光学教学中计算机辅助教学的实践探究

王利强

摘要 光学课程的教学内容包含光的电磁理论、几何光学和量子光学理论，概念多、公式多且易混淆，要求熟悉电磁学和高等数学的内容，然而随着教学内容的深入，学生理解所学内容的困难逐渐增加，导致学习兴趣逐渐下降。为发挥学生主观能动性，可以采用计算机辅助教学和翻转课堂等多种方式，提升课堂教学效果。本文就网络资源利用、多媒体课件制作、虚拟实验和光学器件设计等方面的计算机辅助光学教学进行了探究，相关案例也可为物理类其它课程提供帮助。

关键词：光学教学；虚拟实验；计算机辅助

一、概述

光学课程在理论物理、光信息等专业的学生培养中起着至关重要的作用，经典电磁理论、几何光学理论和量子理论完美地解释了实验现象，实验又推动理论进一步的完善。因此，光学课堂教学注重理论与实践相结合，培养学生的实践技能，使学生能够更好地理解和应用所学知识，为更进一步地深造和工作打下坚实的基础。但不可否认，光学内容且存在大量易混淆的公式，在具体教学中有大量的概念需要向学生介绍，在以传授知识为主要目标的传统教学实践中，学生容易产生畏难情绪，进而对光学的学习兴趣减弱，导致无法达到光学课程要求的水平，在光学的学习中败下阵来[1]。例如光的干涉和衍射部分，既有杨氏双缝干涉图样，又有单缝衍射图样，二者都属于光波的叠加但描述图样的公式存在很大的不同，极易混淆。久而久之，对学生的求知积极性打击很大，导致上课心不在焉，甚至出现逃课等现象。

为避免本科阶段光学教学过程中产生的负面体验，可以考虑多种手段改善光学教学效果，增强学习兴趣，减轻学生负担。将传统教学中以传授知识为出发点的培养模式，改变为重点培养学生创新能力和自主学习能力的培养模式。教师应该鼓励学生通过自己努力达到光学教学大纲要求的知识水平，培养学生学习的自信心，养成主动探索的良好习惯，为就业做好必要的准备。翻转课堂和虚拟实验是成本较小的培养兴趣的途径，可以在光学课堂实践中大胆尝试。当然，虚拟实验的开发离不开计算机资源的支持，但作为21世纪的大学生，计算机不再是奢侈的学习资源，因此，可以利用计算机辅助光学教和学，达到良好的教学效果。计算机辅助光学教学是利用计算机技术来辅助光学教学过程的一种方法，通过计算机软件、模拟实验等形式来提供更加生动、直观的教学内容，实现对光学原理、光学设计和光学实验等方面的教学内容进行模拟和演示，帮助学生更好地理解和掌握光学知识，从而提升学习兴趣，进一步对相关专业本科教育产生积极影响。

二、网络资源利用

网络为21世纪的生活提供了很大的便利，购物、娱乐、社交和办公都可以在网上进行。凭借丰富的资源，学习也可以在网上实现。众所周知，接触互联网的方式很多，其中，计算机浏览器上网就是一种主流的上网方式。因此，教师可以利用网络的优势，为教师教学节省时间，为学生学习增添兴趣。具体教学过程中，可以从思政教育、MOOC平台使用和交互式学习等方面实践。

（一）思政教育

光学教学中的思政教育旨在培养学生全面发展，提高学生的综合素质和社会责任感，使他们成为具有良好道德品质和创新精神的光学专业人才。在光学课程的教学过程中，通过引导学生深入探讨和思考光学原理、应用和发展等相关问题，帮助学生形成科学研究的态度和方法，培養学生的创新思维和动手能力，培养学生正确的价值观、人生观和世界观。

为将思政教育融入课程教学，培养学生的爱国情怀和责任感，光学教学可以加深学生对光学科技在国家发展中的重要性的认识，激发学生对祖国科技事业的热爱和责任感[2]。光学学科是一门理论与实践相结合的学科，光学的日常教学中，潜移默化地培养着学生的科学精神和创新意识。光学技术的应用涵盖了众多领域，思政教育可以引导学生在光学实践中注重社会效益和实践创新，培养学生的职业道德和责任感。教师通过课后作业引导学生课后查找资料，了解人造光源的发光效率、节约能源，介绍利用光进行文物研究，探讨光学成像技术的发展和隐私保护。光学教学对培养学生的团队合作和沟通能力也有重要作用，光学学科涉及到实验和工程项目，思政教育可以着重培养学生的团队意识和协作能力，加强学生的沟通和交流能力。中国天眼生动地诠释着南仁东院士为光学工程项目付出的心血。通过网上查找资料，使学生了解大型射电望远镜领域的研究现状，激发大国工匠的使命感，增强当代大学生的时代责任感和使命感。

（二）MOOC平台使用

在网上丰富的教学资源中，MOOC等平台为学生研修喜欢的课程提供了方便，也为光学课程提供了大量的资源。上课没有听懂或请假的同学完全可以通过浏览网络视频资源达到自学的目的，MOOC平台不但提供光学课程的学习资源，也有应用光学、激光物理学等相关课程的教学视频，为学生补足学习短板提供了支持。MOOC等平台也提供自我测试的机会，学习后可以利用测试自我检查学习效果，也可以和不同高校的学生就学习进行探讨。计算机辅助光学教学还可以通过互动性强的教学软件，提供个性化的学习内容和反馈，帮助学生自主学习和巩固知识。教师可以根据学生的学习进度和情况进行针对性的指导和辅导，提高教学效果和学生的学习兴趣。

（三）交互式学习

高速发展的电子科技和多媒体交互产生了交互式学习的教学方式，是一种强调结合交流合作和电脑使用的教学方式，依靠交流获取自己想要的知识。为培养学生的自主学习能力，可以采用交互式学习的方式占有网络学习资源。网络资源中也包含大量的电子书籍、多媒体课件和其它类型的资源。阅读电子书籍环保而又携带方便，是学生可以利用的方式之一。阅读电子书籍不仅包含中文书籍，更重要的是阅读国外光学采用较多的优秀教材，通过阅读英文教材，达到提高英文水平、理解光学知识的目的。利用网络可以通过社交软件直接和专家、老师交流，从而得到自己想要的信息。

总之，网络资源已是当代大学生资源丰富的知识宝藏，计算机结合网络技术挖掘自身需要的资源是大学生应该掌握的必要技能。当然，网络资源也存在糟粕的部分，过度依赖网络资源也是不可取的。

三、多媒体课件制作

光学现象的展示包含丰富多彩的颜色，传统的黑板粉笔限制了教师水平的发挥，也制约了学生的想象空间。多媒体课件丰富的色彩和精妙的动画效果使课堂效果达到了最大程度的发挥，因此，多媒体课件的使用也是当代大学生应该具备的技能之一，最基础的功能包含阅读、演示和制作。

微软和金山公司的办公软件提供了丰富的功能以满足我们的学习和工作中的需求，多媒体课件的诸多功能需要我们去发掘，其功能的增加在不断进行中，合理利用多媒体课件，可以调动学习主动性，取得良好的教学效果。当然，多媒体课件展示的应该是精华，应该是有严密逻辑的内容，应该言简意赅地表达自己的核心思想。

借助计算机制作多媒体课件，学生可以在课堂演示部分教学内容，实现课堂翻转。显然，教师可以合理安排，在主要内容讲解完毕后，把课堂留给学生。例如，在讲解光学的发展历史时，每个阶段都有光学发展的标志性成果和对光学理论发展做出重大贡献的科学家，相关内容不难通过网络和各种资料得到。利用翻转课堂的方式，由学生来介绍科学事件和科学家事迹，对学生学习能力的提高具有积极意义。现代光学是一个多学科的领域，涉及物理学、数学、工程学等多个学科，其前沿知识并没有在教课书中过多涉猎，学生可以通过查找科技文献，了解科技前沿知识和理论，进而制作多媒体课件并展示。在学生讲解完毕后，教师可以组织讨论，指出课件制作的优秀和不足之处，最后总结并给出评价。经过翻转课堂的设计，使学生的能力得以提高，激发学习的主动性，提升课堂教学效果。

四、虚拟实验制作

物理世界的奇妙可以通过实验直观展示，即使简单的三棱镜分光实验也可以揭示复色光的奥秘。普通光学实验的开设可以让学生直接观察光学现象，计算机辅助光学教学可以通过虚拟实验室模拟真实的光学实验过程，让学生在计算机上进行实验操作，从而避免了实际实验中可能出现的安全风险和实验设备的限制。同时，计算机辅助光学教学还可以通过多媒体教学资源展示光学现象、模拟光线传播等，使学生能够更加清晰地理解光学原理。通常，虚拟实验包含成熟软件提供和自我设计实验两大部分。

仿真实验软件较多，例如VirtualLab作为一款行业内认可度较高的仿真软件，基于麦克斯韦方程组的求解，获取光学系统空间里的光波场矢量信息，进而模拟光波在光学元件中的能量传输，建模范围包括了从几何光学到物理光学及其组合的简单或复杂的光学系统，具有用户友好的界面和实时模拟功能，可让学生进行各种光学实验的模拟和观察[3]。但此类软件平台大多只提供收费服务，对学生来说相当于设置了一道门槛。

当然，如果能自己实现虚拟实验观测，对学生能力的提升帮助更大。目前，matlab通過自己强大的矩阵运算能力，可以轻而易举地解决光线的传输问题，也可以模拟干涉、衍射等产生的图样，但matlab也不属于开源软件。幸运的是c++、Fortran和Python等都存在开源版本，因此鼓励学生以此类软件为基础，搭建属于自己的虚拟实验平台。在开源软件中，Python语言拥有强大的数据库，在各行各业的用途日益广泛，光学教学中鼓励自学Python语言，本身就是为学生的未来投资[4]。光学教学中的许多实验都能以虚拟实验的方式进行，例如：在杨氏双缝干涉讲解中，光屏上坐标的相对光强为[5]

其中d代表双缝之间的距离，x代表光屏上的位置，l表示入射光波波长，r代表光屏和狭缝之间的距离。

可以使用NumPy和Matplotlib等Python数据库，以最简单的方式编写代码，保证学生能理解代码的含义。通过调整实验参数，就能观察到和真实实验非常接近的干涉图案。

#this code is used to simulate Youngs double-slit interference

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

# setting parameters

# units used for the following physical quantities： meters

wavelength = 6328e-10  # incident light wavelength

slit_width = 10e-6  # width of single slit

slit_distance = 1e-3  # distance between two slits

screen_distance = 1  # ditance between screen and double-slit

screen_width = 1

screen_height = 0.5

pixels = 1000  # number of sampling points

# generate coordinate grid

x = np.linspace（-screen_width/2， screen_width/2， pixels）

y = np.linspace（0， screen_height， pixels）

X， Y = np.meshgrid（x， y）

# calculate the interference pattern

intensity = （np.cos（np.pi * slit_width * X / （screen_distance * wavelength）））**2

intensity = intensity / np.max（intensity）  # normalized intensity

# Plotting grayscale

plt.imshow（intensity， cmap='gray'， extent=（-screen_width/2， screen_width/2， 0， screen_height））

plt.colorbar（）

plt.title（"Young's Double Slit Interference"）

plt.xlabel（"Position_X"）

plt.ylabel（"Intensity"）

plt.show（）

为了让学生更进一步理解干涉图样的特点，可以就虚拟实验提出若干问题供学生讨论，也可以让学生封装代码，使虚拟实验更接近真实实验。在光栅部分的介绍中，光垂直入射在光栅上，从而产生更加复杂的图样，属于受到单缝衍射调制的多缝干涉。利用动画效果将干涉和衍射的函数加以综合展示，难度大大增加，但对学生能力的提升将大幅增加。

五、光学器件设计

Zemax是一种常用于光学设计和仿真的软件工具，更是全功能的光学设计分析软件， 具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，广泛用于透镜设计和系统优化，软件提供了丰富的功能和工具，可以帮助工程师和科学家进行光学系统的设计、分析和优化[6]。在激光器、光学仪器和LED光源等行业中具有一定的知名度，学生学习此类软件的使用有助于日后的就业。

Zemax首先通过添加透镜、反射镜、滤光片等光学元件，以及指定它们的属性和位置，来建立光学系统的模型。在此基础上，通过光路追迹、像差、MTF曲线和相位畸变等参数，评估设计的质量和性能。基于分析结果，可以通过调整元件参数、位置或者添加补偿元件来优化设计。最后导出图形和数据，以供后续的制造和测试。在具体的光学课堂教学中，许多内容可供学生作设计尝试。例如在对望远镜的光路作讲解后，教师可以将望远镜的设计作为开放性课题布置给学生，让学生理解望远镜的光路设计属于系统工程，需要综合考虑垂轴放大率、分辨率、孔径光阑和视场光阑等因素的影响，得到一款性能优良的望远镜设计。

六、总结

计算机辅助光学教学是一种创新的教学方式，通过利用计算机技术，可以提供更加生动、直观的教学内容，帮助学生更好地掌握光学知识。光学教学的良好效果离不开计算机资源的合理利用，如何善加利用并产生良好的教学效果是每一个教师应该思考的问题。通过网络资源的发掘、多媒体课件的制作、虚拟实验的制作和光学器件的设计中下功夫，可以增强光学课堂教学的趣味性，调动学生学习主动性，发挥教师的课堂主导性作用。另外，在光学教学中结合实用性软件的学习，相当于为学生的就业做前期投资，成为日后毕业生工作中的资源储备。

参考文献：

[1]侯宇.光学课程教改方法的探讨与研究[J].教育教学论坛，2018， 26：125-127.

[2]涂亚峰，刘波，袁久红．用社会主义核心价值观引领知识教育——基于对江苏高校现状的调查研究与对策分析[J]．江苏高教，2018，6：83-87.

[3]徐铭，吉建华.虚拟实验在非线性光纤光学教学中的应用[J].电气电子教学学报，2004，26（3）：96-101.

[4]李增剛，戴光昊，廖晖. Python编程基础与科学计算[M].北京：清华大学出版社， 2022.

[5]姚启钧.光学教程[M].北京：高等教育出版社，2019.

[6]马堃.ZEMAX 软件在大学物理实验中的应用探究[J].大学物理实验，202，33（4）：76-78.