丁雙紅

摘 要 在“物理光學(xué)”教學(xué)實(shí)踐中，進(jìn)行研究性教學(xué)模式的探索，激發(fā)學(xué)生對(duì)課程和專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，提高該課程的教學(xué)效果，對(duì)學(xué)生的科學(xué)研究意識(shí)進(jìn)行引導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 研究性教學(xué) 教學(xué)模式 MathCAD 物理光學(xué)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.08.048

Exploration of Research-Based Teaching Pattern in

Physical Optics Course with MathCAD

DING Shuanghong

（School of Photo-Electronic Information Science and Technology， Yantai University， Yantai， Shandong 264005）

Abstract The research-based teaching pattern is explored and practiced for Physical Optics course in this paper. The research-based teaching method can inspire students interests of Physical Optics course and relevant major， enhance the teaching effect of the course， and guide the scientific research consciousness of students effectively.

Keywords research-based teaching； teaching pattern； MathCAD； Physical Optics

0 前言

“物理光學(xué)”是我校為應(yīng)用物理專業(yè)本科生開設(shè)的一門專業(yè)課，是以光的波動(dòng)性為基礎(chǔ)，研究光的屬性和光在媒質(zhì)中傳播的基本規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科。由于該課程理論性強(qiáng)，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，概念繁多，規(guī)律抽象，同時(shí)教學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)依賴性較大，[1]但由于教學(xué)資源的限制，能開設(shè)的實(shí)驗(yàn)有限，因而傳統(tǒng)教學(xué)方式的教學(xué)效果不盡如人意。

為提高“物理光學(xué)”教學(xué)質(zhì)量，教育者在努力進(jìn)行教學(xué)改革，提升教學(xué)效果。有研究者利用Matlab等軟件對(duì)物理光學(xué)的現(xiàn)象進(jìn)行模擬，輔助教學(xué)，幫助學(xué)生更好地理解物理概念。[2]有研究者利用Matlab等編程語言建立物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真平臺(tái)，對(duì)典型物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真模擬，使整個(gè)抽象的物理過程變得直觀形象，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了物理光學(xué)課程的教學(xué)水平。[3]“物理光學(xué)”實(shí)驗(yàn)的仿真平臺(tái)可以方便展示物理光學(xué)規(guī)律和現(xiàn)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)有一定的輔助作用，但這樣的仿真平臺(tái)，學(xué)生的參與度并不是很高，只能達(dá)到簡單地利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的效果。

為了提高教學(xué)效果，我們對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行的不斷探索和改革，根據(jù)多年“物理光學(xué)”課程教學(xué)的實(shí)踐，將研究型教學(xué)融入該課程的教學(xué)過程中，在教學(xué)過程中利用MathCAD軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，激發(fā)學(xué)生對(duì)課程和專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)學(xué)生的科學(xué)研究意識(shí)進(jìn)行引導(dǎo)，力圖使學(xué)生從單純的理解和接受式的被動(dòng)學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿骱脱芯渴降淖灾鲗W(xué)習(xí)方式。

1 教學(xué)模式探索

以研究性教學(xué)模式為基礎(chǔ)的啟發(fā)式教學(xué)、討論式教學(xué)和開放式教學(xué)等教學(xué)方法在高等教育教學(xué)中備受關(guān)注和提倡。研究性教學(xué)模式不僅使學(xué)生可以較深入地達(dá)到對(duì)知識(shí)技能的理解與掌握，更有利于創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力的形成與發(fā)展。研究型教學(xué)是在綜合美國布魯納的“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)模式”和瑞士皮亞杰的“認(rèn)知發(fā)展學(xué)說”的基礎(chǔ)上構(gòu)建的教學(xué)模式[4]，是融知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)提高為一體的創(chuàng)新教學(xué)模式。有研究者探索“物理光學(xué)”及其他專業(yè)課程的研究性教學(xué)模式。[5]

我們對(duì)基于MathCAD的“物理光學(xué)”研究性教學(xué)模式進(jìn)行了探索和實(shí)踐，宗旨是教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生就某一與課程相關(guān)的給定或自選項(xiàng)目進(jìn)行較深入的研究，利用數(shù)學(xué)軟件MathCAD自行編寫程序，模擬項(xiàng)目研究規(guī)律，對(duì)知識(shí)進(jìn)行深入理解和掌握，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究興趣，積極了解和參與物理光學(xué)的相關(guān)研究工作，探索“物理光學(xué)”成為培養(yǎng)本科學(xué)生創(chuàng)新能力的課程載體，構(gòu)建有助于學(xué)生積極參與研究的教學(xué)模式。

我校“物理光學(xué)”課程在大三第一學(xué)期開設(shè)，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過了相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，學(xué)習(xí)了高等數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)等課程，學(xué)生具有進(jìn)行一定科學(xué)研究的基礎(chǔ)。MathCAD是美國PTC公司旗下的一款工程計(jì)算軟件，作為工程計(jì)算的全球標(biāo)準(zhǔn)， MathCAD是一款操作比較簡便的數(shù)學(xué)軟件，對(duì)計(jì)算及編程要求低，可以方便地實(shí)現(xiàn)物理過程的數(shù)值模擬，并且能夠?qū)⒂?jì)算、圖表、文本和圖像結(jié)合在一個(gè)文檔中，方便地描述物理原理和數(shù)值模擬的結(jié)果，學(xué)生都可以在短時(shí)間內(nèi)掌握MathCAD的應(yīng)用。

研究型教學(xué)模式一般由五個(gè)基本環(huán)節(jié)有機(jī)組合而成：設(shè)趣與展演；指要與自學(xué)；精講與答疑；研討與回顧；訓(xùn)練與總結(jié)。[6]為了適合研究型教學(xué)模式，將上述五個(gè)過程有機(jī)地貫穿到“物理光學(xué)”課程教學(xué)過程中，探索研究型教學(xué)模式，過程如下：

（1）每一章進(jìn)行課程知識(shí)的學(xué)習(xí)，教師講解教材內(nèi)容，突出重點(diǎn)和難度，推薦相關(guān)的論文等參考資料，作為課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的擴(kuò)展。讓學(xué)生對(duì)課程知識(shí)進(jìn)行掌握和學(xué)習(xí)，進(jìn)行拓展閱讀，這是研究性教學(xué)的基礎(chǔ)。

（2）為每一章設(shè)立若干的研究主題，一部分來自任課教師指定的題目，學(xué)生也可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和自己的興趣自選主題。每一章的研究主題包括兩個(gè)模塊，模塊一是基本規(guī)律仿真，學(xué)生通過編程可以對(duì)物理光學(xué)基本規(guī)律進(jìn)行仿真，使學(xué)生更直觀地掌握專業(yè)知識(shí)；模塊二，對(duì)于一些復(fù)雜的光學(xué)現(xiàn)象，結(jié)合該領(lǐng)域科研工作，進(jìn)行具有一定創(chuàng)新性的科學(xué)研究。以光的干涉這一章為例，模塊一的研究主題主要有：球面波干涉、楊氏干涉、等傾干涉、等厚干涉等；模塊二的研究主題主要有：白光偏振干涉、傅里葉變換光譜儀、光學(xué)層析術(shù)等。endprint

（3）學(xué)生根據(jù)興趣自由組成小組，小組一般由4～6人組成，選一個(gè)小組協(xié)調(diào)人，每個(gè)學(xué)生至少要求參加一項(xiàng)課題研究。

（4）各研究小組成員經(jīng)過討論分析，根據(jù)興趣和知識(shí)基礎(chǔ)確定研究主題。在專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)及拓展閱讀的基礎(chǔ)上，制定課題研究方案。教師需對(duì)選題和研究方案的確定進(jìn)行引導(dǎo)和論證。

（5）課題確定后，各小組成員通過查閱資料，進(jìn)行課程及相關(guān)專業(yè)知識(shí)的深入學(xué)習(xí)，合作完成理論推導(dǎo)。利用MathCAD軟件的計(jì)算和圖形功能，通過編程對(duì)研究課題的規(guī)律進(jìn)行模擬分析，得出相應(yīng)的結(jié)論，其間老師參與指導(dǎo)。

（6）項(xiàng)目完成后，以小組為單位寫出報(bào)告，在課堂上向班級(jí)同學(xué)展示研究的過程及結(jié)果，每個(gè)小組就課題工作進(jìn)行答辯。通過學(xué)生的匯報(bào)，通過教師的點(diǎn)評(píng)，對(duì)課程核心內(nèi)容的詳細(xì)講解，加深對(duì)課程知識(shí)的理解。最后由師生共同參與課題的評(píng)審，并給予評(píng)價(jià)。

2 教學(xué)過程存在的問題及對(duì)策

在研究型教學(xué)模式的探索過程中，會(huì)出現(xiàn)一些問題，我們?cè)诓粩嗫偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)各教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，教學(xué)效果得到逐步提高。

2.1 學(xué)時(shí)分配及評(píng)分

課內(nèi)學(xué)時(shí)有限，因此將項(xiàng)目所有的討論和論證過程放到課堂上，將會(huì)影響課程進(jìn)度，同時(shí)讓學(xué)生覺得課程知識(shí)學(xué)習(xí)被忽略，反而影響課程教學(xué)效果。因此教學(xué)中設(shè)立一定數(shù)量的課外學(xué)時(shí)，分組討論和論證工作可以在課外學(xué)時(shí)進(jìn)行。同時(shí)主題研究成績占課程總成績的比例也很重要，太高的比例，也會(huì)讓學(xué)生感覺到成績客觀性差，因而課題成績比例不易太高。

本課程的課內(nèi)教學(xué)時(shí)數(shù)為周48學(xué)時(shí)，課外為16小時(shí)。目前成績由課堂的理論考試和課外的課題評(píng)價(jià)組成，分別占70%和30%。在課外成績的30%中，課題成績占20%，課外作業(yè)占10%。

2.2 學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)參差不齊

由于學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)差異較大，基礎(chǔ)差的學(xué)生對(duì)研究性教學(xué)模式往往表現(xiàn)出畏懼和抵觸情緒。作為老師應(yīng)及時(shí)進(jìn)行鼓勵(lì)和幫助，讓他們也能積極參與到項(xiàng)目的研究工作中來。一方面在選題過程中，指導(dǎo)其選擇與自身水平相適應(yīng)的題目，盡量選擇模塊一的項(xiàng)目。另一方面，在學(xué)生自由選擇分組的時(shí)候，也考慮一個(gè)組里的同學(xué)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)基本相當(dāng)，不要出現(xiàn)組里只有一、兩個(gè)同學(xué)在做工作，其他同學(xué)不參與或跟不上進(jìn)度無法參與的情況。

2.3 學(xué)生參與度

一個(gè)組4～6個(gè)同學(xué)組成，為了保障所有同學(xué)都能參與到工作中來。分組的時(shí)候要注意學(xué)生的基礎(chǔ)和興趣的匹配，興趣相同的同學(xué)可能會(huì)選擇在一個(gè)組里，同時(shí)要保證學(xué)習(xí)基礎(chǔ)相當(dāng)，才能使大家有共同參與的機(jī)會(huì)。考核評(píng)價(jià)時(shí)，也關(guān)注同一個(gè)組的同學(xué)的參與度，例如可能由一個(gè)同學(xué)代表小組進(jìn)行工作展示，但答辯過程應(yīng)當(dāng)要求小組成員共同參與。

2.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

項(xiàng)目工作結(jié)果的評(píng)價(jià)是比較復(fù)雜的過程，在評(píng)價(jià)過程中主要考慮項(xiàng)目的難易程度、項(xiàng)目的成果、答辯情況等，同時(shí)兼顧考慮學(xué)生原有的基礎(chǔ)、通過本項(xiàng)目工作的取得的進(jìn)步、及在項(xiàng)目工作中的參與度，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行較為客觀的綜合評(píng)價(jià)。

整個(gè)教學(xué)過程是一個(gè)能充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心、以課題為載體、以團(tuán)隊(duì)為單位及以研究為導(dǎo)向的交互式教學(xué)過程。取得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性大大提高，激發(fā)了學(xué)生對(duì)光學(xué)領(lǐng)域研究的興趣，很多學(xué)生的本課程項(xiàng)目的研究工作，會(huì)一直持續(xù)到大四的畢業(yè)設(shè)計(jì)，經(jīng)過持續(xù)的積累，除了對(duì)專業(yè)知識(shí)有了深度的掌握，也熟悉了科研過程，激發(fā)考取研究生繼續(xù)深造的欲望。每學(xué)期末，我們會(huì)對(duì)整個(gè)研究性教學(xué)過程進(jìn)行總結(jié)和反思，對(duì)各教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)一步優(yōu)化。

本文工作受煙臺(tái)大學(xué)教改項(xiàng)目“基于Mathcad的《物理光學(xué)》研究性教學(xué)實(shí)踐”（B015）資助

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