心中有光 光亮世界——工程光学（下）课程思政教学探索

屈玉福，樊尚春

（北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191）

习近平总书记在2018 年全国教育大会上指出，教育是民族振兴、社会进步的重要基石，是功在当代、利在千秋的德政工程，对提高人民综合素质、促进人的全面发展、增强中华民族创新创造活力、实现中华民族伟大复兴具有决定性意义。教育是国之大计、党之大计[1]。立德树人是教师的根本任务。怎样才能发挥教师队伍“主力军”、课程建设“主阵地”和课堂教学“主渠道”的作用，是每一位教师需要思考和探索的问题[2-3]。

在教育部课程思政示范课程传感器技术与应用教学团队多次说课听课评课、一起研磨思考题、一起梳理课程思政体系和课程思政案例等教学活动的指导和引领下，工程光学（下）借鉴传感器技术与应用课程把学生自己变成传感器的课程思政教学理念，工程光学（下）课程的基础知识点是光的属性及光与物质的相互作用，因此提出“心中有光，光亮世界”的价值塑造理念。

一、课程的定位和培养目标

（一）课程定位

仪器类专业本科生的知识培养目标之一是信息获取，信息获取方式的一个重要分支是光电信息获取。而工程光学（下）这门课正是以光这种物质的基本属性为基础，讲授光的基本属性、光的传播规律及光与物质的相互作用。该课程基于电磁波理论描述光的波动性质，并介绍光在各向同性介质中传播时发生的光的干涉、光的衍射和光的偏振现象，以及光在各向异性介质中传播时所表现出的现象，着重强调光与物质相互作用后，光的基本参量如何改变，如何利用光的参量的改变来获取物质的信息。让同学们打好坚实的光电信息获取基础知识，为后续完全掌握光电信息获取知识和能力奠定基础。在传授课程知识和培养能力的同时，塑造同学们的价值观，让同学们要心中有光，并用这束光照亮世界。

（二）课程知识和能力层次目标

工程光学（下）课程在知识传授方面，要使学生掌握物理光学的基本理论知识，并掌握其在工程中的应用，使学生对光电仪器和光电系统光学部分的原理、构成、设计方法及性能分析等有一个基本的了解和掌握。

工程光学（下）课程在能力培养方面，要使学生掌握实际动手搭建光路的能力，为工程应用提供相关能力；并要使学生掌握进行仿真程序设计能力，以验证所学知识和进行相关设计。

（三）课程思政层面目标

工程光学（下）的基础知识点是光的属性及光与物质的相互作用，因此提出“心中有光，光亮世界”的价值塑造理念。是光孕育了这个世界的万物，每个人都心中有光，出生后相当于一束自然光，经过不同的培养和教学变成了不同相干度的相干光，不管这个相干光的相干度多长，都要用这束光来照亮世界，用这束光来改变世界，为实现中华民族伟大复兴贡献力量，为推进人类进步贡献力量。

（四）课程思政教学挑战

工程光学（下）课程内容相对较难，公式多，概念抽象，如何在有限的课堂时间内渗透价值塑造、能力培养，将其与课程知识有机融合，做到润物细无声，需创新发展教学理念和教学方法。

（五）课程思政教学具体思路

工程光学（下）课程构建了“一念、两线、三融”的“123”课程思政建设总体设计思路，如图1 所示。

图1 工程光学（下）课程建设总体思路

1.“一念”：塑造“心中有光、光亮世界”的一个教学创新理念。所有教学环节结合知识点有机融入光学历史发展进程中的人物、故事及国内科学家解决“卡脖子”问题的科学奉献精神和家国情怀，激发学生树立远大的理想和抱负。

2.“两线”：明确知识线、思政线两条主线。知识线是思政线的线索、脉络和载体，思政线是“珍珠线”是教学的亮点和学生的兴奋点，可同时加深对知识点理解。两条主线有机融合。

3.“三融”：实施融思政于技术发展、融思政于专业知识和融思政于典型案例三项教学举措。

二、课程思政教学举措

（一）融思政于技术发展

课程从第一节介绍光的本质的认识开始引入课程思政内容。3 000 多年前，埃及和中国就开始使用铜镜来反射自己的面像，相当于最早的光学仪器。公元前4 世纪，中国和希腊已有光学现象的记录，墨翟在他所著的《墨经》中介绍了光的直线传播性和针孔成像。《墨经》是有关光学知识的最早记录，比古希腊数学家欧几里得所著的《光学》早100 多年。300 多年前，惠更斯和牛顿开始思考光的本质，并分别提出了波动说和微粒说。牛顿根据光的直线传播性质，想象光像直线运动的小球一样，照射到一个表面又反弹回来，由此提出了光是微粒流的理论。惠更斯认为光和声的一些现象相似，所以他反对光的微粒说，认为光是在一种叫作“以太”的物质中传播的波。到了19 世纪初，波动光学的体系已初步形成。1801 年，托马斯·杨用光的干涉原理非常满意地解释了白光照射下的薄膜颜色的原因，并做了著名的“杨氏双缝干涉实验”，还第一次成功地测定了七种颜色的光的波长，从而完全确认了光的周期性，为光的波动理论找到了又一个强有力的证据。“杨氏双缝干涉实验”重新引起了光的波动学说解释。1818 年，法国科学院的征文大奖主席泊松指出如果年轻的土木工程师菲涅尔关于光的衍射的描述对的话，如果在光束的传播路径中插入一块不透光的圆板，那么因为圆板边缘对光的衍射，在离不透光圆板一定距离的圆板阴影中央就会出现一个亮斑。年轻的菲涅尔接受了学术权威泊松的挑战，经过精心地实验设计，实现了圆板阴影中心出现亮斑的实验。菲涅尔还用杨氏双缝干涉的原理补充了惠更斯的原理，形成了人们所熟知的惠更斯-菲涅尔原理。解释了衍射现象，从而结束了一百多年的光的微粒学说的统治地位，在对光的解释中光的波动学占了主导地位。但在100 多年前，爱因斯坦为解释光电效应，提出了光量子论，改变了牛顿的引力观，恢复了光的粒子性，使人们终于认识清楚了光的波粒二象性，并且在光量子论的启示下发现了德布罗意物质波，为后来建立量子力学奠定了基础。90 多年前，泡利为了解释β 衰变的能量守恒问题，提出了他自己都认为无法找到的中微子。50 多年前，鲁宾在研究星系自转时发现它们转得太快了，从而假定宇宙中存在暗物质，进一步验证了兹维基在80 多年前的猜测。正是在这些巨匠的思索下，人们才对宇宙有了更深刻的理解，也引发了一次次的革命。他们就像光一样，照亮了一代又一代人前行的道路[4]。

（二）融思政于专业知识

1873 年，德国物理学家恩斯特·阿贝指出：光学显微镜分辨率的极限，大约是可见光波长的一半[5]。即使用可见光中波长最短的0.4 μm 左右波长的蓝紫光，也只能分辨0.2 μm 左右的物体，如果两点之间的距离小于0.2 μm，那么光学显微镜由于衍射极限将无法分辨出这是两个点。光学成像系统的衍射极限通常称为“阿贝极限”。由于这一伟大的发现，后人在阿贝的墓碑上刻上了这个衍射极限公式。“阿贝极限”清楚地告诉人们光学显微镜的分辨极限，例如直径只有0.02～0.3 μm 的病毒无法用光学显微镜观察清楚，无须再做更多的努力去改进光学显微镜的分辨率，这就是光学显微镜分辨的极限。1990 年，在德国海德堡大学博士毕业的史蒂芬·赫尔，一直不甘心“阿贝极限”对光学成像系统分辨率的限制，试着用各种方法来超越这个限制，但当时德国几乎所有的顶尖科学家都不支持他的想法。史蒂芬·赫尔于1994 年发表了一篇利用“受激发射减损技术（STimulated Emission Depletion，STED）”来突破“阿贝极限”的文章，他采用一束为激发光和一束损耗光照明荧光分子。激发光激发艾里斑范围内的荧光分子，使其中的电子跃迁到激发态，损耗光让位于艾里斑四周的分子荧光熄灭，只留下艾里斑中心部分的光，损耗光的光强越强，中间留下的部分越小，最小可达15 nm，从而实现“阿贝极限”的突破。在接下来的数年里，他将自己的设想逐渐变成现实：他开发出了STED 显微镜。2000 年，他用他开发的STED 显微镜对大肠杆菌进行摄像，达到以前任何光学显微镜都达不到的空间分辨率，并由此证明束缚了人们200多年的“阿贝极限”的突破是有可能的，也由此开创了突破“阿贝极限”的研究热潮。2014 年，他和另外两位科学家一同被授予了2014 年诺贝尔化学奖。获得了诺贝尔奖的史蒂芬·赫尔没有停下他进一步突破“阿贝极限”的脚步，2017 年，史蒂芬·赫尔发展了MINFLUX 技术（MINimal photon FLUXes，最低光子数显微成像），并将其称为“后诺贝尔奖时代的显微技术”，MINFLUX 进一步提升了光学分辨率，可以获得约1 nm 的定位精度和约5 nm 的空间分辨率，1 nm 的定位精度已经与单个分子的大小十分接近。用这个显微镜分辨率的相关事件引申介绍，让同学们看到活生生的科学精神，敢于批判和怀疑，勇于探索和创新，胜于坚持和努力。更能从史蒂芬·赫尔身上看到人存于世的价值观，他没有因为获得了诺贝尔奖而躺平，更没有到处做报告捞金，而是仍然在追求着自己的科研梦想，通过自己的研究工作来改变世界。

衍射光栅是光谱仪的“心脏”，也是实现光刻系统准分子激光光源大功率、窄带宽输出的关键元件。极大天文望远镜中需要大尺寸中阶梯光栅和大尺寸横向色散光栅，大面积光栅可以获得卓越的聚光能力和分辨本领。在惯性约束核聚变（ICF）中，大面积全息光栅用于实现高功率强激光的脉冲展宽与压缩，为实现更高的抗损伤阈值，要求光栅尺寸达到米级以上，但大面积全息光栅制作是世界性难题，是我国成像光谱仪、光刻机和高精度光栅长度基准的“卡脖子”关键元件。在上课过程中播放我国成功研制世界上面积最大中阶梯光栅的中央电视台新闻报道视频，介绍中科院长春光机研究所历经八年攻关的艰难与坚持，激发学生的科技报国情怀和坚忍不拔的科学精神。

（三）融思政于典型案例

1881 年，美国物理学家迈克尔逊为证明光是一种在“以太”介质中传输的机械波，与莫雷合作设计了一种可以将参考光和测量光分离的干涉仪，后人称之为迈克尔逊干涉仪。尽管该干涉仪没能证明“以太”的存在，但却为狭义相对论的基本假设提供了实验依据。1907 年，迈克尔逊由于发明了迈克尔逊干涉仪被授予了诺贝尔物理学奖。美国高新激光干涉仪引力波天文台（Advanced LIGO）基于迈克尔逊干涉仪和F-P 干涉仪构建了引力波探测系统，探测分辨率可达10-21m，可灵敏探测地球和太阳距离之间的一个原子直径的变化。该仪器多次成功探测到黑洞并合发出的引力波信号，不仅验证了爱因斯坦的广义相对论，也为了解双黑洞系统的成因提供了线索。2017 年，由于在“LIGO 探测器、引力波探测方面的决定性贡献”，雷纳·韦斯等三位在引力波探测计划起重要作用的美国科学家被授予了诺贝尔物理学奖。

望远镜的口径越大，望远镜的角分辨率就越高，就能看得更远，看得更清，接收到更多来自外太空的讯息，1994 年，南仁东为了扩大望远镜的口径，提出了500 m 口径球面射电望远镜（FAST）建设计划。南仁东先生花费12年多的时间，利用上百幅卫星遥感图像对比了上千个洼地，最后在中国西南的大山里确定了贵州省平塘县的喀斯特洼坑作为FAST 的建设地址。后来又作为资深咨询专家，在FAST 的建设过程中，建议了单波束和多波束接收机等关键技术。南先生由于长期积劳成疾，罹患肺癌。在“中国天眼”落成启用前的2016 年9 月，尽管南先生身体不适，但仍然坚持从北京飞到贵州的FAST 建设地，亲眼见证了他自己耗费22 年心血建成的FAST[6-7]。

1966 年7 月，高琨和他的同事们基于光的全反射原理，首次提出把玻璃纤维作为光传播介质用于通信的理论，他们相信通过降低材料中的杂质浓度，实现光波损耗在20dB/km 以下即可满足光通信的需求。但是光在大气介质中的信号衰减和无法穿越障碍物的巨大缺陷严重困扰了学术界和工业界。由于看不到光通信的前途，业界普遍对这个领域的探索缺乏兴趣，更不愿投入巨资尝试理论中衰减率低于20 dB/km 的超纯净光纤。当时的高锟先生跑遍了玻璃制品厂，到世界各地向各个工业产地实验室推介玻璃光纤的研究，甚至自己动手成了玻璃工艺专家，与此同时，他也与同事一起解决了玻璃损耗的测量等问题，最终在1970 年，康宁公司制作出了17 dB/km 的纤维波导，开启了光纤通信的大幕，点亮了光通信的灯塔。1981 年，世界上首个商用光纤通信系统问世，每10 千米仅需要一个中继的前提下，传输速度可达到45 Mb/s。此时距离高老论文发表已过15 年，他的梦想终成现实。今天，光纤已经成为全世界高速互联网的重要基础设施，大到国家的宽带计划，小到街头巷尾的光纤入户，没有光纤，我们上网基本上无法享受到这样的速度，包括我们今天依赖的手机，信息基站之间的传输也离不开光纤传输，是光纤造福了人类，是高锟先生对科学的不懈追求改变了我们的生活。

三、结束语

本文在教育部课程思政示范课程传感器技术与应用教学团队的指导和引领下，基于工程光学（下）的基础知识点——光的属性及光与物质的相互作用，提出了“心中有光，光亮世界”的价值塑造理念。构建了“一念、两线、三融”的“123”课程思政建设总体设计思路。探索融思政于技术发展、融思政于专业知识和融思政于典型案例的三项教学举措。最后在课程的总结中，基于课程的整个知识体系和关键知识点相干度的概念，将课程的内容升华，每一个人出生的时候都是方向随机、相位随机和偏振随机的自然光，经过多年的教育和培养，变成了不同相干度的相干光，最终一个人对国家和人类的贡献有多大，和自己所成光的相干度正相关，要尽可能让自己这束光的相干度变长，并用它照亮世界和改变世界，在国家和人类的发展史上留下自己的干涉条纹。