MATLAB实践在物理光学课程教学中的应用

□陈 波 徐其峰 张 茁 王岭娥

现代教育要求以学生的发展为本，着力培养学生自主学习的能力、创新思维和创造能力，教师的授课方式要从传统的讲授知识转变为培养能力，要更加注重培养学生的科学素质和创新能力[1]。物理光学是电子科学与技术、测控技术与仪器等本科专业的一门重要的专业基础课[2]，在课程体系中起着承上启下的作用，是学习激光原理、信息光学、光电检测、光纤光学等课程的基础。本课程以光的波动性为主要研究对象，从电磁波理论和傅里叶分析两个角度，讲授光的传播、干涉、衍射、偏振性质以及这些规律和现象的应用，强调理论和实践相结合[3～4]。由于课程理论知识较为复杂和抽象，导致学生的学习难度较大，难以充分理解教学内容。如何将抽象的理论和直观的光学现象以及具体实际应用有效结合起来，是需要教师在教学活动中思考和实践的问题。MATLAB软件可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，能够应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测等领域，是学生不可缺少的软件工具之一。

为了更好地让学生掌握课程基本知识，培养学生的创新实践能力，根据《物理光学》课程的教学特点和难点，结合MATLAB软件，华北理工大学仪器科学与技术系开展了课程教学实践改革，综合运用启发式和讨论式教学方法，将课堂讲解与MATLAB仿真演示、课后探究式作业和实践有机结合，并采取了与此相适应的课程考试方式。课程考核成绩由期末笔试成绩和课后探究式作业成绩组成，其中笔试占比70%，重点考察基本概念和原理，课后探究式作业成绩占比30%，重点考察学生应用MATLAB软件解决具体问题的能力。

一、课堂教学引入MATLAB数值仿真

课堂教学是大学教育活动的主阵地，是当前教学中普遍采用的教学手段。教师在课堂教学中最容易忽视的就是学生的主体地位，尤其是在授课内容较多的基础课程中。将MATLAB数值仿真引入课堂，采用现象演示和启发式讨论相结合的教学方式，随时演示重要概念和原理的MATLAB程序及结果，能够较好地加深学生对抽象原理的理解[3]。

在讲授完每一章内容后，根据该章节的重要知识点和难点问题，增加了基于MATLAB软件的编程仿真和讨论环节。例如，在学完“光的干涉和干涉系统”这一部分后，在课堂上利用MATLAB软件，仿真说明本章的重要知识点：光波干涉的条件。仿真过程中，通过修改光波长参数，还可以观察到之前学过的光学拍的现象，从而加深理解。又例如在讲解双缝干涉条纹间距的相关课后题目时，先在MATLAB环境下编写柱面波干涉程序，然后修改参数使其满足题目要求，让学生观察干涉条纹分布，并确定题目的答案。在此基础上，进行原理讲解和计算公式推导，从理论分析的角度给出正确答案。采用这种原理和现象相结合的方法，促进了学生对基本概念的掌握和对知识的应用能力。同时，还利用MATLAB软件，开展了课堂提问、讨论和当场演示解释的授课方法。例如在讲解“干涉条纹的可见度”这一难点时，先请学生思考并讨论光源大小对干涉条纹可见度的影响，然后通过叠加相邻位置的点光源的干涉图样的编程方法，给出不同光源大小参数下干涉条纹的可见度仿真结果，当场验证学生的答案。如果时间允许，还可以让学生自己编写相应的程序来验证抽象的理论推导结果。这种在课堂上结合实际提出问题，并当场演示、分析结果的授课方式，增加了教师与学生的互动和交流，活跃了课堂气氛，深受学生欢迎。与学生座谈了解到，在课堂上运用MATLAB编写程序来演示知识点、分析具体问题，非常有利于学生的学习，而且这些程序也成为了学生学习MATLAB软件的素材。

二、基于MATLAB的课后探究式学习

督促学生进行探究式学习是课程教学改革的另一个重要内容[4]。利用课后作业中实践性较强的题目和课程中的某个主题，遵循自由结伴、分析问题、编程实践、总结结果的步骤，以课后作业的形式指导学生进行探究式学习，从而激发学生独立思考和创新实践的意识，培养他们的主动学习和创新探索精神，从而切实提高了教学质量[5～6]。

课程考核成绩中课后探究式作业成绩占比30%，作业题目主要有两类，一是教材中的课后作业，二是来源于教师科研中具体问题。“科研反哺教学”是创新大学教育理念、提高教育质量的有效方法。结合教师科研活动，把教师的科研成果与教学内容有机地融合在一起，布置有一定探索性的课后作业。例如在学习光的衍射和光栅知识后，结合课后题目中计算闪耀光栅的夫琅禾费衍射图像等题目，要求学生利用MATLAB编写程序进行实践，同时查阅资料，结合傅里叶光学，编写菲涅尔衍射的程序，分析不同衍射距离处的光斑分布。教师还拓展了菲涅尔波带片和二元光学的知识，指导学生仿真设计了相位型菲涅尔波带片，让学生查阅菲涅尔波带片应用相关资料，编写了基于该波带片的波前曲率传感器仿真程序，开展了光学元件表面测量实验。此外，教师还布置了基于数字离轴全息的综合性作业，要求学生分析记录全息图时参考光与目标光的夹角的要求，要求学生分析全息重构中衍射距离、目标像放大率等参数的控制方法。

批阅学生的探究式作业总结及感想发现，这种教学活动可以拓展学生的视野，学到很多新的知识，培养团队合作精神，因此受到了学生的热烈欢迎。教学实践结果表明，这种方式可以给学生补充当前光学发展产生的新知识、新技术等内容，培养了学生的研究型思维和解决问题的能力。

三、结语

针对《物理光学》课程理论性强、知识点多、复杂难学的特点，对课程教学进行了一系列实践探索。课程组教师通过指导学生在MATLAB环境下建立数值仿真模型，采用观察现象、讲解原理、启发式讨论、结果验证、自主探索等多种教学方式，让学生感受、理解知识产生和发展的过程，使学生的理论分析能力、实践能力和创新思维得到了进一步提高。课程改革取得了良好的教学效果。