基于工匠精神的光学实验信息化教学平台设计应用

目前，我国正大力倡导工匠精神，培育“中国工匠”。精益求精的“工匠精神”体现在企业的生产和服务过程中，却始于职业教育。占据高等教育半壁江山的高职教育，已成为实现“一带一路”“中国制造2025”等国家战略的重要支撑力量。为社会培养技能人才的高职教育，必然在培育工匠精神中承担重任。因此，在高职教育中深入渗透工匠精神具有重要意义。光电技术应用专业作为湖北省战略性新兴产业人才培养计划专业、湖北省高等职业教育特色专业，其专业核心基础课程“工程光学”是一门专业性、技术性较强的课程，学生对该门课程的掌握对后续专业课程的学习具有承上启下的重要作用。此课程的教学目标是培养学生光学基础理论的理解和运用技能，促使学生能在后续学习中掌握光电探测、光纤通信、激光技术等方面的应用技能。传统教学中主要运用了讲授和实操的教学方式，在信息化的时代背景下，本文运用ATLAB软件设计了一个光学实验信息化教学平台，使得学生对光学现象的理解形象化，并通过举一反三的实验设计，深入钻研该知识点，充分体现工匠精神在该课程教学中的渗透。

一、“工程光学”课程教学现状

“工程光学”是对光学基础知识的学习，学生通过研究一些基本的光学现象，学习和掌握工程光学的理论知识和实验方法。传统教学中，理论知识的教学以教师讲授为主，实验教学为辅，以此通过教学做一体化的方法使学生更容易理解和掌握知识点。教学中设计了“光的干涉”“光的衍射”“信息光学变换”等理论章节，对应理论章节设计了“双棱镜干涉”“衍射法测细丝直径”“光的偏振”等实验操作内容。而在实际教学中，工程光学实验中使用的仪器比较精密，光学仪器的调节也比较复杂，只有在了解了仪器结构性能的基础上，才能选择有效而准确的调节方法，完成实验内容。这就势必要求学生在实验前很好地掌握光学理论，调节过程中更要具备良好的科学实验素养，整个实验对学生的思考能力和动手能力要求较高。在实际的教学过程中，仅通过一定的理论讲授后就要求学生充分理解理论知识并联系实际，较好地完成实验操作、理解实验内容，是不现实的。大部分学生对光学实验仅停留在按章操作的程度，并不能理解该实验现象对应的理论知识。这种现象极大地影响了学生对光学知识的掌握，导致“工程光学”课程教学质量不高，很难培养出高素质的“工匠”型技能人才。

二、基于MATLAB的光学实验平台设计

针对上述实际教学中的问题，本文设计的光学实验信息化教学平台，能实现光的干涉、光的衍射、信息光学变换等多种光学实验现象仿真，并对多种实验参数进行调节，观察不同实验条件对实验现象的影响，同时能与真实实验现象进行对比，举一反三，是学生深入理解和探究光学现象的有效手段。通过该平台的运用，学生能在教师理论讲授后，通过该平台对理论知识进行一定的梳理，通过反复的现象仿真，思考这种光学现象产生的原理，并在仿真后进行实验操作，对比仿真结果和实操结果，思考其中的异同。整个教学过程充分体现了工匠钻研精神。

MATLAB作为科学计算软件，主要适用于矩阵运算和信息处理领域的分析设计，其特点是使用方便、输入便捷、运算功能齐全，并且带有大量的函数库可供使用。用它来编写程序，不需要大量烦琐的编程过程，只需以数学方式表达和描述，因此特别适合工程计算和教学软件的编写。采用MATLAB GUI设计对光学实验进行仿真，界面丰富直观，可以直接在界面中输入和改变参数而不需要改变原程序，直观地分析各参数的变化对实验结果的影响。本文利用MATLAB GUI设计了一个光学实验仿真信息化教学平台，下面分别介绍该教学平台中各个部分的设计：

1.平面波前的实现。二维x-y直角坐标可唯一地确定一个平面，用这个平面表示光波场的波前，可以在此平面上对光波场的复振幅作相应的各种运算。用MATLAB语言可以方便地确定这样一个平面：利用MATLAB库函数meshgrid（）生成两个N×N维矩阵变量m和n，其中矩阵m按行变换，矩阵n按列变换，按照这两个矩阵寻址可以确定用矩阵U表示的平面上的任意像素，可以根据需要确定矩阵的阶数N，即平面的采样点数。

2.光的干涉现象。以光的干涉原理为基础，研究光的干涉实验仿真的基本原理和仿真方法，程序中的可调参数为：入射光波长λ、双缝的距离d、双缝到观察屏距离z。用光波波前叠加的方法实现了对杨氏双缝干涉实验的仿真，并展示仿真图形结果，能通过界面调整双缝宽度和双缝到观察屏的距离。

3.光的衍射现象。根据夫琅和费衍射原理及实验装置建立仿真实验的数学模型，利用光波叠加法得到单缝、矩形孔、圆孔衍射屏的夫琅和费衍射仿真实验结果，并展示仿真图形结构，能通过界面调整单缝、矩形孔、圆孔衍射屏的宽度及衍射屏到观察屏的距离。单缝衍射仿真与干涉仿真类似，矩形孔衍射的仿真只需要将光强随x、y方向的变化计算出来即可。

4.信息光学变换。根据阿贝成像原理和4f系统给出光学空间滤波过程的物理公式，实现郎齐光栅空间滤波和阿贝—波特实验的仿真，并展示仿真图形结构，能通过界面调整滤波器的形状和大小。调用MATLAB数据分析和傅里叶变换函数库中的二维离散傅里叶变换函数fft2（）和逆变换函数ifft2（），对二维矩阵进行快速傅里叶变换，可得到包括振幅和相位两部分的复振幅分布函数，实现滤波过程。另外，为了方便信息化教学，该平台可同步到手机进行演示操作，可通过互动软件共享实验的数据，方便检查评分。

三、光学实验信息化教学平台的应用

1.教师讲解展示。由于“工程光学”课程具有极高的理论性，所以在课程前部分，教师应通过多媒体设备为学生详细讲解各知识点的来龙去脉，通过视频展示各个光学现象在实际生活中的应用，这样便于学生通过理论学习和视频展示学习相关知识点，对枯燥的理论知识有一个形象的认识。

2.光学实验平台的操作演示。在理论讲授结束后，教师可通过电脑将光学实验平台操作界面同步到学生手机上，让学生能更直接地进行实验步骤的模仿练习。演示过程中，学生可通过“弹幕”实时向教师反馈学习情况，提出疑问。

3.学生操作光学实验平台。通过教师演示后，学生可以自己进行光学实验平台的操作，观察实验现象，调整实验参数，设计实验过程，分析和对比实验结果，循序渐进理解和掌握该知识点，并在该平台上进行记录评分。

4.学生进行实物实验。运用光学元件对光学实验进行实际操作，并实现在光学实验平台中设计的实验过程，将实际实验结果与平台仿真结果进行对比，再由教师对学生实验操作效果进行检验点评。

在后续教学中，我们还要不断改革信息化教学模式，在教学过程中引入更多的信息化教学方法和教学引导机制，提升教学效果。例如，随着电子产品及信息化时代的不断发展，越来越多学生手机不离手。针对这一现象，后续我们可将该平台设计移植到手机App中，让学生能使用手机在课堂上与教师同步进行实验仿真，让有兴趣的学生在课后随时随地进行实验，激发学生的学习兴趣。信息化教学模式是一种创新型的教学形式，在“工程光学”课程教学中使用“光学实验信息化教学平台”能极大地促进学生对课程理论知识和技能的掌握，通过该平台实现课上和课下的学习，培养学生的钻研精神，培养具有“工匠精神”的高端技能型人才。