物理光学的混合式与可视化教学改革

韩克祯，王本义，孙玉萍

（山东理工大学 物理与光电工程学院，山东 淄博 255049）

一、教学中存在的问题

“物理光学”是光电专业重要的专业基础课程，具有公式多、内容抽象的特点。在传统的以教师为中心的教学模式下，学生学习不够深入，难以建立课本知识与实际光学器件的联系。学生对教学的满意度和对专业的认同感较低。经过梳理，“物理光学”课程前期存在的问题主要有以下四个方面。

（一）课程内容复杂抽象，学生学习难度较大

“物理光学”以麦克斯韦电磁理论为基础，并以此展开光的干涉、衍射、偏振和晶体光学等重要内容的讲解，许多概念比较抽象，数学公式繁多。不少学生反映课程复杂抽象，理解和掌握的难度较大。这在一定程度上打击了学生的学习兴趣和信心。同时，学生难以将抽象的课本知识与具体的光学器件相联系，对课程前景感觉迷茫，不利于学生树立专业自豪感和认同感。

（二）师生互动不足，生生交流欠缺

传统课堂模式下，教师在讲台上卖力地推导公式、讲解概念，学生辛苦地记录笔记。课堂上很少进行师生互动及学生间的讨论和交流。课后交流就更少了。毫无疑问，师生、生生交流匮乏，不利于学生表达能力、沟通协调能力、思辨能力的锻炼，不利于学生对课程内容的掌握，严重影响课程教学效果，不利于学生培养质量的提高。

（三）优质教学资源较少

“物理光学”经典的纸质教材较多，但纸质教材固有的内容单一、形式单调、不能交互反馈、不够环保等缺点，使之不能适应当前信息化、交互化、便捷化的阅读和学习需要。特别是对“物理光学”课程来讲，很多抽象的概念仅靠纸质教材的文字描述难以解释清楚。因此，内容丰富、形式灵活的数字化教学资源是非常急需的。但当前富含多种媒体资源且高质量的在线教学资源较少，这不利于学生进行课前自主预习和课后深入拓展。

（四）学生自学、团队协作与解决实际问题的能力有待提高

学生课堂上记住几个定理和公式，课后演算几道习题就算公式作业，课程学习流于形式，难以建立课本知识与实际光学器件的联系。学生学习停留在“课堂记笔记、课下做习题”的应试型低阶学习模式上，缺少与真实光学实践相关的自主能力、团队协作能力的锻炼，难以解决实际光学问题。

因此，如何迎接信息化时代挑战，激发学生的学习兴趣，提升学习自信，调动他们的积极性，提升他们的参与度，为学生提供锻炼机会，提高培养质量，实现课程对学生培养目标的支撑度和贡献度，成为亟待解决的课题。

二、解决思路

针对“物理光学”传统教学中存在的上述问题，笔者经过与学生交流、广泛调研和深入思考，从教学工具与方法、教学策略、教学内容、考核方式等方面，提出了对应的解决思路。

（一）化抽象为形象，实现抽象内容可视化

对理工科学生来说，数学软件在当前的学习和建模、将来的科研和工作等很多场合都有重要的应用。我们将数学软件辅助“物理光学”教学，利用数学软件自主编写程序，将抽象的物理光学概念、复杂的数学公式转化为生动形象的教学动画，降低了理解难度；编制交互程序，学生可以任意调节参数，及时观察参数改变对光学器件工作性能的影响，实现实时动态交互，深化了学生对学习内容的理解和掌握［1］。

（二）优化教学策略，变革教学过程，鼓励交流合作

改变传统教师讲课、学生听课的教学模式，代之以学生为中心组织教学活动，并充分利用网络教学平台，积极探索线上线下相结合的混合式教学模式。组织教学活动时，应注重学生的参与感和专注度，形式灵活、内容丰富，鼓励小组讨论与协作，提高学生的表达能力与沟通协调能力。

（三）丰富优化教学内容，动态完善教学资源

深入研究课程内容，力求深入浅出，联系实际光电器件及教师的个人科研项目，激发学生学习兴趣，也使学生明白课程的重要实用价值；对教学内容进行有机串联整合，根据行业发展和需求变化及时调整课程大纲、动态补充教学内容；加强与企业联系，高效汇集双方资源，产学合作协同育人。课程思政教育潜移默化贯穿于整个教学过程［2］，培养学生解决实际复杂光学问题的创新能力、严谨认真的科学素养和科技报国的人生信念。

（四）改革考核方式，加强能力考核

参照国家金课建设标准，保证课程高阶性、创新性和挑战度，有力提高人才培养质量。加强对学生的过程性评价，合理量化过程性评价具体指标，使学生学会充分利用碎片化时间，避免平时松懈、考前突击的现象，使学生适当地忙起来。激励学生踏实进行研究性学习、主动开展课外探索等具有一定难度的高阶课程活动，切实提高学生的学习效果和自学能力与研究能力。

三、具体措施

（一）计算机软件辅助教学，实现抽象内容可视化和交互化

根据不同教学内容灵活采用最适合的教学手段，对于抽象复杂的理论，利用计算机软件编程技术，实现抽象教学内容的可视化、形象化教学。目前，我们已经自主编程制作了近百个可视化动画。比如，学生在学习平面简谐电磁波在两种电介质分界面上的反射和折射时，会接触到入射面、p分量和s分量的概念，但常见教科书中的抽象示意图学生不容易理解［3］。我们利用数学软件绘制了三维空间中观察简谐波在入射面上的分解情况，形象直观、科学严谨。再比如，物理光学中有一个难以理解的概念，叫“半波损失”。我们将最常见的三种半波损失的情形编程制成动画，配合适当讲解，学生就能非常容易又准确地理解半波损失的物理含义，达到一图胜千言的效果。

借助计算机软件编程，还可以实现动态的交互效果，比如在Fabry-Perot滤波片部分，编制可实时交互的计算机程序，学生可以任意改变透过率、折射率和厚度参数，实时观察参数改变对滤波特性的影响。通过这种形式，学生可以在更高的维度上看待教科书上的公式，不是将公式记住做题考试，而是能够利用这些公式设计实用的光学器件，实现学以致用。

（二）坚持以学生为中心理念，积极运用混合式教学模式

坚持以学生为中心，采用融合了BOPPPS教学设计的线上线下混合式教学模式［4］。在授课过程中，事先通知学生预习网络课程资源相关内容，包括导学任务单、教学课件、视频资源等，利用在线教学平台提供支撑，采用雨课堂、课程伴侣、超星学习通、数学软件、数位板等现代化教学工具推送习题、实现抽象内容的可视化教学，采取线上线下相结合的混合式教学模式，真正实现课程资源、教学平台、教学工具、教学模式四维一体有机融合。学生课前需要在线上完成课前预习，课堂上会进行线上测试、随堂讨论、亲身演示实验，课后利用教学平台完成答疑讨论、研究型学习任务和作业的提交等内容。

教学过程中采用全纳教学理念，注重全体学生的全方面发展。因此，鼓励所有学生深入参与讨论，而不是只关注个别学生；鼓励学生亲自参与随堂演示实验，为保证后排学生的观看效果，连接网络的摄像头将演示过程实时投屏，使每一名学生都能清楚地感受到现场效果。

（三）串联整合教学内容，实现思想政治教育的潜移默化

兴趣是最好的老师。要引起学生的兴趣，不能只靠风趣幽默的授课风格。笔者的方法就是使教学内容联系生活实际、联系光电应用、联系国家重大光学工程、联系物理学史，甚至联系文学和艺术，自然而然地渗透课程思政，潜移默化地进行科学素养和爱国情怀教育。比如，在多光束干涉理论部分，将理论内容跟窄线宽激光器联系起来，使学生明白貌似枯燥抽象的公式背后，是生动具体的激光器件，学生非但不觉枯燥，而且感受到了内容的具体应用，对课程的迷茫也随之一扫而空。在迈克尔逊干涉仪部分，结合19世纪末期为验证以太而进行干涉实验，最终促成了狭义相对论的诞生；联系最近的科研成果，结合激光干涉引力波天文台验证了广义相对论的引力波而获得2017年度诺贝尔物理学奖。学生会发现看似简单的光学仪器，却跟相对论有如此不解之缘，于是迫切想要掌握迈克尔逊干涉仪的原理和应用。在光学仪器分辨本领部分，结合国家重大光学工程项目500米口径的“中国天眼”，并介绍天眼之父南仁东先生的奉献故事；学习光学晶体时，讲到山东大学的KDP晶体在神光系统的应用和中科院物理所的KBBF晶体能够对美国进行多年禁运，不动声色地将课本知识和民族自豪感联系起来，学生在潜移默化中提升科技报国的思想情操。学习布儒斯特定律时，以物理学家费曼在巴西讲学的故事引入，结尾处恰到好处地引入“水是眼波横，山是眉峰聚”（宋·王观《卜算子·送鲍浩然之浙东》），将“水是眼波横”巧妙地解释为“光以布儒斯特角入射，经水面反射后，进入人眼的光波振动方向是横向（水平）的”，学生在惊讶于诗词与定律能够巧妙结合的同时，感受到了科学技术知识和人文诗词艺术的水乳交融，获得高层次的审美享受。

（四）加强过程性评价

将学生线上线下所有的学习活动表现都纳入形成性考核，如将在线测试得分、教学材料阅读、学习笔记整理、课程论坛发文、课程作业提交、合计在线时长、小组讨论表现等进行合理的分值分配，占总成绩的40%。其中每一项得分都有细化规则，保障了过程性考核的严谨性和科学性，全面评价学生对光学知识的掌握程度和运用能力，帮助学生运用光学知识分析解决实际问题，体现课程的挑战性，提升学生的综合素质和培养质量。

四、创新特色

针对“物理光学”课程的特点与学生的学情基础，结合教学团队教学创新改革实践，总体来讲，本团队的创新特色有以下两部分。

（一）抽象内容可视化和应用内容实物化

利用数学软件将抽象的教学内容制作成形象生动且可以实时交互的图片或动画文件，降低了学生的学习难度，同时激发了学生的学习兴趣，提高了学生对课程内容理解的正确度和深刻性。对于能与实际相联系的教学内容，将各种器件以实物或图片、视频的形式展示给学生，并紧密结合教师曾参与的工程实例，使学生在教学内容和实际器件之间建立直观联系，解除了学生的迷茫，使其找到未来的方向。

（二）以生为本，采用与时俱进的教育理念、教学模式和教育技术

基于学生中心、产出导向、持续改进、协同育人的教学理念制定课程教学大纲，组织教学内容，开展教学活动，及时更新串联教学内容，采用BOPPPS进行教学设计，实现课程资源、教学平台、教学工具、教学模式四位一体的有机融合。一切为了学生，为了一切学生，一切活动都紧密围绕学生成长成才而开展。

五、教学效果

经过多年的课程建设与教学改革，网络教学平台建设已经实现了资源丰富、使用便捷的程度，目前精心录制的在线视频时长1072分钟、在线题目500题、其他辅助学习资源近300个，覆盖了导学任务单、教学课件、自制可视化教学图片动画和音频资料、翻转课堂记录、前沿进展、考研资料、国外教学视频等。学生充分利用碎片化时间，借助手机或电脑进行线上学习，打破了时间、空间的限制，极大提高了学习效率，方便师生在线交流。

学生认为混合式教学模式时间利用率高，灵活便捷。抽象内容可视化的教学方法深受欢迎，提高了学生对课程内容理解的正确性和深刻度。学生满意度、专业认同感明显提升。参加各类竞赛的获奖人次及物理光学考研成绩均呈增长趋势。我们的教学模式以教学沙龙和教师培训项目的形式在全校推广。课程建设受到国家光电专业教指委专家的认可，并获批山东省2021年度线上线下混合式一流课程。