现代光学实验在线直播教学实践

2021-11-01李瑶瑶曹良才

实验室研究与探索 2021年9期

朱昊，郭宏，宗嵩，李瑶瑶，曹良才

（清华大学精密仪器系光电工程研究所，北京 100084）

0 引言

自2020 年初至今，一场突如其来的新冠疫情使我国乃至全球的教育系统遭遇前所未有的挑战，学生无法返校，大中小学因防疫需要全面转为网络教学［1］。与传统的课堂授课相比，实验课程，尤其是对仪器的精细调节有严格要求的研究生光学实验，改成直播网课，会面临许多困难［2-4］。光学实验在正常教学中的调节和操作已很复杂，经常需要在暗室环境操作，且信号微弱，不易观察实验现象。而直播网课却需要明亮的背景、对比度强烈的图像，这就产生了一定的矛盾。我校精密仪器系将2020 年春季学期的研究生现代光学实验的实验操作内容从实验室移到网上，通过技术手段和课程设计两方面进行探索，获得了良好的教学效果。

1 教学设计

1.1 从实验指导书到网课PPT

现代光学实验课程已开设20 多年，课堂授课与实验操作各占50%学时，是一门理论与实验紧密结合的课程。本学期有14 名学生选修，主要来自精密仪器系、物理系和能源动力系的博士生。课程改为网课后，将实验指导书按网课特点改为PPT，精简文字，大量插入实验装置全景照片、以及不同角度和距离拍摄的特写照片，必要时插入短视频和解说词。

在教学设计中参考了科教记录片的表现方法，深入浅出、形象生动地将深奥理论转换成模型观察和简化原理图，做到一目了然，与生活实际结合且有趣［5］。例如，课程中有一项实验内容是体视显微镜的拆装。要求学生先操作体视显微镜观察样本，再进行结构拆解，记录拍摄过程，复原仪器至正常工作状态。

实验内容上网后，固然有学生无法实际操作的缺憾难以弥补，但自制模型用手机通过左右两个显微目镜拍摄特写照片，将以前实验操作中学生容易忽视的细节凸显出来。随后引入自创的立体视觉形成的正方形与圆组合的原理图［6］，附加一个课堂思考题：如何借助立体反光镜或其他技术手段，将正方形图案由远到近或由近到远，穿越空中的圆形图案，在人眼中获得立体电影效果（见图1）？目前这个问题在许多科技馆和博物馆的立体展示柜中都有涉及，也有相应的解决方案，但都必须在较远距离和暗环境下才能观察到［7-8］。这个思考题，具有实用性、挑战性，可激发学生创造力。

图1 体视显微镜拆装实验的部分网课课件

网课课件编写指导思想是生动、形象、简短。多插入小视频和特写照片，注意利用特殊颜色和符号标注突出重点。注意交互性，适时提出思考题，可加入对学生提问环节，以保持课堂关注度，防止学生注意力涣散。

1.2 直播实验时间分配和教学内容重组

网课直播与线下光学实验有截然不同的特点，学生在家上网课，易疲劳，难长久保持精神紧张状态。教育部要求将网课分成20 min左右的小段，段间为学生休息时间；而实际的光学实验往往持续1 h 以上。这要求教师将整块实验内容切割成小片段，片段间相对独立，每一片段介绍一个知识点的实验现象。为此，以计算全息实验为例制订了网课时间分配方案如表1所示。

表1 实验网课时间分配方案

以计算全息和数字全息为例对实验内容进行了重组。这2 套系统克服了传统干板全息需用化学湿法暗室工艺（曝光、定影、显影、晾干）的缺点，利用天文级10 μm以下小像素CMOS相机和空间光调制器（SLM）构建为数字化实验。所用器材多、光路调节复杂，是结合了光学、数字电路和计算机软件技术的综合性教学实验［9-11］，具有代表性。如图2 所示。

图2 计算全息与数字全息实验

学生以线下操作方式在实验室完成这2 个实验需要3 学时：计算全息实验1 学时，数字全息实验2 学时。改成网课直播，先必须省略大量光学调节环节；因课时所限要改成20 min的短片段。因此，将计算全息实验改编成段落1（再按每个片段20 min 分成3 个短片段，下同）；将数字全息实验中的全息图频谱记录部分编为段落2、将数字全息实验的全息图再现部分改成段落3。改编依据是实验内容的复杂程度和相对独立性。每个段落信息量相当，学生可以单独学习，基本不受其他段落影响。

本实验对环境要求苛刻，直播时可将需暗室环境的一些实验过程和现象用录播的方式展现给学生；注意在课件中用特写照片凸显关键实验现象，教师在解说时强调知识点，发挥网课在表现手法多样性方面的优势，扬长避短。

线下实验改成直播，操作时间缩短约一半，可将多余时间用于介绍其他相关知识或进行师生网上互动交流讨论；以丰富教学形式、避免单调乏味的单纯讲授。

为保证拍摄质量，在财力允许范围内尽可能采购较高档的摄像机、现场照明设备（如LED 背景灯）、手机拍摄稳定设备（可防止拍摄近景时因人手抖动造成的图像晃动模糊，见图3）、无线麦克风等［12］。

2 教学直播

2.1 直播硬件系统构建

现代光学实验课程基本都是光机电结合的综合实验，每个实验系统配置1 台以上电脑。直播中讲到某个实验，就将该实验系统测控电脑的显示屏共享到腾讯会议的主界面上，让学生有身临其境的效果［13］。

网课直播借鉴了科教记录电影的拍摄方式。现场配置3 台摄像头：一台固定机位全景摄像机拍摄实验系统整体；一台特写摄像用安装了稳定设备的手机拍摄实验近景和特写镜头；一台拍摄中景，跟随教师走动，拍摄教师和讲解的装置。这样的设计兼顾了远、中、近景，实现了全方位、无死角观察实验。学生可在网课的软件界面，选择自己感兴趣的摄像头放大观看，增强了学习的参与度和主动性。

在图3 中，学生通过电脑的桌面能看到实验原理和一些预先拍摄的实验现象，并能通过3 个摄像头看到实验中的不同场景，有一个摄像由手机摄像头提供，手机摄像头由大疆（DJI）灵眸手持云台稳定器作为直播支架，提供稳定的近景图像视频。

2.2 实验直播的软件平台

为充分利用教育网带宽高、性能稳定的优点，在实验室内搭建了有线连接、无线连接、手机热点连接等多种上网方式，课前进行多种联网方式切换测试，防止网课进行过程中因断网或网络不稳定引起的教学中断。直播中的声音主要由电脑或近景手机来采集，注意关闭和屏蔽其他声音，避免产生回声或杂音。

直播软件平台采用以腾讯会议为主、清华大学学堂在线开发的荷塘雨课堂线上教学平台为辅的方式［14］。学生可同时用2个软件上网课，用手机和电脑同时观看不同的视角，并根据自己喜好和习惯选择切换［15］。

3 教学效果分析

为保证教学质量，改进教学方式，教师在课程进行中做了多次无记名问卷调查，绝大多数同学们对这种新型教学方式持支持态度，对教学效果比较满意。学生微信群评论：“今天的网课效果感觉很好，没想到还能看到直播实验。”“谢谢老师们辛苦地准备与讲解，收获很大！”学生总体对直播实验的感受是从期待到惊喜。

因网络直播的固有缺点和条件限制、疫情下的仓促上阵等原因，也发现不少需改进的地方。学生反馈的问题有：摄像头拍摄近景时的晃动和特写镜头中激光照射引起曝光饱和，造成听课学生眩晕和不适，影响对实验现象的观察。对网上实验直播，教师和学生都没有经验，多镜头的频繁切换会带来疲劳和混乱，对学生集中注意力听讲不利。如何在表现形式多样化和突出重点两者之间，做得恰到好处，是今后在线课程设计努力的方向［16］。