面向行业特色的高等物理光学课程建设与改革探索

汪盛佳 高帅 耿涛 杨兴华 孙伟民

［摘           要］  “船舶工业、海军装备、海洋开发、核能应用”是哈尔滨工程大学的办学特色和研究优势。在行业特色型高校中加强特色学科专业建设能够发挥学校优势，适应新工科背景下对高等院校发展的需求。对光电类专业研究生课程高等物理光学进行课程改革与建设，培养适合当前科技发展需求的行业特色型光电专业人才，是加强高等院校行业特色学科专业建设的有效途径。

［关    键   词］  行业特色；特色学科专业课程；高等物理光学

［中图分类号］  G641                   ［文献标志码］  A                   ［文章编号］  2096-0603（2023）16-0０85-04

一、引言

哈尔滨工程大学具有“船舶工业、海军装备、海洋开发、核能应用”，即“三海一核”四个领域的办学特色和研究优势[1]。我校光电类专业的毕业生被大量输送到“三海一核”相关领域的企业、研究院所和高等院校。对于光电类专业的研究生培养和教学而言，培养方向和讲学内容应更有针对性地向我校特色化优势倾斜，以更好地满足人才培养要求和用人单位的实际需求。高等物理光学是光电类专业研究生的一门核心专业必修课，对“三海一核”领域中的许多研究起到重要的支撑作用。例如，在海洋装备和海洋开发领域，涉及大量的光学技术和光学方法，其主要特点和着重需要考虑的问题侧重于偏振成像、光谱吸收和复杂介质中的光场传播等方面，这些都是高等物理光学中的重点内容。

在行业特色型高校中进行特色学科专业的课程建设十分有必要[2]。随着现代科技的飞速发展，学科在高度分化之后又朝着相互交叉与融合的方向发展，学科间的内在联系也越来越密切。学科交叉是现代科技发展的必然产物，是培养复合型拔尖创新人才、推动知识创新与研究创新发展的土壤[3]。因此，发挥学校的领域优势，建设特色学科专业课程，能够更好地服务于学校定位，服务于国家战略。

（一）高等物理光学课程教学现状

高等物理光学是物理、光学工程、电子信息（光学方向）等研究生专业的一门重要核心课程[4]。特别是在物理和工程领域，高等物理光学进一步深化光波动属性的讲授，包括干涉、衍射、偏振、全息等。高等物理光学的教育研究涉及探索和开发新的教学方法、材料和技术，以促进研究生对这些复杂概念的有效学习[5]。

对于高等物理光学的教育研究，主要目标之一是帮助学生从概念上理解光学的基本原理，而不是简单地记住方程和公式，因此，需要使用强调主动学习和解决实际问题的教学策略。例如，结合行业特性对课程进行细化和拓展，面向实际问题进行教学，帮助学生探索光的波动属性，在常规教学内容的基础上，结合特色行业中的典型案例，使课程内容直接对接一线行业需求。

高等物理光学的教学方法主要包括讲授课时和实验课时两大方面。讲授课时通常用于介绍新的概念和理论，而实验课时则为学生提供使用光学系统和仪器的实践经验。高等物理光学教学资源因院校而不同，因此有必要面向不同的院校特色开展有针对性的教学工作。同时，学生对高等物理光学课程的参与度可能因课程水平和兴趣而不同，一些学生可能对这门学科很有兴趣，而另一些学生可能会觉得它很有挑战性或不那么有趣。我院开设的高等物理光学课程依托“纤维集成光学”教育部重点实验室、“海洋光子材料与器件物理”工业和信息化部重点实验室等科研平台，并结合我校“船舶工业、海军装备、海洋开发、核能应用”的办学和研究特色进行课程设置，进一步强化高等物理光学课程的知识广度和深度，使高等物理光学的教学改革方向与特色行业的需求相一致。

（二）课程教学中存在的问题

高等物理光学以光的电磁理论为理论基础，讲授光在各项同性和异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性以及光的吸收、色散和散射等内容[6]。其先修课程主要为高等数学、大学物理、应用光学、物理光学、电磁理论等基础课程，后续专业课程则包括激光原理与技术、光电检测技术、光纤光学、傅里叶光学、光纤通信等。可以看出，其起着重要的承上启下作用，因此高等物理光学中的知识点既需要对其他课程起衔接作用，又需要考虑其在实际工程问题中的应用。

在现有的传统高等物理光学教学体系中，基础性教学虽然能够较好地引导学生对基本概念进行细致的研究和讨论，但在“船舶工业、海军装备、海洋开发、核能应用”行业特色方面尚未建立专门的教学体系和教学方法。

1.高等物理光学课程内容较多，教学内容较重，因此高等物理光学一直是一门教师难教、学生难学的课程。在教学过程中，通常更加强调前序课程和预备知识的理论性，而对知识在“三海一核”领域的应用性和工程性给予较少的关注，无法做到理论联系实际。因此，在教学中不自觉地存在“重理论基础，轻工程应用”的倾向，淡化了课程本身拥有的工程应用背景特性。

2.教学中教师的主导地位强而学生的参与程度较弱，培养学生实践精神、工程意识和创新能力的活动空间不足。课程与前沿应用接触较少，研究生在课程中接触实际“三海一核”领域工程问题的机会较少，存在内容相对滞后、学生获得前沿创新训练机会不足的问题，教学与工程设计及行业企业的要求相脱节。

3.高等物理光学的教学中包含许多抽象的物理规律，且包含大量的原理推导与数学公式，学生往往容易记住公式却忘记了公式背后的物理意义和分析方法，无法举一反三、学以致用。在课堂中，如果单纯依靠讲授的方法，教学效果容易偏向纯理论化教學，难以满足研究生的培养目标要求，这不但影响学生对课程内容的理解、掌握，还会影响学生的学习和探索兴趣，从而阻碍学生创新能力和探究能力的培养。

可见，现有课程及实践体系缺乏优质行业特色的相关教学，缺少优质行业实践资源平台支持，理论知识与前沿需求难以对接，导致学生对专业应用的指向性缺乏认识，且知识结构相对陈旧，很难适应行业特色型的实际应用需求。因此，研究面向行业特色型课程的教学内容、教学方法的改革与创新势在必行。

二、课程建设改革途径

（一）行业特色型高等物理光学课程的特色梳理

高等物理光学涉及众多先进的光学原理和尖端技术，并且相较于先导课程的知识深度更深，所讲授的技术更前沿。在光学测试、光学通信以及在光与物质相互作用方面，都有更为深入的探讨和研究。面向行业特色的高等物理光学课程，首先需要清晰梳理其所讲授内容在“三海一核”特色行业的交叉与应用[7]，并与现有课程大纲进行有机融合与匹配。例如，在海軍装备研制方面，光学器件可用于海军设备，如潜望镜、测距仪和目标指示器；在海洋开发中，光学传感器和相机可用于研究海洋环境、绘制海底地图和研究海洋生物的行为。

通过梳理上述特色行业中所涉及的光学技术，使高等物理光学课程更有针对性地服务于行业特色型院校的研究生人才培养，使课程设置和教学过程更好地面向特色行业实际需求。

（二）面向特色行业的教学内容改革

在梳理特色行业需求和研究内容的基础上，需要将零散的行业特色化需求和技术进行系统化的整理和安排。构建具有行业特色的新型知识体系，使“三海一核”行业特色与高等物理光学中的教学内容高效、顺畅地结合，提高研究生对所掌握光学知识的应用能力，使学生对面向行业特色的知识体系有一个整体把握，同时兼顾具体技术和知识的运用。利用行业特色型知识体系，提高解决“三海一核”特色行业问题和技术难题的能力。我们对高等物理光学课程的部分教学内容进行了优化和调整，意图拓展和加深课程涵盖知识内容在“三海一核”领域的深度和广度。

1.结合偏振、成像、光与物质相互作用的水下物理光学。现阶段的高等物理光学课程大多讲授和讨论光在真空或空气中的物理性质。在高等物理光学课程改革中，将教学内容进一步拓展到水介质环境，围绕水下光传输的特性开展教学。例如，水下偏振成像是一种利用光的偏振特性获取水下目标图像的技术。光的偏振在与不同材料（如水）相互作用时发生变化，可用于增强水下成像。偏振成像的工作原理是利用偏振光照射水下环境，偏振光从水中的物体反射并返回成像系统，对其进行分析以确定光的偏振状态。通过将入射光的偏振状态与出射光的偏振态进行比较，成像系统可以生成传统成像技术看不到特征的图像。

在授课内容方面，将从海洋生物学、水下考古、水下监视、水下航行等水下偏振成像的应用展开，拓展了高等物理光学课程的内容涵盖范围，同时也通过具体实例将课程的目标明确化，突出“三海一核”的特色，引导学生进行自主学习，提高学生在课程讲授环节和实践环节的参与度。

2.深化视觉、干涉、全息在船舶制造业背景下的知识深度。在高等物理光学课程内容调整中，将课程重点从基础知识的掌握转移到实际船舶制造行业应用的具体实例中。在课程教学内容的安排上，将干涉测量技术和数字全息技术进行整合，作为一个整体进行授课，并有针对性地安排探究性实验，使学生实际掌握如何应用所学知识解决实际问题。例如，基于光学原理的船体检测技术，它可以检测传统检测技术可能遗漏的船体缺陷和异常。在讲授环节以讨论组的形式进行光测系统方案设计，后续安排探究性实验，利用激光扫描或视觉摄影测量对船体模型表面进行精确3D建模，检测预设的小裂纹、腐蚀和变形。利用数字全息实验检测船体模型，创建船体表面的全息图，获得有关表面结构的详细信息，并检测缺陷或异常。通过分组方案设计探究性实验，学生进一步明确基于光学原理的船体检测技术具有非侵入性的优点，可以在不损坏船体的情况下进行，通过及早发现缺陷和异常，船舶运营商可以采取预防措施，降低更严重损坏的风险，延长船舶寿命，提高海上安全。

通过行业中实际应用的高等物理光学知识，以具体应用为导向，拓展授课内容的深度。在船舶制造工业的大背景下，为常规课程大纲和课程体系配备真实案例，重新整合课程规划，使学生可以从单纯掌握概念到知识的综合运用，进一步提升课程的特色化和专业化。

3.拓展光纤光学和导波光学在核能应用领域的知识广度。光纤和波导光学器件是我院的研究优势和特色。由于光纤和波导能够以最小的损耗和高可靠性远距离传输光，其被越来越多地用于核能应用领域。因此，在高等物理光学课程内容改革方面拓展了光纤光学和导波光学在核能应用领域的知识广度，覆盖了核能应用领域常见的光学技术。同时，光纤和波导光学器件可用于核电站的远距离探测，避免由于辐射对操作人员造成伤害。光纤光波导通信方面，课程将结合核电站中的数据传输，利用光纤光波导通信系统不受电磁干扰的特点，组织学生开展探索性研究与小组讨论，规划光纤光波导数据传输可行方案。在辐射计量测定方面，课程将光纤传感技术拓展到测量核电站的辐射剂量。以其高灵敏的特点，针对测量辐射剂量微小的变化开展光纤传感方面的教学，意在结合实际应用，提升教学内容的实用性，锻炼学生的团队协作能力。

通过对光纤光学和导波光学在核能应用领域的知识拓展，进一步将高等物理光学中的常规内容具象化，摒弃了传统教学中枯燥的理论推导与死记硬背，在核能应用领域的实际背景需求下开展教学工作。在课程内容组织方面，重新规划了先导知识的讲授顺序，以应对课程内容拓展方面所需的基础性原理和概念。

（三）教学方法改革

在重新安排和整合面向“三海一核”行业特色的高等物理光学课程内容的基础上，还需要有针对性地对课程教学方法进行改革，以更好的讲授逻辑覆盖课程的全部教学内容。在教学内容的改革中，打破了常规教材或课时中的章节安排，将全部64学时进行有序分割。利用前16学时集中对基础性内容和高等物理光学的整体框架进行讲授，使学生对高等物理光学课程中所涉及的概念和原理有了解性掌握，将具体原理的推导和延伸以大作业的形式安排在课下环节。前16学时的安排针对研究生阶段的授课特点，主要是使学生加深对高等物理光学课程的整体认识，提高学生对高等物理光学课程的宏观概念的把握，不拘泥于具体原理和细节，为后续课程做概述性铺垫。对先导课程，如光学原理中所涉及的知识不再机械性重复。

在后48学时的授课过程中，为避免出现单纯讲授知识难以令学生产生共鸣的问题，结合了具体案例或实践加深对所授知识的掌握和理解。通过结合案例式教学方法，以特色行业需求作为背景和要求，完成教学过程中对知识的具体化、可操作化、特色化。在后48学时中，课程以行业特色应用为导向设置课程重点，将学时进行模块化分割，课程整体安排和多元化评价方式如表1所示。

在水下物理光学模块中，课程的重点在水环境下的光学特性。在前序基础理论模块的基础上，进一步加深对光的偏振、光在介质中传播以及光与物质相互作用方面的知识深度。此模块以课堂讲述为主要教学手段，并以调研报告的形式对其在海洋生物学、水下考古、水下检测和水下导航方面进行拓展。

在先进制造业中的光学技术模块，结合船舶制造行业的船体检测需求，将学生分为3～5人的小组进行分组式教学。教学内容涉及光的干涉、衍射、全息，以及波前检测等方面的内容。此模块以课程设计为主要教学手段，在实验室中给定具有预设缺陷的船体模型结构，围绕光学测量手段，不限定具体技术，组织学生对光学检测方案进行设计，并进行方案汇报，教师从方案的原理可行性、设备可行性等方面对每组设计方案进行评价。针对可行的方案进行后续探究性实验；针对可行性不足的方案提出改进建议，并重新进行方案规划。在评价方面，每个小组首先明确成员分工，授课教师对小组在前期调研、方案设计和实验性能方面进行整体评价。

在核能应用纤维集成光学模块中，仍采取上述方式开展教学和评价。预设光纤波导测温、应变测量和辐射剂量测量三组实验，各学习小组任选实验。课程设置中给定测量目标，规定所选用技术，如光纤光栅温度传感、长周期光纤光栅应变测、光纤辐射计量技术等，开展实验，并与实验室中的标准温箱、标准力学装置以及标准辐射装置的结果进行比较。在评价方面，以最终实验结果与标准结果的偏差为评价标准对学习小组的学习完成情况进行评价。

在64学时课程结课后，对学生进行标准化考试。标准化考试中弱化具体光学概念的考核，强调利用所学知识解决实际问题的能力。以简答题和论述题为主要试题形式，仅预设参考性答案，对于偏离参考性答案但具有正确光学技术原理的回答按正确回答处理；对于具有创新性的回答，可超出规定分数最高20%的分数弹性制给分。

三、结语

根据哈尔滨工程大学在“三海一核”领域的特色优势和特色行业人才培养方面的具体要求，对光电类专业研究生核心课程高等物理光学进行了改革。从课程体系、课程内容和教学方式三个方面对已有的高等物理光学课程大纲进行了调整和优化，使之进一步提高对“三海一核”行业特色人才培养的有效支撑。将课程进行了模块化教学，提高学生的实践能力和解决行业真实一线问题的能力，解决了现有课程与行业需求脱节的问题。利用多元化评价方式对学生进行考核，使课程整体不拘泥于对知识点的机械性记忆。通过探索新的教学策略，授课教师帮助学生创造了更具吸引力的课程内容和有效的学习方法。最终，面向“三海一核”行业特色的高等物理光学课程改革将有助于培养新一代科学家和工程师，使其具备切实可用的知识储备，并对物理光学有更深刻的理解，有能力运用所学知识解决现实问题。

参考文献：

［1］殷敬伟，谭思超，秦洪德，等.交叉学科在通识教育中的探求：以走进海洋之“三海一核”课程为例［J］.中国现代教育装备，2017（23）：90-92.

［2］彭明祥，龍宇，周勇.行业特色大学跨学科研究生培养模式探析［J］.教育教学论坛，2022（3）：1-4.

［3］刘强，刘超，韩建，等.光学工程专业硕士研究生课程建设研究［J］.工业和信息化教育，2021（9）：63-66.

［4］高玮，朱智涵，沈涛，等.“高等物理光学”课程思政教育研究与实践［J］.教育现代化，2021，8（49）：120-122，154.

［5］龙全喜.论“物理光学”教学方法和考试方法的改革［J］.广东科技，2013（14）：229，209.

［6］汪凯戈.高等物理光学［M］.北京：高等教育出版社，2021.

［7］赵涛.基于“三海一核”学科优势的专业建设途径研究［J］.高等理科教育，2011（6）：95-98.

◎编辑 栗国花