关于新时代下光学课程建设及教学改革的探索

李鹏 吕长武

新疆大学物理科学与技术学院 新疆乌鲁木齐 830046

随着经济社会的发展，国家对教育的支持和投入不断增长，课程建设和教学改革不断推进。慕课、微课、直播课等视频课程大量上线，一流专业、一流课程建设大力开展，线上线下混合式、融合式教学模式发挥了重要的作用，并将持续发挥其网络优质资源优势。新时代为建设教育强国，高等学校落实党的教育方针，以立德树人为根本任务，努力培养德智体美劳全面发展的高层次人才，走内涵式发展道路。我院抓住机遇积极开展一流课程建设和教学改革以适应新时代教育改革要求[1]，下面以光学课程为例介绍课程建设和教学改革现状。

一、完善课程团队梯队建设

“光学”是物理学专业的基础课程，是物理学课程的重要组成部分。学院承担学校理工科“大学物理”“大学物理实验”等公共课程教学，教学任务比较重，专业教师数量就略显不足。长久以来，学院的专业课都是由资深老教师承担并传承下来，由于专业班级不是很多，二合班或者三合班就较为常见，所以一门专业课程基本都是一位到两位老师进行授课。在教师少学生多、没有助教的情况下，教师在时间和空间上，都不能够做到和学生较好地开展教与学，也使得教师对学生的学习状况和个人情况了解和掌握不够全面。面对新的形势，就需要打破现有的专业课程教学的不利局面。一是要以双一流建设为契机，大力引进具有高学历、高学识、高素质的优秀青年人才。通过集中培训、个别听课、组织学习后充实到专业课程教学队伍当中，同时可以使青年教师在科研领域研究的最前沿的内容融入教学中；二是注重专业课程团队的建立和梯队的建设。优秀的团队可以弥补单人承担课程教学的许多不足，可以通过集体备课确定重难点、共同探讨教学设计、责任及明确的分工，做好充分教学准备。建立的团队要形成良好梯队，既要有经验丰富的中年教师，也要有活力四射的青年教师，不仅要充分发挥个人特质及特长，更要发挥团队协作优势；三是单班授课。单班授课可以使团队中的教师都能积极投身于教学一线，不仅可以使团队教师迅速成长，还可以让教师有精力充分掌握班级学生具体情况，因材施教。专业教师的投入并不是对师资力量的浪费，这不仅可以让教师的教学对科研提供帮助，还可以让教师的科研反哺教学，做到教学科研相长；四是加强加深对于专业课程的认识。根据教育部统计调查显示[2]，高校教师80%以上是专业教师，高校课程80%以上是专业课程，学生学习时间80%以上是专业学习，而80%的大学生认为，对自己成长影响最深的是专业课和专业教师。不难看出，专业课教师是我们的“主力军”，专业课教学是教师的“主战场”，专业课课堂更是育人的“主渠道”。

二、积极开展线上线下混合式教学

线上线下混合式教学模式已经出现并慢慢成熟起来。对于物理学中基础课程“光学”课程来说，这种模式可能成为更好的选择。一个行政教学班级在雨课堂中设置为两个编号班级，一个编号班级用于线下教学，一个编号班级用于线上教学。线下教学的班级，是在同一个空间里通过雨课堂在网络上同步开启在线教学，教室里的同学可以在现场听教师的授课，学习知识，通过直接交流或者反转课堂达到学习目的。还可以通过手机参与雨课堂中的答题、投稿、弹幕等互动环节。与此同时，由于各种原因不能在班级里上课的同学通过雨课堂在线听课，通过雨课堂的多种互动功能(答题、投稿、弹幕等)结合腾讯会议等达到与在教室上课的同学一样上课的感受和效果。线下的课程主要以重点、难点等知识点为主要授课内容，也可以拓展相关内容。同时也通过雨课堂在线直播录制教学视频，提供给学生反复观看和收听。线上教学的班级，主要是通过雨课堂给同学发送“光学”课程相关的慕课视频、预习课件、课后作业、测试题、PPT学习课件、复习课件等提高学生自主学习能力，培养预习、自学、复习的良好习惯。同时可以根据教学进度和学生掌握情况不定时地有选择性地开启在线直播，讲解习题，和学生一起探讨“光学”课程中遇到的在线下课程中没有解决的问题。线上课程的开启和融合，使慕课视频的观看和学习、课件的学习和总结、课后作业习题的解答变得直观有效，更重要的是解除了共同学习、自主学习时间和空间上的限制。

三、通过教学设计改变教学方法

物理学是一门以实验为基础的基础学科，而“光学”是一门实验性很强的专业基础课程，仅仅用以前PPT课件或者板书进行课程讲解已经远远不够。需要通过教学设计在教学方法上有新的变革。以往的“满堂灌”“填鸭式”的教学方法完全破坏了学生独立思考、自主学习能力，教师细致的讲解、反复的强调也逐渐培养了学生被动式学习和依赖性。这种授课方式大大降低了学生自我体验、自我感悟、自我探索的积极性。要通过教学方法的改变，提高学生自主性学习、合作性学习、研究性学习的能力。可以试着从以下几个方面开展：一是做好教学设计，确定主体。教学设计是根据“光学”课程要求和教学对象的特点，将教学所有要素做好安排，确定合适的教学方案的设想和计划。通过调整教学方法，充分运用小组讨论环节、拓展反转课堂等，让学生成为教学中的核心。二是增加课堂演示，印象深刻。“光学”课程中将实验演示搬入课堂。譬如比较经典的单缝衍射、圆孔衍射以及三棱镜分光实验，可以充分利用课堂暗环境和简单光学元件即可实现较为明显的实验现象，让学生身临其境，充分感受光学的神奇，从而激发学生的好奇心和探索欲。三是课堂中加入慕课视频或者Flash动画，生动形象。譬如双缝干涉实验，采用不同波长的单色光、不同的双缝间距或是双缝与观察屏不同的距离进行实验，可以很清楚的看到观察屏上干涉条纹间距的变化等现象，使学生在学习过程中记忆深刻。慕课视频是“光学”课程改革的重要组成部分。目前，也有很多高校都已经制作了慕课视频，方式多样，但是质量参差不齐。慕课的制作应该根据学生的特点和选取的教材，有针对性地、有重点地进行视频和音频的录制。上传到学校的云端，供学生观看学习。四是和理论课程配套的单独开设的“光学实验”，理论结合实验。譬如在几何光学的介绍中，薄透镜(凸透镜、凹透镜、凸面镜、凹面镜)成像的实验，阿贝折射实验、迈克尔逊干涉实验等就可以很好地让学生亲自动手完成相应实验课程的内容，体验光学的魅力与乐趣。在等厚干涉的理论学习中，有对应的牛顿环实验和薄片厚度的测量。学生可以在实验的过程中，通过改变不同条件观察光学图样的变化。从中提升自我体验、自我探索的积极性。五是多采取举例分析式、问题解决式、学生宣讲式、开放讨论式的以学生为主体的开放式的教学方法，让学生真正成为教与学的主体。

四、教学设计案例

在“光学”课程讲授中，把对光的本性认识发展的经典故事、生活中的光学现象、古诗词中的光学景象适当引入知识点的教学当中，通过举例、问题引导和探究性学习把抽象的概念和问题具体化、形象化，引发学生深入思考从而提高大学生的学习积极性和创新思维能力，更好达到人才培养的目的。

在讲到光的波粒二象性这一知识点时，目前光的波粒二象性在科学界已有共识，光不仅是粒子也是波，但不是我们所熟识的经典粒子或者经典的波，而是波动性和粒子性的矛盾的对立统一体。学生在学习过程中对“既对立又统一”这一认识会很疑惑，光是一种电磁波，为什么一会说是波，一会又说成是粒子。在杨氏双缝干涉实验中，光主要表现出的是波动性，电磁波的相干叠加，但这并不意味着光不具有粒子性，只是在这种情况的下，粒子性不明显。同样在光电效应的实验中，光所表现出来时的粒子性，这也不代表光没有波动性，这就需要学生拥有哲学上的辩证思维。此时可以引入对光的本质认识历程中著名的微粒说和波动说之争，说明人们对光的认识同样经历了曲折的过程，对光的认识才越来越深刻，对世界的物质性和辩证唯物主义原理也有了更深刻的认识。

在讲到光的干涉这一章节时，由于干涉是波动光学重要的组成部分，需要学生重点掌握。但不论是掌握干涉的基本原理还是从相干光线的光路演示，以及光程差公式推导对于学生都是有一定难度的。如何让学生在学习的过程中感到轻松有趣呢？我们设定启发式问题情境，提出有趣问题：水面上的油膜在阳光照射下呈现出彩色的图案，但是玻璃窗在阳光照射在上却没有出现彩色图案？自然界中有很多昆虫，例如蝴蝶的翅膀上为什么会呈现出美丽的色彩？以前我们生活中常见的光盘，在阳光的照射下为什么呈现出色彩斑斓的条纹？通过生活中常见的光学现象举例，让学生参与互动课堂讨论，培养学生的参与热情。通过对问题的分析和讨论，运用探究性学习和总结的手段，通过探索问题、揭示出复杂问题的本质，使学生掌握解决这些问题的能力。

在讲到光的散射这一章节中，对于美丽的朝霞和晚霞等常见的自然现象，如何让学生对原理记忆深刻又能拓展学生的知识广度呢？清晨日出或傍晚日落时，看到太阳呈红色，这是因为太阳光几乎平行于地平面，穿过最后的大气层，较短波长的光都侧向散射了，仅仅剩下红光到达观察者的眼中。仰面看向天空时依旧能够看见浅蓝色，而云朵此时被阳光所照射，就呈现出炫目的红色[3]。更进一步拓展可以请学生回答交通信号灯和信号旗为什么采用红色？这些可以用散射的理论来解释。通过实例深刻认识和理解瑞利散射、米氏散射及分子散射之间的联系和区别。同时我们还可以引入中国传统文化中的诗词活跃课堂氛围，感受优秀传统古诗词的神韵和光学原理。描写光的散射的诗句有著名诗人白居易《暮江吟》：“一道残阳铺水中，半江瑟瑟半江红”，还有杨慎的《临江仙 滚滚长江东逝水》：“青山依旧在，几度夕阳红[4]”；描写光的直线传播的诗句有诗仙李白《月下独酌》的诗句：“举杯邀明月，对饮成三人”；描写光的反射的诗句有刘禹锡《望洞庭》：“湖光秋月两相和，潭面无风镜未磨”。通过这样的教学设计，不仅学习常见现象背后的光学原理，还学习了古诗词，实践了文化育人。

讲到光的偏振时，我们也可以举出很多实例，比如蜜蜂的8字舞、蜻蜓的复眼、非洲的粪金龟，还有最具攻击性的螳螂虾[5]，它们都是利用天空中光的偏振模式进行导航，完成觅食、回穴等一系列活动。除了这些可爱的动物之外，在我们的日常生活中也会利用到的偏振光的例子：在电影院看3D电影及所戴的眼镜，电视电脑的液晶显示器，开车时所戴的太阳镜，汽车的前挡风玻璃，等等。

在讲授中通过引入有趣的故事和生活中的物理现象，不仅能够提高学生对物理的学习的兴趣，还可以提升对所学专业的认同，从而坚定学习物理光学的信心和决心，为自然科学基础研究培养更多的人才。光学不仅仅是有趣的，还包含大量的数学公式的理论推导和分析，数学公式是物理概念的直观表现形式之一，而物理概念的阐述离不开数学公式的表述，数学公式为物理概念提供直观载体。讲清楚复杂数学公式及推导的物理本质，通过分析讨论和自主实验，使学生更加深刻理解公式的物理意义。

五、注重学习过程的考核方式

在线下课程普遍、线上课程冲击的新时代下，线上线下混合式教学模式的开展已是大势所趋，课程的考核不能再用简单的期末考试成绩作为学生学习成果的唯一检验标准，更为重要的是加强过程性考核。过程性考核重点在于学生在学习过程中的投入如何，譬如学生在线上线下中的参与度(弹幕、投稿、习题作答、课堂回答问题等)、课前的预习(PPT课件、视频、音频、电子图书资料等)、课后的复习(作业、总结、课堂讲解回放等)以及线上单元测试或期中测试等部分。根据课程特点和线下线上混合式教学方式应用，重视过程性考核。可以考虑尝试将该门课程的总评成绩大致分为两部分：一部分为平时成绩占50%，另一部分为期末考试成绩占50%，平时成绩占比的增加正是专业课程过程性考核的重要体现。

课程建设和教学改革不是简单的方法和材料的堆砌，而是思想、目标、人的有序组织和展示。要培养21世纪符合中国特色社会主义发展的建设者和可靠接班人，高等教育中课程建设也是重要的环节，只有统一思想，群策群力才能做好高等教育的教学改革工作。