)。最后，詳述圖像傳感器的幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例，包括常見(jiàn)的家用數(shù)碼相機(jī)、航天相機(jī)與哈勃望遠(yuǎn)鏡、微光夜視儀、內(nèi)窺鏡等。

第六章光電顯示技術(shù)。講述光電顯示的圖像的基本屬性及光電顯示的基本原理、顯示器的基本分類及其關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，介紹現(xiàn)代社會(huì)中常見(jiàn)的幾種顯示方式，包括陰極射線管顯示、等離子體顯示、液晶顯示、有機(jī)發(fā)光二極管顯示、投影顯示和3D顯示。

第七章光存儲(chǔ)技術(shù)。簡(jiǎn)述常見(jiàn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的類型，闡述光盤存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)、發(fā)展歷史以及現(xiàn)有光盤分類與特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹光盤的結(jié)構(gòu)及其讀寫的基本原理，同時(shí)，展望在未來(lái)光盤的發(fā)展方向（包括藍(lán)光光盤、全息光盤）。

各章節(jié)內(nèi)容之間相互獨(dú)立，均以相關(guān)光科技的概念、發(fā)展歷史、工作原理和應(yīng)用實(shí)例為核心內(nèi)容。各章節(jié)內(nèi)容會(huì)根據(jù)現(xiàn)有光科技的發(fā)展和應(yīng)用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，旨在讓學(xué)生掌握光科技的基本科普知識(shí)，了解日常生活和科學(xué)研究中常見(jiàn)的光科技產(chǎn)品的原理與特點(diǎn)，為其未來(lái)的生活、工作和科學(xué)研究提供一定的知識(shí)儲(chǔ)備。

三、革新教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

光科技在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用作為一門通識(shí)選修課，總的課程時(shí)間為32學(xué)時(shí)，而課程內(nèi)容涉及的知識(shí)面較廣，我們不可能深入地講述光科技的細(xì)枝末節(jié)，但是，對(duì)課程內(nèi)容中的重要概念和應(yīng)用實(shí)例，則需要采用生動(dòng)的語(yǔ)言并借助于輔助工具加以形象表達(dá)。因此，為提升學(xué)生對(duì)本課程知識(shí)點(diǎn)的興趣，光科技的應(yīng)用課程采取了以下新的教學(xué)方式：

1.課程內(nèi)容是開(kāi)放式的，會(huì)以現(xiàn)實(shí)生活中最熱門的光科技產(chǎn)品或近幾年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)所涉及的光科技前沿為牽引開(kāi)展課程內(nèi)容的講述，從而最大限度地引起學(xué)生的關(guān)注。例如，在講述光顯示技術(shù)章節(jié)內(nèi)容時(shí)，我們會(huì)先展示華為手機(jī)最新的柔性屏顯示的例子，并提問(wèn)這種光顯示的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)是什么，激發(fā)學(xué)生對(duì)光顯示技術(shù)的興趣，從而循序漸進(jìn)地展開(kāi)光顯示技術(shù)章節(jié)內(nèi)容的講述。

2.搜集與課程內(nèi)容相關(guān)的圖片、動(dòng)畫和視頻素材，建設(shè)課程資源庫(kù)，采用多媒體方式直觀展現(xiàn)光科技的基本概念、工作原理和應(yīng)用實(shí)例。例如，在講述激光技術(shù)與應(yīng)用章節(jié)內(nèi)容時(shí)，我們首先會(huì)通過(guò)放映一段視頻讓學(xué)生了解激光產(chǎn)生的歷史過(guò)程及其原理，然后利用圖片和動(dòng)畫素材解釋激光產(chǎn)生所涉及的物理概念，最后，又通過(guò)所剪輯的科幻電影片段和新聞報(bào)道等視頻再現(xiàn)激光在武器、制導(dǎo)等方面的應(yīng)用，從而使得學(xué)生形象地掌握激光到底是什么，激光好在哪，激光可以干什么等等常識(shí)。

3.結(jié)合相關(guān)教學(xué)器具，展示部分光科技的工作過(guò)程或解釋部分光學(xué)現(xiàn)象。筆者將所在實(shí)驗(yàn)室已有的部分科研設(shè)備和部分購(gòu)置的教具搬入課堂，配合幻燈片形象講述部分課程內(nèi)容。例如，在講述光纖通信章節(jié)內(nèi)容時(shí)，我們會(huì)展現(xiàn)光纖、光纖分光器和可見(jiàn)光通信模擬系統(tǒng)，讓學(xué)生對(duì)光纖、光無(wú)源器件和光通信系統(tǒng)等組成和工作原理有更為深入的理解。

4.增加課堂討論環(huán)節(jié)，讓學(xué)生更加積極地參與到課堂教學(xué)中。例如，在講述光存儲(chǔ)技術(shù)時(shí)，我們提出光盤在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用逐漸減少，那么未來(lái)光盤會(huì)不會(huì)從我們生活中消失，以此為題，讓學(xué)生對(duì)未來(lái)光盤的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。總之，本課程在講述過(guò)程中，采用多種媒體與部分現(xiàn)場(chǎng)展示相結(jié)合的方式進(jìn)行授課，增加課堂討論環(huán)節(jié)，以提升課程內(nèi)容的趣味性，增強(qiáng)學(xué)生與老師之間的互動(dòng)性，從而減少課程內(nèi)容的枯燥性，加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解與掌握。[5]

四、改革考核方式，提升評(píng)價(jià)的科學(xué)性

傳統(tǒng)的教學(xué)考核主要以學(xué)生作業(yè)和考卷成績(jī)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這種考核方式能夠考查學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，卻無(wú)法體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新思維。因此，本課程采用多種靈活措施相結(jié)合的方式進(jìn)行考核，重視學(xué)生的創(chuàng)造性應(yīng)用能力。

1.根據(jù)課程內(nèi)容中所涉及的光科技知識(shí)，筆者編寫相應(yīng)的課程題庫(kù)，考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。

2.將學(xué)生課堂的表現(xiàn)包括課堂回答問(wèn)題和討論情況作為考核成績(jī)的一部分，極大鼓勵(lì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的參與和互動(dòng)。

3.若期末考核以提交作品形式來(lái)呈現(xiàn)時(shí)，題材和題目不限，學(xué)生可以根據(jù)某一個(gè)光科技熱點(diǎn)問(wèn)題或?qū)ｎ}展開(kāi)論述或分析。形式不限，學(xué)生可以按照課程論文、PowerPoint文檔或視頻方式提交作品。

4.若期末考核以試卷形式來(lái)完成時(shí)，則以主觀開(kāi)放性試題為主，考核學(xué)生的發(fā)散性思維和舉一反三的應(yīng)用能力。

上述考核方式各有利弊，會(huì)根據(jù)每學(xué)期課程的開(kāi)設(shè)情況，靈活選擇合適的考核方法，其主要目的是希望調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)性思考能力，從而真正學(xué)好本課程。

五、存在的問(wèn)題

光學(xué)是一門不斷在發(fā)展的學(xué)科，隨著科技的不斷發(fā)展，光科技在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣，相應(yīng)的光科技成果或報(bào)道也越來(lái)越多。如何全面搜集這些最新的信息并將其融合到課程章節(jié)內(nèi)容中，其工作量和難度都是非常巨大的。因此，在本課程建設(shè)過(guò)程中，可以借鑒其他同類課程的優(yōu)秀成果或經(jīng)驗(yàn)[6-7]，從而及時(shí)更新課程內(nèi)容。

另外，課堂展示的光學(xué)器具成本較高，在課程建設(shè)經(jīng)費(fèi)有限的條件下，無(wú)法購(gòu)置課程內(nèi)容所需的全部器件，從而使得課堂展示的效果受到一定影響。后期將根據(jù)課程內(nèi)容重新設(shè)計(jì)相關(guān)的展示環(huán)節(jié)，并通過(guò)不斷補(bǔ)充新的課堂器具，更為生動(dòng)地呈現(xiàn)核心課程內(nèi)容。

六、結(jié)束語(yǔ)

進(jìn)入21世紀(jì)，光科技及其產(chǎn)業(yè)逐漸成為當(dāng)今世界高科技產(chǎn)業(yè)中的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。它不僅是電子信息產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重大變革的基礎(chǔ)，而且對(duì)世界政治、經(jīng)濟(jì)、文化等物質(zhì)和人們生活產(chǎn)生了重大影響。光科技在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用通識(shí)課從課程內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)方法和考核方式三個(gè)方面開(kāi)展課程改革，旨在讓非光學(xué)專業(yè)的學(xué)生掌握光科技的基本常識(shí)，可拓寬學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)，培養(yǎng)其多角度思考問(wèn)題能力、批判性思維能力等[8]。目前，該課程的改革尚處于初步探索階段，后期將在具體的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化。

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On the Teaching Reform of the General Course in the Application of Optical Science and Technology in Modern Society

ZHOU Hui，ZHENG Guo-xing，WU Qiong-shui

（Electronic Information School，Wuhan University，Wuhan，Hubei 430072，China）

Abstract：The course in the Application of Optical Science and Technology in Modern Society belongs to the first batch of general courses of Wuhan University in the fields of scientific spirit and life concern.The purpose of this course is to popularize the knowledge of optical science and technology for the non-optical professional undergraduates and improve their scientific research accomplishments.In order to enhance the teaching quality of this course，this paper expounds the fundamental situation of the course reform from four aspects：the necessity of offering course，content design，teaching method，and assessment form.At the same time，some issues existing in the reform of this course are sorted out and analyzed.

Key words：optical science and technology;general course;teaching content;teaching method;assessment form