几何作图和MATLAB仿真模拟在眼视光应用光学教学中的应用

王郡婕，王 成，杨艳妮，闫 瑾

(1.西安医学院医学技术系物理教研室，陕西 西安 710021；2.西安医学院医学技术系眼科视光学教研室，陕西 西安 710021)

·医学教育·

几何作图和MATLAB仿真模拟在眼视光应用光学教学中的应用

王郡婕1，王 成1，杨艳妮1，闫 瑾2

(1.西安医学院医学技术系物理教研室，陕西 西安 710021；2.西安医学院医学技术系眼科视光学教研室，陕西 西安 710021)

目的 为眼视光学专业学生储备必要的光学理论知识，为后续相关专业课程的学习做铺垫，探索几何作图和MATLAB仿真模拟在教学中的有效性。方法分别选取西安医学院2012级和2013级眼视光专业60名学生作为对照组和实验组，对2012级学生采用传统教学，对2013级学生采用几何作图和MATLAB仿真模拟教学，通过比较两组综合成绩、学生问卷调查结果和后续专业课教师评分，评价基于几何作图和MATLAB仿真模拟的教学效果。结果实验组学生的综合成绩、自我评价及教师评价均优于对照组，差异具有统计学意义(P＜0.05)。结论基于几何作图和MATLAB仿真模拟可以使光学中的抽象概念形象化，帮助学生建立直观的物理图像，激发学生学习兴趣，教学效果良好。

几何作图；MATLAB仿真模拟；眼视光应用光学

眼视光学是近年来新兴起来的一门学科，主要研究光学与视光学之间的相互关系。《眼视光应用光学》将这两者完美地结合起来，作为该专业学生的专业基础课。通过本课程的学习，学生不仅可以为学习和解答后续专业课程中出现的光学问题奠定良好的基础，还可以在实践操作中真正做到有理可依。但应用光学是一门古老为复杂的学科，对于零基础的眼视光专业学生而言，学习起来通常觉得内容繁琐抽象、枯燥乏味，极大影响了学生的学习兴趣和积极性。因此，本课程开设以来，我们不断反思并积极进行教学改革，已取得了一定的效果。

1 资料与方法

1.1 一般资料 我们选择西安医学院2013级眼视光专业的60名学生作为实验组，在《眼视光应用光学》的教学过程中采用几何作图法引导学生主动思考，并将涉及到的相关光学内容用MATLAB软件模拟；对照组选择2012级眼视光专业的60名学生，采用传统教学法授课。授课内容按照教学大纲要求选择《眼视光应用光学》教材前七章，其中理论课时44学时，实验8学时；两组研究对象的入学成绩及其他相关专业基础课程的成绩等因素均无统计学意义(P＞0.05)，可以进行比较。

1.2 方法

1.2.1 教学方法 对照组采用常规的传统教学方法，对于课程涉及的波动光学、几何光学及像差与像质评价等问题借助板书与多媒体详细说明，教学过程中尽量采用启发式教学，引导学生积极思考，课后教师认真答疑。实验组在教学中采用几何作图和MATLAB仿真模拟说明相关问题。(1)教师课前要充分备课，除了达到传统教学的基本要求外，需要花大量时间精力将课程中难理解的内容用直观的几何图形表示，将不同光学平面内的光线用不同颜色的线条加以区分，帮助学生对光学基本概念的学习和理解；(2)教学过程中自制的几何图形可以被分解，通过分步骤演示将复杂问题简单化，可在学生脑海中形成长时记忆；(3)对于有大量公式推导且结果抽象的内容，比如像差理论，采用MATLAB软件进行仿真模拟，学生不仅可以了解视光学中不同像差产生的原因，还可以直接观察到模拟结果，使抽象问题形象化。

1.2.2 教学效果评价指标

1.2.2.1 理论考试与实验操作综合成绩 考核满分为100分，其中理论考试占70%，实验操作占30%。两组的理论考核方式相同，试题难度系数、信度、效度一致，具有可比性。

1.2.2.2 学生问卷调查 通过问卷调查学生对本课程的知识掌握情况、学习兴趣、归纳总结能力、应用能力、实践操作能力等。每个考核内容设有三个选项：良好、一般、较差。

1.2.2.3 后续专业课教师评分 《眼视光应用光学》是学习《视光学基础》、《验光技术》、《眼镜学》等后续相关专业课程的基础。同一专业课教师通过两组学生的课堂表现、知识运用情况、学习积极性和问题分析能力等方面对其进行打分，每项25分，共计100分。

1.2.3 统计学分析 采用统计软件SPSS16.0对数据进行分析，两独立样本的计量资料采用t检验，等级数据采用秩和检验，正态分布计量资料以均数±标准差(±s)表示。计量资料以率表示，采用χ2检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 实验组和对照组的综合成绩比较 按照西安医学院命题要求，两组《眼视光应用光学》的理论命题均包括选择题、填空题、简答题、作图题和计算题，试题难度系数均为0.35，属难度适中，具有考核意义；实验操作考察学生实际操作中的规范性、测得数据的准确性及分析问题的逻辑性。经统计分析，实验组和对照组的综合成绩分布如图1所示。由图1可以看出，两组的综合成绩均呈正态分布，采用几何作图和MATLAB仿真模拟后，实验组的正态分布峰值向高分方向移动。 教学过程中采用几何作图和MATLAB仿真模拟后，实验组的成绩有明显提高，且差异有统计学意义(P＜0.05)；同时实验组的成绩极差较对照组降低，说明实验组学生成绩两级分化的现象有所改善，大部分学生都能较好的掌握基本内容，见表1。

图1 实验组和对照组的综合成绩分布图

表1 实验组和对照组综合成绩对比

2.2 两组学生问卷调查结果比较 本课程结课后，我们分别对两组学生进行了问卷调查，经秩和检验分析结果如表2所示。采用几何作图和MATLAB仿真模拟教学的实验组在知识掌握、学习兴趣、归纳总结能力、应用能力、实践操作能力等方面都强于实验组，差异均有统计学意义(P＜0.05)。

表2 实验组和对照组问卷调查结果对比[例（%）]

2.3 后续专业课教师评分 其他专业课教师通过学生在后续专业课学习中的课堂表现、知识运用情况、学习积极性以及问题分析能力对两组学生进行打分，结果如表3。可以看出，实验组的各方面表现均优于对照组，差异均有统计学意义(P＜0.05)。

表3 专业课教师对实验组和对照组评分比较(分，±s)

表3 专业课教师对实验组和对照组评分比较(分，±s)

组别 课堂表现 知识运用情况 学习积极性 问题分析能力对照组实验组t值P值18.05±1.8420.00±1.76 -2.985＜0.0518.10±1.9121.33±1.68 -3.120＜0.0518.48±1.8720.07±1.57 -2.513＜0.0518.43±1.0920.47±1.30 -4.649＜0.05

3 讨论

通过本课程的学习，要求眼视光专业的学生掌握应用光学中的基本成像概念、规律以及一些最基本的实用光学技术，包括简单的光路计算以及相应的光路图绘制[1]。眼视光学中，从角膜至眼底的大部分检查、诊断、治疗仪器，如屈光、视野、眼压、眼底造影等方面，都要应用到光学技术，因此本课程对于学生学习专业课或今后从事相关工作有重要的指导意义。

一直以来，由于光学课程中涉及的概念繁琐、物理规律抽象，传统教学一直都是口授笔演的方式，给学生学习掌握本课程带来极大的困难，教学效果也不佳[2-3]。为了解决这一问题，近年来许多教师将计算机技术用于光学教学，但大多数都是简单采用文本投影式教学，对光学现象和规律缺乏科学形象的描述。本课程教学中尝试采用几何作图法和MATLAB仿真模拟，为学生提供观察物理现象的机会，提高学生自主学习与思考的能力。

几何作图法的采用不仅可以帮助学生清晰直观地分析相关问题，还可提供全新的解决问题思路，将抽象的光学问题形象化，激发学生的学习兴趣，增加课堂趣味性；同时，该方法可有效培养学生的思维水平和创新能力。

眼视光应用光学的教学中涉及许多重要的光学图像和光学过程，如何将这些物理现象进行直观、深入浅出的描述对于学生而言是非常重要的。MATLAB是一种将科学计算和图像功能完美结合的语言工具，通过模拟仿真，可使学生对图样变化与参量之间的关系有更直观的感受，很好的解决了真实实验因环境不能进课堂的难题，加深学生对相关光学知识的认识。

本实验组综合成绩的各项指标均优于对照组，差异有统计学意义(P＜0.05)，说明实验组除了理论知识掌握更好外，在实践操作中也表现出较强的知识应用能力。实验组75%以上的学生能够自主将理论知识与实际应用联系起来，学以致用，达到本专业人才培养的目的；且与对照组相比，实验组在学习中具有主动提出问题、思考问题、解决问题的能力，而传统教学的对照组学习依赖性较强，思维方式也不活跃[4-7]。

后续授课的专业课教师也对本课程改革后的教学方式充分肯定，他们表示实验组的学生在相关专业课的表现更为突出。采用该教学模式下的学生专业基础扎实、知识运用灵活且问题分析能力强。

4 建 议

虽然将几何作图和MATLAB仿真模拟用于眼视光应用光学教学得到了学生和相关教师的普遍认可，但这也对该课程授课教师提出了更高的要求。它不仅要求教师具有良好的专业知识素养和实践操作能力[8-9]，还要求教师熟练掌握画图工具和MATLAB软件。教学过程中，教师也应鼓励学生自主探索，在掌握基本知识的前提下，利用MATLAB编写程序对知识进行巩固拓宽。

总之，通过以上研究讨论，几何作图和MATLAB仿真模拟有利于将眼视光应用光学教学过程中的抽象问题形象化，复杂问题简单化，有利于培养学生自主学习、思考和解决问题的能力，值得推广。

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[4]于旭东,余新平,张 芳,等.PBL教学法联合操作技能考核在眼视光研究生毕业实习中的应用[J].中国高等医学教育,2008,22 (8)：112-113.

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Application of geometric mapping and MATLAB simulation in teaching eye optical applied optics.

WANG Jun-jie1,WANG Cheng1,YANG Yan-ni1,YAN Jin2.1.Education&Research Office of Physics,Department of Medical Technology,Xi'an Medical University,Xi'an710021,Shaanxi,CHINA;2.Education&Research Office of Ophthalmology and Optometry,Department of Medical Technology,Xi'an Medical University,Xi'an710021,Shaanxi,CHINA

ObjectiveTo explore the effectiveness of applying geometric mapping and MATLAB simulation in the teaching with the purpose of reserving necessary optical theory knowledge for students and matting for subsequent related professional course.MethodsSixty students of grade2012 were chosen as control group(which were given traditional teaching),and60 students of grade2013 were chosen as experimental group(which were given geometric mapping and MATLAB simulation teaching).The teaching effect basing on geometric mapping and MATLAB simulation was evaluated by comparing the students'overall scores,questionnaires of self-assessment and the teachers'evaluation.ResultsThe students'comprehensive performance,self-assessment scores and teachers'evaluation of experimental group were all superior to those of control group,and the differences were statistically significant(P＜0.05).ConclusionThe application of geometric mapping and MATLAB simulation can visualize abstract concept in optics,help students establishing intuitive physical image and stimulate their interests in learning,therefore can obtain good teaching effect.

Geometric mapping;MATLAB simulation;Eye optical applied optics

R770.41

C

1003—6350（2015）16—2472—03

2015-01-27)

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.16.0895

王郡婕。E-mail：junjie880120@126.com