新工科背景下的物理光學與應(yīng)用光學教學改革思考

摘?要：新工科背景下，物理光學與應(yīng)用光學教學改革具有重要意義。本文將從提高教學質(zhì)量、注重實踐性、促進交叉學科發(fā)展、適應(yīng)產(chǎn)業(yè)需求、強化國際化教育和創(chuàng)新教育理念等方面予以闡述，本課程教學改革需關(guān)注學生創(chuàng)新能力、實踐能力、跨學科能力和國際視野的培養(yǎng)，以適應(yīng)科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)需求。

關(guān)鍵詞：物理光學與應(yīng)用光學；新工科；教學改革

一、概述

物理光學與應(yīng)用光學這門課程重點研究光的產(chǎn)生、傳播、干涉、衍射、偏振以及與物質(zhì)相互作用的一系列現(xiàn)象，并對以此原理構(gòu)建的光學器件及其應(yīng)用進行介紹，因而這門課程在光學領(lǐng)域具有很高的理論性和實踐性。隨著科技的進步和社會需求的變化，物理光學與應(yīng)用光學的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大。在新工科建設(shè)的背景下，對該門課程進行教學改革的思索，是應(yīng)對新經(jīng)濟挑戰(zhàn)，服務(wù)國家戰(zhàn)略，滿足相關(guān)產(chǎn)業(yè)需求的切實要求［12］。教學改革需要緊跟時代發(fā)展的步伐，調(diào)整課程內(nèi)容，確保教育與社會、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的緊密聯(lián)系，立足于課程的新要求，即在布局未來產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)人才培養(yǎng)的內(nèi)在需求上，引入新模式、新方法、新技術(shù)，這樣可以培養(yǎng)出更具有應(yīng)用價值和發(fā)展?jié)摿Φ娜瞬牛瑸樯鐣彤a(chǎn)業(yè)發(fā)展做出貢獻。同時教學改革需要教師具備更新的教育理念和教學方法，通過教師培訓、教學研討等方式，提高教師的教學水平和教育教學能力，為學生提供更好的教育環(huán)境。

改革建立在對現(xiàn)狀的了解基礎(chǔ)上，物理光學與應(yīng)用光學這門課程在教學過程中面臨一些挑戰(zhàn)。首先，物理光學涉及許多抽象概念，如電磁波、波動方程等，這些概念需要學生具備扎實的數(shù)學基礎(chǔ)和物理知識，以便進行數(shù)學建模和理論推導。然而，部分學生可能在這方面存在不足，導致理解困難。其次，光學現(xiàn)象如干涉、衍射和偏振等具有一定的復雜性，傳統(tǒng)的板書和PPT展示可能過于簡略，難以將這些現(xiàn)象展示得淋漓盡致。初學者可能會感到困惑，無法全面理解這些現(xiàn)象。

課堂教學時間安排不足，在工科學校中，物理光學與應(yīng)用光學的課時常常安排不夠，同時缺乏同步的實驗課程。這降低了對學生實際操作能力的要求，也喪失了提升實驗數(shù)據(jù)分析能力的鍛煉機會。應(yīng)用光學在各個領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，但目前由于課時、師資等限制，授課知識面過窄，這導致學生難以掌握各種光學技術(shù)和原理，并在跨學科領(lǐng)域進行運用。

二、新工科背景下的課程改革思路

為了在教學中克服上述難點，本文提供以下思路：

（一）解放思想，勇于革新教學方式

雖然是老生常談，但實際中依然有不少老師局限于既往經(jīng)驗，沉溺于舒適區(qū)，不愿意擁抱新技術(shù)。每年從國家層面到各省市教育主管部門都為新技術(shù)的普及做了大量工作，面向未來，就必須積極利用這些技術(shù)，服務(wù)教學，提高教學效率。例如翻轉(zhuǎn)課堂［3］，線上教師可提前錄制講解光學概念和原理的視頻，讓學生在課前觀看。學生可以根據(jù)自己的進度和需求反復觀看視頻，鞏固知識點。本校這門課程在學習通線上平臺建課，上傳了各章節(jié)教課視頻，并設(shè)置了與知識點相關(guān)的在線練習，學生在學習過程中也可以不斷地檢查知識點掌握情況。線上課程充分調(diào)動了學生學習的主動性，線下課堂時間主要用于討論、提問、解決問題或進行演示實驗。通常組織學生進行小組討論、解答疑問，將線上學習沒有弄懂的知識點進行分析解答。在課上交流過程中，教師也對學生的學習情況有了一個摸底，如果出現(xiàn)共性問題，說明線上內(nèi)容有需要補充或完善的地方，這樣教學就更有的放矢。混合式教學也是一個很好的選擇，線上通過線上平臺提供課程材料、視頻講座、模擬實驗、在線測試等資源，幫助學生自主學習。線下進行面授課程，講解難點，進行實驗課程，組織課堂討論和互動等活動。通過線上線下結(jié)合的教學方法，教師可以更好地滿足學生的個性化需求，提高教學效果和學生的學習積極性。而且這一平臺化建設(shè)的過程，也是對傳統(tǒng)教學資源與新技術(shù)進行整合的過程，便于教研活動的開展，可以有力地緩解課時不足的現(xiàn)實困境。線上資源的多樣性和豐富性可以幫助學生拆解負責概念，并提供直觀物理圖像，例如用彩虹解釋光的色射現(xiàn)象，用偏振太陽鏡來解釋光的偏振現(xiàn)象等，利用動畫、視頻和模擬實驗等多媒體教學手段直觀地展示光學現(xiàn)象，幫助學生形成清晰的概念和認識。

（二）服務(wù)學生需求，建立分層教學考評體系

貫徹OBE教學理念，切實做到以學生為主體，以行業(yè)或科研能力培養(yǎng)為目標，從內(nèi)驅(qū)化的方式不斷增強教學質(zhì)量和提高學生學習效率［4］。學生在學習本門課程時有自我需求和目標，據(jù)此在基本教學大綱的框架內(nèi)，對學生進行不同能力和水平的教學，有效提高教學質(zhì)量和學生的學習效果。具體教學中需要做到體系化分層，包括知識層次分層、學生能力分層、課堂活動分層及評估與反饋分層。知識層次分層即是將物理光學與應(yīng)用光學的知識點分成基礎(chǔ)層、進階層和高級層。基礎(chǔ)層可以包括基本概念、光的傳播規(guī)律、光的折射、反射等；進階層可以涉及干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象；高級層可以包括非線性光學、量子光學等領(lǐng)域。知識分層有利于學生掌握知識譜系，并根據(jù)自身條件有目標地開展學習活動，教師也可以通過分層進行教學內(nèi)容梳理。學生能力分層：我校該課程屬于小班教學，便于教師對學生進行能力評估，了解他們在物理光學與應(yīng)用光學方面的基本知識和技能，然后將學生分為幾個差異層次。這樣，教師可以根據(jù)學生的能力層次進行針對性的教學，提高學生的學習效果。教學方法分層方面，針對不同層次的學生，教師可以采用不同的教學方法。對于基礎(chǔ)層學生，可以使用更多的實例和圖解來解釋概念，注重培養(yǎng)學生的基本技能；對于進階層學生，可以引入一些實際問題和應(yīng)用案例，鼓勵學生進行探究式學習；對于高級層學生，可以組織學生進行課題研究、實驗操作，提高學生的創(chuàng)新能力。課堂活動分層是一種有效的教學策略，可以滿足不同學生的需求，提高課堂教學效果。分層教學可以幫助教師針對學生的不同能力和特點進行有針對性的指導，使他們在合適的挑戰(zhàn)下取得更好的進步。這種方法可以激發(fā)學生的學習興趣和積極性，提高課堂參與度，為學生創(chuàng)造良好的學習環(huán)境。教師需要了解學生的學術(shù)水平、興趣和需求，以便為他們制定適當?shù)姆謱尤蝿?wù)，這可以通過觀察學生在課堂上的表現(xiàn)、與學生溝通以及參考過往成績等方式實現(xiàn)。基于學生的需求，教師可以設(shè)計不同難度和主題的分層活動，這些活動應(yīng)該涵蓋課程的核心知識點，同時充滿趣味性和挑戰(zhàn)性，以激發(fā)學生的學習熱情。將學生按照能力和特點進行分組，讓同一層次的學生相互合作，這有助于學生互相學習、互相幫助，實現(xiàn)取長補短、共同進步。教師要根據(jù)不同層次的學生提供適當?shù)闹笇Ш椭С郑_保他們能夠完成任務(wù)并取得進步。在活動進行過程中，教師要密切關(guān)注學生的學習情況，隨時提供幫助和調(diào)整。分層評估與反饋：在物理光學與應(yīng)用光學的教學過程中，根據(jù)設(shè)定的評估標準，對學生進行分層評估，評估內(nèi)容涵蓋課堂表現(xiàn)、作業(yè)完成情況、實驗操作、項目實踐等方面。課堂表現(xiàn)主要觀察學生的積極參與程度、提問與回答質(zhì)量，以及對講解內(nèi)容的理解程度；作業(yè)完成情況則關(guān)注學生對知識點的掌握，以及在解決問題時的創(chuàng)新思維；實驗操作方面，評估學生的實驗技能、操作規(guī)范性、實驗數(shù)據(jù)處理能力和實驗結(jié)果分析能力；項目實踐主要關(guān)注學生在實際項目中的創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力和解決實際問題的能力。針對不同層次的學生，根據(jù)他們在各個方面的表現(xiàn)，給出相應(yīng)的反饋和建議。對于理論基礎(chǔ)較好但實踐能力較弱的學生，可以鼓勵他們多參與實驗和項目實踐，提高實踐能力；對于實踐能力較強但理論基礎(chǔ)較弱的學生，則需要加強對基本概念和原理的學習。同時，教師要關(guān)注學生的個性化需求，幫助他們找到自己的不足之處，并提供改進的方法，以便更好地提高他們的綜合能力。根據(jù)學生的評估結(jié)果和反饋情況，教師需要及時調(diào)整教學策略，以更好地滿足學生的需求。例如，如果發(fā)現(xiàn)某個層次的學生在理論知識方面表現(xiàn)不佳，可以針對性地增加該方面的教學內(nèi)容，通過更多的案例和實例講解，幫助學生深入理解光學原理；如果發(fā)現(xiàn)學生在實踐能力方面表現(xiàn)不佳，可以增加實驗操作和實踐環(huán)節(jié)，或者組織一些實際項目讓學生參與，以提高他們的實踐能力。在整個教學過程中，教師需要不斷進行評估與反饋，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并進行調(diào)整。這一過程要求教師具備靈活的教學思維和豐富的教育經(jīng)驗，以便在教學過程中做出合適的判斷和調(diào)整。同時，教師要鼓勵學生主動參與評估和反饋過程，以增強學生的自主學習能力和自我調(diào)整能力，鼓勵學生提出問題和建議，這有助于教師更好地了解學生的需求和困惑，從而做出相應(yīng)的教學策略調(diào)整。

（三）強化實踐教學，增強技能培訓

增加實驗課程和實踐環(huán)節(jié)，讓學生在實驗中親手操作光學儀器和設(shè)備，加深對理論知識的理解，鼓勵學生參與課題研究、實習和實訓，增強實際操作能力。作為實驗課程的備選或者補充，虛擬實驗室平臺也是一個很好的選擇，充分利用例如全球在線實驗室、開源物理等開放平臺，讓學生在計算機上模擬實際實驗，提供了一個安全、靈活且易于訪問的學習環(huán)境。另一個重要措施是引入光學設(shè)計和分析軟件（如Zemax）的教學和實踐，使學生熟練掌握相關(guān)軟件的使用，為未來職業(yè)生涯做好準備。Zemax軟件是一款專業(yè)的光學設(shè)計和分析軟件，廣泛應(yīng)用于物理光學和應(yīng)用光學領(lǐng)域。在物理光學與應(yīng)用光學這門課程中，Zemax的應(yīng)用和意義表現(xiàn)在以下幾個方面。模擬光學系統(tǒng)：Zemax可以有效地模擬光學系統(tǒng)，例如透鏡、反射鏡、光纖等。通過這種模擬，學生們可以更好地理解光學元件的工作原理，學習如何設(shè)計和優(yōu)化光學系統(tǒng)，以滿足實際應(yīng)用需求。光學設(shè)計與優(yōu)化：Zemax軟件可以幫助學生進行光學設(shè)計與優(yōu)化，例如設(shè)計成像系統(tǒng)、光學傳感器、光纖通信系統(tǒng)等。通過使用Zemax進行光學設(shè)計，學生可以在實際應(yīng)用中更好地解決光學問題。教學與實踐相結(jié)合：通過在課堂上使用Zemax軟件，教師可以更直觀地展示光學原理和光學系統(tǒng)的性能。此外，學生可以通過實際操作軟件，加深對光學知識的理解，提高動手能力和實際應(yīng)用能力。跨學科應(yīng)用：Zemax軟件不僅適用于物理光學與應(yīng)用光學領(lǐng)域，還廣泛應(yīng)用于其他相關(guān)學科，如光電子學、生物醫(yī)學工程、大氣科學等。因此，學習使用Zemax軟件可以幫助學生在跨學科領(lǐng)域中更好地運用光學知識。提高就業(yè)競爭力：掌握Zemax軟件的使用，對于光學工程師和光學研究人員來說是一項重要技能。在求職過程中，具備Zemax軟件操作經(jīng)驗的學生將具有更高的競爭力。

（四）創(chuàng)新實踐平臺，努力實現(xiàn)產(chǎn)學研結(jié)合

在校內(nèi)搭建實驗平臺，建設(shè)與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀結(jié)合的實驗室和實驗設(shè)施，定期更新和升級實驗室設(shè)備，引入先進的光學儀器和測量設(shè)備，保證學生能夠接觸到行業(yè)最新技術(shù)。設(shè)計與實際應(yīng)用相結(jié)合的實驗項目是物理光學與應(yīng)用光學課程的重要組成部分，它有助于培養(yǎng)學生的實際操作能力和實際問題解決能力。教師需要精心設(shè)計實驗項目，使其既具有理論性，又具有實際應(yīng)用價值。實驗項目應(yīng)涵蓋光學的基本原理、典型現(xiàn)象和關(guān)鍵技術(shù)，以幫助學生全面了解光學知識體系。此外，實驗項目應(yīng)具有一定的難度和挑戰(zhàn)性，激發(fā)學生的求知欲和創(chuàng)新意識。鼓勵學生開展獨立或小組實驗項目，培養(yǎng)他們的自主學習和研究能力。教師可以指導學生制訂實驗方案、分析實驗數(shù)據(jù)、撰寫實驗報告等，以鍛煉學生的科學研究能力。同時，教師應(yīng)關(guān)注學生的團隊協(xié)作能力和溝通能力，為學生未來的職業(yè)生涯打下堅實基礎(chǔ)。通過設(shè)置豐富多樣的實驗項目，提高學生的動手操作和實驗?zāi)芰Α嶒烅椖靠梢园ɑ緦嶒灐⒕C合實驗、創(chuàng)新實驗等，以滿足不同層次和興趣的學生需求。同時，教師可以根據(jù)學生的反饋和評估結(jié)果，及時調(diào)整實驗項目，以保持實驗教學的針對性和有效性。與企業(yè)和研究機構(gòu)建立合作關(guān)系，共同制定研究計劃和技術(shù)開發(fā)目標，這有助于將最新的產(chǎn)業(yè)動態(tài)和技術(shù)成果引入教學，提高教學質(zhì)量。通過產(chǎn)學研合作，學生可以參與實際項目，了解行業(yè)需求，提升自己的實踐能力和就業(yè)競爭力。邀請產(chǎn)業(yè)界專家進行講座、研討會等活動，拓展學生的行業(yè)視野。這可以幫助學生了解光學技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，激發(fā)他們對光學學科的興趣。同時，與產(chǎn)業(yè)界專家的交流還能幫助學生建立良好的人際關(guān)系。積極主動建立產(chǎn)學研合作關(guān)系，與企業(yè)共建實習基地，為學生提供實習實訓機會。設(shè)立創(chuàng)新實踐基地：在校內(nèi)或校外設(shè)立光學創(chuàng)新實踐基地，鼓勵學生參與課題研究、實驗設(shè)計、技術(shù)開發(fā)等創(chuàng)新活動，培養(yǎng)其獨立思考、解決問題和創(chuàng)新能力。舉辦光學技術(shù)競賽和活動：定期舉辦光學技術(shù)競賽、研討會、講座等活動，鼓勵學生展示自己的光學技能，提高學術(shù)交流水平，拓展視野。開展實習實訓：與企業(yè)合作，為學生提供實習實訓機會，讓學生在實際工作環(huán)境中鍛煉技能，了解企業(yè)需求，增強實際應(yīng)用能力。引入項目課程和團隊合作：將實際項目和團隊合作引入課程設(shè)計，讓學生在完成項目的過程中，學會團隊協(xié)作，提高溝通與組織協(xié)調(diào)能力，提高學生在實際工作中的適應(yīng)性。拓展國際合作與交流：與國際知名高校和研究機構(gòu)建立合作關(guān)系，開展聯(lián)合研究項目、學術(shù)交流活動等，提升學生的國際化視野和跨文化交流能力。

結(jié)語

在新工科背景下，物理光學與應(yīng)用光學教學改革應(yīng)緊密圍繞培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、實踐能力和跨學科協(xié)作能力這一核心目標進行。我們需要在教學內(nèi)容、教學方法、實驗教學等方面進行創(chuàng)新，以提高教學質(zhì)量和學生的滿意度；要關(guān)注跨學科的發(fā)展趨勢，提高學生的國際視野，為學生提供更多實踐項目的機會，培養(yǎng)他們的實際問題解決能力；要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，實現(xiàn)線上線下教學的有機結(jié)合，提高教學資源的質(zhì)量和豐富度，這將有助于滿足不同層次和興趣的學生需求，提高教學質(zhì)量。在新工科背景下，我們要不斷探索物理光學與應(yīng)用光學教學改革的路徑，培養(yǎng)出更多具有國際競爭力的優(yōu)秀光學人才，為國家的科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻力量。

參考文獻：

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資助項目：江蘇省教育廳青藍工程人才項目

作者簡介：江敏（1987—?），男，漢族，江蘇無錫人，博士，講師，從事光學工程、表面等離子體共振光鑷研究。