莊芹芹

（廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院 福建·廈門 361024）

近年來，光電產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)新興的領(lǐng)域，在全世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展。我國光電技術(shù)產(chǎn)品市場十幾年來始終保持領(lǐng)先全球的高速增長速度，已經(jīng)形成市場可觀、發(fā)展?jié)摿薮蟮墓怆姰a(chǎn)業(yè)。而我校所處的廈門市，更是中國LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)源地之一，其LED外延芯片規(guī)模、產(chǎn)業(yè)實(shí)力和產(chǎn)量連續(xù)14年保持全國第一，LED光源類高端產(chǎn)品連續(xù)8年成為全球最大的制造和出口基地之一，占全球產(chǎn)量的三分之一。廈門光電產(chǎn)業(yè)將進(jìn)一步做大做強(qiáng)產(chǎn)業(yè)集群，打造高端燈具、智能照明千億產(chǎn)業(yè)鏈。在此大環(huán)境下，為廈門乃至全國的光電產(chǎn)業(yè)輸送具備扎實(shí)的專業(yè)理論基礎(chǔ)和實(shí)踐操作技能、具有嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)素養(yǎng)和開放創(chuàng)新思維的專業(yè)人才是我校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)建設(shè)的重要目標(biāo)。

基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的最重要的基礎(chǔ)實(shí)踐課程之一，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含了應(yīng)用光學(xué)和物理光學(xué)的大部分內(nèi)容，以及部分近代光學(xué)基礎(chǔ)。該門課程的開展對于學(xué)生掌握光學(xué)知識、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能、提高綜合素質(zhì)起到至關(guān)重要的作用。

1 基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)及存在的問題

光學(xué)類實(shí)驗(yàn)通常具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，對光學(xué)理論的掌握程度要求較高，尤其是需要自行搭建光路的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只有在充分理解了實(shí)驗(yàn)原理和光路圖的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，才能搭建出正確的光路并得到合理的結(jié)果。第二，光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器大多為精密儀器，對人為操作要求很高，經(jīng)常需要處于平穩(wěn)的平臺上在光路完全靜止的狀態(tài)下進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，否則失之毫厘將謬之千里。第三，許多光學(xué)實(shí)驗(yàn)需要在暗室條件下長時(shí)間對光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行觀測，極易引起視覺疲勞，這對實(shí)驗(yàn)者的身心狀態(tài)都提出了較高的要求。

目前，在基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)的過程中，主要存在以下五個(gè)問題：第一，光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器通常較為精密且昂貴，所以光學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作規(guī)范較多、較細(xì)致，盡管緒論課作了講解，但是學(xué)生通常掌握不夠全面，在實(shí)際操作過程中往往做得不夠到位，導(dǎo)致對光學(xué)元件乃至整個(gè)儀器造成損傷，或者增大了系統(tǒng)誤差，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性產(chǎn)生影響。另外，課后處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、進(jìn)行誤差分析不夠規(guī)范，例如套用了不夠合理的公式、保留有效位數(shù)有誤等，同樣影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。第二，預(yù)習(xí)不夠充分，對實(shí)驗(yàn)原理的理解不夠透徹，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)操作時(shí)理性認(rèn)識不足，便無法取得最佳的課堂效果。第三，教師考慮到大部分學(xué)生預(yù)習(xí)效果有限，在課堂上花費(fèi)大量時(shí)間過于詳細(xì)地講解實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟，剝奪了學(xué)生獨(dú)立思考的空間和時(shí)間。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的儀器實(shí)物圖多給出了各元件之間的距離參數(shù)，而這些參數(shù)往往無需定值，甚至可有較大的調(diào)整空間，這在一定程度上妨礙了學(xué)生在光路搭建過程中的思考和探索。第四，學(xué)生多習(xí)慣于注重對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、計(jì)算和處理，而忽略了對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的仔細(xì)觀察、記錄和分析，而從事實(shí)驗(yàn)工作，數(shù)據(jù)不是唯一重要的觀測內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)處于同等重要的地位。第五，我校的基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置為每個(gè)實(shí)驗(yàn)兩課時(shí)，在這有限的時(shí)間里，要完成對實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、操作、記錄，及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中所產(chǎn)生的各種問題并探討和解決，還要對實(shí)驗(yàn)全程及其結(jié)果進(jìn)行討論和總結(jié)，兩個(gè)課時(shí)有時(shí)顯得不夠?qū)捲！?/p>

2 基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索

2.1 新增實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識測試環(huán)節(jié)

古人有云，磨刀不誤砍柴工。盡管實(shí)驗(yàn)課程以操作為主，但是，熟悉光學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作規(guī)范、認(rèn)識各種常用光學(xué)元件、掌握數(shù)據(jù)處理和誤差分析的方法，對于實(shí)驗(yàn)課程的開展極其關(guān)鍵。于是，除了緒論課上的講解，增加測試環(huán)節(jié)，將極大引起學(xué)生對實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識的重視，在復(fù)習(xí)、測試和糾錯的過程中，又進(jìn)一步對這些知識進(jìn)行了鞏固，這將對實(shí)驗(yàn)課程的開展奠定良好的基礎(chǔ)。

2.2 借助慕課平臺進(jìn)行課前預(yù)習(xí)

對于課堂大部分時(shí)間都應(yīng)用于實(shí)踐操作的實(shí)驗(yàn)課程來說，預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)則顯得尤為重要，富有成效的預(yù)習(xí)將大大節(jié)約課堂上的講解時(shí)間，且有助于學(xué)生帶著問題、帶著思考進(jìn)行操作。在網(wǎng)絡(luò)信息如此發(fā)達(dá)的現(xiàn)在，互聯(lián)網(wǎng)平臺為教育領(lǐng)域提供了大量的優(yōu)質(zhì)資源，慕課（大規(guī)模開放性的在線課程，MOOCs）便是其中之一，學(xué)生可利用移動終端或個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，構(gòu)成線上和線下互為補(bǔ)充又相對獨(dú)立的模式。于是，我們便可借助慕課平臺來實(shí)現(xiàn)高效的預(yù)習(xí)過程。學(xué)生首先自行閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的內(nèi)容，再通過慕課平臺觀看在線視頻進(jìn)一步了解實(shí)驗(yàn)背景、原理、內(nèi)容、步驟和注意事項(xiàng)等，最后通過幾道小測試題、思考題來加深對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解，這將極大提高預(yù)習(xí)的成效。借助這種的預(yù)習(xí)模式，還能實(shí)現(xiàn)真正意義上的差別化的“分層教學(xué)”：對于自學(xué)能力較強(qiáng)的學(xué)生，在基本了解指導(dǎo)書中所闡述的內(nèi)容之余，還便于他們進(jìn)行更多更深入的思考，課堂上便能更加有針對性地、主動地進(jìn)行探索活動或與教師探討，實(shí)現(xiàn)了“翻轉(zhuǎn)課堂”；而對于基礎(chǔ)較弱的學(xué)生，原先單單通過閱讀晦澀的指導(dǎo)書的預(yù)習(xí)方式可能會使他們對實(shí)驗(yàn)的理解存在一些困難，慕課中可反復(fù)觀看的在線視頻則有望大大改善他們的預(yù)習(xí)效果，進(jìn)而提高他們在課堂上的參與度。

2.3 修訂指導(dǎo)書，改變授課方式

高等教育的目標(biāo)之一是培養(yǎng)具有獨(dú)立思考、探索能力和創(chuàng)新思維的高素質(zhì)人才，所以，大學(xué)的課堂則要充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性而不是填鴨式的教學(xué)。在學(xué)生已然進(jìn)行充分預(yù)習(xí)的前提下，課堂應(yīng)當(dāng)留有足夠的時(shí)間和空間進(jìn)行操作、思考和探索，這需要從兩個(gè)方面進(jìn)行轉(zhuǎn)變：實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和授課方式。指導(dǎo)書中的實(shí)驗(yàn)步驟部分可適當(dāng)刪減一些細(xì)節(jié)，避免學(xué)生不假思索對著書本依樣畫葫蘆，尤其對于自搭光路實(shí)驗(yàn)，儀器實(shí)物圖將不再提供距離參數(shù)，由學(xué)生在理解光路原理圖的基礎(chǔ)上自行探索各光學(xué)元件之間的距離。教師在課堂上的講授除再次強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)以外，應(yīng)更多地引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多角度的思考和探索，而不再是單調(diào)地講解原理和步驟。通過這兩個(gè)方面的轉(zhuǎn)變，將能有效提高學(xué)生的獨(dú)立思考能力、探索能力乃至創(chuàng)新能力，真正滿足高等教育對于人才的實(shí)際需求。舉個(gè)例子，在《菲涅爾雙棱鏡》實(shí)驗(yàn)中，光源鈉燈和凸透鏡之間的距離應(yīng)當(dāng)近似于凸透鏡的焦距以產(chǎn)生均勻的光（平行光）；凸透鏡和狹縫之間的距離雖對光路無影響，但考慮到光強(qiáng)在空氣中的衰減，可以取一個(gè)較小的值來保證后續(xù)光路中的光強(qiáng)以便于觀察；狹縫和雙棱鏡之間的距離直接影響了虛光源的間距的值（d），這個(gè)值不宜過大也不宜過小，這就需要在搭建光路時(shí)根據(jù)觀察到的現(xiàn)象來調(diào)整；測微目鏡的位置決定了其與狹縫之間的距離值（D）；而d與D都將影響所觀測干涉條紋的形貌。這些都必須對光路原理圖有充分的理解才得以掌握，還要結(jié)合實(shí)驗(yàn)中所觀察到的現(xiàn)象再進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以盡可能減小實(shí)驗(yàn)誤差、得到最佳的實(shí)驗(yàn)效果。而這一過程，首先需要學(xué)生在課前對實(shí)驗(yàn)原理有足夠的理解并進(jìn)行初步的思考，其次需在課堂上擁有足夠的時(shí)間進(jìn)行摸索，所以，我們的改革措施環(huán)環(huán)相扣，缺一不可。

2.4 培養(yǎng)學(xué)生仔細(xì)觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的習(xí)慣

由于數(shù)據(jù)的記錄和計(jì)算的客觀性，具有標(biāo)準(zhǔn)答案，使得學(xué)生長年習(xí)慣于記錄數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)，而實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和記錄，因其較為主觀，甚至具有一些感性成分而不常用作評分依據(jù)，因此往往不被絕大多數(shù)學(xué)生所重視。然而，眾所周知，任何科學(xué)實(shí)驗(yàn)的探索都必須同時(shí)關(guān)注現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，有些實(shí)驗(yàn)甚至現(xiàn)象比數(shù)據(jù)更為重要。所以，需要培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成在實(shí)驗(yàn)的全過程始終關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并在必要時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的習(xí)慣。這也有助于培養(yǎng)學(xué)生在今后的任何工作中都善于專注過程、記錄細(xì)節(jié)的科學(xué)素養(yǎng)。例如實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目《偏振光的觀測與分析》，十分側(cè)重于對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察和記錄，在以往的開課經(jīng)驗(yàn)中，學(xué)生對現(xiàn)象的描述水平參差不齊，要么不夠完整，要么沒有記錄到重點(diǎn)；此外，還需根據(jù)所掌握的實(shí)驗(yàn)原理來對觀測到的現(xiàn)象進(jìn)行深入的分析，只有對偏振光和波晶片對偏振光的影響的相關(guān)知識點(diǎn)有足夠深入的理解，才足以將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和理論知識聯(lián)系起來并作出正確的解析。若能培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的全過程始終關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的良好習(xí)慣，結(jié)合對原理的理解和思考，這樣一個(gè)“觀察——記錄——分析”的科學(xué)探索過程，將對鍛煉學(xué)生的觀察能力、表達(dá)能力和分析能力起到十分積極的作用。

2.5 合理開放實(shí)驗(yàn)室

鑒于課堂時(shí)間有限，個(gè)別學(xué)生可能由于各種原因未能在課堂時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，或者在整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中存在缺陷，抑或個(gè)別基礎(chǔ)較好、創(chuàng)意較多的學(xué)生在課本知識點(diǎn)之外引申出自己的奇思妙想有待驗(yàn)證，在課后適時(shí)開放實(shí)驗(yàn)室則能夠很好地解決這些問題。制定一個(gè)合理的實(shí)驗(yàn)室開放管理辦法，允許有需求的學(xué)生在課余時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)，同時(shí)安排專業(yè)老師為他們提供必要的指導(dǎo)和安全防護(hù)。這一舉措能夠幫助這些學(xué)生更好地完成實(shí)驗(yàn)?zāi)酥撂剿魑粗?，也有助于他們培養(yǎng)實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)素養(yǎng)。

2.6 充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)課程的一部分，作為實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充和擴(kuò)展，具有許多顯著的優(yōu)勢：實(shí)驗(yàn)開展不受時(shí)間、地點(diǎn)和人數(shù)的限制，安全性高，便于維護(hù)和升級等。我校擁有省級大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，能為師生提供良好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。學(xué)生可自由支配時(shí)間來開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，無論是實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)置，還是實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇，都能夠更加多樣和細(xì)致，這將極大調(diào)動學(xué)生探索的積極性、主動性和創(chuàng)造性。必須指出的是，在特殊時(shí)期，例如2020年初我國遭遇新型冠狀病毒疫情，師生們無法按照原定時(shí)間返校上課，正由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展不受地點(diǎn)限制，便能夠臨時(shí)成為實(shí)踐類課程的最佳替代方案。所以，要充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，做到虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)，以此來提高基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的廣度和深度。

3 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)向廈門乃至全國的光電產(chǎn)業(yè)輸送具備扎實(shí)的專業(yè)理論基礎(chǔ)和實(shí)踐操作技能、具有嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)素養(yǎng)和開放創(chuàng)新思維的專業(yè)人才的重要目標(biāo)，高等教育中光學(xué)實(shí)踐類課程的開展所取得的成效至關(guān)重要。盡管我校開設(shè)的基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，屬于專業(yè)基礎(chǔ)類課程，但客觀存在的一系列問題仍在一定程度上制約了學(xué)生對光學(xué)知識、實(shí)驗(yàn)技能的掌握水平和綜合能力的養(yǎng)成。本文提出了六種切實(shí)可行的針對基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革方案，包括：新增實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識測試環(huán)節(jié)、借助慕課平臺進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、修訂指導(dǎo)書和改變授課方式、培養(yǎng)學(xué)生仔細(xì)觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的習(xí)慣、合理開放實(shí)驗(yàn)室、充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺等，其中，慕課平臺和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的高效使用則得益于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代背景。以上改革措施將有助于將我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式由傳統(tǒng)的“教師中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)生中心”，使學(xué)生更加深入地掌握光學(xué)及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)的理論知識，提高他們的獨(dú)立思考能力、探索能力和創(chuàng)新能力，鍛煉他們的觀察能力、表達(dá)能力和分析能力，培養(yǎng)他們實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)素養(yǎng)，調(diào)動他們探索的積極性、主動性和創(chuàng)造性。