工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革探究
——以黃山學(xué)院為例

黃志永

（黃山學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 黃山 245041）

1 基本情況概述

工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是獨(dú)立設(shè)置的必修專業(yè)課實(shí)驗(yàn)課程，它既要以學(xué)生做過的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)為起點(diǎn)，又要與后繼的實(shí)驗(yàn)課程適當(dāng)配合，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容從基礎(chǔ)的幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)到后面的干涉衍射和偏振實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多，實(shí)驗(yàn)操作難度較大，黃山學(xué)院的光信息科學(xué)與工程專業(yè)的工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

表1 黃山學(xué)院工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)課實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目表

2 存在的主要問題

1.學(xué)生基礎(chǔ)理論不足，對(duì)光學(xué)概念的理解仍然處于高中學(xué)的幾何光學(xué)知識(shí)框架內(nèi)。比如對(duì)于透鏡成像的研究過程，不會(huì)使用符號(hào)法則，對(duì)放大的像不會(huì)考慮景深帶來的系統(tǒng)誤差；只會(huì)畫最簡單的光路圖等，這些問題都反應(yīng)了學(xué)生在上實(shí)驗(yàn)課前理論知識(shí)欠缺。

2.缺乏光學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)本身的較為復(fù)雜，許多學(xué)生高中沒有系統(tǒng)地做過實(shí)驗(yàn)，沒有足夠的耐心全身心投入到實(shí)驗(yàn)過程中，由于后期實(shí)驗(yàn)使用手持讀數(shù)顯微鏡，而顯微鏡的視場(chǎng)范圍是有限的，很長時(shí)間找不到清晰的像，易讓學(xué)生產(chǎn)生挫敗感，甚至放棄實(shí)驗(yàn)。

3.缺少實(shí)驗(yàn)拓展。工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)容易和物理學(xué)中的光學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目重復(fù)，都是以傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。比如平行光管的調(diào)節(jié)和使用，透鏡組節(jié)點(diǎn)的測(cè)定等，這些實(shí)驗(yàn)在固定的導(dǎo)軌上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)過程較為簡單，缺少動(dòng)手能力的鍛煉。

4.實(shí)驗(yàn)考核較為單一。以往實(shí)驗(yàn)成績往往按照學(xué)生完成的基本情況結(jié)合學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出綜合的成績，這樣的成績判定缺乏科學(xué)性，容易產(chǎn)生讓學(xué)生偷懶抄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得成績的情況。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究思路

根據(jù)工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中出現(xiàn)的問題，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，淘汰側(cè)重于理論的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是該專業(yè)課程中對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的實(shí)踐性課程，應(yīng)該更側(cè)重于應(yīng)用，例如原先實(shí)驗(yàn)大綱中關(guān)于透鏡組節(jié)點(diǎn)的測(cè)定等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏重于基礎(chǔ)光學(xué)方面，理論性大于應(yīng)用性不符合該專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，故可考慮刪去，而增加白光全息照相，平行光管測(cè)量透鏡分辨率2 個(gè)實(shí)驗(yàn)，此外，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改進(jìn)。

3.1.1 對(duì)位移法測(cè)量透鏡焦距的改進(jìn)

位移法測(cè)量透鏡焦距是傳統(tǒng)測(cè)量透鏡焦距的方法，其理論基礎(chǔ)是貝塞爾公式，主要使用的是白熾燈的光源。通過將物和屏的距離調(diào)至四倍焦距之外，移動(dòng)凸透鏡分別記錄放大像和縮小像的位置，從而測(cè)出凸透鏡位移，用對(duì)稱性計(jì)算出透鏡的焦距。學(xué)生通過光學(xué)導(dǎo)軌來完成實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)難度不大，共軸等高調(diào)節(jié)較為簡單，通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，在光學(xué)平臺(tái)上即一個(gè)二維平面上完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)光路的調(diào)節(jié)難度就大大提高，加深學(xué)生對(duì)于共軸等高調(diào)節(jié)過程的印象[1]。同時(shí)也可以改變實(shí)驗(yàn)光源，讓學(xué)生通過氦氖激光器來完成透鏡焦距測(cè)量實(shí)驗(yàn)，拓展了焦距測(cè)量實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解了更多光源下焦距測(cè)量的方法。

3.1.2 對(duì)偏振光檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

通過增加光功率計(jì)可以測(cè)出偏振光的光強(qiáng)，從而驗(yàn)證馬呂斯定律，并填寫表2。

表2 驗(yàn)證馬呂斯定律

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容除了定性的記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還多了定量計(jì)算，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)的難度。其中光功率計(jì)要求在暗室的環(huán)境操作，對(duì)共軸等高的調(diào)節(jié)要求較高。

3.1.3 對(duì)邁克爾遜干涉儀的改進(jìn)

傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀是整體式的，由于儀器中分光板和補(bǔ)償扳的位置是固定的，只能調(diào)節(jié)入射光和反射光的傾角，實(shí)驗(yàn)難度就大大降低了，采用WSZ型光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，把邁克爾遜干涉儀改成自組光路形式，讓學(xué)生在平臺(tái)上通過激光良好的自準(zhǔn)直性能自組光路，如圖1，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)不僅了解了邁克爾遜干涉儀的原理，而且對(duì)激光的自準(zhǔn)直調(diào)節(jié)也有了更加深入的理解。

圖1 自組邁克爾遜干涉儀

3.2 增加二維光學(xué)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)比例

傳統(tǒng)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)大部分是在一維導(dǎo)軌上調(diào)節(jié)，對(duì)光路的調(diào)節(jié)只需要調(diào)至共軸等高即可，實(shí)驗(yàn)拓展性不夠，工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)采用WSZ型光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)系統(tǒng)由光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、工作臺(tái)、多維調(diào)整架、光源、光學(xué)元件組成[2]?？梢栽诙S的光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，選擇合適的組件自組光路，進(jìn)行開放式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力及實(shí)驗(yàn)技巧，提高教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生從簡單的光路調(diào)節(jié)入手，逐步增加難度，從最簡單的自組顯微鏡目鏡到后面復(fù)雜的自組邁克爾遜干涉儀，通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由淺入深，逐步調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性，主動(dòng)性。

3.3 強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的重要性，實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合

工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，前幾個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更加側(cè)重于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)儀器的使用[3]，隨著學(xué)生對(duì)光學(xué)理論的掌握,實(shí)驗(yàn)難度逐漸提高，比較典型的實(shí)驗(yàn)是阿貝成像原理和空間濾波，該實(shí)驗(yàn)是第四學(xué)期信息光學(xué)課的理論應(yīng)用，涉及到傅里葉光學(xué)的理論，如果不在實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)理論進(jìn)行詳細(xì)介紹，即使完成了實(shí)驗(yàn)也不知其所以然。因此在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)該補(bǔ)充大約半個(gè)小時(shí)的傅里葉光學(xué)的相關(guān)知識(shí)，沒有目標(biāo)的教學(xué)是不能激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性的，還會(huì)造成適得其反的不良效果，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的厭煩和困惑，理論教學(xué)必須跟上實(shí)驗(yàn)操作，這樣才能避免實(shí)驗(yàn)過程中的盲目性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)既有相對(duì)獨(dú)立性，更要相互緊密聯(lián)系。預(yù)習(xí)時(shí)要提供給學(xué)生相應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀器的ppt 和調(diào)節(jié)視頻，學(xué)生如果只是根據(jù)實(shí)驗(yàn)講義的文字內(nèi)容很難對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)原理和過程有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。

3.4 與網(wǎng)絡(luò)，多媒體教學(xué)相結(jié)合

工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)所用光學(xué)平臺(tái)里面的配件較多，需要學(xué)生自組光路，在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生往往面對(duì)較多的光學(xué)配件沒有頭緒，會(huì)耽誤很多時(shí)間。開課前錄制實(shí)驗(yàn)配件介紹和使用的視頻，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)，可以有效利用課外時(shí)間，掌握光學(xué)配件及使用的基本知識(shí)。還把一些光學(xué)基本操作錄制視頻放在網(wǎng)絡(luò)上，比如共軸的調(diào)節(jié)，平行光的調(diào)節(jié),這些都是每個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)中必須要掌握的基礎(chǔ)方法，但具體到某個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作還是讓學(xué)生自行摸索，不能完全演示，要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動(dòng)性[4]。在介紹實(shí)驗(yàn)背景和數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)可以通過多媒體ppt的形式，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)有感性的認(rèn)識(shí)，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。比如在介紹偏振光的產(chǎn)生和檢驗(yàn)時(shí)，通過介紹3d電影眼鏡和單反相機(jī)鏡頭中鍍膜用到的偏振光知識(shí)來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，然后再開始實(shí)驗(yàn)操作，能讓學(xué)生有更大的積極性。另外工程光學(xué)的光路圖比較復(fù)雜，在黑板上繪制光路圖要花很長的時(shí)間，通過多媒體演示就可以很方便地解決這個(gè)問題。在演示實(shí)驗(yàn)中可以把比較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果拍成照片，給下一組的學(xué)生在ppt上演示，提高學(xué)生的競(jìng)爭意識(shí)和能動(dòng)性。多媒體教學(xué)可以很好地豐富實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容。

3.5 實(shí)驗(yàn)成績考核方法的改進(jìn)

黃山學(xué)院工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)課的成績是按照大學(xué)物理的評(píng)價(jià)方法，預(yù)習(xí)報(bào)告20%，操作50%，數(shù)據(jù)處理30%。這樣的考核，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生預(yù)習(xí)的積極性，通過對(duì)近年工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)總結(jié)，可以加大實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和操作所占的比例，改變學(xué)生抄襲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況。比如學(xué)生必須把原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)附紙貼在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上，對(duì)于學(xué)生的操作情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)打操作分，要求實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象拍照發(fā)到指定qq群里。通過加強(qiáng)平時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)成績的考核方式方法，可以讓學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)課程，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

4 總 結(jié)

通過工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，增加綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的投入程度，使實(shí)驗(yàn)課能夠發(fā)揮提高學(xué)生動(dòng)手能力、應(yīng)用能力的作用，對(duì)后續(xù)的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)起到很好的促進(jìn)作用。