關(guān)于新時(shí)代下光學(xué)課程建設(shè)及教學(xué)改革的探索

李鵬 呂長武

新疆大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 新疆烏魯木齊 830046

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，國家對(duì)教育的支持和投入不斷增長，課程建設(shè)和教學(xué)改革不斷推進(jìn)。慕課、微課、直播課等視頻課程大量上線，一流專業(yè)、一流課程建設(shè)大力開展，線上線下混合式、融合式教學(xué)模式發(fā)揮了重要的作用，并將持續(xù)發(fā)揮其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)質(zhì)資源優(yōu)勢(shì)。新時(shí)代為建設(shè)教育強(qiáng)國，高等學(xué)校落實(shí)黨的教育方針，以立德樹人為根本任務(wù)，努力培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的高層次人才，走內(nèi)涵式發(fā)展道路。我院抓住機(jī)遇積極開展一流課程建設(shè)和教學(xué)改革以適應(yīng)新時(shí)代教育改革要求[1]，下面以光學(xué)課程為例介紹課程建設(shè)和教學(xué)改革現(xiàn)狀。

一、完善課程團(tuán)隊(duì)梯隊(duì)建設(shè)

“光學(xué)”是物理學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，是物理學(xué)課程的重要組成部分。學(xué)院承擔(dān)學(xué)校理工科“大學(xué)物理”“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”等公共課程教學(xué)，教學(xué)任務(wù)比較重，專業(yè)教師數(shù)量就略顯不足。長久以來，學(xué)院的專業(yè)課都是由資深老教師承擔(dān)并傳承下來，由于專業(yè)班級(jí)不是很多，二合班或者三合班就較為常見，所以一門專業(yè)課程基本都是一位到兩位老師進(jìn)行授課。在教師少學(xué)生多、沒有助教的情況下，教師在時(shí)間和空間上，都不能夠做到和學(xué)生較好地開展教與學(xué)，也使得教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況和個(gè)人情況了解和掌握不夠全面。面對(duì)新的形勢(shì)，就需要打破現(xiàn)有的專業(yè)課程教學(xué)的不利局面。一是要以雙一流建設(shè)為契機(jī)，大力引進(jìn)具有高學(xué)歷、高學(xué)識(shí)、高素質(zhì)的優(yōu)秀青年人才。通過集中培訓(xùn)、個(gè)別聽課、組織學(xué)習(xí)后充實(shí)到專業(yè)課程教學(xué)隊(duì)伍當(dāng)中，同時(shí)可以使青年教師在科研領(lǐng)域研究的最前沿的內(nèi)容融入教學(xué)中；二是注重專業(yè)課程團(tuán)隊(duì)的建立和梯隊(duì)的建設(shè)。優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)可以彌補(bǔ)單人承擔(dān)課程教學(xué)的許多不足，可以通過集體備課確定重難點(diǎn)、共同探討教學(xué)設(shè)計(jì)、責(zé)任及明確的分工，做好充分教學(xué)準(zhǔn)備。建立的團(tuán)隊(duì)要形成良好梯隊(duì)，既要有經(jīng)驗(yàn)豐富的中年教師，也要有活力四射的青年教師，不僅要充分發(fā)揮個(gè)人特質(zhì)及特長，更要發(fā)揮團(tuán)隊(duì)協(xié)作優(yōu)勢(shì)；三是單班授課。單班授課可以使團(tuán)隊(duì)中的教師都能積極投身于教學(xué)一線，不僅可以使團(tuán)隊(duì)教師迅速成長，還可以讓教師有精力充分掌握班級(jí)學(xué)生具體情況，因材施教。專業(yè)教師的投入并不是對(duì)師資力量的浪費(fèi)，這不僅可以讓教師的教學(xué)對(duì)科研提供幫助，還可以讓教師的科研反哺教學(xué)，做到教學(xué)科研相長；四是加強(qiáng)加深對(duì)于專業(yè)課程的認(rèn)識(shí)。根據(jù)教育部統(tǒng)計(jì)調(diào)查顯示[2]，高校教師80%以上是專業(yè)教師，高校課程80%以上是專業(yè)課程，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間80%以上是專業(yè)學(xué)習(xí)，而80%的大學(xué)生認(rèn)為，對(duì)自己成長影響最深的是專業(yè)課和專業(yè)教師。不難看出，專業(yè)課教師是我們的“主力軍”，專業(yè)課教學(xué)是教師的“主戰(zhàn)場”，專業(yè)課課堂更是育人的“主渠道”。

二、積極開展線上線下混合式教學(xué)

線上線下混合式教學(xué)模式已經(jīng)出現(xiàn)并慢慢成熟起來。對(duì)于物理學(xué)中基礎(chǔ)課程“光學(xué)”課程來說，這種模式可能成為更好的選擇。一個(gè)行政教學(xué)班級(jí)在雨課堂中設(shè)置為兩個(gè)編號(hào)班級(jí)，一個(gè)編號(hào)班級(jí)用于線下教學(xué)，一個(gè)編號(hào)班級(jí)用于線上教學(xué)。線下教學(xué)的班級(jí)，是在同一個(gè)空間里通過雨課堂在網(wǎng)絡(luò)上同步開啟在線教學(xué)，教室里的同學(xué)可以在現(xiàn)場聽教師的授課，學(xué)習(xí)知識(shí)，通過直接交流或者反轉(zhuǎn)課堂達(dá)到學(xué)習(xí)目的。還可以通過手機(jī)參與雨課堂中的答題、投稿、彈幕等互動(dòng)環(huán)節(jié)。與此同時(shí)，由于各種原因不能在班級(jí)里上課的同學(xué)通過雨課堂在線聽課，通過雨課堂的多種互動(dòng)功能(答題、投稿、彈幕等)結(jié)合騰訊會(huì)議等達(dá)到與在教室上課的同學(xué)一樣上課的感受和效果。線下的課程主要以重點(diǎn)、難點(diǎn)等知識(shí)點(diǎn)為主要授課內(nèi)容，也可以拓展相關(guān)內(nèi)容。同時(shí)也通過雨課堂在線直播錄制教學(xué)視頻，提供給學(xué)生反復(fù)觀看和收聽。線上教學(xué)的班級(jí)，主要是通過雨課堂給同學(xué)發(fā)送“光學(xué)”課程相關(guān)的慕課視頻、預(yù)習(xí)課件、課后作業(yè)、測(cè)試題、PPT學(xué)習(xí)課件、復(fù)習(xí)課件等提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)預(yù)習(xí)、自學(xué)、復(fù)習(xí)的良好習(xí)慣。同時(shí)可以根據(jù)教學(xué)進(jìn)度和學(xué)生掌握情況不定時(shí)地有選擇性地開啟在線直播，講解習(xí)題，和學(xué)生一起探討“光學(xué)”課程中遇到的在線下課程中沒有解決的問題。線上課程的開啟和融合，使慕課視頻的觀看和學(xué)習(xí)、課件的學(xué)習(xí)和總結(jié)、課后作業(yè)習(xí)題的解答變得直觀有效，更重要的是解除了共同學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)時(shí)間和空間上的限制。

三、通過教學(xué)設(shè)計(jì)改變教學(xué)方法

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的基礎(chǔ)學(xué)科，而“光學(xué)”是一門實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，僅僅用以前PPT課件或者板書進(jìn)行課程講解已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。需要通過教學(xué)設(shè)計(jì)在教學(xué)方法上有新的變革。以往的“滿堂灌”“填鴨式”的教學(xué)方法完全破壞了學(xué)生獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)能力，教師細(xì)致的講解、反復(fù)的強(qiáng)調(diào)也逐漸培養(yǎng)了學(xué)生被動(dòng)式學(xué)習(xí)和依賴性。這種授課方式大大降低了學(xué)生自我體驗(yàn)、自我感悟、自我探索的積極性。要通過教學(xué)方法的改變，提高學(xué)生自主性學(xué)習(xí)、合作性學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)的能力?？梢栽囍鴱囊韵聨讉€(gè)方面開展：一是做好教學(xué)設(shè)計(jì)，確定主體。教學(xué)設(shè)計(jì)是根據(jù)“光學(xué)”課程要求和教學(xué)對(duì)象的特點(diǎn)，將教學(xué)所有要素做好安排，確定合適的教學(xué)方案的設(shè)想和計(jì)劃。通過調(diào)整教學(xué)方法，充分運(yùn)用小組討論環(huán)節(jié)、拓展反轉(zhuǎn)課堂等，讓學(xué)生成為教學(xué)中的核心。二是增加課堂演示，印象深刻?！肮鈱W(xué)”課程中將實(shí)驗(yàn)演示搬入課堂。譬如比較經(jīng)典的單縫衍射、圓孔衍射以及三棱鏡分光實(shí)驗(yàn)，可以充分利用課堂暗環(huán)境和簡單光學(xué)元件即可實(shí)現(xiàn)較為明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生身臨其境，充分感受光學(xué)的神奇，從而激發(fā)學(xué)生的好奇心和探索欲。三是課堂中加入慕課視頻或者Flash動(dòng)畫，生動(dòng)形象。譬如雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，采用不同波長的單色光、不同的雙縫間距或是雙縫與觀察屏不同的距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以很清楚的看到觀察屏上干涉條紋間距的變化等現(xiàn)象，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中記憶深刻。慕課視頻是“光學(xué)”課程改革的重要組成部分。目前，也有很多高校都已經(jīng)制作了慕課視頻，方式多樣，但是質(zhì)量參差不齊。慕課的制作應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)和選取的教材，有針對(duì)性地、有重點(diǎn)地進(jìn)行視頻和音頻的錄制。上傳到學(xué)校的云端，供學(xué)生觀看學(xué)習(xí)。四是和理論課程配套的單獨(dú)開設(shè)的“光學(xué)實(shí)驗(yàn)”，理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)。譬如在幾何光學(xué)的介紹中，薄透鏡(凸透鏡、凹透鏡、凸面鏡、凹面鏡)成像的實(shí)驗(yàn)，阿貝折射實(shí)驗(yàn)、邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)等就可以很好地讓學(xué)生親自動(dòng)手完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容，體驗(yàn)光學(xué)的魅力與樂趣。在等厚干涉的理論學(xué)習(xí)中，有對(duì)應(yīng)的牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)和薄片厚度的測(cè)量。學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)的過程中，通過改變不同條件觀察光學(xué)圖樣的變化。從中提升自我體驗(yàn)、自我探索的積極性。五是多采取舉例分析式、問題解決式、學(xué)生宣講式、開放討論式的以學(xué)生為主體的開放式的教學(xué)方法，讓學(xué)生真正成為教與學(xué)的主體。

四、教學(xué)設(shè)計(jì)案例

在“光學(xué)”課程講授中，把對(duì)光的本性認(rèn)識(shí)發(fā)展的經(jīng)典故事、生活中的光學(xué)現(xiàn)象、古詩詞中的光學(xué)景象適當(dāng)引入知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)當(dāng)中，通過舉例、問題引導(dǎo)和探究性學(xué)習(xí)把抽象的概念和問題具體化、形象化，引發(fā)學(xué)生深入思考從而提高大學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新思維能力，更好達(dá)到人才培養(yǎng)的目的。

在講到光的波粒二象性這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)，目前光的波粒二象性在科學(xué)界已有共識(shí)，光不僅是粒子也是波，但不是我們所熟識(shí)的經(jīng)典粒子或者經(jīng)典的波，而是波動(dòng)性和粒子性的矛盾的對(duì)立統(tǒng)一體。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)“既對(duì)立又統(tǒng)一”這一認(rèn)識(shí)會(huì)很疑惑，光是一種電磁波，為什么一會(huì)說是波，一會(huì)又說成是粒子。在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，光主要表現(xiàn)出的是波動(dòng)性，電磁波的相干疊加，但這并不意味著光不具有粒子性，只是在這種情況的下，粒子性不明顯。同樣在光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，光所表現(xiàn)出來時(shí)的粒子性，這也不代表光沒有波動(dòng)性，這就需要學(xué)生擁有哲學(xué)上的辯證思維。此時(shí)可以引入對(duì)光的本質(zhì)認(rèn)識(shí)歷程中著名的微粒說和波動(dòng)說之爭，說明人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)同樣經(jīng)歷了曲折的過程，對(duì)光的認(rèn)識(shí)才越來越深刻，對(duì)世界的物質(zhì)性和辯證唯物主義原理也有了更深刻的認(rèn)識(shí)。

在講到光的干涉這一章節(jié)時(shí)，由于干涉是波動(dòng)光學(xué)重要的組成部分，需要學(xué)生重點(diǎn)掌握。但不論是掌握干涉的基本原理還是從相干光線的光路演示，以及光程差公式推導(dǎo)對(duì)于學(xué)生都是有一定難度的。如何讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中感到輕松有趣呢？我們?cè)O(shè)定啟發(fā)式問題情境，提出有趣問題：水面上的油膜在陽光照射下呈現(xiàn)出彩色的圖案，但是玻璃窗在陽光照射在上卻沒有出現(xiàn)彩色圖案？自然界中有很多昆蟲，例如蝴蝶的翅膀上為什么會(huì)呈現(xiàn)出美麗的色彩？以前我們生活中常見的光盤，在陽光的照射下為什么呈現(xiàn)出色彩斑斕的條紋？通過生活中常見的光學(xué)現(xiàn)象舉例，讓學(xué)生參與互動(dòng)課堂討論，培養(yǎng)學(xué)生的參與熱情。通過對(duì)問題的分析和討論，運(yùn)用探究性學(xué)習(xí)和總結(jié)的手段，通過探索問題、揭示出復(fù)雜問題的本質(zhì)，使學(xué)生掌握解決這些問題的能力。

在講到光的散射這一章節(jié)中，對(duì)于美麗的朝霞和晚霞等常見的自然現(xiàn)象，如何讓學(xué)生對(duì)原理記憶深刻又能拓展學(xué)生的知識(shí)廣度呢？清晨日出或傍晚日落時(shí)，看到太陽呈紅色，這是因?yàn)樘柟鈳缀跗叫杏诘仄矫?，穿過最后的大氣層，較短波長的光都側(cè)向散射了，僅僅剩下紅光到達(dá)觀察者的眼中。仰面看向天空時(shí)依舊能夠看見淺藍(lán)色，而云朵此時(shí)被陽光所照射，就呈現(xiàn)出炫目的紅色[3]。更進(jìn)一步拓展可以請(qǐng)學(xué)生回答交通信號(hào)燈和信號(hào)旗為什么采用紅色？這些可以用散射的理論來解釋。通過實(shí)例深刻認(rèn)識(shí)和理解瑞利散射、米氏散射及分子散射之間的聯(lián)系和區(qū)別。同時(shí)我們還可以引入中國傳統(tǒng)文化中的詩詞活躍課堂氛圍，感受優(yōu)秀傳統(tǒng)古詩詞的神韻和光學(xué)原理。描寫光的散射的詩句有著名詩人白居易《暮江吟》：“一道殘陽鋪水中，半江瑟瑟半江紅”，還有楊慎的《臨江仙 滾滾長江東逝水》：“青山依舊在，幾度夕陽紅[4]”；描寫光的直線傳播的詩句有詩仙李白《月下獨(dú)酌》的詩句：“舉杯邀明月，對(duì)飲成三人”；描寫光的反射的詩句有劉禹錫《望洞庭》：“湖光秋月兩相和，潭面無風(fēng)鏡未磨”。通過這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)，不僅學(xué)習(xí)常見現(xiàn)象背后的光學(xué)原理，還學(xué)習(xí)了古詩詞，實(shí)踐了文化育人。

講到光的偏振時(shí)，我們也可以舉出很多實(shí)例，比如蜜蜂的8字舞、蜻蜓的復(fù)眼、非洲的糞金龜，還有最具攻擊性的螳螂蝦[5]，它們都是利用天空中光的偏振模式進(jìn)行導(dǎo)航，完成覓食、回穴等一系列活動(dòng)。除了這些可愛的動(dòng)物之外，在我們的日常生活中也會(huì)利用到的偏振光的例子：在電影院看3D電影及所戴的眼鏡，電視電腦的液晶顯示器，開車時(shí)所戴的太陽鏡，汽車的前擋風(fēng)玻璃，等等。

在講授中通過引入有趣的故事和生活中的物理現(xiàn)象，不僅能夠提高學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)的興趣，還可以提升對(duì)所學(xué)專業(yè)的認(rèn)同，從而堅(jiān)定學(xué)習(xí)物理光學(xué)的信心和決心，為自然科學(xué)基礎(chǔ)研究培養(yǎng)更多的人才。光學(xué)不僅僅是有趣的，還包含大量的數(shù)學(xué)公式的理論推導(dǎo)和分析，數(shù)學(xué)公式是物理概念的直觀表現(xiàn)形式之一，而物理概念的闡述離不開數(shù)學(xué)公式的表述，數(shù)學(xué)公式為物理概念提供直觀載體。講清楚復(fù)雜數(shù)學(xué)公式及推導(dǎo)的物理本質(zhì)，通過分析討論和自主實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生更加深刻理解公式的物理意義。

五、注重學(xué)習(xí)過程的考核方式

在線下課程普遍、線上課程沖擊的新時(shí)代下，線上線下混合式教學(xué)模式的開展已是大勢(shì)所趨，課程的考核不能再用簡單的期末考試成績作為學(xué)生學(xué)習(xí)成果的唯一檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，更為重要的是加強(qiáng)過程性考核。過程性考核重點(diǎn)在于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的投入如何，譬如學(xué)生在線上線下中的參與度(彈幕、投稿、習(xí)題作答、課堂回答問題等)、課前的預(yù)習(xí)(PPT課件、視頻、音頻、電子圖書資料等)、課后的復(fù)習(xí)(作業(yè)、總結(jié)、課堂講解回放等)以及線上單元測(cè)試或期中測(cè)試等部分。根據(jù)課程特點(diǎn)和線下線上混合式教學(xué)方式應(yīng)用，重視過程性考核?？梢钥紤]嘗試將該門課程的總評(píng)成績大致分為兩部分：一部分為平時(shí)成績占50%，另一部分為期末考試成績占50%，平時(shí)成績占比的增加正是專業(yè)課程過程性考核的重要體現(xiàn)。

課程建設(shè)和教學(xué)改革不是簡單的方法和材料的堆砌，而是思想、目標(biāo)、人的有序組織和展示。要培養(yǎng)21世紀(jì)符合中國特色社會(huì)主義發(fā)展的建設(shè)者和可靠接班人，高等教育中課程建設(shè)也是重要的環(huán)節(jié)，只有統(tǒng)一思想，群策群力才能做好高等教育的教學(xué)改革工作。