基于MathCAD的“物理光学”研究性教学模式探索

丁双红

摘 要 在“物理光学”教学实践中，进行研究性教学模式的探索，激发学生对课程和专业的学习兴趣，提高该课程的教学效果，对学生的科学研究意识进行引导。

关键词 研究性教学 教学模式 MathCAD 物理光学

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.08.048

Exploration of Research-Based Teaching Pattern in

Physical Optics Course with MathCAD

DING Shuanghong

（School of Photo-Electronic Information Science and Technology， Yantai University， Yantai， Shandong 264005）

Abstract The research-based teaching pattern is explored and practiced for Physical Optics course in this paper. The research-based teaching method can inspire students interests of Physical Optics course and relevant major， enhance the teaching effect of the course， and guide the scientific research consciousness of students effectively.

Keywords research-based teaching； teaching pattern； MathCAD； Physical Optics

0 前言

“物理光学”是我校为应用物理专业本科生开设的一门专业课，是以光的波动性为基础，研究光的属性和光在媒质中传播的基本规律及其应用的一门学科。由于该课程理论性强，数学基础要求高，概念繁多，规律抽象，同时教学对实验依赖性较大，[1]但由于教学资源的限制，能开设的实验有限，因而传统教学方式的教学效果不尽如人意。

为提高“物理光学”教学质量，教育者在努力进行教学改革，提升教学效果。有研究者利用Matlab等软件对物理光学的现象进行模拟，辅助教学，帮助学生更好地理解物理概念。[2]有研究者利用Matlab等编程语言建立物理光学实验的仿真平台，对典型物理光学实验进行了仿真模拟，使整个抽象的物理过程变得直观形象，增强了学生的学习兴趣，提高了物理光学课程的教学水平。[3]“物理光学”实验的仿真平台可以方便展示物理光学规律和现象，对实验有一定的辅助作用，但这样的仿真平台，学生的参与度并不是很高，只能达到简单地利用计算机辅助教学的效果。

为了提高教学效果，我们对教学方法进行的不断探索和改革，根据多年“物理光学”课程教学的实践，将研究型教学融入该课程的教学过程中，在教学过程中利用MathCAD软件进行辅助教学，激发学生对课程和专业的学习兴趣，对学生的科学研究意识进行引导，力图使学生从单纯的理解和接受式的被动学习方式转变为探索和研究式的自主学习方式。

1 教学模式探索

以研究性教学模式为基础的启发式教学、讨论式教学和开放式教学等教学方法在高等教育教学中备受关注和提倡。研究性教学模式不仅使学生可以较深入地达到对知识技能的理解与掌握，更有利于创新思维与创新能力的形成与发展。研究型教学是在综合美国布鲁纳的“发现学习模式”和瑞士皮亚杰的“认知发展学说”的基础上构建的教学模式[4]，是融知识传授、能力培养和素质提高为一体的创新教学模式。有研究者探索“物理光学”及其他专业课程的研究性教学模式。[5]

我们对基于MathCAD的“物理光学”研究性教学模式进行了探索和实践，宗旨是教学过程中，引导学生就某一与课程相关的给定或自选项目进行较深入的研究，利用数学软件MathCAD自行编写程序，模拟项目研究规律，对知识进行深入理解和掌握，调动学生的学习兴趣，激发学生的科学研究兴趣，积极了解和参与物理光学的相关研究工作，探索“物理光学”成为培养本科学生创新能力的课程载体，构建有助于学生积极参与研究的教学模式。

我校“物理光学”课程在大三第一学期开设，学生已经学习过了相关的专业基础课程，学习了高等数学及计算机程序设计等课程，学生具有进行一定科学研究的基础。MathCAD是美国PTC公司旗下的一款工程计算软件，作为工程计算的全球标准， MathCAD是一款操作比较简便的数学软件，对计算及编程要求低，可以方便地实现物理过程的数值模拟，并且能够将计算、图表、文本和图像结合在一个文档中，方便地描述物理原理和数值模拟的结果，学生都可以在短时间内掌握MathCAD的应用。

研究型教学模式一般由五个基本环节有机组合而成：设趣与展演；指要与自学；精讲与答疑；研讨与回顾；训练与总结。[6]为了适合研究型教学模式，将上述五个过程有机地贯穿到“物理光学”课程教学过程中，探索研究型教学模式，过程如下：

（1）每一章进行课程知识的学习，教师讲解教材内容，突出重点和难度，推荐相关的论文等参考资料，作为课堂学习内容的扩展。让学生对课程知识进行掌握和学习，进行拓展阅读，这是研究性教学的基础。

（2）为每一章设立若干的研究主題，一部分来自任课教师指定的题目，学生也可以根据教学内容和自己的兴趣自选主题。每一章的研究主题包括两个模块，模块一是基本规律仿真，学生通过编程可以对物理光学基本规律进行仿真，使学生更直观地掌握专业知识；模块二，对于一些复杂的光学现象，结合该领域科研工作，进行具有一定创新性的科学研究。以光的干涉这一章为例，模块一的研究主题主要有：球面波干涉、杨氏干涉、等倾干涉、等厚干涉等；模块二的研究主题主要有：白光偏振干涉、傅里叶变换光谱仪、光学层析术等。endprint

（3）学生根据兴趣自由组成小组，小组一般由4～6人组成，选一个小组协调人，每个学生至少要求参加一项课题研究。

（4）各研究小组成员经过讨论分析，根据兴趣和知识基础确定研究主题。在专业知识的学习及拓展阅读的基础上，制定课题研究方案。教师需对选题和研究方案的确定进行引导和论证。

（5）课题确定后，各小组成员通过查阅资料，进行课程及相关专业知识的深入学习，合作完成理论推导。利用MathCAD软件的计算和图形功能，通过编程对研究课题的规律进行模拟分析，得出相应的结论，其间老师参与指导。

（6）项目完成后，以小组为单位写出报告，在课堂上向班级同学展示研究的过程及结果，每个小组就课题工作进行答辩。通过学生的汇报，通过教师的点评，对课程核心内容的详细讲解，加深对课程知识的理解。最后由师生共同参与课题的评审，并给予评价。

2 教学过程存在的问题及对策

在研究型教学模式的探索过程中，会出现一些问题，我们在不断总结经验基础上，对各教学环节进行调整和改进，教学效果得到逐步提高。

2.1 学时分配及评分

课内学时有限，因此将项目所有的讨论和论证过程放到课堂上，将会影响课程进度，同時让学生觉得课程知识学习被忽略，反而影响课程教学效果。因此教学中设立一定数量的课外学时，分组讨论和论证工作可以在课外学时进行。同时主题研究成绩占课程总成绩的比例也很重要，太高的比例，也会让学生感觉到成绩客观性差，因而课题成绩比例不易太高。

本课程的课内教学时数为周48学时，课外为16小时。目前成绩由课堂的理论考试和课外的课题评价组成，分别占70%和30%。在课外成绩的30%中，课题成绩占20%，课外作业占10%。

2.2 学生学习基础参差不齐

由于学生学习基础差异较大，基础差的学生对研究性教学模式往往表现出畏惧和抵触情绪。作为老师应及时进行鼓励和帮助，让他们也能积极参与到项目的研究工作中来。一方面在选题过程中，指导其选择与自身水平相适应的题目，尽量选择模块一的项目。另一方面，在学生自由选择分组的时候，也考虑一个组里的同学的学习基础基本相当，不要出现组里只有一、两个同学在做工作，其他同学不参与或跟不上进度无法参与的情况。

2.3 学生参与度

一个组4～6个同学组成，为了保障所有同学都能参与到工作中来。分组的时候要注意学生的基础和兴趣的匹配，兴趣相同的同学可能会选择在一个组里，同时要保证学习基础相当，才能使大家有共同参与的机会。考核评价时，也关注同一个组的同学的参与度，例如可能由一个同学代表小组进行工作展示，但答辩过程应当要求小组成员共同参与。

2.4 评价标准

项目工作结果的评价是比较复杂的过程，在评价过程中主要考虑项目的难易程度、项目的成果、答辩情况等，同时兼顾考虑学生原有的基础、通过本项目工作的取得的进步、及在项目工作中的参与度，对项目进行较为客观的综合评价。

整个教学过程是一个能充分体现以学生为中心、以课题为载体、以团队为单位及以研究为导向的交互式教学过程。取得了良好的教学效果，学生的学习积极性大大提高，激发了学生对光学领域研究的兴趣，很多学生的本课程项目的研究工作，会一直持续到大四的毕业设计，经过持续的积累，除了对专业知识有了深度的掌握，也熟悉了科研过程，激发考取研究生继续深造的欲望。每学期末，我们会对整个研究性教学过程进行总结和反思，对各教学环节进一步优化。

本文工作受烟台大学教改项目“基于Mathcad的《物理光学》研究性教学实践”（B015）资助

参考文献

[1] 吴平辉，付恋恋，蒋记望，陈芳芳，钱淑珍.物理光学实验仿真平台的开发[J].实验室研究与探索，2012.31（5）：31-33.

[2] 张晶，李建映，邓婷，戴海青，曹奇志.基于Matlab的物理光学实验教学研究[J].广西师范学院学报（自然科学版），2014.31（1）：122-127.

[3] 毛少娟，陈玉丹，殷建玲.基于MATLAB的物理光学仿真[J].教育教学论坛，2016.44：100-102.

[4] 范惠林，赵思宏.研究性教学模式在专业课程中的应用[J].现代教育科学，2002.163（11）：44-45.

[5] 徐宁.“物理光学”研究型教学模式探索与实践[J].电气电子教学学报，2012.34 （3）：103-105.

[6] 张尚剑，唐炳促，邹新海，王恒.物理光学的研究性教学实践[J].实验科学与技术，2013.11（6）：243-245.endprint