基础光学实验教学改革的探索

庄芹芹

（厦门理工学院光电与通信工程学院 福建·厦门 361024）

近年来，光电产业作为一个新兴的领域，在全世界范围内迅速发展。我国光电技术产品市场十几年来始终保持领先全球的高速增长速度，已经形成市场可观、发展潜力巨大的光电产业。而我校所处的厦门市，更是中国LED照明产业的发源地之一，其LED外延芯片规模、产业实力和产量连续14年保持全国第一，LED光源类高端产品连续8年成为全球最大的制造和出口基地之一，占全球产量的三分之一。厦门光电产业将进一步做大做强产业集群，打造高端灯具、智能照明千亿产业链。在此大环境下，为厦门乃至全国的光电产业输送具备扎实的专业理论基础和实践操作技能、具有严谨科学素养和开放创新思维的专业人才是我校光电信息科学与工程专业建设的重要目标。

基础光学实验是光电信息科学与工程专业的最重要的基础实践课程之一，实验项目包含了应用光学和物理光学的大部分内容，以及部分近代光学基础。该门课程的开展对于学生掌握光学知识、培养实验技能、提高综合素质起到至关重要的作用。

1 基础光学实验的特点及存在的问题

光学类实验通常具有以下几个特点：第一，对光学理论的掌握程度要求较高，尤其是需要自行搭建光路的实验，学生只有在充分理解了实验原理和光路图的情况下进行实验，才能搭建出正确的光路并得到合理的结果。第二，光学实验仪器大多为精密仪器，对人为操作要求很高，经常需要处于平稳的平台上在光路完全静止的状态下进行精细调节，否则失之毫厘将谬之千里。第三，许多光学实验需要在暗室条件下长时间对光学现象进行观测，极易引起视觉疲劳，这对实验者的身心状态都提出了较高的要求。

目前，在基础光学实验课程开设的过程中，主要存在以下五个问题：第一，光学实验仪器通常较为精密且昂贵，所以光学实验的操作规范较多、较细致，尽管绪论课作了讲解，但是学生通常掌握不够全面，在实际操作过程中往往做得不够到位，导致对光学元件乃至整个仪器造成损伤，或者增大了系统误差，对实验数据的可靠性产生影响。另外，课后处理实验数据、进行误差分析不够规范，例如套用了不够合理的公式、保留有效位数有误等，同样影响了实验结果的可靠性。第二，预习不够充分，对实验原理的理解不够透彻，导致实验操作时理性认识不足，便无法取得最佳的课堂效果。第三，教师考虑到大部分学生预习效果有限，在课堂上花费大量时间过于详细地讲解实验原理和操作步骤，剥夺了学生独立思考的空间和时间。实验指导书中的仪器实物图多给出了各元件之间的距离参数，而这些参数往往无需定值，甚至可有较大的调整空间，这在一定程度上妨碍了学生在光路搭建过程中的思考和探索。第四，学生多习惯于注重对数据进行记录、计算和处理，而忽略了对实验现象的仔细观察、记录和分析，而从事实验工作，数据不是唯一重要的观测内容，实验现象应当处于同等重要的地位。第五，我校的基础光学实验课程设置为每个实验两课时，在这有限的时间里，要完成对实验的设计、操作、记录，及时发现实验过程中所产生的各种问题并探讨和解决，还要对实验全程及其结果进行讨论和总结，两个课时有时显得不够宽裕。

2 基础光学实验教学改革的探索

2.1 新增实验基础知识测试环节

古人有云，磨刀不误砍柴工。尽管实验课程以操作为主，但是，熟悉光学实验的操作规范、认识各种常用光学元件、掌握数据处理和误差分析的方法，对于实验课程的开展极其关键。于是，除了绪论课上的讲解，增加测试环节，将极大引起学生对实验基础知识的重视，在复习、测试和纠错的过程中，又进一步对这些知识进行了巩固，这将对实验课程的开展奠定良好的基础。

2.2 借助慕课平台进行课前预习

对于课堂大部分时间都应用于实践操作的实验课程来说，预习环节则显得尤为重要，富有成效的预习将大大节约课堂上的讲解时间，且有助于学生带着问题、带着思考进行操作。在网络信息如此发达的现在，互联网平台为教育领域提供了大量的优质资源，慕课（大规模开放性的在线课程，MOOCs）便是其中之一，学生可利用移动终端或个人计算机进行在线实验课程的学习，构成线上和线下互为补充又相对独立的模式。于是，我们便可借助慕课平台来实现高效的预习过程。学生首先自行阅读实验指导书中的内容，再通过慕课平台观看在线视频进一步了解实验背景、原理、内容、步骤和注意事项等，最后通过几道小测试题、思考题来加深对实验内容的理解，这将极大提高预习的成效。借助这种的预习模式，还能实现真正意义上的差别化的“分层教学”：对于自学能力较强的学生，在基本了解指导书中所阐述的内容之余，还便于他们进行更多更深入的思考，课堂上便能更加有针对性地、主动地进行探索活动或与教师探讨，实现了“翻转课堂”；而对于基础较弱的学生，原先单单通过阅读晦涩的指导书的预习方式可能会使他们对实验的理解存在一些困难，慕课中可反复观看的在线视频则有望大大改善他们的预习效果，进而提高他们在课堂上的参与度。

2.3 修订指导书，改变授课方式

高等教育的目标之一是培养具有独立思考、探索能力和创新思维的高素质人才，所以，大学的课堂则要充分发挥学生的主观能动性而不是填鸭式的教学。在学生已然进行充分预习的前提下，课堂应当留有足够的时间和空间进行操作、思考和探索，这需要从两个方面进行转变：实验指导书和授课方式。指导书中的实验步骤部分可适当删减一些细节，避免学生不假思索对着书本依样画葫芦，尤其对于自搭光路实验，仪器实物图将不再提供距离参数，由学生在理解光路原理图的基础上自行探索各光学元件之间的距离。教师在课堂上的讲授除再次强调注意事项以外，应更多地引导学生对实验进行多角度的思考和探索，而不再是单调地讲解原理和步骤。通过这两个方面的转变，将能有效提高学生的独立思考能力、探索能力乃至创新能力，真正满足高等教育对于人才的实际需求。举个例子，在《菲涅尔双棱镜》实验中，光源钠灯和凸透镜之间的距离应当近似于凸透镜的焦距以产生均匀的光（平行光）；凸透镜和狭缝之间的距离虽对光路无影响，但考虑到光强在空气中的衰减，可以取一个较小的值来保证后续光路中的光强以便于观察；狭缝和双棱镜之间的距离直接影响了虚光源的间距的值（d），这个值不宜过大也不宜过小，这就需要在搭建光路时根据观察到的现象来调整；测微目镜的位置决定了其与狭缝之间的距离值（D）；而d与D都将影响所观测干涉条纹的形貌。这些都必须对光路原理图有充分的理解才得以掌握，还要结合实验中所观察到的现象再进行调整和优化，以尽可能减小实验误差、得到最佳的实验效果。而这一过程，首先需要学生在课前对实验原理有足够的理解并进行初步的思考，其次需在课堂上拥有足够的时间进行摸索，所以，我们的改革措施环环相扣，缺一不可。

2.4 培养学生仔细观察并记录实验现象的习惯

由于数据的记录和计算的客观性，具有标准答案，使得学生长年习惯于记录数据、计算数据，而实验现象的观察和记录，因其较为主观，甚至具有一些感性成分而不常用作评分依据，因此往往不被绝大多数学生所重视。然而，众所周知，任何科学实验的探索都必须同时关注现象和数据，有些实验甚至现象比数据更为重要。所以，需要培养学生养成在实验的全过程始终关注实验现象，并在必要时记录实验现象的习惯。这也有助于培养学生在今后的任何工作中都善于专注过程、记录细节的科学素养。例如实验项目《偏振光的观测与分析》，十分侧重于对实验现象进行观察和记录，在以往的开课经验中，学生对现象的描述水平参差不齐，要么不够完整，要么没有记录到重点；此外，还需根据所掌握的实验原理来对观测到的现象进行深入的分析，只有对偏振光和波晶片对偏振光的影响的相关知识点有足够深入的理解，才足以将实验现象和理论知识联系起来并作出正确的解析。若能培养学生在实验的全过程始终关注实验现象、记录实验现象的良好习惯，结合对原理的理解和思考，这样一个“观察——记录——分析”的科学探索过程，将对锻炼学生的观察能力、表达能力和分析能力起到十分积极的作用。

2.5 合理开放实验室

鉴于课堂时间有限，个别学生可能由于各种原因未能在课堂时间内完成实验，或者在整理实验数据时发现实验过程中存在缺陷，抑或个别基础较好、创意较多的学生在课本知识点之外引申出自己的奇思妙想有待验证，在课后适时开放实验室则能够很好地解决这些问题。制定一个合理的实验室开放管理办法，允许有需求的学生在课余时间进入实验室开展实验，同时安排专业老师为他们提供必要的指导和安全防护。这一举措能够帮助这些学生更好地完成实验乃至探索未知，也有助于他们培养实事求是、严谨细致的科学素养。

2.6 充分利用虚拟仿真实验平台

虚拟仿真实验教学是依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。虚拟仿真实验作为实验课程的一部分，作为实验室实验教学的重要补充和扩展，具有许多显著的优势：实验开展不受时间、地点和人数的限制，安全性高，便于维护和升级等。我校拥有省级大学物理虚拟仿真实验教学示范中心，能为师生提供良好的虚拟仿真实验平台。学生可自由支配时间来开展虚拟仿真实验，无论是实验条件的设置，还是实验参数的选择，都能够更加多样和细致，这将极大调动学生探索的积极性、主动性和创造性。必须指出的是，在特殊时期，例如2020年初我国遭遇新型冠状病毒疫情，师生们无法按照原定时间返校上课，正由于虚拟仿真实验的开展不受地点限制，便能够临时成为实践类课程的最佳替代方案。所以，要充分利用虚拟仿真实验平台，做到虚实结合、虚实互补，以此来提高基础光学实验课程的广度和深度。

3 结语

为了实现向厦门乃至全国的光电产业输送具备扎实的专业理论基础和实践操作技能、具有严谨科学素养和开放创新思维的专业人才的重要目标，高等教育中光学实践类课程的开展所取得的成效至关重要。尽管我校开设的基础光学实验项目多以验证性实验为主，属于专业基础类课程，但客观存在的一系列问题仍在一定程度上制约了学生对光学知识、实验技能的掌握水平和综合能力的养成。本文提出了六种切实可行的针对基础光学实验教学的改革方案，包括：新增实验基础知识测试环节、借助慕课平台进行课前预习、修订指导书和改变授课方式、培养学生仔细观察并记录实验现象的习惯、合理开放实验室、充分利用虚拟仿真实验平台等，其中，慕课平台和虚拟仿真实验平台的高效使用则得益于当前网络信息技术高速发展的时代背景。以上改革措施将有助于将我们的实验教学模式由传统的“教师中心”转变为“学生中心”，使学生更加深入地掌握光学及其相关实验的理论知识，提高他们的独立思考能力、探索能力和创新能力，锻炼他们的观察能力、表达能力和分析能力，培养他们实事求是、严谨细致的科学素养，调动他们探索的积极性、主动性和创造性。