基于“数字赋能、探究情境、面向应用”的课程教学模式探索

［摘""""""要］"数字化时代背景与新工科专业背景下，对物理光学教学内容的“中国化”“时代化”“数字化”探索具有重要意义。对课程内容、授课方式、教学资源进行探索，课程教学深度融入数字化技术，创设工程化应用情景，面向光学行业发展需求，尝试了基于“数字赋能、探究情境、面向应用”的新型教学模式。学生的学习体验感、对课程知识内容的架构能力、实践创新能力得到初步改善，有效提升了物理光学的课堂教学成效，为学生高效开展后继专业课程学习及从事光电行业提供了良好的基础。

［关""键""词］"物理光学；教学改革；数字赋能；科教赛融合；情境教学

［中图分类号］"G642""""""""""［文献标志码］"A""""""""""［文章编号］"2096-0603（2024）36-0069-04

物理光学课程是光电信息科学与工程、应用物理学、测控技术与仪器、海洋信息工程等专业的一门重要核心课程。课程的教学内容是以光的电磁理论为基础，以光波的叠加为原理，主要讲授在光学成像检测仪器中所涉及的光学干涉、衍射、偏振等物理基础原理，以此为学生学习激光技术、光纤原理、波导光学等应用类专业课程提供重要基础。

2022年，习近平总书记在武汉考察时提出光电产业是我国率先实现突破的高技术产业。光学技术既为国家国防、航空航天等重要事业提供技术支撑，在工业及社会各层面也都发挥着无法替代的作用，包括激光加工制造、光学检测等领域。随着科技大进步和社会需求的变更，物理光学的应用领域也在不断扩大，光学产业顺应5G数字时代的高速发展，光学信息传输及光学成像识别等技术与物联网、人工智能、AR/VR等技术彼此渗透，不断推进着信息产业的更迭进步[1-2]。因此，物理光学课程急需紧跟行业发展，课程教学深度融入数字化技术，创设工程化应用情景，面向光学行业发展需求，培养学生的工程意识和创新能力，践行“以人为本”的育人理念。

一、物理光学教学过程中存在的问题

传统的物理光学教材理论翔实，同时也具有比较明显的“苏联教科书”特点，强调数学原理推导、严密抽象，对知识点的拓展与运用相对较少，缺乏实际工程案例，偏离了学生的工程场景学习需求。因此，在传承原有知识框架的基础上，如何实现教学内容的“中国化”“时代化”“数字化”是我们课程实践探索的方向。

物理光学这门课程在教学过程中也面临一些挑战。首先，物理光学课程的理论基础主要由物理公式与光路原理图组成。有些学生反映“物理公式推导烦”“光路原理记忆难”。他们对课程的印象是“一系列冗长的公式”；还有同学觉得“记不住光路原理图，做题目得靠翻书”。因此，学生对课堂的体验度与参与度不高。他们希望有能让他们眼前一亮的数字化场景，有能让他们融入课堂的情景式演练，有能让他们思维碰撞的小组氛围。这是需要优化的第一点——学生在课上如何能学好。其次，通过物理光学课程的学习，学生有了一定的理论基础，包括光的吸收与色散理论、用干涉知识进行精密测量的步骤、各种偏振器件检测的原理等。学生理论基础尚可，但仅仅停留在答题、考试等“纸面”应用，对于这些理论的“落地”应用相对模糊，不知道所学知识与工程问题有何关联，能解决当今什么问题。在教学中应用场景案例不够丰富，理论与实际应用之间产生断层，它们之间的桥梁还未构建。这是需要优化的第二点——学生课后如何能用好。最后，学生渴望在物理光学课程中学习未来从事光学工程师工作岗位相关的知识、技能、研发等能力，然而传统课程教材及教学过程中太过强调原理性知识的传授，导致学生对所学课程适用哪些行业、产业前沿创新能力需求等方面认知不清晰，无法满足光电信息科学与工程这一新工科专业的产业人才需求。这是需要优化的第三点——学生未来如何能发展好。

二、物理光学课程建设具体举措及实施

为解决课程教学痛点问题，增强学生在课程学习中的体验感，实现课程与产业前沿融合，课程教学深度融入数字化技术，创设工程化应用情景，面向光学行业发展需求，开展了“数字赋能、探究情境、面向应用”的教学尝试。如图1所示。

（一）数字赋能教学资源——教学全程数字化场景构建

1.慕课实现线上线下混合式教学

利用慕课搭建教学内容资源平台（慕课链接、教学视频及课件、随堂测验、讨论题发布等），课堂中采用线上和线下联合教学的方式，建设智慧课堂；学生在课前、课后通过慕课资源进行预习或者复习；深度利用慕课进行教学效果实时反馈，根据随堂测验及讨论题发布，即时了解学生的学习情况，有利于教学过程中对重要知识点进行针对性强化。课后，对于课堂中没有完全理解的问题，学生也可以在慕课中参与讨论，解决了部分学生直接面对教师不好意思开口的尴尬。

2.Bilibili视频平台提供交互性资源

利用年轻人十分青睐的Bilibili视频平台（B站），课前搜集B站知识点视频资源，推送给学生进行预习。学生在课后也可以自行在该平台搜索资源进行知识点的巩固。该平台富集物理光学课程的视频，包括名师课堂、实验演示、趣味解说、应用科普、历史典故等，内容丰富有趣，不再拘泥于传统书本，形式多样。学生在轻松学习之余，还能和其他高校小伙伴们一起交流分享学习心得。

3.物理场仿真软件搭建虚拟实验平台

课堂中充分利用学院购买的科大锐澳仿真平台，面向学生演示光学虚拟实验，虚实相结合，帮助学生更好地理解原理与公式。另外，利用数值仿真软件MATLAB和COMSOL，训练学生将光学理论表达式及实验现象通过自编程序进行呈现。COMSOL与MATLAB辅助教学，形成“自探究、自优化、自更新”的案例教学特色。通过虚拟仿真及数值仿真等数字化工具，不仅能够帮助学生夯实知识，更能够融入课程及行业前沿元素进行科学思维与创新能力的培养，满足学生未来从事光学设计工程师的职业技能需求[3]。课堂中，也可以选取部分学生走上讲台，自己动手，构建模型，培养他们的动手能力和创新能力。同时，MATLAB及COMSOL源文件也会在慕课后台中上传，供每位感兴趣的学生课后下载尝试。

例如，在课程“夫琅和费圆孔衍射”这一节，构建MATLAB数值实验探究情境课堂，通过MATLAB数值实验可以建立互动式、情境化课堂。在课前，提前编程好MATLAB程序；在课堂上，向学生演示通过MATLAB程序构建的各种形状的孔以及它们的衍射图样；在此基础上，学生自行设计孔的图样并修改程序，得到相应的衍射图样，比如爱心型、五角星型、闪电型等。邀请部分学生走上讲台，介绍设计衍射孔的形状，分析讲解衍射图样，学生身临其境，沉浸式体验课堂。

4.深度利用移动设备App辅助教学

利用移动设备（手机、平板）的便捷性，进行App的辅助教学。教学中主要采用NoBook虚拟实验室、Phyphox两款具有物理光学模块的App，通过丰富的光学实验进行探究，有效将抽象的光学现象进行直观呈现。相比于需要电脑开展学习的虚拟数值仿真实验，App辅助教学更能够利用数字时代移动交互工具的便捷性，深受学生的喜爱。

例如，在课程“牛顿环”这一节，在讨论牛顿环装置干涉图样的变化规律时，本来只能单一地通过公式中的变量来分析结果的变化，学生会觉得单一和不易于理解记忆。借助NoBook虚拟实验室中的“牛顿环装置”模块，学生只需要通过调节屏幕右边的调节按钮（如光源类型、透镜曲率半径、透镜到平板玻璃的距离，左右移动、上下移动），就可以清晰直观地看见牛顿环干涉图样的变化，更好地辅助理解公式与牛顿环性质。

（二）探究情境组织教学——学习过程沉浸式场景构建

1.分组式课堂情境，赋予学生多角色体验

以小组为单位，合作学习，使得师生交流、生生交流更加充分，使得学生能更加准确、高效地解决学习中的问题。充分贯彻“实践先行”的教学思想，将实验仪器、电脑、平板及手机带入课堂，使课堂“教—学—做”一体化，让理论和实践之间不再“断层”。

根据知识的生成逻辑（观察、实验、讨论、分析、归纳、理解、应用），在课堂中，利用慕课的实时管理功能，发挥智慧教室的交互功能，嵌入MATLAB、COMSOL、虚拟实验、App仿真实验等数字工具，在数字化情境下赋予学生不同角色高效率运行课堂。学生可以体验教师助理、学科历史讲解员、试验实施者、任务挑战者、现象发现者、错误修改者、升级改造者等不同情境下的角色，激发学生学习兴趣，在学习中体验乐趣，在乐趣中接收知识。

2.模型拆分再重组，更好记忆光路图

在原先的教学中，模型的光路原理图都是直接呈现给学生的，因此部分学生反应光路原理图记不住。针对学生反映的痛点问题，在教学过程中总结经验，实践发现，提前把光路图拆分，抽丝剥茧，化整为零，充分发挥学生的主观能动性，让他们通过交互平台，自己重组仪器，然后自己分析光路图，学生反馈这样记忆效果更好。“授人以鱼，不如授人以渔”，把模型拆分后让学生组装，帮助学生更好地掌握光路原理图。

3.抛锚式场景教学，培养学生综合能力

课程中的每节课聚焦和解决一个主要问题，每个任务在课前进行项目导入，学生通过平台自主解决基础问题；课中进行策略制定和设计实施，过程中鼓励学生尝试、质疑、辩论、实践，教师以合作者的身份和学生共同解决进阶问题，并进行成果展示和评价；课后进行综合性评价和反思改进，翻转课堂保障了学生高质高效地完成项目，内化知识，习得技能[4]。

在“牛顿环”这一节中，课前给学生“抛锚”，发布任务：在眼镜片加工（切割、打磨）的过程中，如果表面发生形变、弯曲或者表面有凸起、划痕，肉眼无法直接观测，那如何快速检测出这些瑕疵品？课中以生活实例情境导入，充分激发学生兴趣，通过案例、手机App、虚拟仿真程序MATLAB等资源引导学生探索，以小组为单位思考讨论用牛顿环原理来进行眼镜表面的平整度检测，利用贴标签的纠错小游戏，帮助学生完成流程结构，从而完成策略部分的课堂内容。

4.科教赛有机融合，领悟思政之“光”

将课程与竞赛/项目有机融合，通过竞赛使学生的专业知识、创新能力、合作意识得到提升，实现人才培养的“高阶性”。课程教学过程中，组织专业学生参加每年春季举办的上海光学博览会，让学生充分接触物理光学元件产品的世界前沿，将最新光学技术引入课堂进行分析，开阔学生视野，培养学生具备跟踪及从事行业前沿技术的能力。

以课程“牛顿环”这一节为例，在介绍牛顿环装置的其中一个应用——检验光学元件（眼镜片）表面的平整度时，向学生介绍学院和江苏瑞尔光学有限公司合作的“视光学联合实验室”生产的眼镜片。结合我们学院特色和专业背景，更加注重产学研融合和结果孵化，引导学生将学院特色产品化，将理论知识应用化。

在教学中结合课程特色有效开展课程思政，会促进专业培养目标的达成，在夯实立德树人效果方面发挥重要作用。物理光学课程思政元素可以体现在方方面面：比如唯物辩证法，用辩证的眼光看问题；专业素养，用科学态度分析问题；团队意识；个人素养，解决实际工程问题的能力[5]。光学发展历程中闪耀璀璨的中国之光：有光纤之父高锟老师、中国天眼的主要负责人南仁东老师、天琴计划探月工程等。本课程64学时中都有机融入了思政元素，引导学生崇尚工匠精神，树立正确的追星观，培养学生的爱国情怀、民族自信。

以课程“光学成像系统的分辨本领”这一节为例，在课堂的一开始，向学生播放我国高分辨卫星的科普视频，视频虽然只有短短的1分多钟，但是却能使学生看得心潮澎湃，为我国科技的发展感到自豪，同时激发学生的爱国热情和学习兴趣，增强运用科技兴国的动力。而实现高分辨率的办法，与本节课所学的知识息息相关，因此将这一段视频放在这节课的开头，也能很好地引入这节课的学习内容。

（三）面向应用拓展教学——紧扣行业前瞻化元素融入

1.从实际生活中来，到实际生活中去

教学内容秉持“从实际生活中来，到实际生活中去”的理念，如“衍射”章节教学中引用夜晚路灯呈现的六角星芒状，干涉章节教学中引用地面上的彩色油膜。生活中的实例导入，比直接的概念导入或公式导入更生动、形象，更容易被学生理解。引导学生积极把光学原理映射到实际生活中去，例如引入测量微粒的尺寸、医学中的光学成像、光学加工、光隐身、激光测距等工程实例。此外，在每一单元还设置了一个与知识点相配套的热点任务或案例，比如光隐身斗篷的设计、VR眼镜的制作、军工望远镜的工作原理、太阳能、3D全息投影等。学生通过讨论、调研、交报告、交视频、课堂展示等不同形式完成这些任务。

2.引入产学研项目，理论落实到实践

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，课后组织学生参观产学研合作项目。在本学院与瑞尔光学公司合作成立的视光学实验室，学生把所学的牛顿环知识用于检测眼睛表面平整度，实现由学习实例到实践的跨越；在光电科技有限公司实践基地，组织学生利用椭偏仪测量光伏电池隧穿层光学色散常数，探究光伏组件表面减反玻璃的干涉原理。

3.顺应大时代发展，服务行业技能需求

人工智能、VR/AR技术、新能源汽车、安防监控、智能家居等行业的持续高速发展，极大地带动了光学产业高技术人才的市场需求。VR（虚拟现实）技术作为元宇宙入口，成为众多科技巨头疯狂抢注的赛道，充分带动产业链中光学技术环节的迭代发展。VR技术主要利用光学透镜的折射原理，课堂中通过小组讨论、情景演练、翻转课堂等形式探索VR技术的实现原理、光学方案。培养学生具备光学行业所需的专业技能、创新思维，也给学生提供就业指导。

三、教学成效

经过初步探索，学生评价“有意思”“有深度”“有期待”。改善了过去传统课堂部分学生低头学习、不善于讨论等状态。学生渐渐从不敢表达、不愿表达转变为各抒己见，营造了积极且自由的学习氛围；哪怕目前还不好意思走上讲台展示，他们也会在自己的小组内交流，为小组任务出谋划策。部分学生对未来定位逐渐清晰，更加有前行的动力。课程还对接物理光学类的学科竞赛，学生积极性很高，通过教师指导，在包括国家级比赛在内的多项赛事获得了好成绩。课后还为学生提供答疑服务，通过线上课程讨论区和即时聊天工具与学生交流互动，答疑解惑。给学生提供优质拓展教学资源，引导学生进行探究式学习。课程还通过问卷和“给课程打分”环节及时进行教学反馈，评价教学效果，便于及时改进教学方法。

四、总结

本文分析了在时代背景与专业背景下物理光学课程教学所面临的挑战，介绍了在应对挑战时相对应的思路及具体措施。基于“数字赋能、探究情境、面向应用”的教学策略创新，丰富教学内容，实现教学内容的“中国化”“时代化”“数字化”；融入数字化技术，利用慕课的实时管理功能，发挥智慧教室的交互功能，嵌入MATLAB、COMSOL、虚拟实验、App仿真实验等数字工具，高效赋能教学；创设工程化应用情景，让学生真正做到学以致用；对接光学行业发展需求，培养学生的工程意识和创新能力，对学生思维方法训练、实践能力提高、科学素养培养、价值塑造等方面发挥重要作用。然而，物理光学课程建设之路依然任重而道远，仍需在实践中不断探索和完善，与时俱进地丰富教学内容，培养具有工程思维、实践能力、科学精神的优秀光学人才。

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）：1-9.

［2］江敏.新工科背景下的物理光学与应用光学教学改革思考：从基础理论到实践应用的协同创新路径［J］.科技风，2023（20）：113-115.

［3］云茂金，刘眉洁，王进，等.“物理光学”一流课程建设探索与实践［J］.物理与工程，2023（2）：101-104.

［4］张萍，DINGLin，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（1）：46-55.

［5］李荣，张怀利，张廷华，等.军校应用光学课程思政教育探索与实践［J］.中国教育技术装备，2023（15）：94-97.

◎编辑王亚青