深化光学课程教学改革 提高学生创新能力与综合素质

匡尚奇 宋贵才

[摘 要]文章对长春理工大学理学院近4年的本科光学课程教学改革实践进行了总结，探讨分析其在教学内容、教学方法和教学手段方面的经验，为进一步深化光学教学改革和提高教学质量积累经验和提供参考。

[关键词]高等教育;思政教育;光学课程;本科教学改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）09-0031-04

培养什么样的人、怎样培养人以及为谁培养人是习近平总书记在北京大学师生座谈会上，站在时代发展前沿和国家战略高度，向我国教育界提出的教育命题。针对这一命题，习总书记进一步指出抓住培养社会主义建设者和接班人这一根本，扭住思想政治工作体系建设这一主线，突出以德育人的这一关键，为实现中华民族伟大复兴培养更多充满希望的青年生力军。习总书记的这一重要讲话为我国教育事业奠定了基调，特别为我国亟待改革的高等教育事业指明了方向。光学课程作为高等院校物理学、电子学、光电子学和光信息学等相关专业的专业基础课，是构建理学本科生完整物理知识体系不可或缺的核心课程。同时“光学老又新，前程端似锦”[1]，光学既是一门古老的学科，但其发展又是近代激光技术、信息技术和量子技术的核心原动力。因此，深入学习习总书记讲话精神，深化光学教学改革，培养具有完善光学基础知识的高素质创新型人才对我国社会主义现代化建设具有非常重要的意义。本文结合长春理工大学理学院近4年的光学课程教学实践，对课程的教学内容和教学方法的改革探索进行了总结。我们探索的核心是以唯物辩证法指导光学的教学与改革，在光学课程教学过程中坚持以德育人，致力于培养学生的思维能力和创新能力。

一、以唯物辩证法指导光学课程教学及其改革

唯物辩证法是马克思主义哲学的重要组成部分，是人类认识世界与改造世界最普遍、最有效的科学武器。因此，作为培养社会主义建设者与接班人的高校教师首先要对唯物辩证法进行深入学习，并努力将其付诸实践，即用唯物辩证法指导教学实践与改革活动，进而以教师的言传身教来感染和教育学生。经验表明，教师以身作则，在工作中贯彻唯物辩证法远比简单的说教更有说服力和教育意义。我校理学院近4年的光学课程教学经验表明，唯物辩证法至少在以下3方面对光学教学工作具有重要的指导意义。

（一）重视光学基础知识的讲解与积累，促进学生知识由量变向质变转化

光学是一门承上启下的重要基础课程，它是电磁学的延伸以及电动力学、物理光学和激光物理等专业课的基础，而在这些相关知识的衔接过程中麦克斯韦方程组的地位尤为突出，该方程的解就是光波的表达式。但是，由于麦克斯韦方程组较为抽象，其求解的过程又较为复杂，需要的数学知识较多，因此在光学课程教学课时有限的情况下，国内高校一般采用与力学中机械波相类比的方法引入光波表达式，而不采用求解麦克斯韦方程组引出光波表达式的教学方式。采用相类比的方法虽然易于学生理解，但是对学生学习后续课程和从事学术研究是非常有害的。教师必须遵循知识积累的客观规律，学生对光学知识的深入理解与掌握这种质变必须通过教师不厌其烦的教学引导来实现。因此，在光波表达式的讲解中，教师必须重视由麦克斯韦方程组求解光波表达式这个运算过程的讲解，并在一步步的数学演算与公式推导过程中向学生传达尊重科学、严谨治学的理念。

（二）重视发挥实验在教学中的作用，做到理论联系实际

“人的正确思想是从哪里来的？是从天上掉下来的吗？不是。是自己头脑里固有的吗？不是。人的正确思想，只能从社会实践中来”[2]，毛泽东主席的这一论断，深刻阐明了实践在认识中的地位。同时，人的正确思想的产生是一个过程，即从实践到认识又从认识到实践的过程。光学作为一门以观察和实验为基础的学科，以往的教学一般以教师直接讲授知识为主，这在一定程度上违背了人对知识认识的客观规律，进而造成学生“一头雾水”，对教师的讲解“不知所云”的现象。对此，教师在教学过程中应努力实现理论与实践的统一，光学课堂的实验演示不失为理论联系实践的有效途径。以光栅衍射教学为例，先让学生观察1个狭缝、2个狭缝、5个狭缝和光栅（狭缝数大于100）的衍射现象，然后思考建立物理建模，再依據理论进行其他光栅衍射现象的模拟。这样使学生经历由兴趣到求知到理解光栅理论再到应用光栅理论进行其他性能光栅设计的过程，教学效果远好于传统的讲授模式。

（三）以发展的眼光看待教学，在教学中求新求变

事物处于永恒的发展之中，教师的教学过程不可能是一成不变的。教学在形式上是一个重复劳动的过程，从事多年教学的教师极易产生职业倦怠感，甚至有教师以一份教案讲授多年，造成教学内容和教学手段陈旧，难以激起学生学习的兴趣。教学同样是一个发展的过程，其发展本身就需要不断发现问题、解决问题。在信息时代的今天，如何将学生的注意力从智能手机吸引回课堂已成为所有教师需要共同面对的问题。教师作为教学活动的主体，首先要有求新求变的意识，积极尝试新的教学手段。我们在教学中积极尝试“雨课堂”[3]这种智能教学手段，学生通过手机获得课件和相关视频，将手机由“敌人”转变为“助手”，丰富了教学内容。

二、引导学生运用唯物辩证法深刻理解与掌握光学知识与光学发展史

一个民族要站在科学的高峰，就一刻也不能没有理论思维[4]，而辩证思维方法是认识世界和改造世界的根本方法。作为光学教师仅给学生教授光学基础知识是远远不够的，所谓授人以鱼不如授人以渔，教师还应该将光学理论中蕴含的大量唯物辩证法思想传授给学生，以此启迪学生的思维。笔者通过近4年的光学课程教学实践发现，可以应用唯物辩证法来学习光学的内容。

（一）应用对立统一规律深刻认识光的本质

世界统一于物质，“波粒二象性”——光的本质就是最典型的例证。对光的本质认识的历史蕴含着丰富的唯物辩证法思想。光的本质研究历史充分验证了事物的发展不是一帆风顺的，往往会经历否定之否定的螺旋式的发展过程。由于事物本质表现着现实的复杂层次结构，因此，人对光的本质的认识不仅是从现象到本质，而且是由波动说的初级本质到波粒二象性的二级本质，如此不断加深下去，进而才能更深刻、更准确、更全面地反映光的本质这一客观存在着的实际。对光的本质的认识过程生动地表明事物的发展是前进性与曲折性的统一，我们在任何时候都要以正确的态度看待前进中的困难与曲折。对新事物新现象开展科学研究没有现成的经验和模式可以照搬，需要大胆创新，开拓进取，而且难免会出现暂时的失误与曲折。因此，在科学研究中要正确分析和看待前进中的曲折，不断总结经验，找到解决问题的方法，推动科学研究不断前进。

另外，光的本质——波与粒子的对立统一，也生动地揭示了唯物辩证法的对立统一规律。要真正认识光的本质，就必须把握、研究其一切方面、一切联系，真正把握全局。离开全局只看局部，只能理解“波粒二象性”中的一个方面，其结果无异于“盲人摸象”，只见其一和以偏概全。

（二）应用普遍联系规律建立光学核心知识之间的联系

基础光学教学主要包括几何光学、光的干涉、光的衍射和光的偏振等核心内容，涉及杨氏双缝干涉、菲涅尔圆孔和圆屏衍射、夫琅和费单缝、光栅、劈尖、牛顿环、迈克耳逊干涉仪、薄透镜和偏振片等诸多光学装置，相关知识给人错综复杂的感觉。对此，教师应引导学生应用唯物辩证法对光学知识进行归纳分析，理清光学现象与相关知识之间的内在联系。分析表明，基础光学统一于波动光学，以波动光学的叠加原理为主线可以贯穿全部的光学教学。光的干涉、衍射和偏振都是在不同条件下的光波的叠加的结果。具体而言，满足相关条件的有限光波的叠加为光的干涉，无限的次波的叠加表现为光的衍射，而当所有的次波均参与叠加时表现为光沿直线传播。因此，看似纷繁复杂的诸多光学现象之间蕴含着事物是普遍联系的哲理，即以波动光学的角度分析，光的干涉、衍射、偏振和直线传播可以统一于光的叠加原理（包括惠更斯—菲涅尔原理）。通过这一分析，教师还应该引导学生进一步提高对光的传播行为的认识，通过现象认识本质，即日常生活中光的直线传播规律只是光传播的表象，光的传播规律是惠更斯—菲涅尔原理所描述的规律，直线传播只是在一定条件下的特殊现象。通过上述分析，可使学生懂得事物都是现象与本质的统一，本质是决定客观事物具有各种表现的根据，是客观事物内在的相对稳定的方面;现象是本质的表象形式，是通过经验可以认识的客观事物外部的特性和特征，是客观事物外在的、比较活动易变的方面。科学研究的一个重要任务就是要透过事物的现象把握其本质。

（三）应用唯物辩证法分析光学发展史中科学家的创新思维

创新是社会发展的不竭动力，创新能力是我国社会主义建设者与接班人必须具备的重要素质。因此，教师在教学过程中结合光学发展史和唯物辩证法，培养学生的创新思维与创新意识具有重要的意义。唯物辩证法指出创新就是破除与客观事物进程不相符合的旧观念、旧理论、旧模式、旧做法，发现和运用事物的新联系、新属性、新规律，更有效地开展认识世界、改造世界的活动。创新思维有诸多具体形式，如联想思维、逆向思维、发散思维、超前思维等等。

纵观光学的发展史我们不难发现，牛顿的“微粒说”和惠更斯的“波动说”的提出都是基于联想思维，即把对微粒和机械波的功能属性的认识迁移到光波上;麦克斯韦在电磁学理论的基础上提出光是一种电磁波就是基于超前思维，即通过分析光波现象的现实状态，依据电磁波客观规律和发展的多种可能性，创造性地预测光是电磁波的一种形式;爱因斯坦“光量子”理论的提出是基于发散思维，即充分利用已有的知识，推测、想象光的能量的量子化，让思维沿着不同思路多维度发散进行，进而揭示和发现事物的联系和属性;德布罗意关于物质的“波粒二象性”的理论采用的是逆向思维，爱因斯坦采用正向思维指出光能量的粒子性。同时，教师还应该指出，提高创新思维能力，必须反对各种形而上学的思维方法，做到不唯书不唯上，只唯实。牛顿的微粒说束缚了人们对光的本质的认识，近150年的历史就是最典型的反面案例，正是当时人们缺乏挑战学术权威的勇气与创新思维严重影响了人类科技的进步。

三、将我国光学科技发展前沿成果适时融入教学中，坚持以德育人

“扭住思想政治工作体系建设这一主线，突出以德育人的这一关键”是习总书记对我国高校教育的重要指示。光学课程虽然是一门理科理论课，其教学的主要任务是光学基础知识的传授，但是光学课堂同样是教书育人的一线，同样肩负着以德育人的重要历史使命。同时，中国光学是我们可以与世界对话的学科之一[5]，我国光学科研前沿有很多可以与世界先进国家比肩甚至是领先的成果，在这些先进研究成果中有许多科学家可歌可泣、感人至深的事迹。因此，主讲光学课程的教师有义务时刻关注我国光学领域的研究进展，并将其合理地融入教学过程中，坚持以德育人。在近四年的教学过程中我们发现，我国光学科研的重大成果与基础光学的内容有着密切的联系，几乎涵盖了光的干涉、光的衍射、光学仪器等核心内容，具体而言包括以下3个方面。

（一）基于光的干涉原理的“天琴计划”

光的干涉是指两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。激光干涉就是基于光的干涉原理研发的重要技术，其在精密测量领域有着重要的作用。随着2016年美国激光干涉引力波天文台（LIGO）报道观测到引力波，激光干涉技术进一步成为研究的焦点。笔者教学时在讲解了光的干涉原理之后引入LIGO所使用的激光干涉测量技术，发现这样可以起到激发学生学习兴趣的作用。在引入国外相关研究进展的同时，笔者还引入我国在相关领域的研究进展，以避免学生以偏概全，无法正确认识我国科研水平，进而形成迷信西方的错误认识。与美国的地面探测引力波LIGO相比，我国的“天琴计划”[6]在太空中对引力波进行观测，其以3颗卫星在距地球50万千米的高轨上，通過卫星上安装的推力可精细调节的微牛级推进器实时调节卫星的运动姿态，使得检验质量始终保持与周围的保护容器互不接触的状态。高精度的激光干涉测距技术被用来记录由引力波引起的、不同卫星上检验质量之间的细微距离变化，从而获得有关引力波的信息。笔者在课堂上一般仅简要介绍我国引力波的项目，让学生在课后组成讨论小组收集和学习相关知识，并在后续的课程中由学生进行报告。教学结果表明，学生的学习热情与兴趣明显高于以往，对知识的理解与掌握也更加深入。

（二）基于光的衍射原理的中阶梯光栅

光的衍射是基础光学的核心知识，其主要的应用就是衍射光栅，同时光栅又是众多光学仪器中不可或缺的重要元件。笔者在讲解衍射光栅相关知识点的基础上，结合中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制成功世界上最大面积400mm×500mm中阶梯光栅[7]进行讲解，这样不仅可以加深学生对所学知识的理解，还可以使学生了解到我国科研工作者经过8年的刻苦攻关，打破了我国大型光学系统、远程探测与识别等大科学装置以及国家战略高技术领域所需要的高精度大尺寸光栅受制于人的局面，帮助我国光谱仪器行业摆脱了“有器无心”的局面。学生通过课程学习还可以了解到我校老校长王大珩院士建立的我国最具实力的光学科研机构——中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。

（三）基于光学仪器的像分辨本领的500米口径球面射电望远镜

瑞丽判据规定了光学仪器的最小分辨角，是成像系统分辨本领的判断标准。瑞丽判据表明，要提高光学系统的分辨率，加大光学仪器通光孔径是有效途径，而中国科学院国家天文台自主设计建造的500米口径球面射电望远镜（FAST）就是最典型的例证。我国的FAST是世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，其打破了世界上射电望远镜的百米极限，将为人类发现脉冲星、探索暗物质和黑洞、研究宇宙起源和地外文明等提供独特手段，为基础研究的重大发现与突破、战略高技术的发展和国际科技合作的开展提供了一流的创新平台，被誉为中国的“天眼”。同时，我国“天眼”筑梦人——南仁东研究员[8]以超乎常人的精神和毅力，克服了前进道路上的种种困难，为铸造大国重器作出了举世瞩目的贡献。南仁东研究员的事迹与精神感人至深，为我们树立了大公无私、献身科研、艰苦奋斗的科学研究者的光辉形象。

四、坚持因材施教，培养创新型人才

课堂教学是光学教学最重要的组成部分，不断提高课堂教学质量是教学工作的重要任务。为了增多受众，光学课程课堂教学一般仅能依据中等学生的接受能力进行讲解，这样很难满足优秀学生的求知需求，不利于具有创新潜质的人才的培养。因此，在近4年的光学教学过程中，笔者采取了课堂教学与科研小组指导相结合的教学方式，由光学科研小组在课后对优秀学生进行学术研究的指导。通过努力，科研小组目前有4名本科生先后以第一作者身份发表了5篇EI检索论文，取得了一定的成果[9]。实践表明，這种“抓好典型，照顾一般”的教学方式不仅有利于优秀学生的脱颖而出，而且有利于教学质量的整体提高，近四年学生对光学课程评课的满意率达到了95%。

五、结束语

近4年来，我们以唯物辩证法的哲学理论指导光学课程教学及其改革，并在教学内容上积极引入我国光学科研领域的最新研究成果，以此提高教学质量和培养学生的爱国情怀。其教学实践表明，教学质量取得了长足的进步，学生期末成绩普遍提高，优秀本科生积极从事学术研究，并取得了一定的研究成果。笔者的教学工作得到了我校师生的认可，2018年被我校评为教学质量优秀奖一等奖。但是，光学课程教学改革是一项长期的工作，需要我们与时俱进，进一步深入学习唯物辩证法，优化教学内容与方法，为我国社会主义现代化建设培养更优秀的高素质人才而不断努力。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 赤子丹心 中华之光[J].中国计量，2011（9）：6-13+21.

[2] 毛泽东.毛泽东文集：第8卷[M].北京：人民出版社，1999：320.

[3] 黄成龙.雨课堂让教学更轻松[J].科教文汇（中旬刊），2016（12）：27-28.

[4] 恩格斯.马克思恩格斯选集：第3卷[M].北京：人民出版社，1995：467.

[5] 白雨虹.我们沐浴在光的世界里……[J].光学 精密工程，2011（7）：1432.

[6] 刘志远.“天琴计划”太空中捕捉宇宙涟漪[J].科技导报，2016（3）：53-54.

[7] 李大庆.我制造出最大面积中阶梯光栅[N].科技日报，2016-11-12（001）.

[8] “中国天眼”之父南仁东[J].理论与当代，2018（4）：34-36.

[9] 匡尚奇.指导理科本科生科研的实践与思考[J].吉林教育，2018（15）：17-20.

[责任编辑：庞丹丹]