高职院校“应用光学”课程教学改革初探

王 旭 许雪芬 王志萍 钱超义 雷盼灵

(无锡职业技术学院 基础部，江苏 无锡 214121)

“应用光学”是光电信息科学与工程、光学工程等本科专业以及光电制造与应用技术等专科专业的专业基础课程[1-2]。对比国内外的“应用光学”课程教学内容，可以发现教学侧重点有一定异同。国内高校对于“应用光学”的教学，内容详尽丰富，理论全面系统。以浙江大学光学工程专业为例，围绕“应用光学”主体课程，开设了“应用光学实验”“光学系统设计”“光学器件与系统的建模仿真”“视觉信息应用技术”“现代光学CAD技术”等课程。欧美国家的大学同样有内容丰富的“应用光学”教学内容。以美国罗切斯特大学(光学工程专业排名常年保持美国第一)为例，其光学工程专业并未直接开设包括各种成像和像差理论内容的“应用光学”课程，而是把“应用光学”分解为很多相关课程，例如“几何光学”“光学系统布局与分析简介”“光学照明简介”“光源与探测器”“光学制造及测试”“透镜设计(光学设计)”“高级光学设计”等，其教学内容系统全面，且对课程内容的分解更偏向应用，课程门类更多。相比之下，国内高职院校的“应用光学”教学则相形见绌，不仅课时偏少，师生比偏低，相关课程也系统性不足，几乎没有外围的或后续的相关课程。同时，高职院校的学生对新鲜知识的接受能力相对较弱。这些问题对高职院校“应用光学”课程取得满意的教学效果带来了严峻的考验。

1 教学现状

高职院校“应用光学”课程的实践训练软硬件条件、师资配比、学生能力等方面均明显不足于本科高校，但学生的培养工作一样可以独辟蹊径、殊途同归，达到需要的培养目标。研究高职院校的学生培养目标可以发现，高职院校更侧重于培养适应社会需求的、技术应用能力强的、知识面较宽的应用性专门人才。光电制造与应用专业需要培养的是社会和企业需要的光学工程师，这些工程师将来主要从事光学元件加工、光电器件生产与检测、光学机床与激光加工设备的使用与维护、光学设计、光学仪器的技术维护和销售等工作。这必然要求高职院校的“应用光学”课程教学不能完全照搬普通高校的教学方式。为此，高职院校的“应用光学”课程需舍弃一定的系统性，丰富更多的实用性，重视使用工具软件和操作硬件的能力。同时在有限的教学时间内，拓展学生的知识宽度，培养学生的敬业精神。

传统“应用光学”授课采用板书与课件结合进行理论讲解和公式推导的教学方式。由于“应用光学”课程具有符号、公式繁多，概念抽象难懂、易混淆的特点，传统的板书加课件的教学模式会使课堂显得枯燥乏味。同时，“应用光学”属于较成熟的理论，课程中有大量的公式推导和光线追迹计算[3-4]，对学生的数学基础有较高的要求。如果缺乏教学改革，高职院校的学生在学习这门课程的过程中会不断遇到困难，打击学习信心，进而丧失学习兴趣，获得较差的学习效果。

针对上述问题，笔者所在教学团队通过教学内容的调整、教学手段的更新、教学模式的改变、考核方式的改进，尝试提升“应用光学”课程的教学效果。同时通过课后的兴趣小组建设，进一步实现培养学生实践创新能力的目标。

2 教学探索

2.1 教学内容的调整

“应用光学”课程主要包括几何光学、光线的光路计算和光学系统、光度学基础、像差理论、典型光学系统、光的干涉和衍射、光的偏振、光学材料、光学设计基础等内容，课程所涉及的知识面较广。一些普通高校通过“大学物理”和“物理光学”的学习，可以删减“应用光学”中的几何光学、光的干涉衍射和偏振等内容[5-7]。这对高职院校来说是不可取的，因为高职院校普遍不开设“物理光学”课程，甚至“大学物理”也很少开设。因此，几何光学或基础光学部分在高职院校并不能被删减，需要加强教学。这些光学基础也是学习后期光学元件设计必需的储备知识。此外，由于课时的限制，典型光学系统、现代光学系统等内容可以留给学生按自身需求进行自习。教学内容上还可以适当引入较前沿的一些光学应用的简单介绍，如激光雷达光信号收发系统、光刻机自动聚焦光路等，这些前沿内容的引入可以激发学生的学习兴趣。考虑到高职学生的学习基础薄弱，实际教学过程中还需要考虑减少繁杂的公式推导，注重概念的理解和过程的逻辑分析。例如在讲解光线的光路计算时，着重讲解近轴条件下单折射面的光路计算，使学生理解光路计算的本质;对于多折射面光学系统的光路计算，主要介绍计算结果及相应的规律，不展开具体的解析推导；对于多光组光学系统成像的理论计算也以介绍为主。基于此，学生通过“应用光学”课程的学习，能理解几何光学的基本概念和理论，基本掌握光学元件和光学系统的成像特征，并初步具备工程实践的能力。

2.2 教学手段的更新

传统“应用光学”多媒体加板书的教学手段已经不能完全适应信息技术时代教学的需求，无锡职业技术学院采用了两种教学手段辅助教学。

一是借助网络平台，将微课、习题、多媒体课件等资源共享给学生。无锡职业技术学院的“应用光学”课程借助超星平台，实现了与学生的资源共享。学生可以随时获取相关课件和微课内容，同时，还可以在留言区提出问题，教师或学生都可以在讨论区里讨论作答。教师可以利用该平台签到、点名，发布课后作业、单元测试、阶段测试等内容。这个平台既可以使学生充分利用空闲时间学习并在这个平台的讨论区把问题记录下来，又能使教师及时了解学生学习课程中遇到的难点，逐步提高教师的教学能力和教学成效。

二是借助一些软件，实现虚拟实验、模拟实验。因为“应用光学”具有很强的实用性，同时理论偏复杂，具有一定的抽象性，采用Matlab、Zemax等虚拟实验教学手段可以很好地将教学内容形象化，使学生更容易和更深入地掌握关键知识点，锻炼学生的实践能力。例如借助Zemax平台，学生可以实现很多光学元件的仿真，如透镜、棱镜、扩束镜、波导管、LED反光杯等，并能直观地了解这些元件的性能，同时学生借助Zemax也可以进行简单的光学设计学习，了解成像质量的判断依据。而Matlab可以实现一些光路计算以及光学系统的数据分析和处理。图1为学生利用Matlab编写的复眼透镜装配公差分析界面图，图中显示了复眼透镜装配公差的数值大小与效率，以及均匀度之间的关系。

图1 复眼透镜装配公差分析界面

教学手段的更新不仅是传授知识的需要，更是学生尽早接触市面上实际使用的一些工具软件的重要途径。通过若干软件的使用，学生能够感受到这门课程的实用性，从而端正学习态度并在课外额外投入时间用于软件的使用练习。如果在一些软件的使用过程中能够激发学生的学习兴趣，更能事半功倍地提升“应用光学”课程的学习效果。

2.3 教学模式的改变

国外大学课时充分，更多采用讨论教学法，即师生在课堂上的互动问答比较多。国内高校受限于师生比例较低且课时有限，课堂授课以理论为主、实践为辅，需要积极拓展课外学习时间。如浙江大学就采用协同教学的模式，使学生组成小组，课外共同学习课程内容并解决教师布置的任务，教师利用课堂的少量时间进行点评。高职院校的学生同样适用协同教学的模式，但仍有一些区别。

一是教师布置的任务可以酌情降低难度。这些课后任务可以是书本上现成的一些案例的延伸，如满足一定性能的双胶合透镜的设计、满足一定参数范围的齐明透镜的设计、满足一定像差条件的光学系统的设计等，以此降低任务难度，提高学生的任务完成成功率，增强学生的学习信心。二是放宽时间限制，促进学生展开讨论，允许学生在一周甚至两周后完成任务。给予学生充分的课后调研时间，通过图书馆查书，网络搜索相关资料，最终经过小组讨论得到结论。并且通过小组同学间的交流、小组之间的交流，以及班组间的交流，可以使学生更牢固地掌握课堂不易于直接掌握的知识点。三是提交任务的方式不局限于文档等固定形式。由于高职院校的学生毕业后面对的是社会多变的需求，所以包括PPT、视频、短视频、WORD文档、甚至手写版等格式他们都可以接受，但不管什么格式，能够完成任务的小组就可以获得平时成绩的加分。

探究式教学也常被应用于本课程教学过程中。以适当的“问题解决”为指引，在课堂上循循善诱，按一定的思路逐步解决问题，达到培养学生自主思维、独立解决问题的能力。例如在“如何消除或减小轴向球差”的实例中，引导学生尝试多种方式解决问题，从而开拓学生思维，加强理解“球差”的概念。

此外，无论国内还是国外高校，“应用光学”课程的实践环节必不可少。高职院校受限于实验室条件与授课课时，一般不会独立开设“应用光学实验”课程，因此需要在“应用光学”课程内配备若干基础光学实验，如“透镜焦距的测量”“自组显微镜”等。

2.4 考核方式的改进

传统的考核方式是以平时成绩与期末考试成绩加权平均的结果，期末考试所占比重约为70%，这样的考核方式容易造成学生平时不认真学习，考前突击复习。而且仅仅一份期末考试的纸质试卷并不能反映学生实践能力的锻炼结果。为此，我们将期末试卷的权重降低至40%，增加了软件模拟的上机考试，以及两个平时的阶段测试。这样的考核方式，既能对学生在各个不同阶段的学习情况进行考核，及时发现问题，又可以反映学生实践能力和软件使用能力的强弱，实现均衡化的考核。

2.5 课外兴趣小组的建立

“应用光学”课程结束后，学习优异且对软件应用有浓厚兴趣的学生可以加入学校的“应用光学”兴趣小组，主要负责协助教师开展教学和科研工作。这样，一部分学生可以继续获得进一步学习“应用光学”的机会，进一步练习一些软件的使用，提升自身的实践能力。尤其是一些学生如果能够参与企业的合作项目，便能极大提升学生的实践和创新能力。

3 引入课程思政

适当引入课程思政[8]也是取得良好教学效果的一个有效途径。因为“应用光学”课程是一门专业基础课，面向的是刚刚进入大学校园的新生。这些学生刚经历过高考的艰辛，憧憬着大学的幸福生活，他们的人生观和价值观还很不成熟，很多学生还不能完全把心思放到学习中。因此，在课程教学过程中融入一些课程思政元素，既能引导学生正确对待“应用光学”课程的学习，也能帮助学生建立正确的人生观、价值观。

“应用光学”作为一门实践性较强的课程，其中的思政元素十分丰富。如在讲述光学发展历史和进程时，一定要提到中国春秋时期的学者墨子。墨子的传世之作《墨经》中记载：“景到，在午有端与景长，说在端。”整体解释这句话的意思是：“影像倒立, 在光线交会处有一小孔；关于影像的大小，在于小孔相对物、像的位置。”这是人类历史上首次对小孔成像进行描述和分析。古希腊的欧几里得在著作《光学》中也记载了小孔成像，但比《墨经》的记录要晚一百多年。所以，《墨经》被认为是世界上最早的光学知识著作。墨子在光学方面的研究不只是停留在小孔成像上，据《墨经》中记载，墨子还首先探讨了光与影的关系，包括物体的本影和副影的问题。此外，墨子对平面镜、凹面镜、凸面镜等也进行了相当系统的研究，得出了类似几何光学的一系列基本原理。

在讲述全反射及光纤时，务必提到2009年获得诺贝尔物理学奖的 “光纤之父”高锟。他利用石英玻璃制成的光纤在全世界掀起了一场光纤通信的革命。并且，高琨选择了放弃“光纤”专利，全球人民免费享受光纤传输的快捷和便利。在讲述光学系统时，当然少不了提及执行中国首次火星探测任务的“天问一号”探测器。“天问一号”所携带的高分辨相机是由长春光机所自行研制的，采用了长焦距离轴三反消像散光系统，应用了高陡度大偏离量离轴高次非球面反射镜。

当然，“应用光学”的思政案例还有很多。如王大珩院士事迹、南仁东的“中国天眼”FAST、华为公司50倍变焦手机镜头等。思政案例的引入明显可以增强学生的民族自豪感，激发他们学习的信心。

4 结语

“应用光学”作为一门专业基础课，具有非常强的实践性。针对高职院校的学生基础和培养要求，基于高职院校的师资和课时情况，不能照搬普通本科高校的教学方式。增加学生实践能力的提升，适当降低理论教学的难度，压缩非主体教学内容，加强若干计算机辅助软件的实操，将有助于培养学生的专业素质，有利于学生的专业实习和就业，使之成长为能够适应当代信息化社会高速发展需要的应用型人才。

高职院校“应用光学”的课程整合和建设是一项任重道远的工程。如何在有限的教学时间和教学资源的限制下尽可能提升学生的实践与创新能力，需要从教学手段、教学方法等各个方面去挖掘潜力。最后，适当引入课程思政，对教学效果的提升有画龙点睛的效果。