王利強

摘要?光學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容包含光的電磁理論、幾何光學(xué)和量子光學(xué)理論，概念多、公式多且易混淆，要求熟悉電磁學(xué)和高等數(shù)學(xué)的內(nèi)容，然而隨著教學(xué)內(nèi)容的深入，學(xué)生理解所學(xué)內(nèi)容的困難逐漸增加，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣逐漸下降。為發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，可以采用計算機輔助教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂等多種方式，提升課堂教學(xué)效果。本文就網(wǎng)絡(luò)資源利用、多媒體課件制作、虛擬實驗和光學(xué)器件設(shè)計等方面的計算機輔助光學(xué)教學(xué)進行了探究，相關(guān)案例也可為物理類其它課程提供幫助。

關(guān)鍵詞：光學(xué)教學(xué)；虛擬實驗；計算機輔助

一、概述

光學(xué)課程在理論物理、光信息等專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)中起著至關(guān)重要的作用，經(jīng)典電磁理論、幾何光學(xué)理論和量子理論完美地解釋了實驗現(xiàn)象，實驗又推動理論進一步的完善。因此，光學(xué)課堂教學(xué)注重理論與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的實踐技能，使學(xué)生能夠更好地理解和應(yīng)用所學(xué)知識，為更進一步地深造和工作打下堅實的基礎(chǔ)。但不可否認，光學(xué)內(nèi)容且存在大量易混淆的公式，在具體教學(xué)中有大量的概念需要向?qū)W生介紹，在以傳授知識為主要目標(biāo)的傳統(tǒng)教學(xué)實踐中，學(xué)生容易產(chǎn)生畏難情緒，進而對光學(xué)的學(xué)習(xí)興趣減弱，導(dǎo)致無法達到光學(xué)課程要求的水平，在光學(xué)的學(xué)習(xí)中敗下陣來[1]。例如光的干涉和衍射部分，既有楊氏雙縫干涉圖樣，又有單縫衍射圖樣，二者都屬于光波的疊加但描述圖樣的公式存在很大的不同，極易混淆。久而久之，對學(xué)生的求知積極性打擊很大，導(dǎo)致上課心不在焉，甚至出現(xiàn)逃課等現(xiàn)象。

為避免本科階段光學(xué)教學(xué)過程中產(chǎn)生的負面體驗，可以考慮多種手段改善光學(xué)教學(xué)效果，增強學(xué)習(xí)興趣，減輕學(xué)生負擔(dān)。將傳統(tǒng)教學(xué)中以傳授知識為出發(fā)點的培養(yǎng)模式，改變?yōu)橹攸c培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)模式。教師應(yīng)該鼓勵學(xué)生通過自己努力達到光學(xué)教學(xué)大綱要求的知識水平，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心，養(yǎng)成主動探索的良好習(xí)慣，為就業(yè)做好必要的準(zhǔn)備。翻轉(zhuǎn)課堂和虛擬實驗是成本較小的培養(yǎng)興趣的途徑，可以在光學(xué)課堂實踐中大膽嘗試。當(dāng)然，虛擬實驗的開發(fā)離不開計算機資源的支持，但作為21世紀(jì)的大學(xué)生，計算機不再是奢侈的學(xué)習(xí)資源，因此，可以利用計算機輔助光學(xué)教和學(xué)，達到良好的教學(xué)效果。計算機輔助光學(xué)教學(xué)是利用計算機技術(shù)來輔助光學(xué)教學(xué)過程的一種方法，通過計算機軟件、模擬實驗等形式來提供更加生動、直觀的教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)對光學(xué)原理、光學(xué)設(shè)計和光學(xué)實驗等方面的教學(xué)內(nèi)容進行模擬和演示，幫助學(xué)生更好地理解和掌握光學(xué)知識，從而提升學(xué)習(xí)興趣，進一步對相關(guān)專業(yè)本科教育產(chǎn)生積極影響。

二、網(wǎng)絡(luò)資源利用

網(wǎng)絡(luò)為21世紀(jì)的生活提供了很大的便利，購物、娛樂、社交和辦公都可以在網(wǎng)上進行。憑借豐富的資源，學(xué)習(xí)也可以在網(wǎng)上實現(xiàn)。眾所周知，接觸互聯(lián)網(wǎng)的方式很多，其中，計算機瀏覽器上網(wǎng)就是一種主流的上網(wǎng)方式。因此，教師可以利用網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，為教師教學(xué)節(jié)省時間，為學(xué)生學(xué)習(xí)增添興趣。具體教學(xué)過程中，可以從思政教育、MOOC平臺使用和交互式學(xué)習(xí)等方面實踐。

（一）思政教育

光學(xué)教學(xué)中的思政教育旨在培養(yǎng)學(xué)生全面發(fā)展，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和社會責(zé)任感，使他們成為具有良好道德品質(zhì)和創(chuàng)新精神的光學(xué)專業(yè)人才。在光學(xué)課程的教學(xué)過程中，通過引導(dǎo)學(xué)生深入探討和思考光學(xué)原理、應(yīng)用和發(fā)展等相關(guān)問題，幫助學(xué)生形成科學(xué)研究的態(tài)度和方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力，培養(yǎng)學(xué)生正確的價值觀、人生觀和世界觀。

為將思政教育融入課程教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷和責(zé)任感，光學(xué)教學(xué)可以加深學(xué)生對光學(xué)科技在國家發(fā)展中的重要性的認識，激發(fā)學(xué)生對祖國科技事業(yè)的熱愛和責(zé)任感[2]。光學(xué)學(xué)科是一門理論與實踐相結(jié)合的學(xué)科，光學(xué)的日常教學(xué)中，潛移默化地培養(yǎng)著學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新意識。光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用涵蓋了眾多領(lǐng)域，思政教育可以引導(dǎo)學(xué)生在光學(xué)實踐中注重社會效益和實踐創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)道德和責(zé)任感。教師通過課后作業(yè)引導(dǎo)學(xué)生課后查找資料，了解人造光源的發(fā)光效率、節(jié)約能源，介紹利用光進行文物研究，探討光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展和隱私保護。光學(xué)教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作和溝通能力也有重要作用，光學(xué)學(xué)科涉及到實驗和工程項目，思政教育可以著重培養(yǎng)學(xué)生的團隊意識和協(xié)作能力，加強學(xué)生的溝通和交流能力。中國天眼生動地詮釋著南仁東院士為光學(xué)工程項目付出的心血。通過網(wǎng)上查找資料，使學(xué)生了解大型射電望遠鏡領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，激發(fā)大國工匠的使命感，增強當(dāng)代大學(xué)生的時代責(zé)任感和使命感。

（二）MOOC平臺使用

在網(wǎng)上豐富的教學(xué)資源中，MOOC等平臺為學(xué)生研修喜歡的課程提供了方便，也為光學(xué)課程提供了大量的資源。上課沒有聽懂或請假的同學(xué)完全可以通過瀏覽網(wǎng)絡(luò)視頻資源達到自學(xué)的目的，MOOC平臺不但提供光學(xué)課程的學(xué)習(xí)資源，也有應(yīng)用光學(xué)、激光物理學(xué)等相關(guān)課程的教學(xué)視頻，為學(xué)生補足學(xué)習(xí)短板提供了支持。MOOC等平臺也提供自我測試的機會，學(xué)習(xí)后可以利用測試自我檢查學(xué)習(xí)效果，也可以和不同高校的學(xué)生就學(xué)習(xí)進行探討。計算機輔助光學(xué)教學(xué)還可以通過互動性強的教學(xué)軟件，提供個性化的學(xué)習(xí)內(nèi)容和反饋，幫助學(xué)生自主學(xué)習(xí)和鞏固知識。教師可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進度和情況進行針對性的指導(dǎo)和輔導(dǎo)，提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（三）交互式學(xué)習(xí)

高速發(fā)展的電子科技和多媒體交互產(chǎn)生了交互式學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，是一種強調(diào)結(jié)合交流合作和電腦使用的教學(xué)方式，依靠交流獲取自己想要的知識。為培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，可以采用交互式學(xué)習(xí)的方式占有網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源。網(wǎng)絡(luò)資源中也包含大量的電子書籍、多媒體課件和其它類型的資源。閱讀電子書籍環(huán)保而又?jǐn)y帶方便，是學(xué)生可以利用的方式之一。閱讀電子書籍不僅包含中文書籍，更重要的是閱讀國外光學(xué)采用較多的優(yōu)秀教材，通過閱讀英文教材，達到提高英文水平、理解光學(xué)知識的目的。利用網(wǎng)絡(luò)可以通過社交軟件直接和專家、老師交流，從而得到自己想要的信息。

總之，網(wǎng)絡(luò)資源已是當(dāng)代大學(xué)生資源豐富的知識寶藏，計算機結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)挖掘自身需要的資源是大學(xué)生應(yīng)該掌握的必要技能。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)資源也存在糟粕的部分，過度依賴網(wǎng)絡(luò)資源也是不可取的。

三、多媒體課件制作

光學(xué)現(xiàn)象的展示包含豐富多彩的顏色，傳統(tǒng)的黑板粉筆限制了教師水平的發(fā)揮，也制約了學(xué)生的想象空間。多媒體課件豐富的色彩和精妙的動畫效果使課堂效果達到了最大程度的發(fā)揮，因此，多媒體課件的使用也是當(dāng)代大學(xué)生應(yīng)該具備的技能之一，最基礎(chǔ)的功能包含閱讀、演示和制作。

微軟和金山公司的辦公軟件提供了豐富的功能以滿足我們的學(xué)習(xí)和工作中的需求，多媒體課件的諸多功能需要我們?nèi)グl(fā)掘，其功能的增加在不斷進行中，合理利用多媒體課件，可以調(diào)動學(xué)習(xí)主動性，取得良好的教學(xué)效果。當(dāng)然，多媒體課件展示的應(yīng)該是精華，應(yīng)該是有嚴(yán)密邏輯的內(nèi)容，應(yīng)該言簡意賅地表達自己的核心思想。

借助計算機制作多媒體課件，學(xué)生可以在課堂演示部分教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)。顯然，教師可以合理安排，在主要內(nèi)容講解完畢后，把課堂留給學(xué)生。例如，在講解光學(xué)的發(fā)展歷史時，每個階段都有光學(xué)發(fā)展的標(biāo)志性成果和對光學(xué)理論發(fā)展做出重大貢獻的科學(xué)家，相關(guān)內(nèi)容不難通過網(wǎng)絡(luò)和各種資料得到。利用翻轉(zhuǎn)課堂的方式，由學(xué)生來介紹科學(xué)事件和科學(xué)家事跡，對學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提高具有積極意義?，F(xiàn)代光學(xué)是一個多學(xué)科的領(lǐng)域，涉及物理學(xué)、數(shù)學(xué)、工程學(xué)等多個學(xué)科，其前沿知識并沒有在教課書中過多涉獵，學(xué)生可以通過查找科技文獻，了解科技前沿知識和理論，進而制作多媒體課件并展示。在學(xué)生講解完畢后，教師可以組織討論，指出課件制作的優(yōu)秀和不足之處，最后總結(jié)并給出評價。經(jīng)過翻轉(zhuǎn)課堂的設(shè)計，使學(xué)生的能力得以提高，激發(fā)學(xué)習(xí)的主動性，提升課堂教學(xué)效果。

四、虛擬實驗制作

物理世界的奇妙可以通過實驗直觀展示，即使簡單的三棱鏡分光實驗也可以揭示復(fù)色光的奧秘。普通光學(xué)實驗的開設(shè)可以讓學(xué)生直接觀察光學(xué)現(xiàn)象，計算機輔助光學(xué)教學(xué)可以通過虛擬實驗室模擬真實的光學(xué)實驗過程，讓學(xué)生在計算機上進行實驗操作，從而避免了實際實驗中可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險和實驗設(shè)備的限制。同時，計算機輔助光學(xué)教學(xué)還可以通過多媒體教學(xué)資源展示光學(xué)現(xiàn)象、模擬光線傳播等，使學(xué)生能夠更加清晰地理解光學(xué)原理。通常，虛擬實驗包含成熟軟件提供和自我設(shè)計實驗兩大部分。

仿真實驗軟件較多，例如VirtualLab作為一款行業(yè)內(nèi)認可度較高的仿真軟件，基于麥克斯韋方程組的求解，獲取光學(xué)系統(tǒng)空間里的光波場矢量信息，進而模擬光波在光學(xué)元件中的能量傳輸，建模范圍包括了從幾何光學(xué)到物理光學(xué)及其組合的簡單或復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，具有用戶友好的界面和實時模擬功能，可讓學(xué)生進行各種光學(xué)實驗的模擬和觀察[3]。但此類軟件平臺大多只提供收費服務(wù)，對學(xué)生來說相當(dāng)于設(shè)置了一道門檻。

當(dāng)然，如果能自己實現(xiàn)虛擬實驗觀測，對學(xué)生能力的提升幫助更大。目前，matlab通過自己強大的矩陣運算能力，可以輕而易舉地解決光線的傳輸問題，也可以模擬干涉、衍射等產(chǎn)生的圖樣，但matlab也不屬于開源軟件。幸運的是c++、Fortran和Python等都存在開源版本，因此鼓勵學(xué)生以此類軟件為基礎(chǔ)，搭建屬于自己的虛擬實驗平臺。在開源軟件中，Python語言擁有強大的數(shù)據(jù)庫，在各行各業(yè)的用途日益廣泛，光學(xué)教學(xué)中鼓勵自學(xué)Python語言，本身就是為學(xué)生的未來投資[4]。光學(xué)教學(xué)中的許多實驗都能以虛擬實驗的方式進行，例如：在楊氏雙縫干涉講解中，光屏上坐標(biāo)的相對光強為[5]

其中d代表雙縫之間的距離，x代表光屏上的位置，l表示入射光波波長，r代表光屏和狹縫之間的距離。

可以使用NumPy和Matplotlib等Python數(shù)據(jù)庫，以最簡單的方式編寫代碼，保證學(xué)生能理解代碼的含義。通過調(diào)整實驗參數(shù)，就能觀察到和真實實驗非常接近的干涉圖案。

#this?code?is?used?to?simulate?Youngs?double-slit?interference

import?numpy?as?np

import?matplotlib.pyplot?as?plt

#?setting?parameters

#?units?used?for?the?following?physical?quantities：?meters

wavelength?=?6328e-10??#?incident?light?wavelength

slit_width?=?10e-6??#?width?of?single?slit

slit_distance?=?1e-3??#?distance?between?two?slits

screen_distance?=?1??#?ditance?between?screen?and?double-slit

screen_width?=?1

screen_height?=?0.5

pixels?=?1000??#?number?of?sampling?points

#?generate?coordinate?grid

x?=?np.linspace（-screen_width/2，?screen_width/2，?pixels）

y?=?np.linspace（0，?screen_height，?pixels）

X，?Y?=?np.meshgrid（x，?y）

#?calculate?the?interference?pattern

intensity?=?（np.cos（np.pi?*?slit_width?*?X?/?（screen_distance?*?wavelength）））**2

intensity?=?intensity?/?np.max（intensity）??#?normalized?intensity

#?Plotting?grayscale

plt.imshow（intensity，?cmap='gray'，?extent=（-screen_width/2，?screen_width/2，?0，?screen_height））

plt.colorbar（）

plt.title（"Young's?Double?Slit?Interference"）

plt.xlabel（"Position_X"）

plt.ylabel（"Intensity"）

plt.show（）

為了讓學(xué)生更進一步理解干涉圖樣的特點，可以就虛擬實驗提出若干問題供學(xué)生討論，也可以讓學(xué)生封裝代碼，使虛擬實驗更接近真實實驗。在光柵部分的介紹中，光垂直入射在光柵上，從而產(chǎn)生更加復(fù)雜的圖樣，屬于受到單縫衍射調(diào)制的多縫干涉。利用動畫效果將干涉和衍射的函數(shù)加以綜合展示，難度大大增加，但對學(xué)生能力的提升將大幅增加。

五、光學(xué)器件設(shè)計

Zemax是一種常用于光學(xué)設(shè)計和仿真的軟件工具，更是全功能的光學(xué)設(shè)計分析軟件，?具有直觀、功能強大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點，廣泛用于透鏡設(shè)計和系統(tǒng)優(yōu)化，軟件提供了豐富的功能和工具，可以幫助工程師和科學(xué)家進行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、分析和優(yōu)化[6]。在激光器、光學(xué)儀器和LED光源等行業(yè)中具有一定的知名度，學(xué)生學(xué)習(xí)此類軟件的使用有助于日后的就業(yè)。

Zemax首先通過添加透鏡、反射鏡、濾光片等光學(xué)元件，以及指定它們的屬性和位置，來建立光學(xué)系統(tǒng)的模型。在此基礎(chǔ)上，通過光路追跡、像差、MTF曲線和相位畸變等參數(shù)，評估設(shè)計的質(zhì)量和性能。基于分析結(jié)果，可以通過調(diào)整元件參數(shù)、位置或者添加補償元件來優(yōu)化設(shè)計。最后導(dǎo)出圖形和數(shù)據(jù)，以供后續(xù)的制造和測試。在具體的光學(xué)課堂教學(xué)中，許多內(nèi)容可供學(xué)生作設(shè)計嘗試。例如在對望遠鏡的光路作講解后，教師可以將望遠鏡的設(shè)計作為開放性課題布置給學(xué)生，讓學(xué)生理解望遠鏡的光路設(shè)計屬于系統(tǒng)工程，需要綜合考慮垂軸放大率、分辨率、孔徑光闌和視場光闌等因素的影響，得到一款性能優(yōu)良的望遠鏡設(shè)計。

六、總結(jié)

計算機輔助光學(xué)教學(xué)是一種創(chuàng)新的教學(xué)方式，通過利用計算機技術(shù)，可以提供更加生動、直觀的教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生更好地掌握光學(xué)知識。光學(xué)教學(xué)的良好效果離不開計算機資源的合理利用，如何善加利用并產(chǎn)生良好的教學(xué)效果是每一個教師應(yīng)該思考的問題。通過網(wǎng)絡(luò)資源的發(fā)掘、多媒體課件的制作、虛擬實驗的制作和光學(xué)器件的設(shè)計中下功夫，可以增強光學(xué)課堂教學(xué)的趣味性，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，發(fā)揮教師的課堂主導(dǎo)性作用。另外，在光學(xué)教學(xué)中結(jié)合實用性軟件的學(xué)習(xí)，相當(dāng)于為學(xué)生的就業(yè)做前期投資，成為日后畢業(yè)生工作中的資源儲備。

參考文獻：

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[3]徐銘，吉建華.虛擬實驗在非線性光纖光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2004，26（3）：96-101.

[4]李增剛，戴光昊，廖暉.?Python編程基礎(chǔ)與科學(xué)計算[M].北京：清華大學(xué)出版社，?2022.

[5]姚啟鈞.光學(xué)教程[M].北京：高等教育出版社，2019.

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