信息光学教材建设与课程教学改革探索

高玮 黄金哲 张洪英

摘 要：信息光学课程是光电信息科学与工程和应用物理学专业一门重要的专业基础课。本文主要阐述了新编教材的特色，并探讨了信息光学教学方法、手段改革的策略，以达到促进信息光学课程建设与教学改革的目的。

关键词：信息光学；教材建设；教学改革

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2013）09-0030-02

信息光学是利用光学方法实现二维函数的傅里叶变换，并结合通信中的线性系统理论阐述光学现象，包括光的传播、衍射、成像等。近年来，信息光学已发展为现代光学的重要分支，并已渗透到科学技术的诸多领域，成为信息科学的重要组成部分[1-2]。目前出版的信息光学教材，对二维线性系统分析、标量衍射理论、光学成像系统的频率特性、部分相干理论等基本理论的讲解是详细的、完善的[3-4]，但也存在不少问题，主要表现在：（1）教材普遍过厚，而教学课时却不断压缩，现成教材可讲授的内容不到全书的1/2。（2）部分内容偏难，不适合地方性高等院校的本科教学。（3）种类过少，可选择的余地小，各高校的实验条件与科研方向不尽相同，教学侧重点也不一样，难以找到适合本校专业特点的通用教材。因此，我们在充分调研国内外最新的同类教材基础上，结合多年的教学研究与实践，编写了一本有哈尔滨理工大学特色、实用性较强的教材，于2008年初由黑龙江教育出版社出版。经过近五年的教学实践表明，该教材有力推动了信息光学课程的建设与改革，达到了预期的目的。下面从三方面分别介绍本教材的特点、在教学改革中的作用以及课程教学改革的情况。

一、合理定位与优化教材内容

从2006年以后，为缩减教学时数，哈尔滨理工大学应用物理专业将原计划的激光全息原理与技术和傅里叶光学两门专业课程合并为一门信息光学，理论52学时，实验6学时。自建系以来，激光全息技术一直是哈尔滨理工大学光电信息科学与工程系的专业特色，实验条件较好。为突出专业特色，并结合编者的科研经历，教材中激光全息部分所占的比重较大，特别加强了全息显示、全息图的复制及全息存储等应用内容。另外，在教材内容的编排上也作了一些改进。例如，将透镜的两种性质，即傅里叶变换特性和成像性质编为一章，这样一方面实现了分析方法上的统一，另一方面也可作为下一章光学成像系统的频谱特性内容的铺垫；又如，将光学滤波器及其应用放在空间滤波的傅里叶分析之前进行讲解，并将阿贝—波特实验作为方向滤波器的应用，这些处理便于学生充分理解滤波器在空间滤波中的作用，掌握光学信息处理的实质性思想。

教材力求简明、扼要。考虑到哈尔滨理工大学学生的特点及学时的限制，教材中删减了一些繁冗的数学推导过程，重在突出概念的物理意义，避免由于数学上过于繁杂导致学生信心和学习兴趣的减退。简明扼要的教材脉络清楚、突出重点，更有利于学生自学能力的培养，也有利于学生的复习。学生预习时，在看懂一些内容的同时，也会产生疑问，这样会促使他们上课认真听教师讲解或拓展的每个知识点，也会督促他们查找相关的更为详细的参考书，从而提高其自主学习、独立思考的能力。另外，教材中对本领域的最新研究进展描述较少。取而代之的是，在课堂教学的中后期，教师提供信息光学的各种应用方向，学生选择自己感兴趣的，通过网络查询，获取最新发展资料，并以报告的形式向其他同学介绍。实践证明，这不仅开阔了学生视野，同时锻炼了学生的归纳、总结及语言表达能力。

教材中的例题和习题对增强教学效果、帮助学生消化概念和理解规律具有非常重要的作用。因此，我们除了自编大量的思考题便于学生预习、复习外，还有目的地编写了一些能够激发学生兴趣和探索精神的开放式习题。例如，以往关于全息光栅的制作和特点是由教师讲解、学生被动接受的。在本教材中，我们将这部分内容编成一道习题，让学生根据已学过的光波干涉的知识，按要求设计、制作全息光栅的过程，并探讨全息光栅的特点，了解它的应用情况。教学中适当地留一些这种作业比单纯的课堂讲授会收到更好的教学效果。

二、以教材编写促进教学资源和师资队伍建设

我们在编写传统纸质教材的同时，尝试开展立体化教学资源的建设。编制了图、文、声、像并茂的多媒体课件，和板书教学配合使用，相得益彰；编写了信息光学习题集，并有完整的解答步骤，方便学生自学和复习，为建立信息光学试题库奠定了基础；为辅助教学，我们还向学生推荐了一些国内外的优秀教材，特别是J. W. Goodman编著的英文原版书《Introduction to Fourier Optics》，为将来的双语教学作准备。虽然引进原版外语教材是进行双语教学的最终目标，但当前也存在一些实际问题，如教材体系、教学基本要求与国内存在较大差异，学生接受有难度等。因此，比较可行的方法是对原版教材进行改编，提取满足国内教学要求的内容，降低难度和厚度，再结合相关的中文教材，既满足国内双语教学的需要，又能辅助学生充分理解教学内容。

在教材编写的过程中，参与的每位教师都需要深入研究大量的国内外相关教材，掌握研究现状，思考和探索课程体系、教学内容与教学方法的改革，诸多细致的工作极大促进了师资队伍的建设，提高了教师的授课质量。本教材由哈尔滨理工大学和哈尔滨工程大学的教师合作编写，除了三位教授主编外，还有一些青年教师参与。这样，不仅加强了校际间的合作，做到优势互补，而且为青年教师提供了锻炼的机会，形成了合理的教师梯队，为课程建设的进一步发展提供保障。

三、教学方法与手段的改革

教材内容体系确定后，课程教学改革的另一个重要问题是通过课堂讲授把这些内容转化为学生自己的知识。在教学中，既要提炼出准确的基本原理，通过一定的教学方法让学生掌握，更重要的是要授人以渔而不仅是授人以鱼。因此，在使用教材进行具体教学的过程中，还必须坚持开展教学研究，加强教学环节，努力改进教学方法，提高教学效果。我们主要从科学性、系统性、启发性及趣味性等几个方面进行改革，提高学生分析问题、解决问题的能力，培养学生的科学素质和创新能力。

（一）以教师提问带动学生提问

爱因斯坦曾经说过：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。”因为解决问题也许仅是一个数学上或实验上的技能而已。而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。我们在备课时，专门会设计几个富有启发性的问题，这些问题有的是来源于实验或实际应用，有的就是对知识点的凝练。问题的提出能够引起学生的思考，学生在思考解决问题的方法时，可能会产生新的问题，从而形成一种良性循环。结合教材中的习题设计，在布置作业时，除了一些以巩固所学基础知识为目的的常规习题外，还适当布置一些探究式作业，鼓励学生深入讨论并能提出问题。有的学生作业，一道题就像一篇小论文，讨论得非常深入，而且遇到的问题直接在作业中提出，教师会在批改作业时及时给予解答。对于共性的问题，在习题课上统一进行讲解。因此，除了通常的辅导答疑，又增加了一项作业答疑。这样的作业虽使教师批改的工作量加大了，但学生的收获很多。

（二）注重学生归纳总结能力的培养

在教学初期，一章结束后，教师进行本章小结，归纳概括出主要知识点，并引导学生学会如何进行总结。在后续几章的教学中，将小结内容以作业的形式留给学生，要求学生对本章所涉及的基本理论和方法进行总结，这样不仅能加深学生对课程内容的理解，而且更能培养学生独立思考和分析问题的能力，提高学生的综合能力及表达能力。

（三）改革期中考试，提高教学质量

课程考核由出勤（10%）、作业（10%）、期中（20%）和期末（60%）构成。自从学校统一要求部分课程增加期中考试以来，这一环节一直困扰着许多教师。经过实践证明，随堂笔试和课后大作业的形式是不足取的，学生抄袭严重，有“法不责众”的心理，无法反映出每位学生的真正水平，成绩也难以拉开档次。在最近两轮的课程中，我们采用了口试的方法，收到了很好的教学效果。教师根据所学内容的知识点自编了与学生人数相同数量的试题，并设计软件，由学生在电脑中随机抽取，在规定的时间内答出，教师根据解答的结果给出相应的成绩。这种“一对一”的考核方式促使学生在考试前进行全面复习，彻底避免了一些学生投机取巧的做法。另外，利用这次当面交流的机会，教师可以及时了解学生的学习及思想动态，并给予相应的帮助。

（四）加强计算机辅助理论与实验教学的融合

信息光学的课堂教学采用黑板与多媒体相结合的模式。对理论性较强、数学推导较复杂的部分，要在黑板上详细讲解；对一些图形或图像较复杂的部分，采用PPT、Flash和视频会有效提高教学效果和效率。如，在讲解激光全息部分，教师在网上下载了一些制作新颖的动态全息图，这一方面提高了学生的学习兴趣，另一方面也能起到“抛砖引玉”的作用，引导学生通过网络获取新知识；在讲解光学信息处理等应用部分时，给学生播放一些本领域的专家所作的科普性报告，能够激发学生的求知欲和探索精神，学生也会感到学以致用。另外，根据教材内容和实验条件配备了3个必做实验和3个选做实验，在实验教学中也尝试将计算机引入实验室，除了利用课件讲解必要的实验原理、内容和要求外，将现代化的数据和图像处理软件（如origin，visio等）引入教学，摒弃过时了的坐标纸、格尺等手绘作图的方法，收到了极好的教学效果，受到学生的普遍欢迎，为本科毕业设计奠定了基础。目前该做法已在本系的其他专业实验中推广。

通过教材编写，有力地推动了该课程的教学内容、教学体系、教学方法和教学环节的改革，锻炼和稳定了该课程的教师队伍，促进了课程建设，提高了教学水平和教学质量。但是，在网络教学平台的建立、双语教学以及教学课件和影像资料等方面，还需要不断总结教学经验，进一步完善课程的教学建设。

参考文献：

[1][美]J.W.Goodman；秦克诚，刘培森，陈家壁，曹其智译.傅里叶光学导论[M].北京：电子工业出版社，2006：1.

[2]吕乃光.傅里叶光学[M].北京：机械工业出版社，2006：2.

[3]苏显渝，李继陶.信息光学[M].北京：科学出版社，1999：34.

[4]王世璠.信息光学理论与应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2004：1.