光通信类本科《物理光学》教学改革研究

陈陶 徐宁 关建飞 南京邮电大学光电工程学院 210003

前言

光学是一门历史悠久的学科, 几百年以来, 它的发展经历了微粒说、波动说、爱因斯坦光子说等时期。1960年激光发明以后, 光学获得了空前的发展, 新概念、新成就不断涌现。发展到今天, 已进入到光子学时代。现代光学包含的内容十分丰富, 形成了许多各自成体系的学科分支。物理光学已成为现代物理学和现代科学技术最活跃的前沿阵地之一。光子信息技术将成为21 世纪信息技术的核心, 21 世纪生命科学的发展也更多地需要光子技术的支持。近年来,由于激光理论和技术的突飞猛进,已使整个光学学科迈入了一个新阶段。物理光学不论在理论还是在技术方面都取得了很多进展,形成了很多分支学科,如非线性光学、量子光学、光电子学、光子学、光通信等。随着光学理论和技术的迅猛发展,新的现象、光学仪器不断涌现,特别是当今面临着光电技术革命的挑战,因此光学的新概念、新成就和新技术都应在物理光学课程中有所介绍。

《物理光学》课程作为光通信、光电信息工程、光信息等专业的基础课程, 在光学专业人才的培养方面起到至关重要的作用, 是后续《光电子学》、《光纤通信技术》、《激光原理与技术》、《光电传感技术》、《集成光电子器件》等课程的基础。因此,《物理光学》课程是现代光电子、光学信息处理、光纤通信和光电传感技术等的重要基础理论课程, 也是光通信、光电子、光信息类专业的考研课程。

南京邮电大学光电工程学院的本科教学以培养光通信、光电信息工程、光电控制等信息产业，从事光通信系统和光电信息工程、信息光电器件、光电控制系统、光电传感等的设计、研究与开发、建设和维护的中高级人才为导向。近几年在院领导和校教务处大力支持下，对物理光学的教学方法和教学内容以及教学反馈进行了大力改革探索。

物理光学课题组从1998年开始承担该课程的教学任务，至今已经完成11轮的教学工作。通过这11轮教学任务的执行和完成，对于本课程的性质、目标、教学内容以及专业人才培养目标有了深刻的认识；对于学生如何学好本课程以及教学方式的采用，有了深入的体会。11轮的教学经验为促进本课程的建设和教学方法的改革提供了有力的支撑。课题组还承担过该课程的一些后续课程教学任务，包括“光电传感技术”、“信息物理基础（含光波导理论）”、“光纤通信系统”等，在教学实践中能把该课程与相关后续课程有机结合起来。课题组成员长期从事光通信和光信息领域的科研工作，主持和参与过多个相关科研项目，了解光通信和光电子器件发展的前沿信息和最新研究动态，能在讲课中不断地融合、渗透该学科最前沿的成果，丰富教学内容。

课题组成员均具有丰富的教学经验，承担过多项教学工作和科研项目。其中徐宁副教授，毕业于加拿大拉瓦尔大学光学专业硕士，从2000年开始至今每年均承担物理光学的教学工作，作为光电工程学院教学副院长，教学经验异常丰富，教学理念非常先进。现主要研究光通信、光通信无源器件及微流控光学，对光波导器件、光网络和光通信等有较深入的研究。先后负责和参与完成了多项科研项目。主持并完成了校教改项目《光纤测量实验计算机辅助设计》和《光学综合实验课程仿真设计》，并用于本科生实验教学中，获得较好的效果，本项目申请人有幸参与其中的主要研究过程。关建飞博士从2006年开始担任本课程的教学工作，理论功底非常深厚，主要从事激光、光电子器件理论研究，先后参与国家自然科学基金项目和江苏省自然科学基金项目。发表论文20余篇。

通过多年教学实践，已经获得了本课程的宝贵的教学经验和体会，非常有利于教学改革方案的制订。项目组成员平均年龄结构合理，容易接受新事物、新理念，并具有较好的创新能力和团队合作精神，已经形成一个本课程具有先进教学理念、人员结构合理、教学功底强的教学团队。

一、存在的问题

课题组成员经过多个轮次的教学实践，现已积累了丰富的教学经验和教学素材，逐渐形成了各自的教学模式和教学风格，掌握了先进的教学方法、教学手段，在教学中取得了较好的效果。但在长期的教学实践中发现同时也存在这样一些问题：

（一）在教学内容方面，作为本课程的重点内容例如F-P干涉仪、闪耀光栅和晶体光学，在现代光通信、光信息处理、光电传感、光电子器件等学科领域应用非常广泛。同时该部分内容也是本课程的教学难点，学生不容易掌握。另外随着现代光学技术飞速发展，现代光电器件的发展更是日新月异。目前，有关现代光学技术方面的教材在新技术的更新上都会有或多或少的滞后。现有多媒体课件该部分内容在表现力上和内容上还不尽如人意。

（二）在考核方式方面,本课程一般不进行期中考试，其总评成绩采用期末考试卷面成绩（占70%）+平时成绩（占30%）形式。平时成绩的判定对学生总评的成绩影响很大，而现行的判定依据比较单一，基本上是学生作业完成情况+课堂到课率，由于当今大学生作业抄袭现象严重，而课堂到课率主要采用随机点名的方式，这些都很大程度上制约了学生平时成绩判定的准确性，也抑制了学生学习的主动性和积极性。

（三）在目前“考教分离”的大趋势下，习题库和试题库的建设显得非常重要。现在市售的“物理光学”习题库和试题库有很多，但与光学类本科专业相符的、特别是与我校光通信、光信息和光电信息工程专业方向相符的习题库和试题库没有。该类习题和试题的考核点以大学物理中的光学部分为主（占60%以上），这些内容我们的学生已经在先修课程——大学物理中已经考核过。另外与现代实际问题相联系的内容特别是适合现代光通信要求的题目也不多。

因此, 很多学生在完成本课程科学习后, 由于学习效果不好，造成后续的相关课程的学习困难。因此造成了很多学生很难适应光信息、光通信技术、光电传感技术等应用学科的需求,不能满足各地兴起的“光谷”对光学人才的需求。因此物理光学课程的教学改革是势在必行、非常迫切的。

二、教学改革研究目标与思路

课程改革指导的原则及目标是着眼于培养21 世纪新型高科学素质人才,在“物理光学”课程的教学改革实践中我们的研究目标和改革思路如下：

（一）研究目标：与时俱进，对本课程教学内容进行权重调整，使本课程教学活动符合南邮跨越式大发展战略要求；重点、难点教学手段的突破；平时成绩判定机制的量化；建立和健全符合本校本课程的题库，为“考教分离”做好准备；教学方法的多样化。

（二）研究思路：①完善教学大纲和调整授课计划，在保证基础内容的前提下, 压缩经典光学的内容, 删除以往基础光学教材中通常包含的非主体部分及与其他学科相重复的部分以及比较陈旧的内容, 为增加现代光学内容赢得时间；找出结合点，渗透前沿知识。采用局部融合式，即在经典和现代光学中找出结合点，把相应的物理前沿内容渗透进去。②通过制作高质量的具有人机交互性的多媒体课件，帮助学生对重点和难点内容例如F-P干涉仪、闪耀光栅和晶体光学的理解和掌握。③丰富评价机制，在维持学校关于学生期末总评成绩比例不变的前提下，对平时成绩的评价进一步量化。④编制配套的课程复习大纲，建立和健全符合本校“物理光学”课程题库。⑤教学方法多样化，提高学习兴趣和效果。

三、研究具体内容

（一）从教学内容体系上, 充分考虑传统经典教学内容与现代光学前沿知识相结合, 删掉一些陈旧过时的内容, 增添一些现代光学的前沿知识, 特别是体现本学科专业特色的一些前沿知识，从而使其既具有本专业、本学校的光学专业的特色又紧跟光学知识的前沿，给学生提供充分的科学探索和求真的空间。例如波动光学内容分为:光的干涉、衍射、偏振等内容。光的干涉和衍射现象部分内容主要是讲授在各种条件下的光波叠加或各种干涉、衍射装置, 并且大部分是基于普通光源的，针对激光光源的简化装置却很少提及，对普通光源相干性的讨论也占了相当多的篇幅。在当今相干性很好的激光光源普遍使用的情况下，针对普通光源的各种干涉、衍射装置和相干性的讨论，还有没有必要详细讲解，是值得商榷的。波动光学这部分内容应作很大程度的改革。波动光学的主要应用是光学精密测量, 过去重点讲授波动光学中的各种干涉、衍射装置是和光学精密测量知识的实际需求是吻合的。但是在目前光电信息时代,除光学精密测量外，光子信息技术已成为其最主要的应用，目前的教学也应与光子学知识的实际需求相吻合，增加讲授以光子学知识为主的现代光学内容的份量，同时作为光通信前沿的领域例如WDM等系统中大量采用的F-P干涉和光栅理论加以强调。因此必须精简、删除一些陈旧过时的波动光学内容，重点讲授光波叠加的基本原理，干涉、衍射作为光波叠加的现象给予介绍，这样可增强系统性，节省学时。

（二）找出结合点，渗透前沿知识。采用局部融合式，即在经典和现代光学中找出结合点，把相应的物理前沿内容渗透进去。例如光波的叠加和光学信息处理基础，主要讲授光波叠加的基本规律、干涉和衍射现象、光学信息处理基础等，将光学信息处理在此讲授，主要考虑它是以光波的线性叠加为基础的，显得更有系统性。晶体光学基本原理与感应双折射现象相融合，主要讲授光开关、光调制器、光隔离器等基本原理。这样的体系安排明显具有以下优点: ①突显了现代光通信学的内容，使之和光学学科的发展相吻合；②将现代光通信学内容融合到整个课程中，有利于现代光学内容和传统光学内容的衔接，系统性较强，便于组织教学，节省教学时。

（三）对于重难点内容如F-P干涉仪、闪耀光栅和晶体光学部分，作为现代光通信器件、光电传感技术、光信息处理等的非常重要的理论基础，学生必须要牢牢掌握其精髓，但存在一定的难度。通过制作高质量的具有人机交互性的多媒体课件来帮助学生学习该部分内容。教学辅助课件要具有多媒体效果，适当插入动画，最好采用三维立体模型讲解，增加逼真性，具有人机交互性，吸引学生兴趣，便于学生对这部分重点、难点内容的学习、理解和掌握，提高学习效率。

（四）在维持学校关于学生期末总评成绩比例（期末考试卷面成绩70%+平时成绩30%）前提下，对平时成绩的评价进一步量化。具体的做法是：平时作业和出勤情况占10%；新学期开始的第一次课布置小论文作业，内容包括本课程的学习目标、学习计划（要求内容详尽具体）、学习方法、对教师的期望值等，占5%；期中根据学生平时表现、课堂练习和课后作业完成情况进行中期检查，然后要求学生对照开学初制定的学习目标和学习计划等内容，指导学生查漏补缺，自我完善，使教师真正起到“指点迷津”的导学、助学作用，同时对教师的教学方法和内容、手段提出意见和建议，以上内容要求学生以期中小结的方式上交，努力做到“教（师）学（生）”相长，占5%；期末考试前两周再布置任务——以8个学生为1个小组，每个小组整理负责整理一套考前模拟试卷（含答案），挖掘和调动学生的潜力，培养学生的创新能力，占10%。

（五）建立健全“物理光学”课程题库。课后的练习和测试对帮助学生巩固课堂所学知识十分重要，因此对这一环节也决不能放松。同时，进行习题与思考题的现代化。为了与现代光学及其应用“接轨”,在习题和思考题中加入了相当多的与现代实际问题相联系的内容。在考查和考考试题中除教材的主题内容外还应有一定分量的定性、科普知识性、分析说明性的题目，用以考查学生的知识面，引导学生主动学习有关知识。内容包括以下4部分内容：①基本概念题部分，根据学生学习的难点自行编制了一套多重选择题，分别作为课上练习和课后思考题布置，启发学生积极思考问题。②试卷集锦部分, 收集整理了近8年来本课程期末考试的试卷和部分参考答案，以及要求学生期末考试前自己总结出来的试卷和答案，供教师参考和选择使用。③习题解答部分，将教材中的课后习题整理作答， 附加多种解法和评述，在期末考试前提供给学生，供参考学习。

（六）新的教学方法的探索。①课堂教学——主要采用的教学方法有：(a) 启发式教学方法，通过一些具有启发式的提问，激励学生学习的兴趣，从而培养学生的创造性思维能力；(b) 讨论式教学方法，积极引导学生独立思考，培养学生的自学能力；(c) 归纳总结法,引导学生对所学的内容进行总结、归纳，要求学生每学完一章，都对本章所涉及的基本理论和方法进行总结，通过对所学知识的系统归纳总结，不仅能加深学生对课程内容的理解，而且更能培养学生独立思考和分析问题的能力，提高学生的综合能力及表达能力。②专题讨论——专题讨论全课程安排2～3 次专题讨论会，每次两小时，在教师的指导下进行，目的是调动学生的主动性，激发学生的学习热情。在教师的引导下开拓学生的思路和创新思维的培养。讨论会的主题分为F-P干涉仪、光栅、晶体光学的原理和应用。具体情况可根据学生的具体情况临时制定，可以小组讨论或班级讨论的形式进行。③专题讲座——专题讲座由任课教师或聘请有关专家讲授，内容可包括：光学发展史、光学重要理论体系的建立、光学在各领域的应用、光学技术前沿等，其目的在于开拓学生视野，丰富学生的课堂教学。④课外阅读——课外阅读是提高学生自发、主动学习的重要形式。阅读内容包括教材中的部分材料、光学领域的书刊、最新成果的介绍资料、光学科普读物等。⑤开放实验室——以光学实验为基地，常年对学生开放，提供基本的光源、光学元器件、材料、仪器等物品，供学生观察光学现象，测试光学数据，开展自制光学器件。⑥其他措施——采取邀请老教师听课，学生问卷调查方式，根据反馈信息修正教学课件以及优化教学方法。

四、教学改革实践与成果

通过对近几年教学改革实践和直接教学经验的总结,我们在物理光学的教学过程中进行的一系列的实践和探索已经取得了很好的教学效果。我们在2007级本科专业学生中进行了物理光学知识小竞赛，内容主要为物理光学知识在本专业研究方向的应用。为培养团队精神把每个小班（约30人）分成8个小组，每个小组3～5人，要求提交软件、动画、论文、模型、仿真、实验设计（或报告）等其中的一种或几种方式组合。为进一步提高学生参与的积极性，本次竞赛的成绩将计入本校的个性化学分，同时课题组拿出部分科研资金奖励优胜者并颁发获奖证书。为方便学生选题，我们提供了一些参考课题例如：1）全反射现象及其在光通信中的应用：光的耦合；光电传感等。2）光学薄膜及其应用：增透；增反；滤波；波导；在光通信中的其他应用。3）多光束干涉（F-P干涉仪理论）的应用：光通信；光传感等。4）M-Z干涉仪原理应用：（1）光通信；（2）光传感；5）夫朗和费单缝与多缝衍射光强分布的仿真计算，有输入输出界面；同时分析输入参数对光场分布的影响，并讨论光栅在本专业研究方向的应用。6）晶体光学元件：偏振器、波片、补偿器、液晶光学元件等光通信、光传感中的应用。7）电光、声光、磁光效应及其在光通信中的应用。通过收到的学生竞赛小作品发现学生对本次竞赛参与热情非常高，参与的学生人数达到95%以上，其中不乏精品作品，这些作品我们准备稍作整理后推荐参与高一级别的科技竞赛课题，其中有些学生的小论文准备到国内相关知名杂志发表。

此外，通过书面不记名问答的形式，进行了比较深入的调查，共收回有效问卷201份。对调查的大部分结果，加上平时与学生交谈、对学生的走访所取得的第一手资料进行整理，得出结论如下：在所收回的201份有效问卷中，有61.19% 的学生明确表示喜欢《物理光学》这门课，明确表示不喜欢的仅占5.0%。这说明《物理光学》这门课在学生心目中还是很受欢迎的，物理光学课程自有它特有的魅力，更为重要的是，物理光学在现代科学技术中以及学生后续的课程中举足轻重的地位和日常生活活动中的广泛应用，也是学生对其感兴趣的原因之一。

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