《工程光学（下）》仿真作业内容及考核方式探索

屈玉福 江洁 刘惠兰

摘要：《工程光学（下）》是一门理论性很强的课程，目前的课堂讲授方式很难使学生对课程有很深的印象。为了充分调动学生学习的积极性，文章设计了小知识点仿真和综合大作业仿真结合的学生仿真作业，小知识点仿真包括课本知识点、课后作业和课程实验三部分内容，每个同学单独选做5—8个题目;综合大作业仿真题目源于課本知识点，又适当拓展知识点外延，3个同学组成一组，选做1—2个题目，这部分以同学展示的方式进行考核，主要考核仿真内容的正确性、全面性和完善性等。

关键词：工程光学;仿真;考核

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）49-0103-02

一、引言

教练结合、翻转课堂等教学方式已是目前高等教育改革的发展方向，在新的教学方式中如何合理设计教学要求和考核评价方式是目前教育改革迫切需要解决的细节性问题。

《工程光学（下）》是面向工科类专业开设的《物理光学》课，课程内容有光波的描述、菲涅尔公式、光波的叠加、光的衍射和光的偏振等，是一门理论性很强的课程。目前的讲授方式多以老师课堂讲授、学生课后做作业的方式来完成该课程的学习。学生学习后的结果是印象不深，考完试之后不久就全忘了。因此，有部分单位给这门课增加了学生做仿真作业的内容，让学生使用Matlab等仿真软件通过对课本的公式、原理和等内容的仿真，加深对课本知识点的认识[1]。从2015年起，我们学校的《工程光学（下）》也增加了仿真作业的要求，但有部分同学照抄现有参考书的内容[2]，起不到训练的目的。为了充分调动同学们的积极性，我们设计了源于课本内容，又超出课本内容的仿真作业题目，这些题目既能让学生很好地理解知识点，也能让同学充分发挥自己的主观能动性，获得很多超出课本知识点，且是很有趣的知识。

二、仿真作业题目

考虑整个课程可仿真的内容主要包括课本知识点、课后作业和课程实验三部分内容。因此，本文将仿真作业分成两部分内容：小知识点仿真和综合大作业仿真。小知识点仿真主要仿真课程中的一个具体的知识点，可以仿真一道课后作业题，也可以将课程实验所用器件的参数数字化，让学生通过理论仿真和实际实验验证两种方式相互验证，来加深对知识点的理解。小知识点仿真要求每个学生单独选做5—8个仿真题目，主要是让学生掌握利用Matlab进行光学仿真的能力。

学生完成小知识点仿真作业后，再3个同学组成一组选做1—2个综合仿真大作业。综合仿真大作业既能加深学生对课程知识点的理解，又能使学生通过仿真现象拓展知识点的外延。本文设计了下面10个仿真大作业的建议题目：

1.仿真多束光波（平面波、球面波和柱面波等）的叠加，要包括不同传播方向、不同频率、不同偏振方向、不同初始相位、不同振幅大小等。

2.菲涅耳公式的仿真，要包括全反射、倏逝波和半波损失等内容，可直观显示光波的传播方向、振幅、相位和能量等值的变化。

3.杨氏双缝干涉实验，要包括光源大小、位置和光谱等内容的变化;两孔位置、距离和大小的变化;观察屏位置和大小的变化，讨论空间相干性和时间相关性对条纹可见度的影响，讨论在各个缝上添加偏振片后干涉条纹的变化。

4.迈克尔逊干涉实验，要包括光源大小、位置和光谱等内容的变化;两反射镜相对位置、距离和方位的变化;讨论在分光镜后加入λ/4波片后干涉条纹的变化，讨论空间相干性和时间相关性对条纹可见度的影响。

5.单缝夫琅禾费衍射，要包括光源的变化（点光源、线光源），光源的位置、大小和方位的变化;单缝峰宽和位置的变化，观察屏距离和方位的变化。（可参考参考文献[3]第159页第（一）题第3—6小题的条件变化）

6.圆孔夫琅禾费衍射，要包括光源的变化（点光源、线光源），光源的位置、大小和方位的变化;圆孔直径大小和位置的变化，观察屏距离和方位的变化。（可参考参考文献[3]第159页第（一）题第3—6小题的条件变化）

7.复杂图形夫琅禾费衍射仿真，要包括基础单元图形的变化（圆形、方形、三角形等）;基础单元的大小变化;基础单元的分布形式（圆形、方形、环状等，等间隔、不等间隔等）;单层、两层和多层分布等。

8.光栅衍射仿真，光栅单元的相位调制、振幅调制和反射方向特性可编辑，光栅的大小、分布形式和周期可编辑。

9.椭偏仪原理仿真，可视化展示椭偏仪测量薄膜的折射率和厚度结果。

10.洛匈棱镜反向使用后的结果仿真和讨论。

三、仿真作业考核方式的探索

考核方式设计的标准是使同学在有适当压力的情况下保质保量地完成仿真作业，这样既能高效、扎实地学到知识，又能得到一个客观公正的分数。

为了防止同学在交作业的最后时刻照抄、敷衍仿真作业，本文将小知识点仿真和综合大作业仿真分成两步进行考核，具体方法如下：

第一部分内容的分数占仿真模拟大作业总成绩的50%，在开学后的第八周—第十周考核，学生只交仿真程序，老师根据对仿真程序的阅读和对部分同学附加的面试（确定是否为抄袭），判断学生是否掌握了这部分的内容，如没掌握这部分内容，则不能进入第二部分的仿真，什么时候掌握什么时候进入第二阶段的仿真，这一部分的仿真分数按通过和不通过给，通过成绩为满分，不通过成绩为零分。

第二部分内容的分数占仿真模拟大作业总成绩的50%，最后以展示的方式考核，专门占用两个课时的时间，让同学展示他们的大作业仿真结果。第二部分的考核主要从以下几个方面考察同学大作业的完成情况：

1.仿真内容的正确性、全面性和完善性（占大作业总成绩的25%）;

2.仿真报告的撰写质量（占大作业总成绩的15%）;

3.仿真内容的交流和展示效果（占大作业总成绩的10%）。

四、结论

基于以上《工程光学（下）》仿真作业的内容和考核方式的设计，我们学校已完成了两个学年的教学。以上仿真作业内容和考核方式的设计增加了学生主动求知、探索和实践的欲望，使学生在一步步调试仿真程序的过程中体会到了学习的乐趣。通过仿真程序的实现，将理论分析结果直观地显现出来，给枯燥无味的理论分析过程增添了很多乐趣，也能使学生将课程所学内容永远印到脑海里。

参考文献：

[1]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.

[2]胡章芳，罗元，席兵，潘武.Matlab仿真及其在光学课程中的应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015：65-90.

[3]蔡怀宇.工程光学复习指导与习题解答[M].第二版.北京：机械工业出版社，2016：108-180.