“一课四维”光学课程混合式教学模式的探索

孙 祯，侯岩雪，吴 雪

（燕山大学理学院，河北秦皇岛 066004）

党的二十大报告中提到教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑，重点阐明我国发展的现阶段对高等教育的迫切需求［1］。习近平总书记在中共中央政治局第五次集体学习中也强调“建设教育强国，龙头是高等教育”。由此展现出在全面建成社会主义现代化强国伟大征程中、在全民推进中华民族伟大复兴伟大事业中，高等教育肩负着实现高水平科技和培育高素质人才的使命。中国高等教育在此时代背景下提出了一系列的教育改革新举措：我国教育部在2017 年首次提出“新工科”的概念，要提升学生解决实际问题的能力［2］；2018 年相继提出“小班化教学”“混合式教学”“翻转课堂”等新型教学方式，打破“满堂灌”课堂模式，提高学生学习积极性［3］；2019 年印发了关于一流本科生课程建设的相关文件，必须深化教育教学改革，把教学改革成果落实到课程建设上［4］。

光学作为物理学专业一门重要的基础课程，是物理学重要的分支。它以光的电磁场理论为基础，重点研究光的本性、光的发射、传播、接收以及光与物质相互作用，是激光原理技术、光纤通信原理、光电检测技术、量子光学及高等光学等物理学科的重要支柱。不仅如此，它与天文学、农业学、材料学、生物学、医学等多个领域有着密不可分的关系。因此，在高等教育发展的今天，光学课程的建设尤为重要［5-6］。下面以所教授光学课程的教学实践为基础，笔者对光学课程教学改革进行了积极的探讨与分析。

一、光学教学现状分析

（一）学科的特点

光学课程是一门理论性和应用性比较强的学科。为了让学生真正地掌握光的本质及应用，讲解的内容从最简单的光线概念讲起，然后逐渐过渡到光的波动性，最后涉及光的量子性，并且伴随着实际应用的介绍。其中，对于光线的概念，学生大多在高中阶段中接触过，比较容易理解，而在介绍光的波动性（光的干涉、光的衍射、光的偏振等）和光的量子性时，内容比较抽象，涉及了许多概念、实验条件和计算过程，对于学生来说学习难度比较大。

（二）教学存在的问题

1.教学方式单一

光学课堂讲授偏向采用“板书+PPT”的形式，以教师讲课、学生听课为主。教师讲满45 分钟，学生配合听完，记下相关的笔记。这一套流程走下来，虽然重要的知识点被展示出来了，但是教师与学生之间的交流较少，学生参与度不高，大多处于被动接受的状态，学习的知识不能被很好地理解，最终只转换成了笔记本中的文字，此外学生的自主学习和独立思考的能力也没有得到很好的锻炼。

2.课堂教学偏重理论介绍

光学是一门以实验为基础的学科，但是在讲授光的重点知识时，教师往往以介绍物理概念和推导公式为切入点，比如菲涅尔公式、多光束干涉、夫琅禾费衍射等，经过大篇幅的概念介绍和公式计算过程后，得到相关的规律与结论。理论推导占据了大部分时间，导致学生只注重数学计算而忽略了对实验现象的观察。

3.网络资源应用较少

在网络资源如此丰富的时代下，单靠课本作为获取知识的唯一来源，已经不能够满足新时代下教育改革的要求，因而中国大学慕课、学习通、雨课堂等多个网络学习平台应运而生，线上线下混合教学模式形成。但是在大多数课堂中，教学活动还是以课本或课件为主，上述工具只是简单用于出勤率的考查，没有充分实现网络平台在实际课堂中的应用。

4.教学评价体系不完善

传统的教学评价体系普遍地将“平时成绩+期末考试成绩”作为评分标准，期末考试成绩占较重的比例，平时成绩仅包括出勤率与作业。在这样的评价体系下，学生只关注课上签到、课后作业与期末考试，他们其他方面的能力得不到很好的体现。

为了更好地解决上述问题，我们在光学课程中开展了“一课四维”混合教学模式的改革与探索，期望能充分体现“学生为中心、教师为主导”的教学理念，加深师生交流，提高学生学习的自主性和积极性，培养学生发现问题、提出问题以及解决问题的能力，在此基础上进一步激发学生的创新思维与创新能力。

二、“一课四维”混合式教学模式

“一课四维”混合式教学模式是分成课堂教学、实验演示、仿真模拟和线上教学四个部分。根据讲解内容不同，教师可以综合运用四种方法，以此激发学生的学习热情，提高学生的课堂参与度，加深学生对知识点的理解，使学生实现从理论走向实践的转变。

（一）课堂教学

课堂教学过程应该包含课堂讲解、课堂讨论、随堂测试三种。课程讲解主要聚焦于本节课的重点与难点内容，较难的理论推导过程会通过板书详细地写出。对于要求学生通过课前预习或线上资源掌握的部分，课堂中不过多的阐述，只简单地通过PPT 展示。教师要根据知识点之间的关系，在讲解的过程中有设计性地提出问题，让学生分组讨论，启发式地引导学生思考问题，并解决问题。在每章结尾，随机出1～2 道习题作为随堂测验，检查学生对知识点的掌握情况。

（二）实验演示

对于光的干涉、光的衍射及晶体双折射等知识点的讲解都是来源于对实验现象的观察，因此实验演示对于学生了解什么是光的波动性十分重要。实验演示主要有视频放映、虚拟实验或自主实验等方式。对于实验操作比较复杂或者实验现象观察环境要求比较严格的实验（透镜成像、杨氏双缝干涉实验、牛顿环、迈克尔逊干涉仪、光的偏振等），一般采用视频放映、虚拟实验的方式。而对于实验现象观察比较容易或实验操作简单的实验（光的反射与折射、单缝衍射、晶体双折射等），可以自制实验道具用于实验演示。

（三）仿真模拟

使用Matlab、FDTD、Comsol、Python 等计算软件，通过编程仿真出来一些光学的现象，通过改变相关的参数，观察实验图形及实验曲线的变化，从而得出实验规律，加深学生对教学内容的理解。比如，在讲解光栅衍射中的缺级现象时，若光栅线宽度为a，光栅间距为d，固定d 大小不变，改变a 的值，通过模拟出来的图像可以看出，d/a 所有整数倍数的级次均会消失，得到缺级条纹级次应该满足j=d/aj′。

（四）线上课程

线上课程主要依靠网络学习平台开展，中国大学生MOOC、雨课堂、学习通等。通过网络学习软件，教师可以发布课前预习资料、学习内容、问题讨论等，网络后台可以实时提供学生的学习数据，便于教师了解学生的学习动态。本人讲授的光学课程以大学MOOC 为平台开展了混合式教学模式（如图1 所示），选用中山大学《光学》国家精品课为线上学习内容。光学课程共64 学时，其中线上16 学时，线下48 学时。在重点的四个章节（几何光学成像、光的干涉、光的衍射和光的偏振）线上视频观看完之后进行线上测试，由此来衡量出学生线上知识点的掌握程度。除了发布教学内容外，在大学生MOOC 中建立慕课堂，用于课上签到、上传课件或作业、问题讨论等内容。

图1 光学课程在大学MOOC 开展数据图

三、“一课四维”混合式教学模式——以分波前干涉为例

课前预习：上课前在慕课堂上发布预习任务：（1）了解杨氏双孔干涉实验装置；（2）理解杨氏双孔干涉基本原理。上课前查阅慕课堂中学生的预习情况，并发布这节课的学生签到情况（线上课程）。

课堂讲学：先播放一段杨氏双孔干涉实验操作短视频，播放完了之后让学生根据预习的内容回答出杨氏双缝干涉实验的实验装置包含什么，观察到了什么实验现象。（实验演示）根据学生的回答，教师总结：杨氏双孔实验装置包括了光源、单孔屏、双孔屏和观察屏。根据惠更斯原理，光场中的每一个点都可以看作是次波源，单孔屏中的孔非常小，透过该孔的光波可以看成是点光源，向前传播通过双孔后分成两束光波，这两束光波看成是从同一个波前上取出来的，满足相干条件（来自同一个光源、同频率、振动方向平行等），称为分波前干涉。在观察屏上能看到相干条纹。杨氏双孔干涉实验的设计有力地反驳了牛顿的“微粒说”，这种不迷信学术权威，勇于创新的精神是值得我们学习的。教师提出问题，引起学生思考“为什么会出现亮暗相间的干涉条纹”，并借助数学工具完成理论推导过程。

在PPT 上展示出来杨氏双孔实验原理图（如图2 所示）（课堂教学）：

图2 杨氏双孔干涉实验原理图

假设光源到单孔屏距离为R，双孔屏到观察屏距离为D，双孔之间距离为d。双孔（S1、S2）相对于S 对称放置，观察点P靠近光轴。P 点S1、S2共面且P 点坐标为x，S1、S2出射光强均为I1，到达P 点光强为（下边公式为板书推导+PPT 展示）：

当δ=±2jπ（j=0，1，2，3...），为亮条纹；亮条纹中心位置：

当δ=±（2j+1）π（j=0，1，2，3...），为暗条纹；暗条纹中心位置：

根据上式推导可知，观察点光强随S1、S2出射两束光波相位差呈现余旋式变化，故而会出现明暗相间干涉条纹，且条纹宽度与D、d、λ 三个因素有关。通过Matlab 来仿真模拟一下上述三种因素改变对条纹间距的影响，初始波长λ=600 nm，D=1m，d=0.08mm，如图3-a 所示。当波长变为300 nm 时，条纹间距减小，如图3-b 所示；D 增加到3m 时，条纹间距变宽，如图3-c 所示；d 减小到0.04mm 时，条纹间距变大，如图3-d所示（仿真模拟）。

最后给出拓展思考题：若光源使用白光，双孔干涉条纹有什么特点？请同学们分组讨论并得出结论。课程最后布置相关习题来巩固知识点。本节课教学模式评价可以从课前预习、小组讨论、课后作业三部分进行。

四、总结与反思

在教学实践中我们发现光学课程在课堂教学、实验演示、仿真模拟及线上课程四种混合式教学模式的结合使用下很好地解决了师生课堂零互动、学生学习积极性不高及知识点难理解的问题。课堂教学环节可以培养学生分析和解决问题的能力；实验演示部分可以使得学生的观察力得到锻炼；仿真模拟和线上课程不仅可以加深学生对概念的理解，也提高了自主学习的能力。在未来发展过程中，我们也会注重前沿科技、产业需求等内容的融入，将光学课程的教学模式不断完善。