光学实验立体化教学研究与实践

蒋志龙 俞琳 叶恩钾 孔艳 刘诚

摘要：光学实验教学在光学教学课程设计框架中占有重要地位，本文对光学实验教学过程中存在的问题进行了总结并提出光学实验立体化教学方案，结合理论教案、软件模块整合、光学系统设计、光学实验平台搭建、实验结果分析和实践的立体化教学手段来提高学生的光学实验操作能力和创新能力。

关键词：光学实验；立体化教学；教学建设

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）33-0149-02

一、引言

光学是一门基于实验的自然科学，光学实验是光学理论进一步发展、创新的基础，同时也是我们理解理论知识、验证物理规律的有效途径。因此，光学实验教学在光学教学课程设计框架中占有重要地位。随着我国科学技术和光学研究的不断发展，光学的应用领域也在逐步增大，已经发展出了光材料、光生物、光机械、光检测、光化学等一系列光学新材料和新技术。此外，光电类企业所占经济比重也在逐年增大，企业对光学人才需求增加。这就要求我们培养具有实际动手能力的光学综合性人才，高等院校对光学实验教学的改革、教师队伍的培养以及课程建设方面都应更加重视，在学生的培养方面，不仅注重理论知识的传授，同时注重动手能力和制造工艺的培养，使学生的理论素质和实践能力得到全面提升。

二、光学实验教学存在的问题

当前，传统的光学实验教学体系具有一定的局限性，主要表现在以下几个方面：

1.教学模式相对传统而陈旧。在高等院校的光学实验教学中，虽然用于实验的设备都逐步得到了更新，但在教学上还是沿用传统的模式和方法，形式固定而陈旧。在光学实验课中，教师往往按照课本上的实验步骤，带动学生逐步操作。

2.学生能动性不强，对实验兴趣降低。在实际的实验操作过程中，很少有学生对实验步骤和教学仪器做到非常熟悉，常常有很大一部分同学即使按照课本上的操作步骤，也很难正确调整实验仪器，仪器的调整最后大多成为实验老师的工作，学生只是对教师操作或是课本描述的简单重复，得到各自的实验数据。而在实验报告的填写阶段，为了能够及时完成作业，学生实验数据的真实性通常很难保证，甚至大部分数据都出现雷同现象，而教师对实验课成绩的评定，大都是参考学生填写的实验报告，很少有教师能够参考学生现场实验的操作能力，致使实验教学失去其真正的意义。高等院校的光学实验内容大多以课本为依据，内容陈旧、模式老化、缺乏创新，大部分都是模式化的验证性实验，缺乏创新性，不利于培养学生的创新能力和实践能力。

3.实践流程缺乏。在实验课堂的教学中，由于实验教室有限，各个班级轮流使用，致使学生实验课程不仅次数少，而且会受到时间的限制，每次只要下课的铃声响起，学生就停下手中的操作，准备下课，很少有学生能够留在实验室，继续探索自己的实验课题，这对培养学生主动学习实验操作的能力造成了限制，从根本上影响了对学生实验教学兴趣的培养，以及对物理光学的深入学习。

三、立体化教学在光学实验中的应用探究

近年来，随着国内高校科研条件的改善，在科研与教学相统一思想的指导下，许多有条件的高校在物理实验教学方面进行了积极的改革和探索，提出设计性、研究性的实验教学理念，取得了比较好的教学效果，在提升学生理论水平的同时提高了学生解决问题的能力。随着教学改革的不断深入，特别是《理工科非物理类专业大学物理实验课程教学基本要求》颁布实施以来，大家对设计性实验有了深入而全面的认识。我们也反省了自己的教学大纲和实验教学项目，决定全面改进和丰富光学实验的教学方法和方式，使之从文字意义的设计性实验转变为真正的设计性实验，并通过实验平台搭建来探究光学实验性质，并将相关结果付诸生产实践和应用。

光学实验立体化教学以光学理论教学方案为基础，充分发挥相关仿真软件模块在光学实验设计中的优势，让学生在软件平台（如zemax，Matlab等）上设计和调整光学系统。同时，学生可以利用实验室提供的光学仪器和实验平台来搭建光学实验系统，并验证和探究实验中的光学性质。借助模拟仿真用软件平台和实际搭建光学系统用实验平台，可以让学生能够在光学实验过程中感受到实验重点和直观的知识点，从而提高学生的学习效率。同时，相关模拟仿真软件的重复性好、数据稳定，有助于学生快速熟悉实际的光学实验系统并探究其光学实验性质。

四、光学实验立体化教学建设

光学实验立体化教学将主要探索仿真模拟软件引入课堂实验教学的可行性，同时研究实验课程和理论建模相结合的可行性，此外还增加分析和实践环节，从而构建光学实验立体化教学。将光学实验性质和结果与实际生产和实践接轨，形成理论教案、软件模块整合、光学系统设计、光学实验平台搭建、实验结果分析和实践的立体化教学手段，而这也是我们立体化光学实验教学的主要内容，如图1所示。

1.理论教案。以光学理论课程教学方案为基础，根据具体教学方案，选择典型的、适用于实验教学的基本光学系统：（1）几何光学系统：由给定的一些基本光学元器件设计并搭建复杂的光学系统，如显微镜、望远镜、投影仪系统等，对所成的像、像差等进行观察与测量，體验几何光学在实际光学系统中的应用。（2）光学准直系统：利用相干激光光源和基本光学元件设计并搭建基本的光学准直系统，基于共轴光路调节的思路，设计实验操作方案，利用光学透镜实现激光光源的扩束和准直。（3）干涉显微成像系统：基于马赫泽德干涉仪，实现对定量干涉显微系统的设计与搭建，通过该系统，采集干涉条纹，通过干涉条纹的求解，实现对生物样品的强度与相位成像，并对生物细胞进行定量观察和分析。

2.软件模块整合。充分利用平台软件（如zemax，Matlab等）的模块化优势，通过仿真模拟软件设计与实验课程相互衔接，发挥学生对光学实验的设计能力和实际操作能力。zemax软件适用于几何光学系统中透镜及相关器件的设计和优化，而Matlab则能有效模拟衍射光学系统的衍射及成像过程。

3.光学系统设计。充分利用平台软件（如zemax，Matlab等）的模块化优势，合理设计仿真软件模块化与实验课程内容衔接过程，同时注重提升学生自主创新能力和设计能力。在光学系统设计过程中需要相应的光学知识储备，对学生的光学知识掌握程度提出了一定的要求。通过光学系统设计，可以有效提高学生的光学实验设计能力、分析和解决问题的能力。

4.光学实验平台搭建。以仿真平台软件的模拟结果为参考依据，在实际实验平台上搭建设计的光学实验系统。在锻炼实验动手能力的同时，检验仿真模拟结果的可行性和有效性。实验设计和实验搭建都是由学生自主完成，整个过程能够有效避免一般光学实验课的模式化验证性过程，能够激发学生的创新性，有利于培养学生的创新能力和实践能力。

5.实验结果分析和实践。学生通过在平台软件上自行设计参数并给出相应的结果分析，所做的光学实验接近于实际应用，使学生能更全面、系统地掌握现代光电应用技术，体会光电仪器设计及检测的工艺流程。

五、实践情况

光学实验立体化教学在本系部部分班级进行了光学实践实验，我们对实践效果进行了调查，相关实验收到了不错的效果，主要体现在以下几个方面：（1）学生的能动性和创新能力得到了有效提高。学生开始喜欢上光学实验课，积极设计光学实验系统，提高了光学实验设计能力。（2）学生的自主学习能力和实验操作能力得到加强。学生在立体化实验教学中锻炼了自学平台软件的能力，同时搭建接近于实际应用的光学实验系统有助于提升学生的实验操作能力。

参考文献：

[1]张萍.立体化、创新型的光学课程教学体系与模式的研究[J].大学物理，2010，（7）.