新工科背景下的物理光学与应用光学教学改革思考

摘 要：新工科背景下，物理光学与应用光学教学改革具有重要意义。本文将从提高教学质量、注重实践性、促进交叉学科发展、适应产业需求、强化国际化教育和创新教育理念等方面予以阐述，本课程教学改革需关注学生创新能力、实践能力、跨学科能力和国际视野的培养，以适应科技发展和产业需求。

关键词：物理光学与应用光学；新工科；教学改革

一、概述

物理光学与应用光学这门课程重点研究光的产生、传播、干涉、衍射、偏振以及与物质相互作用的一系列现象，并对以此原理构建的光学器件及其应用进行介绍，因而这门课程在光学领域具有很高的理论性和实践性。随着科技的进步和社会需求的变化，物理光学与应用光学的应用领域也在不断扩大。在新工科建设的背景下，对该门课程进行教学改革的思索，是应对新经济挑战，服务国家战略，满足相关产业需求的切实要求［12］。教学改革需要紧跟时代发展的步伐，调整课程内容，确保教育与社会、产业发展的紧密联系，立足于课程的新要求，即在布局未来产业领域内人才培养的内在需求上，引入新模式、新方法、新技术，这样可以培养出更具有应用价值和发展潜力的人才，为社会和产业发展做出贡献。同时教学改革需要教师具备更新的教育理念和教学方法，通过教师培训、教学研讨等方式，提高教师的教学水平和教育教学能力，为学生提供更好的教育环境。

改革建立在对现状的了解基础上，物理光学与应用光学这门课程在教学过程中面临一些挑战。首先，物理光学涉及许多抽象概念，如电磁波、波动方程等，这些概念需要学生具备扎实的数学基础和物理知识，以便进行数学建模和理论推导。然而，部分学生可能在这方面存在不足，导致理解困难。其次，光学现象如干涉、衍射和偏振等具有一定的复杂性，传统的板书和PPT展示可能过于简略，难以将这些现象展示得淋漓尽致。初学者可能会感到困惑，无法全面理解这些现象。

课堂教学时间安排不足，在工科学校中，物理光学与应用光学的课时常常安排不够，同时缺乏同步的实验课程。这降低了对学生实际操作能力的要求，也丧失了提升实验数据分析能力的锻炼机会。应用光学在各个领域都有广泛应用，但目前由于课时、师资等限制，授课知识面过窄，这导致学生难以掌握各种光学技术和原理，并在跨学科领域进行运用。

二、新工科背景下的课程改革思路

为了在教学中克服上述难点，本文提供以下思路：

（一）解放思想，勇于革新教学方式

虽然是老生常谈，但实际中依然有不少老师局限于既往经验，沉溺于舒适区，不愿意拥抱新技术。每年从国家层面到各省市教育主管部门都为新技术的普及做了大量工作，面向未来，就必须积极利用这些技术，服务教学，提高教学效率。例如翻转课堂［3］，线上教师可提前录制讲解光学概念和原理的视频，让学生在课前观看。学生可以根据自己的进度和需求反复观看视频，巩固知识点。本校这门课程在学习通线上平台建课，上传了各章节教课视频，并设置了与知识点相关的在线练习，学生在学习过程中也可以不断地检查知识点掌握情况。线上课程充分调动了学生学习的主动性，线下课堂时间主要用于讨论、提问、解决问题或进行演示实验。通常组织学生进行小组讨论、解答疑问，将线上学习没有弄懂的知识点进行分析解答。在课上交流过程中，教师也对学生的学习情况有了一个摸底，如果出现共性问题，说明线上内容有需要补充或完善的地方，这样教学就更有的放矢。混合式教学也是一个很好的选择，线上通过线上平台提供课程材料、视频讲座、模拟实验、在线测试等资源，帮助学生自主学习。线下进行面授课程，讲解难点，进行实验课程，组织课堂讨论和互动等活动。通过线上线下结合的教学方法，教师可以更好地满足学生的个性化需求，提高教学效果和学生的学习积极性。而且这一平台化建设的过程，也是对传统教学资源与新技术进行整合的过程，便于教研活动的开展，可以有力地缓解课时不足的现实困境。线上资源的多样性和丰富性可以帮助学生拆解负责概念，并提供直观物理图像，例如用彩虹解释光的色射现象，用偏振太阳镜来解释光的偏振现象等，利用动画、视频和模拟实验等多媒体教学手段直观地展示光学现象，帮助学生形成清晰的概念和认识。

（二）服务学生需求，建立分层教学考评体系

贯彻OBE教学理念，切实做到以学生为主体，以行业或科研能力培养为目标，从内驱化的方式不断增强教学质量和提高学生学习效率［4］。学生在学习本门课程时有自我需求和目标，据此在基本教学大纲的框架内，对学生进行不同能力和水平的教学，有效提高教学质量和学生的学习效果。具体教学中需要做到体系化分层，包括知识层次分层、学生能力分层、课堂活动分层及评估与反馈分层。知识层次分层即是将物理光学与应用光学的知识点分成基础层、进阶层和高级层。基础层可以包括基本概念、光的传播规律、光的折射、反射等；进阶层可以涉及干涉、衍射、偏振等现象；高级层可以包括非线性光学、量子光学等领域。知识分层有利于学生掌握知识谱系，并根据自身条件有目标地开展学习活动，教师也可以通过分层进行教学内容梳理。学生能力分层：我校该课程属于小班教学，便于教师对学生进行能力评估，了解他们在物理光学与应用光学方面的基本知识和技能，然后将学生分为几个差异层次。这样，教师可以根据学生的能力层次进行针对性的教学，提高学生的学习效果。教学方法分层方面，针对不同层次的学生，教师可以采用不同的教学方法。对于基础层学生，可以使用更多的实例和图解来解释概念，注重培养学生的基本技能；对于进阶层学生，可以引入一些实际问题和应用案例，鼓励学生进行探究式学习；对于高级层学生，可以组织学生进行课题研究、实验操作，提高学生的创新能力。课堂活动分层是一种有效的教学策略，可以满足不同学生的需求，提高课堂教学效果。分层教学可以帮助教师针对学生的不同能力和特点进行有针对性的指导，使他们在合适的挑战下取得更好的进步。这种方法可以激发学生的学习兴趣和积极性，提高课堂参与度，为学生创造良好的学习环境。教师需要了解学生的学术水平、兴趣和需求，以便为他们制定适当的分层任务，这可以通过观察学生在课堂上的表现、与学生沟通以及参考过往成绩等方式实现。基于学生的需求，教师可以设计不同难度和主题的分层活动，这些活动应该涵盖课程的核心知识点，同时充满趣味性和挑战性，以激发学生的学习热情。将学生按照能力和特点进行分组，让同一层次的学生相互合作，这有助于学生互相学习、互相帮助，实现取长补短、共同进步。教师要根据不同层次的学生提供适当的指导和支持，确保他们能够完成任务并取得进步。在活动进行过程中，教师要密切关注学生的学习情况，随时提供帮助和调整。分层评估与反馈：在物理光学与应用光学的教学过程中，根据设定的评估标准，对学生进行分层评估，评估内容涵盖课堂表现、作业完成情况、实验操作、项目实践等方面。课堂表现主要观察学生的积极参与程度、提问与回答质量，以及对讲解内容的理解程度；作业完成情况则关注学生对知识点的掌握，以及在解决问题时的创新思维；实验操作方面，评估学生的实验技能、操作规范性、实验数据处理能力和实验结果分析能力；项目实践主要关注学生在实际项目中的创新能力、团队协作能力和解决实际问题的能力。针对不同层次的学生，根据他们在各個方面的表现，给出相应的反馈和建议。对于理论基础较好但实践能力较弱的学生，可以鼓励他们多参与实验和项目实践，提高实践能力；对于实践能力较强但理论基础较弱的学生，则需要加强对基本概念和原理的学习。同时，教师要关注学生的个性化需求，帮助他们找到自己的不足之处，并提供改进的方法，以便更好地提高他们的综合能力。根据学生的评估结果和反馈情况，教师需要及时调整教学策略，以更好地满足学生的需求。例如，如果发现某个层次的学生在理论知识方面表现不佳，可以针对性地增加该方面的教学内容，通过更多的案例和实例讲解，帮助学生深入理解光学原理；如果发现学生在实践能力方面表现不佳，可以增加实验操作和实践环节，或者组织一些实际项目让学生参与，以提高他们的实践能力。在整个教学过程中，教师需要不断进行评估与反馈，以便及时发现问题并进行调整。这一过程要求教师具备灵活的教学思维和丰富的教育经验，以便在教学过程中做出合适的判断和调整。同时，教师要鼓励学生主动参与评估和反馈过程，以增强学生的自主学习能力和自我调整能力，鼓励学生提出问题和建议，这有助于教师更好地了解学生的需求和困惑，从而做出相应的教学策略调整。

（三）强化实践教学，增强技能培训

增加实验课程和实践环节，让学生在实验中亲手操作光学仪器和设备，加深对理论知识的理解，鼓励学生参与课题研究、实习和实训，增强实际操作能力。作为实验课程的备选或者补充，虚拟实验室平台也是一个很好的选择，充分利用例如全球在线实验室、开源物理等开放平台，让学生在计算机上模拟实际实验，提供了一个安全、灵活且易于访问的学习环境。另一个重要措施是引入光学设计和分析软件（如Zemax）的教学和实践，使学生熟练掌握相关软件的使用，为未来职业生涯做好准备。Zemax软件是一款专业的光学设计和分析软件，广泛应用于物理光学和应用光学领域。在物理光学与应用光学这门课程中，Zemax的应用和意义表现在以下几个方面。模拟光学系统：Zemax可以有效地模拟光学系统，例如透镜、反射镜、光纤等。通过这种模拟，学生们可以更好地理解光学元件的工作原理，学习如何设计和优化光学系统，以满足实际应用需求。光学设计与优化：Zemax软件可以帮助学生进行光学设计与优化，例如设计成像系统、光学传感器、光纤通信系统等。通过使用Zemax进行光学设计，学生可以在实际应用中更好地解决光学问题。教学与实践相结合：通过在课堂上使用Zemax软件，教师可以更直观地展示光学原理和光学系统的性能。此外，学生可以通过实际操作软件，加深对光学知识的理解，提高动手能力和实际应用能力。跨学科应用：Zemax软件不仅适用于物理光学与应用光学领域，还广泛应用于其他相关学科，如光电子学、生物医学工程、大气科学等。因此，学习使用Zemax软件可以帮助学生在跨学科领域中更好地运用光学知识。提高就业竞争力：掌握Zemax软件的使用，对于光学工程师和光学研究人员来说是一项重要技能。在求职过程中，具备Zemax软件操作经验的学生将具有更高的竞争力。

（四）创新实践平台，努力实现产学研结合

在校内搭建实验平台，建设与产业现状结合的实验室和实验设施，定期更新和升级实验室设备，引入先进的光学仪器和测量设备，保证学生能够接触到行业最新技术。设计与实际应用相结合的实验项目是物理光学与应用光学课程的重要组成部分，它有助于培养学生的实际操作能力和实际问题解决能力。教师需要精心设计实验项目，使其既具有理论性，又具有实际应用价值。实验项目应涵盖光学的基本原理、典型现象和关键技术，以帮助学生全面了解光学知识体系。此外，实验项目应具有一定的难度和挑战性，激发学生的求知欲和创新意识。鼓励学生开展独立或小组实验项目，培养他们的自主学习和研究能力。教师可以指导学生制订实验方案、分析实验数据、撰写实验报告等，以锻炼学生的科学研究能力。同时，教师应关注学生的团队协作能力和沟通能力，为学生未来的职业生涯打下坚实基础。通过设置丰富多样的实验项目，提高学生的动手操作和实验能力。实验项目可以包括基本实验、综合实验、创新实验等，以满足不同层次和兴趣的学生需求。同时，教师可以根据学生的反馈和评估结果，及时调整实验项目，以保持实验教学的針对性和有效性。与企业和研究机构建立合作关系，共同制定研究计划和技术开发目标，这有助于将最新的产业动态和技术成果引入教学，提高教学质量。通过产学研合作，学生可以参与实际项目，了解行业需求，提升自己的实践能力和就业竞争力。邀请产业界专家进行讲座、研讨会等活动，拓展学生的行业视野。这可以帮助学生了解光学技术在各个领域的应用，激发他们对光学学科的兴趣。同时，与产业界专家的交流还能帮助学生建立良好的人际关系。积极主动建立产学研合作关系，与企业共建实习基地，为学生提供实习实训机会。设立创新实践基地：在校内或校外设立光学创新实践基地，鼓励学生参与课题研究、实验设计、技术开发等创新活动，培养其独立思考、解决问题和创新能力。举办光学技术竞赛和活动：定期举办光学技术竞赛、研讨会、讲座等活动，鼓励学生展示自己的光学技能，提高学术交流水平，拓展视野。开展实习实训：与企业合作，为学生提供实习实训机会，让学生在实际工作环境中锻炼技能，了解企业需求，增强实际应用能力。引入项目课程和团队合作：将实际项目和团队合作引入课程设计，让学生在完成项目的过程中，学会团队协作，提高沟通与组织协调能力，提高学生在实际工作中的适应性。拓展国际合作与交流：与国际知名高校和研究机构建立合作关系，开展联合研究项目、学术交流活动等，提升学生的国际化视野和跨文化交流能力。

结语

在新工科背景下，物理光学与应用光学教学改革应紧密围绕培养学生的创新能力、实践能力和跨学科协作能力这一核心目标进行。我们需要在教学内容、教学方法、实验教学等方面进行创新，以提高教学质量和学生的满意度；要关注跨学科的发展趋势，提高学生的国际视野，为学生提供更多实践项目的机会，培养他们的实际问题解决能力；要充分利用现代信息技术，实现线上线下教学的有机结合，提高教学资源的质量和丰富度，这将有助于满足不同层次和兴趣的学生需求，提高教学质量。在新工科背景下，我们要不断探索物理光学与应用光学教学改革的路径，培养出更多具有国际竞争力的优秀光学人才，为国家的科技创新和产业发展贡献力量。

参考文献：

［1］吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科 主动适应和引领新经济［J］.高等工程教育研究，2017（1）：19.

［2］赵瑞，孔梅梅，彭玲，等.“应用光学”课程教学模式改革［J］.电气电子教学学报，2015，37（3）：3335.

［3］张萍，DING Lin，张文硕.翻转课堂的理念，演变与有效性研究［J］.教育学报，2017，13（01）：4655.

［4］徐源.基于OBE教学模式的本科教学课程改革研究［J］.课程教育研究，2017（17）：208.

资助项目：江苏省教育厅青蓝工程人才项目

作者简介：江敏（1987— ），男，汉族，江苏无锡人，博士，讲师，从事光学工程、表面等离子体共振光镊研究。