地方高校《光学实验》教学改革实践

彭小兰 , 王红成, 张绍强

(东莞理工学院 电子工程学院, 广东 东莞523808)

地方高校《光学实验》教学改革实践

彭小兰 , 王红成, 张绍强

(东莞理工学院 电子工程学院, 广东 东莞523808)

结合东莞理工学院光信息科学与技术专业实验教学情况, 从教学形式、实验项目、教材等多方面对《光学实验》课程进行教学改革, 不仅能训练学生基本实验技能, 拓宽学生的知识面, 还能调动学生学习光学实验的积极性, 并能培养学生具有解决实际问题的综合能力和创新精神, 有效地提高了光学实验教学的质量.

光学实验; 教学改革; 实践教学

引言

东莞理工学院是一所地方性院校, 光信息科学与技术专业成立于2004年. 《光学实验》是面向该专业学生进行专业实验基本训练的一门独立的必修基础课程, 是学生进入该专业学习基础知识一年后受到的系统实验方法和实验技能训练的开端, 是光信息科学与技术专业对学生进行专业实验训练的奠基石.我们的教学也应当紧跟地方, 为学生将来的就业作好充分的准备. 而包括东莞在内的珠三角地区, 近年来迅速崛起了新兴的光电信息产业, 这些企业主要从事LED照明、光通信、光存储、光电显示等产品的研究与生产, 他们对光电信息复合型创新人才的光学实验能力及创新意识有很高的要求. 这就要求我们在光学实验教学中进一步改革实验教学的内容与方法, 充分有效地利用实验室的仪器和设备, 加强光信息科学与技术专业学生的光学实验动手能力, 增强其光学知识, 在基础实验教学中引导学生参与科研工作, 以培养其在光学实验与设计方面的创新意识, 提高学生的综合素质和实践教学的质量[1～5].

1 实验教学改革的指导思想

以往的光学实验教学存在很多的问题, 如实验项目老套、教材陈旧、实验方法落后等, 只能开设一些单纯的验证性实验, 如观察透镜成像、透镜焦距的测量、光的干涉、衍射、偏振等等, 覆盖范围也只有几何光学和波动光学. 在做这些实验的过程中, 学生思维空间狭窄, 难以引起做实验的兴趣, 也就不会充分认识到实验的作用, 只会把该门课程当作是任务来完成, 做实验成了一种“负担”, 纯粹是为了取得学分而不得不学的“被动学习”.

当前各个高校几乎都在进行实验改革, 倡导把实验分为验证性、综合性和设计性、研究性几类. 笔者认为, 光学实验的改革以此为方向是正确的, 但具体操作起来, 应该根据各高校的具体情况而定. 光学实验改革, 除了在实验分类上改革外, 在观念上应该引入以人为本的思想. 即: 实验内容的制定应该以学生的自身素质为基础, 把实验内容与实际应用结合起来, 以提高学生的能动性和学习自主性, 从而达到实验改革的目的[6].

1.1 以学生的素质为基础来制定实验内容

就笔者所在学校而言, 85%的学生来自广东, 15%的学生来自全国各地, 学生基础相差很大, 素质参差不齐. 有些学生在中学时几乎就没有接触过物理实验, 更不用说光学方面的实验; 而有些学生的基础又非常好, 一些基本的光学实验在中学就已经接触过了. 因而, 就得因材施教, 合理安排实验项目. 对于那些实验技能高且创新意识强的学生, 可以要求每个学生都完成一些难度较大、涉及原理较多的综合性、设计性实验; 对于学习基础较差的学生, 如果也要求他们都完成综合性的实验, 这样难度会比较大, 很容易造成他们为了完成任务, 做出伪造数据或者抄袭等的不良行为. 所以, 对于这一部分学生, 老师要根据他们的具体情况, 合理设计好实验项目, 做到既要让他们能学好基础知识, 也能提高实验技能, 为后续的专业实验打下坚实的基础. 对于那些学有余力的同学, 可以鼓励他们根据已学的光学知识提出实验内容, 经老师指导后进行修改并由学生亲自实验而完成实验, 也可以选做要求更高的综合性、设计性、研究性实验.

1.2 实验内容与实际应用结合起来, 提高学生的学习兴趣

光学实验是学生进入光信息科学与技术专业学习后最最基础的实验, 基本上是一些传统的、经典的实验, 其实验原理及操作步骤都非常成熟, 给学生的感觉做实验就是在重复前人已经完成的实验步骤和数据, 没有什么新突破, 学生也未能在实验过程中对遇到的问题进行更多的思考, 整个实验课学生只要机械地操作就行了, 显得比较枯燥无味, 因此在一定程度上会抑制学生的能动性, 吸引不了学生的学习兴趣.特别是现在有很多的学生急功近利, 他们的学习兴趣建立在能否在当前带来实际的效益[7]. 在多年的实验教学中, 发现有学生经常问到: 做这个实验有什么用处？这就更加迫切要求我们把实验跟实际应用结合起来, 提高他们的学习兴趣.

2 光学实验改革的方向与实践

由于受整个社会大环境的影响, 现在的大学生大都有一种“易的不想做, 难的做不了”的消极心态. 针对这种情况, 在实际的教学中, 我们采用了下面的模式来调动他们的积极性, 从而达到改革的目的.

2.1 改革实验教学形式

原来我们主要采用: 学生先预习实验讲义, 再到实验室进行实验, 然后在课后完成实验报告. 这种实验教学形式单一. 光学实验内容多, 课堂难以全部一一完成, 因此需要对教学形式进行改革. 我们从教学视频、教学网站、实验仿真等多方面进行改革, 让学生可以采取多种形式进行光学实验.

2.1.1 建立教学网站, 拍摄教学视频

去年我们光信息教研室抽调了部分老师, 组织了一批学有余力而又感兴趣的学生建成了光学教学网站. 我们将一些操作过程较简单的验证性实验, 拍摄下老师操作和讲解的整个过程, 做成录像放在网站上,并建立数据库. 当学习到相关的知识点时就可以在课堂上播放, 让学生在刚学过理论后, 立刻就能通过实验来直观理解实验的原理. 这样一来可以让学生对实验有了直观的认识, 提高学生对实验意义的认同, 加深对概念与公式的理解. 二来可以省下大量的时间留给其他的基础实验和综合性实验, 起到事半功倍的作用. 比如“阿贝成像原理和空间滤波”实验, 其实验操作比较简单, 但是对实验原理的理解有一定的难度,同时此实验牵涉到较多的新概念, 如: 空间频率、空间频谱、频率分解(分频)、频率综合(合频)等等. 如果老师在讲解理论的同时播放事先拍下的录像, 针对实验现象告诉学生哪个过程是第一次衍射成像, 哪个过程是第二次衍射成像, 同时讲解上述概念. 这样, 通过视频能直观、清晰地“演示”阿贝成像原理的两次傅里叶变换过程, 这样的实验“演示”使学生能更好吸收消化新概念, 同时加深对阿贝成像原理本质的理解[5], 也节省学生再去做这个实验的时间[8]. 所以网站建立后, 原来要求在实验室里必做的一些单纯重复性验证的实验项目可以删除, 将它们做成录像放到网站上, 让学生利用课余时间观看学习.

同时, 借助教学网站这个平台, 可以将一些有一定操作难度的实验的视频放上去, 能培养学生良好的实验行为习惯, 提高学生动手能力. 如“牛顿环测透镜曲率半径”是学生第一次用读数显微镜测多组数据(以后很多的实验里面会用到)的实验, 眼睛会很容易疲劳, 并且要想在显微镜里看到清晰的牛顿环像也不很容易. 我们就想办法把这个实验进行了一点改装, 在显微目镜上加一个CCD, 再将CCD连接到投影仪上, 实验的具体做法: 先用肉眼直接找到牛顿环仪上的干涉图样, 再放到显微镜的正下方, 然后将CCD的中心对准显微镜的目镜中心, 固定好CCD, 在投影仪上就可以看到比较模糊的干涉圆环. 教师可以通过观察投影仪上放大了的干涉圆环慢慢调节显微镜的镜筒, 直至清晰的干涉圆环出现. 将整个的调节过程制成视频后, 学生看后对这个实验就会心中有数, 信心倍增, 同时因为掌握了操作技巧后, 实验的精度会提高很多, 对提高他们的实验兴趣很有帮助.

另外, 借助教学网站, 大幅度扩展授课信息, 解决课程容量与学时有限的矛盾. 我们搜集到许多物理发展史上的名人典故及光学发展史和一些经典实验背景资料, 将它们有机的融合在网站里. 其实在光学发展的历程中, 很多经典的实验仪器和奇妙的实验构思与手段曾经发挥过重要的作用, 我们应该引导学生去体会它们得以产生的过程. 如讲授杨氏双缝干涉实验时, 如果只是教给学生一种测量光波波长的方法, 而忽略了本实验的重要物理精髓, 就失去了做它的实际意义. 因为如果完全用杨氏介绍的方法去测量波长, 精度并不高, 实用价值不大. 然而, 正是由于杨氏双缝干涉实验的诞生, 为光的波动说奠定了坚实的基础. 所以我们就将这个实验的历史渊源和时代背景挂在网上, 让学生能真正了解到: 做每个实验都要有明确的目的, 即要探索什么现象和规律、验证什么理论、测量什么常数等, 这样才能培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力[10～11].

2.1.2 倡导学生对实验进行仿真

光学实验这门课程对于基础好的学生来说学习起来会很轻松, 如果不给他们额外的学习任务, 他们会觉得这门课程很无聊、无趣. 而仿真是科技所需, 要求学有余力的学生先自己查资料, 再根据实验要求进行仿真, 同时老师将对这部分实验的仿真进行考核, 纳入到期末总评. 我们要求学生做仿真的实验有:牛顿环测透镜的曲率半径、杨氏双缝干涉实验、迈克尔逊干涉测光波波长实验、阿贝成像原理和空间滤波等等, 详细的见表1. 由于我们的学生在大一下学期就已经接触了MATLAB软件, 部分学生利用MATLAB软件做出来的仿真图还很漂亮, 老师再鼓励他们把图片放到光学网站上, 结果还激励了更多的学生加入到他们的行列, 这样对提高实验教学质量更起到了推波助澜的作用.

2.2 实验项目的更改

每个学期实验完成后, 老师都会向学生收集对于该门课程的意见调查表, 调查包括: 对实验项目的安排、上课方式、实验仪器的配置、实验教材、任课老师的意见, 还有学完这门课程后的收获, 这门课程里面最难的有哪些知识点以及学生自己的建议. 通过综合几届学生的反馈意见, 借助光学网站, 我们对实验项目进行了改革. 有关数据见表1.

表1 实验项目的对比

对实验项目的安排进行改革后, 学生普遍觉得接触到的信息量多了很多, 知识面扩展开来了, 要做的事情还挺多, 与实际生活联系得很紧密, 不会觉得光学实验太“基础”、太枯燥、太“八股”. 同时, 我们开出的实验项目要求是用我们专业中比较常用、具有代表性、有特色的器件进行测试, 在实验学习的过程中能学会掌握一些实验技术操作要点, 光路调节的技巧, 通过这方面的严格训练, 使学生的专业知识和实际的专业技术结合起来, 为本专业的后续实验打下坚实的基础.

2.3 根据实际情况逐年改编实验讲义

由于学生在做实验之前, 首先会去看实验教材, 根据教材上面所讲的内容和步骤, 然后一步一步完成实验. 所以教材的选择很重要, 会直接影响到学生实验的效果. 教材是否是重点教材, 并不重要, 重要的是跟它的实际使用效果关系如何. 我们选择实验教材的宗旨是: 原理清晰、目的明确、操作规范, 省去一些烦琐的公式推导, 能与实验室里现有的设备配套使用. 当然国家级教材编写的语言比较规范, 内容也比较好, 但是它是根据全国学生的平均水平来编写的, 而且实验仪器不一定能跟实际的对上号. 因此, 我们实验室里使用的实验讲义都是根据以往学生的反馈意见和课堂上对学生现场操作的观察、实验报告的批改情况, 逐年改编的, 使之更符合实际应用. 同时极力鼓励学生参与实验教材的改编. 由于有些实验教材是根据仪器厂家的说明书和实际的教学任务自编而成的, 总有些参数不全, 某些操作步骤表达不清楚, 原理表述不够清晰等不足之处, 从而给学生的使用带来些许不便. 因此, 我们把一些学有余力的学生组织起来, 让他们在课余时间通过各种渠道(如上网、去图书馆等)查找相关资料和实验原理, 要求他们认真重做每一个实验, 对实验的操作细节、数据的精确度、结果的讨论作进一步的要求, 并鼓励他们之间互相学习、交流, 提出意见和建议, 把对实验操作的切身体会、实验数据和结果等补充到教材中, 再交老师审阅后汇总成册, 供下一届的学生参考使用. 通过这种方式所改编的“土教材”会更适合学生的味口, 对正在使用教材的学生有一种很好的鞭策和激励作用, 同时对编写教材的学生的能力也进行了充分的肯定, 能收到意想不到的教学效果. 目前我校光信息科学与技术专业的学生使用的实验教材就是这种经过多人努力改编的, 实用性更强[12].

2.4 成立创新活动小组

光学实验这门课程涉及到很多光学原理, 要用到的仪器也多种多样, 因而可以引导学生积极思考, 相互交流和学习, 产生创新意识, 从而将这门课程演化成一个可以拓宽学生思维, 提高创新能力的平台. 为此, 我们专门成立了一个“创新活动小组”, 新组员基本上是大二的学生. 虽然他们还是大二的学生, 知识面相对狭窄, 但是只要老师多告诫他们不要只局限于教学大纲, 鼓励他们多查阅资料, 多启发他们积极思考, 勇于创新, 他们的潜力还是很大的. 他们加入小组后最先要练的“基本功”就是把做过的所有光学实验重新认真、仔细做一遍, 然后在脱离讲义的情况下能把实验的原理、目的、操作步骤当着组员的面试讲一遍. 目的是培养他们的演讲、动手、动脑等综合能力, 也为以后辅导低年级学生作准备(创新小组的成员大部分都是见习实验员). 同时, 他们在重复做实验的过程当中也会发现实验的弊端所在,从而找到创新点和突破口. 例如09级学生在重复做杨氏双缝干涉实验时发现, 用读数显微镜测双缝板宽度时, 总是出现板会移动, 并且由于人的视角差异, 读数时会出现很大的误差. 几个小组成员经过讨论、交流、查资料,再综合老师的意见, 最终他们利用了如下的原理去测量双缝的宽度, 如图1所示.

图1 测量双缝宽度的原理

利用这个装置, 经过多次实验, 最后确认这个方法测量后的精度比原来要高很多. 今年我们的学生就是利用这种方法来测量缝宽的, 看到自己的成果被师弟师妹们所应用, 他们有说不出的高兴, 也激励了下届学生的学习兴趣.

同时大力鼓励学生钻研仪器的工作原理, 并结合专业知识, 尝试进行一些研发实验或对实验仪器进行改进. 参加创新小组的学生到了大三、大四以后, 随着知识面的拓宽, 他们的动手能力、发现问题、分析问题、解决问题的能力会更强, 我们的学生成功组装了几套设备, 如“恒照度光电控制系统”、“智能防盗系统”等, 改进的实验装置有“用牛顿环测透镜的曲率半径”、“CCD测径实验系统”、“杨氏双缝干涉实验”等, 这些装置我们现在已经派上用场了.

另外, 我们极力鼓励、指导学生申请学校的“创新人才培养计划项目”. 从2007年开始, 光信息科学与技术专业的学生每年都能申请到2个项目, 如“用智能化方式测量透镜的曲率半径”、“CCD测径实验系统的改进”、“颜色分辨仪”、“全息照相”、“全息光栅制作的改进”等等, 参与学生在教师的指导下不仅能顺利完成项目, 部分学生还能撰写相应的科研论文. 现在, “创新活动小组”正开展得热火朝天, 为他们后续做进一步的科研工作奠定了基石.

3 总结与展望

我们对光学实验的教学形式、实验项目、讲义等进行了改革与实践, 通过对几届学生的教学实践的观察, 发现改革后的教学效果比原来的好很多. 特别是“创新活动小组”的成立, 很多学生的动手、动脑、发现问题、分析问题、解决问题的能力及创新能力都得到了很好的发展. 当然, 我们的光学实验教学改革还需要进一步的完善, 特别是实验考核方式、开放性实验、虚拟实验等还有待改革[13]. 我们今年已经申请了学校的重点教改项目, 希望在今后的教学实践中慢慢摸索出一整套适合学生的光学实验教学方法, 以提高教学质量.

[1] 周红仙, 张潞英, 谢嘉宁. 地方高校光电信息与技术实验平台建设与实践[J]. 高校实验室工作研究, 2011,108(2):89～104

[2] 张 斌, 陈士谦, 汪家升. 光信息科学与技术专业实验教学改革与实践[J]. 实验技术与管理, 2006, 23(10): 24～25

[3] 赵丽化, 戴朝卿. “平台+模块”大学物理实验课程体系的探讨[J]. 中国林业教育, 2010, 28(4): 72～74

[4] 孔伟金, 等. 光信息科学与技术专业实践教学创新体系的研究[J]. 实验技术与管理, 2010, 27(3):19～21

[5] 沈洪斌, 李 刚, 等. 光电装备教学实验室的建设与教学实践[J]. 实验技术与管理, 2010, 27(5):182～189

[6] 张 铮. 专业实验教学改革的探索[J]. 实验技术与管理, 2003, 20(5):163～166

[7] 王风丽, 等. 光信息科学与技术专业实验室建设探讨[J]. 光学技术, 2007, 33(11): 315～317

[8] 彭小兰, 王红成. 阿贝成像原理中“分频、合频”的实验演示[J]. 东莞理工学院学报, 2011, 18(3): 38～41

[9] 彭小兰, 卢柱荣, 等. 牛顿环实验的改进[J]. 东莞理工学院学报, 2007, 14(3): 26～28

[10] 唐亚明, 葛松华, 等. 将“物理思想”融入物理实验教学改革的探索与实践[J]. 大学物理实验, 2006, 19(3): 83～85

[11] 陈美纯, 张军朋. 托马斯·杨与杨氏双缝干涉实验[J]. 物理教师, 2010, 31(6): 29～31

[12] 张绍强, 卢柱荣, 等. 光信息实验教学改革浅议[J]. 东莞理工学院学报, 2009,16(5): 119～122

[13] 卢家凰. 关于实验考核具体实施方法的研究[J]. 高校实验室工作研究, 2010, 104(2): 48～50

Reform and Practice on the Experimental Teaching of“Optics Experiments”

PENG Xiao-lan, WANG Hong-cheng, ZHANG Shao-qiang
(College of Electronic Engineering, Dongguan University of Technology, Guangdong, Dongguan 523808,China)

According to the experiment teaching facts of optical information science and technology major of Dongguan University of Technology, the teaching reform of the course “Optics Experiments” is introduced through several aspects, including testing mode, experimental project, teaching materials, etc. These reforms can train basic experimental skill, expand knowledge range , arouse the students' learning optics experiments enthusiasm, and train the ability for solving practical problem and bring forth new ideas for students, improve the teaching quality of the course “Optics Experiments ” effectively.

optics experiments; teaching reform; practice teaching

G642.423

A

1672-5298(2012)02-0082-06

2012-02-08

彭小兰(1970- ), 湖南衡阳人, 硕士, 东莞理工学院电子工程学院实验师. 主要研究方向: 光学及大学物理实验教学