“应用光学”全英文教学模式的实践与探索

庞宗强， 袁 明， 江 兵， 戎 舟， 王 勇

(南京邮电大学 自动化学院、人工智能学院， 江苏 南京 210023)

0 引言

在当前新工科背景和信息全球化的趋势下,中国的高等教育正面临着一场全新的改革，根据“教育面向现代化、面向世界、面向未来”的目标，大力推进专业课程的全英文建设，对培养具有国际化视野的创新型工科人才具有重要意义[1]。

“应用光学”是电子科学与技术、光信息科学与技术和测控技术与仪器等专业的专业基础课程。课程以几何光学原理为基础，分析研究了几种典型光学仪器(显微镜、望远镜、照相机和投影仪)和现代光学系统(光纤光学系统、红外光学系统和激光光学系统)的工作原理、系统架构、成像质量和设计方法等，在整个工科专业课程体系中占据重要地位。采取全英文授课模式，不仅可以让学生掌握应用光学的专业知识，还可以在一定程度上提高其英语水平和利用英语进行各种学术交流的能力。因此，探索应用光学的全英文教学模式具有很重要的战略意义。

1 应用光学全英文授课存在的问题

1.1 语言环境问题

在中国这个汉语言大环境下，针对本科生开展专业课程的全英文授课本身就具有很大的挑战。首先，习惯了传统中文授课与交流的内地本科生，由于日常生活中缺乏英语交流锻炼的机会，其英文听说能力远低于拉丁语系国家甚至港澳台地区，所以在英文授课过程中，出现语言沟通障碍在所难免。其次，“应用光学”课程的专业词汇量较大，即使大部分工科专业的本科学生通过了国家英语四六级考试，但在面临大量陌生专业英语词汇时，仍然是会出现焦虑和茫然。导致实际听课听课过程中，可能会专注于某些英语专业词汇，而忽略了专业知识内容的理解，一段时间下来，英文专业课程学习的兴趣和积极性可能会慢慢消失，无疑给专业课程知识点的的传递造成了很大的障碍。最后，相比于传统中文授课或双语授课模式，专业课程的全英文授课对授课教师的专业知识掌握情况以及英语的表达能力要求非常高，比如要求授课教师的口语流利、发音标准且不能口音过重等[2]。

1.2 教学模式问题

传统的“填鸭式”教学模式，授课过程中主要以教师讲、学生听为主，课堂气氛较为沉闷，不仅难以调动学生的积极性，还会扼杀本科生的求知欲和创新精神，完全不适合当今社会对创新型工科人才的培养需求。

为了实现高等教育的创新和适应未来工业革命的挑战，开展“新工科”学科布局，构建多样化、个性化的工程人才培养模式已经成为教育部重要战略发展方向。2018年教育部发布了“普通高等学校本科专业类教学质量国家标准”，其原则和理念的核心就是以学生为中心、以成果为导向，通过翻转课堂的教学模式，充分发挥学生的主体作用，提高学生创新意识、分析问题和解决问题的能力。

2 应用光学全英文授课的改进措施

2.1 学习习惯的培养

区别于常规的专业课程学习，全英文专业课程的学习会面临大量的陌生英语专业词汇，因此要求学生养成良好的学习习惯。针对陌生词汇较多的问题，提醒学生做好充分的课前预习，提前查阅待学习章节中的陌生词汇，并实时记录预习过程中存在的困惑和难点，带着问题去听课，做到有的放矢。

授课过程中，鼓励引导学生使用英语大胆表达自己的想法和观点，主动提出问题，以小组讨论和课堂讨论的形式为学生创造一个良好的英语语言学习环境，对于课堂中积极提出问题和阐述观点的学生，给予课程平时成绩的加分，充分调动学生全英文课程学习的积极性和发挥学生的主体作用，提高学生获取知识和分析问题的能力。

课后提醒学生及时进行相关知识点的复习与巩固，通过布置少量课后作业或绘制章节知识点树形图的方式加深对本单元知识点的理解，授课教师利用课余时间为学生进行实时在线答疑解惑。

2.2 课程内容的优化

前两次课的授课内容尽量以回顾高中物理课本中已学过的相关光学知识为主，如光学的发展历史、反射定律和折射定律等内容，让学生逐渐适应和习惯全英文授课的模式和授课教师的英语发音。尽量减少陌生专业词汇的数量，以建立学生的英语听力自信为出发点。然后，以光学知识在前沿科技领域的应用为例，逐步引出本课程的学习目标、学习内容以及相应知识点在未来工业领域中的实际应用，激发学生对本门课程学习的兴趣。

课程知识点部分按照“共轴球面系统——目视光学仪器——平面棱镜系统——成像光束选择——成像质量评价”为主线展开教学[3]。本文以第二章共轴球面系统部分的知识点讲解为例：

首先，结合高中物理知识让学生认识到什么是共轴球面系统，实际应用中为什么要构建球面光学系统，比如肉眼无法直接看清远处的物体和近处微小的细胞组织等，通过借助于望远镜和显微镜系统才能实现观测(给出望远镜和显微镜的实物照片和系统结构示意图)，以此引发学生的好奇，激发学生深入探究的兴趣，因为兴趣才是促使学生努力学习的最好老师。

接下来，引入实际光路追迹公式的推导用于确定像点的位置，通过两组不同位置的入射光线得到两组不同的公式组，进而引出问题点，为了使推导的光路追迹公式统一且具有普适性，建立了符号法则。基于实际光路计算公式的应用进行举例，利用实际光路追迹公式计算三组不同角度入射光线的像点位置(∠U1=1°, 2°,3°),计算结果表明，在小角度入射的情况下，三个像点的位置近似重合，因此，在误差允许的范围内，可用入射角的弧度值替代其正弦值，由此引入近轴光路追迹公式。

通过近轴区域几条入射光线的像点位置计算，发现像点的位置与入射角度无关，为了简化像点位置的计算，引入了近轴光路基本公式。然而，当我们沿着光轴方向不断移动物点的位置，像点的位置也会随之改变，为了获得不同物点对应的像点位置和大小，我们需要反复多次利用近轴光路计算公式进行求解，工作量巨大。为了简化计算过程，引入了基点和基面的概念(主点/主平面，焦点/焦平面，节点和节平面)，进而利用近轴光路基本公式求解了单个球面和共轴球面系统的主点和焦点位置，以及已知系统主点和焦点位置的前提下，可以通过作图法求解全空间像点的位置。虽然利用作图法虽然可以定性分析物像之间的对应关系，但在实际光学系统设计中缺乏准确性，为此，为了进一步简化计算过程，基于不同的位置坐标系，引入了牛顿公式和高斯公式。最后，基于牛顿公式和高斯公式，完成复杂组合光学系统的光路计算。

在章节内容讲解结束后，引导学生通过绘制共轴球面系统知识点树形图的方式，将共轴球面系统看似杂散的知识点进行串接，理清知识点之间的脉络关系，加深学生对共轴球面系统章节知识点的理解和掌握，如图1中所示。

图1 共轴球面系统知识点树形图

2.3 教学模式的探索

培养大学生的创新意识和创新精神，提高大学生的创新能力，是新时期高校教育改革工作的重要目标和任务。高校必须彻底改变传统的以传授知识为主的教学理念和方法，多措并举，将专业领域相关的最新科研成果融入到课程教学中，使学生实时了解本领域研究的科技前沿动态，认识到应用光学课程学习的实际意义，通过教学与科研相辅相成的教学模式，可以加深学生对枯燥抽象理论知识点的理解，为培养本科生的创新意识和创新能力创造良好的成长环境[4]。

在理论课程讲授的同时，注重实践环节的辅助。比如在讲授目视光学仪器章节内容时，可以利用凸透镜、凹透镜和棱镜等基本光学元件现场搭建简易望远镜和潜望镜系统，使学生更加直观的认识和理解目视光学仪器的镜体长度、放大倍数等参数与透镜结构尺寸的内在关系，理解棱镜单元在目视光学仪器中的实际作用。此外，为了进一步加深学生对实际军用观察望远镜和狙击步枪瞄准镜等典型光学仪器轴向尺寸受限、横向尺寸受限、视场范围受限、成像质量要求较高等问题的理解，利用ZEMAX光学设计软件进行问题的仿真模拟与分析，加深学生对目视光学仪器的结构、工作原理和成像质量评价的理解，提高本科生的工程实践能力、系统思考和研究能力[5]。

图2 全英文课程教学模式的探索

3 结语

在新工科和信息全球化的大背景下，本文探索和实践了应用光学全英文授课教学模式。实践结果表明，该教学模式能够促使本科生逐渐接受专业课程的全英文授课，在学习专业知识的同时，锻炼了学生利用英语交际和表达学术观点的能力，为后续深造从事科研工作奠定了良好的基础。借助于透镜和棱镜等辅助道具，不仅活跃了原本沉闷的一言堂氛围，还激发了学生学习的兴趣。通过将光学领域的最新科研成果实时融入到理论课程教学中，为本科生揭开了科研的神秘面纱，培养了其强烈的求知欲和创新精神。