工程光学实验课程教学改革探究——以黄山学院为例

黄志永

（黄山学院 信息工程学院，安徽 黄山 245041）

1 基本情况概述

工程光学实验课程是独立设置的必修专业课实验课程，它既要以学生做过的大学物理实验为起点，又要与后继的实验课程适当配合，实验教学内容从基础的几何光学实验到后面的干涉衍射和偏振实验，实验内容多，实验操作难度较大，黄山学院的光信息科学与工程专业的工程光学实验开设的实验项目如表1所示。

表1 黄山学院工程光学实验课实验项目表

2 存在的主要问题

1.学生基础理论不足，对光学概念的理解仍然处于高中学的几何光学知识框架内。比如对于透镜成像的研究过程，不会使用符号法则，对放大的像不会考虑景深带来的系统误差；只会画最简单的光路图等，这些问题都反应了学生在上实验课前理论知识欠缺。

2.缺乏光学实验经验。工程光学实验本身的较为复杂，许多学生高中没有系统地做过实验，没有足够的耐心全身心投入到实验过程中，由于后期实验使用手持读数显微镜，而显微镜的视场范围是有限的，很长时间找不到清晰的像，易让学生产生挫败感，甚至放弃实验。

3.缺少实验拓展。工程光学实验容易和物理学中的光学实验项目重复，都是以传统的验证性实验为主。比如平行光管的调节和使用，透镜组节点的测定等，这些实验在固定的导轨上进行实验，调节过程较为简单，缺少动手能力的锻炼。

4.实验考核较为单一。以往实验成绩往往按照学生完成的基本情况结合学生提交的实验报告给出综合的成绩，这样的成绩判定缺乏科学性，容易产生让学生偷懒抄实验数据获得成绩的情况。

3 实验教学改革的研究思路

根据工程光学实验课程中出现的问题，对实验内容和实验教学环节进行了优化。

3.1 优化实验内容，淘汰侧重于理论的验证性实验

工程光学实验课程是该专业课程中对学生进行科学系统的实践性课程，应该更侧重于应用，例如原先实验大纲中关于透镜组节点的测定等实验内容偏重于基础光学方面，理论性大于应用性不符合该专业的培养目标，故可考虑删去，而增加白光全息照相，平行光管测量透镜分辨率2 个实验，此外，对传统的实验项目进行改进。

3.1.1 对位移法测量透镜焦距的改进

位移法测量透镜焦距是传统测量透镜焦距的方法，其理论基础是贝塞尔公式，主要使用的是白炽灯的光源。通过将物和屏的距离调至四倍焦距之外，移动凸透镜分别记录放大像和缩小像的位置，从而测出凸透镜位移，用对称性计算出透镜的焦距。学生通过光学导轨来完成实验，调节难度不大，共轴等高调节较为简单，通过实验改进，在光学平台上即一个二维平面上完成实验，对光路的调节难度就大大提高，加深学生对于共轴等高调节过程的印象[1]。同时也可以改变实验光源，让学生通过氦氖激光器来完成透镜焦距测量实验，拓展了焦距测量实验，使学生了解了更多光源下焦距测量的方法。

3.1.2 对偏振光检测的实验改进

通过增加光功率计可以测出偏振光的光强，从而验证马吕斯定律，并填写表2。

表2 验证马吕斯定律

实验内容除了定性的记录实验数据还多了定量计算，丰富了实验内容，提高了实验的难度。其中光功率计要求在暗室的环境操作，对共轴等高的调节要求较高。

3.1.3 对迈克尔逊干涉仪的改进

传统的迈克尔逊干涉仪是整体式的，由于仪器中分光板和补偿扳的位置是固定的，只能调节入射光和反射光的倾角，实验难度就大大降低了，采用WSZ型光学实验平台，把迈克尔逊干涉仪改成自组光路形式，让学生在平台上通过激光良好的自准直性能自组光路，如图1，学生通过实验不仅了解了迈克尔逊干涉仪的原理，而且对激光的自准直调节也有了更加深入的理解。

图1 自组迈克尔逊干涉仪

3.2 增加二维光学平台的实验比例

传统的光学实验大部分是在一维导轨上调节，对光路的调节只需要调至共轴等高即可，实验拓展性不够，工程光学实验采用WSZ型光学实验平台，该平台系统由光学实验平台、工作台、多维调整架、光源、光学元件组成[2]。可以在二维的光学平台上进行实验，教师可以根据实验要求，选择合适的组件自组光路，进行开放式教学，培养学生的思维能力及实验技巧，提高教学质量。学生从简单的光路调节入手，逐步增加难度，从最简单的自组显微镜目镜到后面复杂的自组迈克尔逊干涉仪，通过实验平台由浅入深，逐步调动学生实验的积极性，主动性。

3.3 强调实验预习的重要性，实验和理论相结合

工程光学实验课程中，前几个实验项目更加侧重于基础实验仪器的使用[3]，随着学生对光学理论的掌握,实验难度逐渐提高，比较典型的实验是阿贝成像原理和空间滤波，该实验是第四学期信息光学课的理论应用，涉及到傅里叶光学的理论，如果不在实验前对实验理论进行详细介绍，即使完成了实验也不知其所以然。因此在实验前应该补充大约半个小时的傅里叶光学的相关知识，没有目标的教学是不能激发学生的主观能动性的，还会造成适得其反的不良效果，导致学生对实验教学的厌烦和困惑，理论教学必须跟上实验操作，这样才能避免实验过程中的盲目性，实验教学与理论教学既有相对独立性，更要相互紧密联系。预习时要提供给学生相应实验仪器的ppt 和调节视频，学生如果只是根据实验讲义的文字内容很难对实验仪器，实验原理和过程有一个清晰的认识。

3.4 与网络，多媒体教学相结合

工程光学实验所用光学平台里面的配件较多，需要学生自组光路，在实验过程中学生往往面对较多的光学配件没有头绪，会耽误很多时间。开课前录制实验配件介绍和使用的视频，让学生提前预习，可以有效利用课外时间，掌握光学配件及使用的基本知识。还把一些光学基本操作录制视频放在网络上，比如共轴的调节，平行光的调节,这些都是每个光学实验中必须要掌握的基础方法，但具体到某个实验的操作还是让学生自行摸索，不能完全演示，要充分调动学生自主学习的能动性[4]。在介绍实验背景和数据处理环节可以通过多媒体ppt的形式，让学生对实验有感性的认识，从而提高学生学习的积极性。比如在介绍偏振光的产生和检验时，通过介绍3d电影眼镜和单反相机镜头中镀膜用到的偏振光知识来激发学生的学习兴趣，然后再开始实验操作，能让学生有更大的积极性。另外工程光学的光路图比较复杂，在黑板上绘制光路图要花很长的时间，通过多媒体演示就可以很方便地解决这个问题。在演示实验中可以把比较好的实验结果拍成照片，给下一组的学生在ppt上演示，提高学生的竞争意识和能动性。多媒体教学可以很好地丰富实验的教学内容。

3.5 实验成绩考核方法的改进

黄山学院工程光学实验课的成绩是按照大学物理的评价方法，预习报告20%，操作50%，数据处理30%。这样的考核，很难调动学生预习的积极性，通过对近年工程光学实验的教学总结，可以加大实验预习和操作所占的比例，改变学生抄袭实验数据的情况。比如学生必须把原始实验数据附纸贴在实验报告上，对于学生的操作情况进行现场打操作分，要求实验结束后将实验现象拍照发到指定qq群里。通过加强平时实验教学的管理，优化实验成绩的考核方式方法，可以让学生重视实验课程，提高实验教学效果。

4 总 结

通过工程光学实验教学改革，优化实验项目，并对传统实验进行改进，增加综合性实验和设计性实验，提高学生参与实验的投入程度，使实验课能够发挥提高学生动手能力、应用能力的作用，对后续的专业课程的学习起到很好的促进作用。