深化光學(xué)課程教學(xué)改革 提高學(xué)生創(chuàng)新能力與綜合素質(zhì)

匡尚奇 宋貴才

[摘 要]文章對長春理工大學(xué)理學(xué)院近4年的本科光學(xué)課程教學(xué)改革實踐進行了總結(jié)，探討分析其在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段方面的經(jīng)驗，為進一步深化光學(xué)教學(xué)改革和提高教學(xué)質(zhì)量積累經(jīng)驗和提供參考。

[關(guān)鍵詞]高等教育;思政教育;光學(xué)課程;本科教學(xué)改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）09-0031-04

培養(yǎng)什么樣的人、怎樣培養(yǎng)人以及為誰培養(yǎng)人是習(xí)近平總書記在北京大學(xué)師生座談會上，站在時代發(fā)展前沿和國家戰(zhàn)略高度，向我國教育界提出的教育命題。針對這一命題，習(xí)總書記進一步指出抓住培養(yǎng)社會主義建設(shè)者和接班人這一根本，扭住思想政治工作體系建設(shè)這一主線，突出以德育人的這一關(guān)鍵，為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興培養(yǎng)更多充滿希望的青年生力軍。習(xí)總書記的這一重要講話為我國教育事業(yè)奠定了基調(diào)，特別為我國亟待改革的高等教育事業(yè)指明了方向。光學(xué)課程作為高等院校物理學(xué)、電子學(xué)、光電子學(xué)和光信息學(xué)等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是構(gòu)建理學(xué)本科生完整物理知識體系不可或缺的核心課程。同時“光學(xué)老又新，前程端似錦”[1]，光學(xué)既是一門古老的學(xué)科，但其發(fā)展又是近代激光技術(shù)、信息技術(shù)和量子技術(shù)的核心原動力。因此，深入學(xué)習(xí)習(xí)總書記講話精神，深化光學(xué)教學(xué)改革，培養(yǎng)具有完善光學(xué)基礎(chǔ)知識的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才對我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)具有非常重要的意義。本文結(jié)合長春理工大學(xué)理學(xué)院近4年的光學(xué)課程教學(xué)實踐，對課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革探索進行了總結(jié)。我們探索的核心是以唯物辯證法指導(dǎo)光學(xué)的教學(xué)與改革，在光學(xué)課程教學(xué)過程中堅持以德育人，致力于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。

一、以唯物辯證法指導(dǎo)光學(xué)課程教學(xué)及其改革

唯物辯證法是馬克思主義哲學(xué)的重要組成部分，是人類認識世界與改造世界最普遍、最有效的科學(xué)武器。因此，作為培養(yǎng)社會主義建設(shè)者與接班人的高校教師首先要對唯物辯證法進行深入學(xué)習(xí)，并努力將其付諸實踐，即用唯物辯證法指導(dǎo)教學(xué)實踐與改革活動，進而以教師的言傳身教來感染和教育學(xué)生。經(jīng)驗表明，教師以身作則，在工作中貫徹唯物辯證法遠比簡單的說教更有說服力和教育意義。我校理學(xué)院近4年的光學(xué)課程教學(xué)經(jīng)驗表明，唯物辯證法至少在以下3方面對光學(xué)教學(xué)工作具有重要的指導(dǎo)意義。

（一）重視光學(xué)基礎(chǔ)知識的講解與積累，促進學(xué)生知識由量變向質(zhì)變轉(zhuǎn)化

光學(xué)是一門承上啟下的重要基礎(chǔ)課程，它是電磁學(xué)的延伸以及電動力學(xué)、物理光學(xué)和激光物理等專業(yè)課的基礎(chǔ)，而在這些相關(guān)知識的銜接過程中麥克斯韋方程組的地位尤為突出，該方程的解就是光波的表達式。但是，由于麥克斯韋方程組較為抽象，其求解的過程又較為復(fù)雜，需要的數(shù)學(xué)知識較多，因此在光學(xué)課程教學(xué)課時有限的情況下，國內(nèi)高校一般采用與力學(xué)中機械波相類比的方法引入光波表達式，而不采用求解麥克斯韋方程組引出光波表達式的教學(xué)方式。采用相類比的方法雖然易于學(xué)生理解，但是對學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程和從事學(xué)術(shù)研究是非常有害的。教師必須遵循知識積累的客觀規(guī)律，學(xué)生對光學(xué)知識的深入理解與掌握這種質(zhì)變必須通過教師不厭其煩的教學(xué)引導(dǎo)來實現(xiàn)。因此，在光波表達式的講解中，教師必須重視由麥克斯韋方程組求解光波表達式這個運算過程的講解，并在一步步的數(shù)學(xué)演算與公式推導(dǎo)過程中向?qū)W生傳達尊重科學(xué)、嚴謹治學(xué)的理念。

（二）重視發(fā)揮實驗在教學(xué)中的作用，做到理論聯(lián)系實際

“人的正確思想是從哪里來的？是從天上掉下來的嗎？不是。是自己頭腦里固有的嗎？不是。人的正確思想，只能從社會實踐中來”[2]，毛澤東主席的這一論斷，深刻闡明了實踐在認識中的地位。同時，人的正確思想的產(chǎn)生是一個過程，即從實踐到認識又從認識到實踐的過程。光學(xué)作為一門以觀察和實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，以往的教學(xué)一般以教師直接講授知識為主，這在一定程度上違背了人對知識認識的客觀規(guī)律，進而造成學(xué)生“一頭霧水”，對教師的講解“不知所云”的現(xiàn)象。對此，教師在教學(xué)過程中應(yīng)努力實現(xiàn)理論與實踐的統(tǒng)一，光學(xué)課堂的實驗演示不失為理論聯(lián)系實踐的有效途徑。以光柵衍射教學(xué)為例，先讓學(xué)生觀察1個狹縫、2個狹縫、5個狹縫和光柵（狹縫數(shù)大于100）的衍射現(xiàn)象，然后思考建立物理建模，再依據(jù)理論進行其他光柵衍射現(xiàn)象的模擬。這樣使學(xué)生經(jīng)歷由興趣到求知到理解光柵理論再到應(yīng)用光柵理論進行其他性能光柵設(shè)計的過程，教學(xué)效果遠好于傳統(tǒng)的講授模式。

（三）以發(fā)展的眼光看待教學(xué)，在教學(xué)中求新求變

事物處于永恒的發(fā)展之中，教師的教學(xué)過程不可能是一成不變的。教學(xué)在形式上是一個重復(fù)勞動的過程，從事多年教學(xué)的教師極易產(chǎn)生職業(yè)倦怠感，甚至有教師以一份教案講授多年，造成教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段陳舊，難以激起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。教學(xué)同樣是一個發(fā)展的過程，其發(fā)展本身就需要不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。在信息時代的今天，如何將學(xué)生的注意力從智能手機吸引回課堂已成為所有教師需要共同面對的問題。教師作為教學(xué)活動的主體，首先要有求新求變的意識，積極嘗試新的教學(xué)手段。我們在教學(xué)中積極嘗試“雨課堂”[3]這種智能教學(xué)手段，學(xué)生通過手機獲得課件和相關(guān)視頻，將手機由“敵人”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸帧?，豐富了教學(xué)內(nèi)容。

二、引導(dǎo)學(xué)生運用唯物辯證法深刻理解與掌握光學(xué)知識與光學(xué)發(fā)展史

一個民族要站在科學(xué)的高峰，就一刻也不能沒有理論思維[4]，而辯證思維方法是認識世界和改造世界的根本方法。作為光學(xué)教師僅給學(xué)生教授光學(xué)基礎(chǔ)知識是遠遠不夠的，所謂授人以魚不如授人以漁，教師還應(yīng)該將光學(xué)理論中蘊含的大量唯物辯證法思想傳授給學(xué)生，以此啟迪學(xué)生的思維。筆者通過近4年的光學(xué)課程教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，可以應(yīng)用唯物辯證法來學(xué)習(xí)光學(xué)的內(nèi)容。

（一）應(yīng)用對立統(tǒng)一規(guī)律深刻認識光的本質(zhì)

世界統(tǒng)一于物質(zhì)，“波粒二象性”——光的本質(zhì)就是最典型的例證。對光的本質(zhì)認識的歷史蘊含著豐富的唯物辯證法思想。光的本質(zhì)研究歷史充分驗證了事物的發(fā)展不是一帆風(fēng)順的，往往會經(jīng)歷否定之否定的螺旋式的發(fā)展過程。由于事物本質(zhì)表現(xiàn)著現(xiàn)實的復(fù)雜層次結(jié)構(gòu)，因此，人對光的本質(zhì)的認識不僅是從現(xiàn)象到本質(zhì)，而且是由波動說的初級本質(zhì)到波粒二象性的二級本質(zhì)，如此不斷加深下去，進而才能更深刻、更準確、更全面地反映光的本質(zhì)這一客觀存在著的實際。對光的本質(zhì)的認識過程生動地表明事物的發(fā)展是前進性與曲折性的統(tǒng)一，我們在任何時候都要以正確的態(tài)度看待前進中的困難與曲折。對新事物新現(xiàn)象開展科學(xué)研究沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗和模式可以照搬，需要大膽創(chuàng)新，開拓進取，而且難免會出現(xiàn)暫時的失誤與曲折。因此，在科學(xué)研究中要正確分析和看待前進中的曲折，不斷總結(jié)經(jīng)驗，找到解決問題的方法，推動科學(xué)研究不斷前進。

另外，光的本質(zhì)——波與粒子的對立統(tǒng)一，也生動地揭示了唯物辯證法的對立統(tǒng)一規(guī)律。要真正認識光的本質(zhì)，就必須把握、研究其一切方面、一切聯(lián)系，真正把握全局。離開全局只看局部，只能理解“波粒二象性”中的一個方面，其結(jié)果無異于“盲人摸象”，只見其一和以偏概全。

（二）應(yīng)用普遍聯(lián)系規(guī)律建立光學(xué)核心知識之間的聯(lián)系

基礎(chǔ)光學(xué)教學(xué)主要包括幾何光學(xué)、光的干涉、光的衍射和光的偏振等核心內(nèi)容，涉及楊氏雙縫干涉、菲涅爾圓孔和圓屏衍射、夫瑯和費單縫、光柵、劈尖、牛頓環(huán)、邁克耳遜干涉儀、薄透鏡和偏振片等諸多光學(xué)裝置，相關(guān)知識給人錯綜復(fù)雜的感覺。對此，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用唯物辯證法對光學(xué)知識進行歸納分析，理清光學(xué)現(xiàn)象與相關(guān)知識之間的內(nèi)在聯(lián)系。分析表明，基礎(chǔ)光學(xué)統(tǒng)一于波動光學(xué)，以波動光學(xué)的疊加原理為主線可以貫穿全部的光學(xué)教學(xué)。光的干涉、衍射和偏振都是在不同條件下的光波的疊加的結(jié)果。具體而言，滿足相關(guān)條件的有限光波的疊加為光的干涉，無限的次波的疊加表現(xiàn)為光的衍射，而當所有的次波均參與疊加時表現(xiàn)為光沿直線傳播。因此，看似紛繁復(fù)雜的諸多光學(xué)現(xiàn)象之間蘊含著事物是普遍聯(lián)系的哲理，即以波動光學(xué)的角度分析，光的干涉、衍射、偏振和直線傳播可以統(tǒng)一于光的疊加原理（包括惠更斯—菲涅爾原理）。通過這一分析，教師還應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生進一步提高對光的傳播行為的認識，通過現(xiàn)象認識本質(zhì)，即日常生活中光的直線傳播規(guī)律只是光傳播的表象，光的傳播規(guī)律是惠更斯—菲涅爾原理所描述的規(guī)律，直線傳播只是在一定條件下的特殊現(xiàn)象。通過上述分析，可使學(xué)生懂得事物都是現(xiàn)象與本質(zhì)的統(tǒng)一，本質(zhì)是決定客觀事物具有各種表現(xiàn)的根據(jù)，是客觀事物內(nèi)在的相對穩(wěn)定的方面;現(xiàn)象是本質(zhì)的表象形式，是通過經(jīng)驗可以認識的客觀事物外部的特性和特征，是客觀事物外在的、比較活動易變的方面?？茖W(xué)研究的一個重要任務(wù)就是要透過事物的現(xiàn)象把握其本質(zhì)。

（三）應(yīng)用唯物辯證法分析光學(xué)發(fā)展史中科學(xué)家的創(chuàng)新思維

創(chuàng)新是社會發(fā)展的不竭動力，創(chuàng)新能力是我國社會主義建設(shè)者與接班人必須具備的重要素質(zhì)。因此，教師在教學(xué)過程中結(jié)合光學(xué)發(fā)展史和唯物辯證法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新意識具有重要的意義。唯物辯證法指出創(chuàng)新就是破除與客觀事物進程不相符合的舊觀念、舊理論、舊模式、舊做法，發(fā)現(xiàn)和運用事物的新聯(lián)系、新屬性、新規(guī)律，更有效地開展認識世界、改造世界的活動。創(chuàng)新思維有諸多具體形式，如聯(lián)想思維、逆向思維、發(fā)散思維、超前思維等等。

縱觀光學(xué)的發(fā)展史我們不難發(fā)現(xiàn)，牛頓的“微粒說”和惠更斯的“波動說”的提出都是基于聯(lián)想思維，即把對微粒和機械波的功能屬性的認識遷移到光波上;麥克斯韋在電磁學(xué)理論的基礎(chǔ)上提出光是一種電磁波就是基于超前思維，即通過分析光波現(xiàn)象的現(xiàn)實狀態(tài)，依據(jù)電磁波客觀規(guī)律和發(fā)展的多種可能性，創(chuàng)造性地預(yù)測光是電磁波的一種形式;愛因斯坦“光量子”理論的提出是基于發(fā)散思維，即充分利用已有的知識，推測、想象光的能量的量子化，讓思維沿著不同思路多維度發(fā)散進行，進而揭示和發(fā)現(xiàn)事物的聯(lián)系和屬性;德布羅意關(guān)于物質(zhì)的“波粒二象性”的理論采用的是逆向思維，愛因斯坦采用正向思維指出光能量的粒子性。同時，教師還應(yīng)該指出，提高創(chuàng)新思維能力，必須反對各種形而上學(xué)的思維方法，做到不唯書不唯上，只唯實。牛頓的微粒說束縛了人們對光的本質(zhì)的認識，近150年的歷史就是最典型的反面案例，正是當時人們?nèi)狈μ魬?zhàn)學(xué)術(shù)權(quán)威的勇氣與創(chuàng)新思維嚴重影響了人類科技的進步。

三、將我國光學(xué)科技發(fā)展前沿成果適時融入教學(xué)中，堅持以德育人

“扭住思想政治工作體系建設(shè)這一主線，突出以德育人的這一關(guān)鍵”是習(xí)總書記對我國高校教育的重要指示。光學(xué)課程雖然是一門理科理論課，其教學(xué)的主要任務(wù)是光學(xué)基礎(chǔ)知識的傳授，但是光學(xué)課堂同樣是教書育人的一線，同樣肩負著以德育人的重要歷史使命。同時，中國光學(xué)是我們可以與世界對話的學(xué)科之一[5]，我國光學(xué)科研前沿有很多可以與世界先進國家比肩甚至是領(lǐng)先的成果，在這些先進研究成果中有許多科學(xué)家可歌可泣、感人至深的事跡。因此，主講光學(xué)課程的教師有義務(wù)時刻關(guān)注我國光學(xué)領(lǐng)域的研究進展，并將其合理地融入教學(xué)過程中，堅持以德育人。在近四年的教學(xué)過程中我們發(fā)現(xiàn)，我國光學(xué)科研的重大成果與基礎(chǔ)光學(xué)的內(nèi)容有著密切的聯(lián)系，幾乎涵蓋了光的干涉、光的衍射、光學(xué)儀器等核心內(nèi)容，具體而言包括以下3個方面。

（一）基于光的干涉原理的“天琴計劃”

光的干涉是指兩列或幾列光波在空間相遇時相互疊加，在某些區(qū)域始終加強，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成穩(wěn)定的強弱分布的現(xiàn)象。激光干涉就是基于光的干涉原理研發(fā)的重要技術(shù)，其在精密測量領(lǐng)域有著重要的作用。隨著2016年美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）報道觀測到引力波，激光干涉技術(shù)進一步成為研究的焦點。筆者教學(xué)時在講解了光的干涉原理之后引入LIGO所使用的激光干涉測量技術(shù)，發(fā)現(xiàn)這樣可以起到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的作用。在引入國外相關(guān)研究進展的同時，筆者還引入我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究進展，以避免學(xué)生以偏概全，無法正確認識我國科研水平，進而形成迷信西方的錯誤認識。與美國的地面探測引力波LIGO相比，我國的“天琴計劃”[6]在太空中對引力波進行觀測，其以3顆衛(wèi)星在距地球50萬千米的高軌上，通過衛(wèi)星上安裝的推力可精細調(diào)節(jié)的微牛級推進器實時調(diào)節(jié)衛(wèi)星的運動姿態(tài)，使得檢驗質(zhì)量始終保持與周圍的保護容器互不接觸的狀態(tài)。高精度的激光干涉測距技術(shù)被用來記錄由引力波引起的、不同衛(wèi)星上檢驗質(zhì)量之間的細微距離變化，從而獲得有關(guān)引力波的信息。筆者在課堂上一般僅簡要介紹我國引力波的項目，讓學(xué)生在課后組成討論小組收集和學(xué)習(xí)相關(guān)知識，并在后續(xù)的課程中由學(xué)生進行報告。教學(xué)結(jié)果表明，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與興趣明顯高于以往，對知識的理解與掌握也更加深入。

（二）基于光的衍射原理的中階梯光柵

光的衍射是基礎(chǔ)光學(xué)的核心知識，其主要的應(yīng)用就是衍射光柵，同時光柵又是眾多光學(xué)儀器中不可或缺的重要元件。筆者在講解衍射光柵相關(guān)知識點的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所研制成功世界上最大面積400mm×500mm中階梯光柵[7]進行講解，這樣不僅可以加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，還可以使學(xué)生了解到我國科研工作者經(jīng)過8年的刻苦攻關(guān)，打破了我國大型光學(xué)系統(tǒng)、遠程探測與識別等大科學(xué)裝置以及國家戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域所需要的高精度大尺寸光柵受制于人的局面，幫助我國光譜儀器行業(yè)擺脫了“有器無心”的局面。學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)還可以了解到我校老校長王大珩院士建立的我國最具實力的光學(xué)科研機構(gòu)——中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所。

（三）基于光學(xué)儀器的像分辨本領(lǐng)的500米口徑球面射電望遠鏡

瑞麗判據(jù)規(guī)定了光學(xué)儀器的最小分辨角，是成像系統(tǒng)分辨本領(lǐng)的判斷標準。瑞麗判據(jù)表明，要提高光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，加大光學(xué)儀器通光孔徑是有效途徑，而中國科學(xué)院國家天文臺自主設(shè)計建造的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）就是最典型的例證。我國的FAST是世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡，其打破了世界上射電望遠鏡的百米極限，將為人類發(fā)現(xiàn)脈沖星、探索暗物質(zhì)和黑洞、研究宇宙起源和地外文明等提供獨特手段，為基礎(chǔ)研究的重大發(fā)現(xiàn)與突破、戰(zhàn)略高技術(shù)的發(fā)展和國際科技合作的開展提供了一流的創(chuàng)新平臺，被譽為中國的“天眼”。同時，我國“天眼”筑夢人——南仁東研究員[8]以超乎常人的精神和毅力，克服了前進道路上的種種困難，為鑄造大國重器作出了舉世矚目的貢獻。南仁東研究員的事跡與精神感人至深，為我們樹立了大公無私、獻身科研、艱苦奮斗的科學(xué)研究者的光輝形象。

四、堅持因材施教，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才

課堂教學(xué)是光學(xué)教學(xué)最重要的組成部分，不斷提高課堂教學(xué)質(zhì)量是教學(xué)工作的重要任務(wù)。為了增多受眾，光學(xué)課程課堂教學(xué)一般僅能依據(jù)中等學(xué)生的接受能力進行講解，這樣很難滿足優(yōu)秀學(xué)生的求知需求，不利于具有創(chuàng)新潛質(zhì)的人才的培養(yǎng)。因此，在近4年的光學(xué)教學(xué)過程中，筆者采取了課堂教學(xué)與科研小組指導(dǎo)相結(jié)合的教學(xué)方式，由光學(xué)科研小組在課后對優(yōu)秀學(xué)生進行學(xué)術(shù)研究的指導(dǎo)。通過努力，科研小組目前有4名本科生先后以第一作者身份發(fā)表了5篇EI檢索論文，取得了一定的成果[9]。實踐表明，這種“抓好典型，照顧一般”的教學(xué)方式不僅有利于優(yōu)秀學(xué)生的脫穎而出，而且有利于教學(xué)質(zhì)量的整體提高，近四年學(xué)生對光學(xué)課程評課的滿意率達到了95%。

五、結(jié)束語

近4年來，我們以唯物辯證法的哲學(xué)理論指導(dǎo)光學(xué)課程教學(xué)及其改革，并在教學(xué)內(nèi)容上積極引入我國光學(xué)科研領(lǐng)域的最新研究成果，以此提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷。其教學(xué)實踐表明，教學(xué)質(zhì)量取得了長足的進步，學(xué)生期末成績普遍提高，優(yōu)秀本科生積極從事學(xué)術(shù)研究，并取得了一定的研究成果。筆者的教學(xué)工作得到了我校師生的認可，2018年被我校評為教學(xué)質(zhì)量優(yōu)秀獎一等獎。但是，光學(xué)課程教學(xué)改革是一項長期的工作，需要我們與時俱進，進一步深入學(xué)習(xí)唯物辯證法，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與方法，為我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)培養(yǎng)更優(yōu)秀的高素質(zhì)人才而不斷努力。

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[9] 匡尚奇.指導(dǎo)理科本科生科研的實踐與思考[J].吉林教育，2018（15）：17-20.

[責(zé)任編輯：龐丹丹]