“信息光學(xué)”過程化考核的課堂教學(xué)建設(shè)與實(shí)踐

張桂菊，秦琳玲

[摘 要] “信息光學(xué)”是現(xiàn)代光學(xué)的重要分支，普遍被學(xué)生認(rèn)為是比較難懂的一門光學(xué)專業(yè)課程。采用過程化考核模式，對(duì)信息光學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、方法與設(shè)計(jì)進(jìn)行了課程建設(shè)與實(shí)踐。在教學(xué)內(nèi)容和方法上進(jìn)行了探索，從緒論中引入蘇州大學(xué)光學(xué)工程學(xué)科的光信息特色方向介紹、注重基礎(chǔ)理論與現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用結(jié)合、教學(xué)與科研結(jié)合?；A(chǔ)內(nèi)容學(xué)習(xí)采用章考核方式、應(yīng)用學(xué)習(xí)注重文獻(xiàn)閱讀和翻轉(zhuǎn)課堂匯報(bào)。過程化考核的實(shí)際教學(xué)過程中，注重啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和思考，激發(fā)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，收到了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 信息光學(xué);過程化考核;教學(xué)實(shí)踐

[基金項(xiàng)目] 2018年度蘇州大學(xué)本科教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“光學(xué)課程群教學(xué)團(tuán)隊(duì)”（5821502419）

[作者簡(jiǎn)介] 張桂菊（1977—），女，江西上饒人，博士，蘇州大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事微納光子學(xué)器件研究;秦琳玲（1982—），女，江蘇無錫人，博士，蘇州大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院光電系副主任，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事微納光學(xué)設(shè)計(jì)與光學(xué)傳感研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0;O438 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）07-0097-04 [收稿日期] 2021-10-18

引言

“信息光學(xué)”又稱為“傅里葉變換光學(xué)”，以波動(dòng)光學(xué)理論和傅里葉分析為基礎(chǔ)，內(nèi)容涉及光的衍射、成像、光學(xué)數(shù)據(jù)處理和全息技術(shù)等理論與應(yīng)用。本課程重點(diǎn)面向光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的本科生，屬于專業(yè)核心課程，也是一門高年級(jí)的應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)課程。我校的光電信息科學(xué)與工程專業(yè)是江蘇省特色專業(yè)和蘇州大學(xué)一流本科專業(yè)，旨在培養(yǎng)掌握光電/光信息系統(tǒng)、儀器設(shè)計(jì)和檢測(cè)技術(shù)等相關(guān)原理和方法，在光電和光信息技術(shù)領(lǐng)域從事技術(shù)開發(fā)、工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理等的專業(yè)知識(shí)和技能的人才。2018年，我校啟動(dòng)“光學(xué)課程群”建設(shè)項(xiàng)目，“信息光學(xué)”課程是一門理論與實(shí)踐結(jié)合的課程，能夠讓學(xué)生了解和學(xué)習(xí)現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)，并在面對(duì)光電信息科學(xué)與工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題上提升設(shè)計(jì)和解決問題的能力。“教育部高等教育司2019年工作要點(diǎn)”中的十條都強(qiáng)調(diào)了本科教學(xué)的重要性，圍繞“一流本科、一流專業(yè)、一流課程、一流教師、一流質(zhì)保、一流人才”全面實(shí)施高等教育改革發(fā)展和助推高等教育強(qiáng)國建設(shè)[1-4]。專業(yè)課程是高等教育建設(shè)中的最基本單元，專業(yè)教學(xué)的意義和目標(biāo)更是幫助學(xué)生解決和發(fā)現(xiàn)能夠受用一生的知識(shí)和方法[5，6]。光學(xué)是一門古老而時(shí)髦的學(xué)科，本科高年級(jí)光學(xué)類專業(yè)課普遍具有較高難度?！靶畔⒐鈱W(xué)”是物理光學(xué)的延伸課程，更是現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)重要分支，目前在各大高校的光學(xué)工程專業(yè)的碩士研究生和博士研究生階段都在開設(shè)該課程，對(duì)于本科階段，該課程的學(xué)習(xí)具有一定的難度和挑戰(zhàn)性[7-11]。因此，教師在該課程的課堂教學(xué)內(nèi)容與設(shè)計(jì)、方式與方法進(jìn)行不斷實(shí)踐與調(diào)整就顯得尤為重要。

一、教學(xué)方法和內(nèi)容探究

信息光學(xué)是在20世紀(jì)中葉建立和發(fā)展起來，主要源于光學(xué)領(lǐng)域中的三件大事：1948年光學(xué)全息術(shù)的誕生、1955年光學(xué)傳遞函數(shù)概念的提出和1960年激光器的誕生。信息光學(xué)從經(jīng)典的波動(dòng)光學(xué)中脫穎而出，又以波動(dòng)光學(xué)為基礎(chǔ)，運(yùn)用信息系統(tǒng)概念和傅里葉頻譜分析方法對(duì)光學(xué)現(xiàn)象做了新的詮釋，并滲透很多科技領(lǐng)域并得到越來越廣泛的應(yīng)用。在多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科研實(shí)踐中，從以下方面對(duì)“信息光學(xué)”課堂教學(xué)進(jìn)行了教學(xué)方法與內(nèi)容的探究、建設(shè)與實(shí)踐。

（一）重視緒論內(nèi)容與講授

緒論中講解國內(nèi)外最新科研進(jìn)展及應(yīng)用，特別引入我院科研先鋒教師的研究進(jìn)展介紹，用身邊的故事激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)科研強(qiáng)國精神和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。介紹“信息光學(xué)”的課程建立發(fā)展及其思想內(nèi)涵，再引入最新的科技紀(jì)事。例如，美國科學(xué)家Rainer Weiss、Barry C. Barish和Kip S. Thorne于20世紀(jì)90年代，最早提出利用激光干涉儀探測(cè)引力波的方法，并由于“LIGO探測(cè)器和引力波觀測(cè)方面做出的決定性貢獻(xiàn)”而獲得2017年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。進(jìn)而，介紹我國在空間引力波探測(cè)領(lǐng)域的重大進(jìn)展——“天琴計(jì)劃”及該研究賦予的科研和國防科技的重大意義。2018年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也頒給了“在激光物理領(lǐng)域的突破性發(fā)明”的法國科學(xué)家Gerard Mourou和加拿大科學(xué)家Donna Stricklan，由于他們?cè)?0世紀(jì)80年代研究和發(fā)明出重大的“放大再壓縮啁啾光學(xué)脈沖”技術(shù)，該技術(shù)是激光脈沖展寬和壓縮的體光柵器件的應(yīng)用，可以從衍射光學(xué)角度看啁啾脈沖放大技術(shù)，是典型的信息光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的重大進(jìn)展[12]。

引入身邊的先鋒人物和科研事跡。我校光電學(xué)院光學(xué)工程特色學(xué)科方向之一的吳建宏研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在大口徑脈沖壓縮光柵全息掩膜領(lǐng)域進(jìn)行研究，經(jīng)過多年的積累，已建成國際/國內(nèi)最大的全息實(shí)驗(yàn)室，有國際首創(chuàng)獨(dú)有和國際唯一的超大光柵的拼接技術(shù)，突破了超大口徑極弱曝光條件下的條紋鎖定技術(shù)，精度達(dá)到1/20條紋周期。還有陳林森研究員和他的團(tuán)隊(duì)，在光學(xué)全息技術(shù)上多年來具有廣度和深度的開發(fā)應(yīng)用：“定向光變色膜”原版制造技術(shù)，一舉拿下了第二代身份證的第一道防偽技術(shù)——視讀防偽;“雙通道光變色膜及其納米壓印技術(shù)”應(yīng)用在新版駕駛證和行駛證上;用于新能源汽車號(hào)牌的智能簽注系統(tǒng)的“3D光場(chǎng)打印技術(shù)”。他們?cè)诳蒲械牡缆飞弦恢卑褌€(gè)人命運(yùn)與國家命運(yùn)聯(lián)系在一起，在我國自主創(chuàng)新的道路上不斷探索，這種在身邊的科研精神更真實(shí)的鼓勵(lì)著學(xué)生努力學(xué)習(xí)、樹立“科技強(qiáng)國”的偉大抱負(fù)和立項(xiàng)。

（二）增加現(xiàn)代光學(xué)的專題內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)和科研探索興趣，拓寬科技視野

“信息光學(xué)”課程囊括的知識(shí)內(nèi)容既是傳承又是突破，在標(biāo)量衍射理論框架下發(fā)展了現(xiàn)代光學(xué)思想，通過增加現(xiàn)代光學(xué)的專題內(nèi)容，一方面激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)和科研探索興趣，另一方面拓寬學(xué)生的知識(shí)面和科技視野。

對(duì)本課程才出現(xiàn)的概念，例如“空間頻率”“角譜”“角譜理論”“基元函數(shù)”和“點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)”等，如何讓學(xué)生更準(zhǔn)確的理解和掌握，并不至于“抽象而晦澀”？為幫助學(xué)生更好理解這些概念，教師在教學(xué)過程中更注重傳統(tǒng)理論知識(shí)在現(xiàn)代工程技術(shù)中的應(yīng)用，除了教材中的例子，再引入主題式或?qū)ｎ}式的教學(xué)內(nèi)容。例如，在“相襯顯微鏡技術(shù)”中深入探討空間濾波的“相幅信息轉(zhuǎn)換”概念、“超大光柵技術(shù)”中深入對(duì)光學(xué)全息技術(shù)和基元全息圖的理解，以及“光學(xué)傳遞函數(shù)”的專門認(rèn)識(shí)和講解。為了加深對(duì)頻譜信息的理解，專門在對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)的頻率特性一章的學(xué)習(xí)之后，開始進(jìn)行小專題“從信息變換的角度看透鏡成像”的講解，進(jìn)一步幫助和消化頻譜信息概念與分析。并將部分專題內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)講授形成教學(xué)短視頻，以微課小視頻的形式放在在線學(xué)習(xí)平臺(tái)上供學(xué)生課外時(shí)間觀看。以真實(shí)而生動(dòng)的應(yīng)用實(shí)例，帶動(dòng)對(duì)抽象理論概念的理解，幫助學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到公式背后的物體圖像，顯著增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。

（三）注重知識(shí)體系構(gòu)建和知識(shí)的連貫性

“信息光學(xué)”課程的形成和發(fā)展在時(shí)間和知識(shí)面寬度的跨度很大。從18—19世紀(jì)的Fourier變換和Kirchhoff/Fresnel標(biāo)量衍射理論、Abbe-Porter理論到20世紀(jì)的現(xiàn)代通信理論、空間濾波技術(shù)和精密加工技術(shù)的發(fā)展，理論、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用交錯(cuò)發(fā)展。因此，在教學(xué)方法和內(nèi)容上，更加重視課程知識(shí)體系的構(gòu)建，教學(xué)設(shè)計(jì)上注重知識(shí)導(dǎo)圖的學(xué)習(xí)和講解。如圖1給出“信息光學(xué)”的發(fā)展和建立框圖，交代該課程在理論與應(yīng)用發(fā)展上的里程碑事件，同時(shí)也概括了“信息光學(xué)”課程的知識(shí)體系形成與構(gòu)建的內(nèi)在脈絡(luò)。光學(xué)圖像從“空域”走向“頻域”，使得頻譜信息的概念貫穿整個(gè)課程始終。

在課程構(gòu)建體現(xiàn)基礎(chǔ)上，課程內(nèi)容分解和涵蓋了包括二維線性系統(tǒng)分析、標(biāo)量衍射理論、透鏡成像規(guī)律、用頻譜方法分析光學(xué)系統(tǒng)性質(zhì)、光學(xué)全息技術(shù)、空間濾波和現(xiàn)代光學(xué)信息處理技術(shù)等章節(jié)內(nèi)容。課堂教學(xué)過程中，不僅要重視一門課程的第一課和最后一課，也要重視課程每章的第一課和最后一課。針對(duì)整個(gè)課程內(nèi)容，有開篇的課程模塊介紹和引導(dǎo)學(xué)習(xí)內(nèi)容，也要有課程總結(jié)和回顧。針對(duì)章節(jié)，則是提煉章節(jié)主要內(nèi)容和章節(jié)重點(diǎn)。例如，課程第三章“光學(xué)成像系統(tǒng)的頻率特性”的第一課，回顧第兩章“二維線性系統(tǒng)分析”和“標(biāo)量衍射理論”的主要內(nèi)容與本章節(jié)之間的聯(lián)系：非初等函數(shù)和特殊函數(shù)、傅里葉變換和線性系統(tǒng)及采用空間頻譜的觀點(diǎn)來分析衍射成像，為透鏡成像系統(tǒng)的像質(zhì)評(píng)估提供了數(shù)理基礎(chǔ);每章最后一課羅列總結(jié)學(xué)習(xí)重點(diǎn)：透鏡的位相調(diào)制、傅里葉變換性質(zhì)及成像特性、相干傳遞函數(shù)和光學(xué)傳遞函數(shù)對(duì)成像系統(tǒng)評(píng)估應(yīng)用（光學(xué)系統(tǒng)的截止頻率和像強(qiáng)度分布計(jì)算）。

二、過程化考核與評(píng)估探究

課程考試是課程教學(xué)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是檢測(cè)高等教育教學(xué)質(zhì)量的一個(gè)重要手段。過程化考核（考試）是在教學(xué)全過程中，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)表現(xiàn)和學(xué)習(xí)積極性等情況進(jìn)行全面而綜合的考量?！靶畔⒐鈱W(xué)”是一門專業(yè)綜合性強(qiáng)的高年級(jí)專業(yè)課程，采用過程化考核的評(píng)估模式，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生全方位和多元化的考核，及時(shí)幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)難點(diǎn)問題。

該課程在過程化考核和評(píng)估中，基礎(chǔ)內(nèi)容的學(xué)習(xí)采用章考核、應(yīng)用內(nèi)容的學(xué)習(xí)注重文獻(xiàn)閱讀和翻轉(zhuǎn)課堂匯報(bào)。與“信息光學(xué)”課程相關(guān)聯(lián)的應(yīng)用學(xué)習(xí)貫穿整個(gè)課程，翻轉(zhuǎn)課堂項(xiàng)目和文獻(xiàn)閱讀分散在整個(gè)學(xué)期中，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣和時(shí)間安排選題并完成。教學(xué)過程中設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)課堂項(xiàng)目的相關(guān)選題，內(nèi)容涵蓋了課程的全部章內(nèi)容，包括基礎(chǔ)理論及重要應(yīng)用，文獻(xiàn)檢索近3～5年內(nèi)的不少于5篇，至少包括2～3篇英文文獻(xiàn)。翻轉(zhuǎn)課堂項(xiàng)目分組進(jìn)行，每組3～4人，設(shè)置小組長，各有分工。在學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)過程中，幫助養(yǎng)成和提升學(xué)生之間的交流合作能力。在上一輪的過程化考核中，本課程共設(shè)置3次章節(jié)的過程考試，內(nèi)容包含二維線性系統(tǒng)分析、標(biāo)量衍射理論和光學(xué)成像系統(tǒng)的頻率特性、光學(xué)全息和現(xiàn)代光學(xué)信息處理，三次過程化考核均采用開卷答題形式，共占總成績(jī)50%;1次綜合考試，占總成績(jī)25%;平時(shí)表現(xiàn)、文獻(xiàn)閱讀和翻轉(zhuǎn)課堂項(xiàng)目匯報(bào)，占總成績(jī)25%。綜合考試放在學(xué)期末統(tǒng)一安排，其余成績(jī)考核均在教學(xué)周完成。該課程設(shè)置在本科三年級(jí)，過程化考核式學(xué)習(xí)能夠更好體現(xiàn)專業(yè)學(xué)習(xí)上的有承前啟后與課程之間的銜接特點(diǎn)。過程考核的實(shí)際教學(xué)過程表明，幫助學(xué)生及時(shí)理解和消化專業(yè)知識(shí)、鞏固和拓展了專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用、減緩期末考試壓力和提升了學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的積極性和興趣。

結(jié)語

我校以學(xué)科建設(shè)推動(dòng)本科專業(yè)及教學(xué)發(fā)展改革，對(duì)“信息光學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容和方法、教學(xué)考核和評(píng)估進(jìn)行了探究與實(shí)踐。在緒論中講發(fā)展、講來源、也將身邊的人物和故事，注重基礎(chǔ)理論與現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用結(jié)合、教學(xué)與科研結(jié)合?？己朔绞讲捎眠^程化考核，評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。采用章考核方式、綜合考試、文獻(xiàn)閱讀和翻轉(zhuǎn)課堂匯報(bào)等形式，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和思考，激發(fā)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，收到了良好的教學(xué)效果。

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Classroom Teaching Construction and Practice Based on Process Assessment of the Course of “Information Optics”

ZHANG Gui-ju， QIN Lin-ling

（School of Optoelectronic Science and Engineering， Soochow University， Suzhou， Jiangsu

215006， China）

Abstract：Information Optics is an important branch of modern optics， which is generally considered to be a very difficult optical course for undergraduates. We have adopted the process assessment mode to build and practice the teaching content， method and design of Information Optics. It explores the teaching contents and methods， introduces the characteristic direction of optical information of optical engineering discipline of Suzhou University from the introduction， pays attention to the combination of basic theory and modern optical application， and the combination of teaching and scientific research. In the basic content learning， we have adopted the method of chapter assessment， and the applied learning pays attention to literature reading and flipped classroom report. In the actual teaching process of process assessment， we pay attention to inspire and guide students’ autonomous learning and thinking， and stimulate their learning initiative and enthusiasm， and finally good teaching results have been achieved.

Key words： Information Optics; process assessment; teaching practice