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基于信息技术背景下物理光学课程教学资源建设和实践

□ 刘翠红

陈志峰

张冰志

梁铨廷

【摘要】社会的进步和科技的发展,对高校本科的教学提出了新的要求.本文以物理光学课程为例,通过教材编写、微课制作、课堂内外等方面的教学实践活动,探讨“互联网+”信息技术背景下高校课程的教学资源建设和创新混合教学模式的实践,为理工类广大师生开展教学活动提供参考.

【关键词】高等教育；教材；微课；翻转课堂

【基金项目】本文系广东教育教学成果奖（高等教育）培育项目（2014）和广东省本科高校教学质量与教学改革工程项目（2014）的研究成果.

中图分类号：G642.0

文献标识码：A

文章编号：1671-0568（2017）14-0045-03

近十几年来,“互联网+”等信息技术的发展和广泛应用,为教育现代化开辟了新的途径.二维码教材、微课、慕课、翻转课堂、混合教学模式等新生事物的出现,使人们的学习方式随之发生了改变,给高等教育带来了前所未有的冲击的同时,也为高等教育的改革提供了新途径.对不同学科不同层次的课程,信息技术的应用侧重点及形式有很大的不同.

作为光电信息类与光学工程类专业的一门重要的基础课程,物理光学讨论的内容相当广泛,它以经典、基础性为主,同时也融合了现代内容,主要包括了光的干涉、衍射和偏振现象,以及光在各向同性介质、异性晶体中的传播规律及其应用等.该课程涉及抽象的概念、复杂的数学运算,是一门既重要又难教难学的课程.近几年,我们尝试把信息技术渗入到教学活动的一些环节,在教材编写、微课制作等方面教学资源建设做了有益的尝试,并在此基础上,设计、实践新的教学模式,并取得了一定的成效.

一、教材建设

教材是体现教学内容和教学方法的知识载体,是进行教学的基本依据,在提高人才培养质量中起着重要作用.在多年的教学积累基础上,我们编写了《物理光学》《物理光学简明教程》和《物理光学学习指导与题解》等教材.该系列教材得到了师生的广泛认可,被全国200多所高等院校作为教材或教学主要参考书,并入选“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材.《物理光学》从第1版至今第4版,经历了30余年,成了经典的教材.该教材以光的电磁理论和傅里叶分析方法为基础,系统地阐述了经典与现代物理光学的基本概念、原理、主要现象和重要应用,力求反映本学科的现代面貌.全书前后叙述一致,脉络清晰,表达精准,图文并茂,适合基础较好的本科生及研究生使用.

为配合《物理光学》的使用,我们编写出版了《物理光学学习指导与题解》,该指导书对《物理光学》各章内容进行了梳理,明确了学习要求.此外,我们还对《物理光学》各章的练习题进行了详解,并补充了近300道题目及解题过程.因此该辅导书在一定程度上弥补了习题课不足的缺陷,有助于读者理解主教材内容,提高自学能力和解题能力.

考虑到目前普通高校物理光学课程教学时数一般都在50左右,《物理光学》的篇幅相对较大,因此,我们编写了《物理光学简明教程》.该教程有如下特色：①保留了《物理光学》基本的概念、原理、定律和应用,公式的推导力求简练；②光学学科的发展与诺贝尔奖密切相关,为了提高学生的学习兴趣,在附录C里,列出了诺贝尔物理奖中物理光学相关的贡献；③尝试把信息技术融入第2版的教材中,在全书的重点或难点章节安插了25个二维码.这些二维码承载着主题鲜明的微课、实验装置、动画、三维图、彩、补充的文字资料、相关链接的网址等不同形式的信息,与文本内容形成立体化的动态教材.读者可以很方便快速地从纸质载体到二维码载体来回切换,无接缝地获得各自所需要的信息,省去了检索浏览的时间,保障了学习过程的连贯性,使学生在快乐自主的学习中达到预期的目标.

二、微课设计与制作

踏入21世纪后,各种互联网课程不断涌现：2000至2002年,人们了解尝试使用网络课程,2003至2010年,出现了精品课程,从2012开始就有了微课及大规模在线开放课程.迄今为止,开放物理光学课程公开视频课程的高校并不多,其中有哈尔滨工业大学、华中科技大学、天津大学.这些视频通常由教学经验丰富的老师主讲,他们各有特色：语音清晰,表达简练,幽默风趣,或通过声音、手势、板书或课件,传递教学内容.学生可以通过网络共享到这些优质资源,缩小了不同院校的差别.

公开课视频虽好,但因为每一节一般大约一个多小时左右,时间过长,文件过大,学生很难做到把整节课顺利全部观看完毕,更不会反复观看.近两年出现了短片的教学视频——微课.这些把教学内容“碎片化”的短片只含1-2个知识点,对系统性和全面性没有要求,但每个视频都做到主题突出,内容具体,相对完整,方便学生针对自己的需要有所选择地反复观看.微课视频制作条件简单,任课老师可以按学生的需要设计制作,灵活地进行补充或替换,因而受到师生们的欢迎.

我们把物理光学的内容分割成一个个知识点,利用Camtasia Studio软件制作了70集视频,每个视频时长为5-10分钟,这是目前为止,物理光学课程最完整的微课视频,可以在电子工业出版社的网页上免费查看.这些视频包含了：①物理光学课程的基本知识点；②一些很有意义,但通常因为课时不足而省略的内容.例如；傅里叶变换光谱仪,傅里叶变换等数学内容,只靠自学比较难掌握其中的精髓；又如琼斯矢量和琼斯矩阵分别是对偏振光和偏振器件的表述方法之一,讨论偏振光通过偏振器件尤其是多个偏振器件后偏振态变化的问题时,只要应用矩阵相乘,就可以快捷方便地求出透射光的偏振状态,可见矩阵表示法对于讨论偏振光偏振态的变化是非常简便的,但因为它不是唯一的方法而常常被舍去；③对课程的重点或难点进行了分解,使学生更容易接受.例如,围绕着菲涅耳公式,我们制作了5个视频：菲涅耳公式推导、由菲涅耳公式得到的反射率和透射率的计算、布儒斯特定律、半波损失、全反射等.

简短的几分钟的视频,不会花费学生太多的课外时间,将有利于基础知识薄弱的学生提升,也便于学有余力的学生进行深入学习.每个视频讲1、2个知识点,与网络现有的长篇视频互相补充,相得益彰.

三、混合模式的课堂教学

目前,由于高校课时普遍压缩,教师要在有限的课时内完成教学任务,课堂上常常是快节奏地让学生“知道”一些知识,学生也好像很容易“学到了”.但结果是,学生考试后往往就把“所学到”的知识全部忘记了.我们认为,有了辅导书、带二维码的新教材和视频等教学资源,课堂内外的教学处理就可以作一些改变.教学模式由单纯的讲授满堂灌变成课前课后看视频自学,课堂上老师有更多的时间去拓展某些知识点,开阔学生眼界,增加提问、讨论、答疑交流的时间,因此“翻转课堂”应运而生.但任何事物都有利弊两个方面,如何扬长避短,让翻转课堂这一新生事物起积极作用,是值得教育工作者进一步深入思考、探讨的问题.

通过实践,我们认为翻转课堂与传统课堂优势互补,把两种教学模式相结合的混合模式更容易达到预想的教学目的.具体的教学流程是：①要求学生课前看视频和做一些基础练习题,带着疑问来到课堂；②上课时,教师首先提出一些简单直接的问题,例如：干涉的三个相干条件是什么？影响条纹对比度的三个主要因素是什么？如何判断左旋右旋？通过这些问题,判断学生是否完成课外预习,确定课堂下一个环节教师讲授、提问及学生讨论的比例.

相对传统的教学,这种混合模式的教学对老师提出了更高的要求,为了发挥其优势,教师要花更多的时间精力去设计教学.其中一个关键就是设计好课堂的问题,好的问题能帮助学生内化所学知识,提高学习兴趣,培养批判性思维与独立思考能力,达到教学目的.下面举两个例子：

例一：干涉条纹对比度

通常教科书给出式（1）来定义描述干涉条纹的清晰程度的“对比度”.这是一个无量纲的物理量.取值范围为.K值越大,条纹就越清晰.在教学中,教师一般会把定义式直接告诉学生,讨论一下其取值范围及意义,教学任务就完成了.

其实,这样一个“简单的”知识点,教师也能引导激发学生批评式思维.例如,可以让学生思考为什么要这样定义条纹对比度？或者这种定义是否有意义、合理？下面我们来分析一下,公式表达的是,以光强的极大值与极小值的差相对其和构成一个百分比来表示条纹的清晰程度.式（1）中分子为干涉场中某点附近光强的极大值与极小值之差,表示的干涉条纹明暗程度对比,有着明确的物理意义,但分母为观察点附近光强的极大值与极小值之和,实际上,它没有直接明确的测量意义.那么干涉条纹对比度是否有其他更合理的定义？如果我们把分母的光强极小值删去,式（1）变为：

与式（1）一样,用式（2）表达的K2也是一个无量纲的物理量,其取值范围不变,不同的是,式（2）的分母是光强极大值,有明确的测量意义.那么,是否式（2）比式（1）更合适作为干涉对比度的定义呢？我们可以引导学生通过作图做进一步分析.借助图可以看到,两种表达下条纹可见度的最大值和最小值是相同的,分别为1和0,但由式（1）所定义的对比度是曲线而式（2）是直线,所以式（1）更容易区别取值介于1和0之间干涉条纹的清晰程度,从这个角度来说,式（1）的表述更有意义.这种探究的学习过程,不仅可以加深学生对干涉条纹对比度的认识,更重要的是,可以培养学生的质疑能力和创新意识.

例二：偏振度

按光的偏振状态分类,我们把光划分为自然光、偏振光和部分偏振光.偏振度的定义为：

其中为偏振光的强度,为总强度.不少教材把式（4）进一步写为：

如果部分偏振光是由自然光和线偏振光组成的,式（4）和式（5）是一致的,但如果是其他情况,例如圆偏振光,则式（5）就有问题.因为一般的教材没有提及式（5）的适用条件,因此,教师可以在这里设问,引导学生思考.

信息时代的到来,给高校教师提供了很多机遇,如何把新技术恰当地融合、运用到教育中,推动教育改革的发展,对广大教育工作者是一种挑战,但所有教学改革的目标都是让学生成才而不是为改革而改动.

参考文献：

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[2] 胡铁生,周晓清.高校微课建设的现状分析与发展对策研究[J].现代教育技术,2014,(2):5-13.

[3] 卜彩丽,马颖莹.翻转课堂教学模式在我国高等院校应用的可行性分析[J].软件导报,2013,(7):9-11.

[4] 梁铨廷.物理光学(第4版)[M].北京:电子工业出版社,2012.

[5] 刘翠红.物理光学学习指导与题解(第2版)[M].北京:电子工业出版社,2013.

[6] 梁铨廷.刘翠红.物理光学简明教程(第2版)[M].北京:电子工业出版社,2015.