“光学”课程建设的研究与实践

［摘 要］ 课程是人才培养的核心要素，是立德树人的重要载体。“光学”是物理学、光电信息科学与工程等本科专业的一门必修课程，是经典物理向量子物理过渡的桥梁，具有原理抽象、实用性强的特点。河北师范大学的“光学”课程被评为国家级线下一流本科课程。通过对“光学”课程建设研究的发展趋势及问题进行了具体分析，并对河北师范大学光学课程群团队在“光学”课程建设中的实践经验向同行做介绍，期盼能为新时代下“光学”课程建设提供一些新思路，为高校教学发展贡献一份力量。

［关键词］ 课程建设；教学改革；光学

［基金项目］ 2021—2022年度河北省高等教育教学改革研究与实践项目“‘光学’金课建设的研究与实践”（2021GJJG129）

［作者简介］ 李星亮（1986—），男，内蒙古赤峰人，理学博士，河北师范大学物理学院副教授，主要从事光学教学和非线性光纤光学研究；张书敏（1965—），女，河北石家庄人，理学博士，河北师范大学物理学院教授（通信作者），博士生导师，主要从事光学教学和非线性光纤光学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）44-0014-05 ［收稿日期］ 2023-09-26

一、“光学”课程建设研究的发展趋势及问题

“光学”是物理学、光电信息科学与工程等专业的必修课，其旨在培养学生科学思维及理工融合能力，并在系统地学习光学基础知识、扩展知识面、加强其实践能力、培养其创新精神等方面起着重要作用。因而，“光学”课程建设的研究与实践始终是光学教育工作者关注的重要内容。

2016年，贵州大学田晶［1］以“光学课程教学改革的探索与分析”为题，对“光学”课程教学进行了研究，指出采用教师重点讲述与学生讨论相结合的教学方式，可发挥学生的主观能动性，培养学生自主学习、主动思考的能力，还可提高学生的综合素质。同年，广东石油化工学院的朱伟玲等［2］以“高校应用型人才培养框架下的光学课程的改革与思考”为题，对“光学”课程教学进行了探讨，指出为适应应用型人才培养的要求，“光学”课程教学必须关注不同专业方向人才培养的特点与要求，并进行教学内容和教学方法的优化，即在课堂教学内容上侧重共性，课外作业兼顾个性，课程考核以共性+个性的方式进行，以生为本，提高人才培养质量。

2018年，苏州大学的乔文［3］以“光学课程项目式教学实例探究”为题，对“光学”课程教学改革进行了研究，并尝试利用“小组项目”的形式开展任务型课堂教学，即以学生为主体，引导学生自主完成资料收集、实验设计、总结和成果展示的全过程，提高学生课堂积极性，增强学生的合作意识，培养学生独立进行学术思考的能力。同年，广东石油化工学院的黄庆举［4］以“大学光学课程的教学法探讨”为题，从更新教学观念、根据学生的情况调整教学进度、丰富教学法以调动学生的学习兴趣及提高对教师素质要求的筛选等四方面对大学“光学”课程教学方法进行了探讨。同年，唐山师范学院的侯宇［5］以“光学课程教改方法的探讨与研究”为题，分析了“光学”课程教学过程中存在的一些问题，并针对性地提出了解决方法，指出采用光学课堂与实验综合教学模式，能有效改善课堂氛围，加强教师与学生之间的沟通交流。

随着时代的发展，要对课程教学方式方法进行探索和改革，新的教育理念要不断融入课程教学方式方法当中。2016年12月习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上，强调：“其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应”［6］。2018年9月，习近平总书记在全国教育大会上强调：“要把立德树人融入思想道德教育、文化知识教育、社会实践教育各环节，贯穿基础教育、职业教育、高等教育各领域”［7］。2019年3月，习近平总书记在学校思想政治理论课教师座谈会上强调：“要坚持显性教育和隐性教育相统一，挖掘其他课程和教学方式中蕴含的思想政治教育资源，实现全员全程全方位育人。”［8］2020年，武震林［9］结合专业特色，将我国老一辈科学家的先进事迹及科学贡献与课程内容相融合，就“光学”课程思政教学改革进行探索。

总之，为适应21世纪信息技术与信息产业的加速发展，培养适应新时代、适应地方发展的人才，许多高校都本着以学生为中心的理念对“光学”课程进行了建设．但目前仍存在下列问题：（1）教学内容单一，知识相对陈旧，与应用知识和研究前沿结合不足，导致学生缺乏学习兴趣。（2）新媒体因势而生，教师“自身换血”不及时，没有充分运用新媒体新技术使课程教学活起来，课程教学时代感和吸引力不足。（3）教学模式对知识培养、能力培养及科学素养培养等方面做得较为全面，但是过程化考核形式单一，检验学生能力是否得到真正培养的方式方法比较欠缺。（4）课程思政与课程内容有机融合得不充分，润物无声的效果不明显。

二、河北师范大学“光学”课程群教学团队在“光学”课程建设中的具体实践

上面提到的相关问题既不利于培养高校学生的综合能力和实践能力，也不利于人才的培养。随着科学技术发展的日新月异，原有的“光学”课程的教学模式、教学方法、教学手段等都应有所变化。如何提高学生的学习兴趣，培养学生的实践应用能力已经成为高校和教育工作者面临的重要课题。经过课程团队多年的努力，河北师范大学的“光学”课程被评为国家级一流本科线下课程。该课程的发展理念注重解决地方高校长期存在的教学教育问题，因地制宜、因校制宜、因课制宜地建设课程，这对一流本科建设中“光学”课程的建设具有一定的借鉴意义。

（一）课程建设方面

课程团队以内涵探索为基础，加强课程建设和改革。团队积极聚焦“一流本科”“一流专业”建设要求，优化课程结构，创新育人体制机制，促进知识学习与科学研究、能力培养有机结合，对标开展课程建设和课程改革。随着教学团队不断壮大，课程建设和改革不断深入，课程内容与资源不断丰富，学生培养质量也不断提高。针对课程建设和改革过程中所面对的问题，团队主要从以下方面持续改进。

1.针对教学内容单一的问题，团队不断加强采用传授知识、培养能力，促其正确人格养成，培养其科学素养的理念，坚持“学生中心、产出导向、持续改进”，通过优化教学大纲，进一步完善研讨式、启发式、互动式教学，提高学生自主学习能力；团队不断加强落实实验探究、小组讨论、实物讲解、讲授、课题研究相结合的教学方法，加大实验在教学中的比重，提高学生的抽象思维能力；团队发挥学科优势，不断探索将科研成果转化为教学的新思路、新方法。不断加大教学内容改革力度，进一步将科技前沿、生活实际引入课堂，提高学生的科学思维能力和创新意识；此外，团队探索双语教学方式，培养学生的国际视野。

例如，在光栅部分讲解时，教师会准备衍射光栅、透射光栅、不同类型光纤光栅的成品带到教室给学生进行实物演示，课中在讲解光栅制作时会播放光栅制作视频，课下会安排约4个小时到研究生实验室内观摩光纤光栅制作过程。张书敏教授所负责团队能制作长周期光纤光栅、短周期光纤光栅。特别是短周期光纤光栅覆盖了1微米、1.5微米、2.0微米波段，能刻写高反射率、低反射率、啁啾等不同性能的光纤光栅。并且，实验室已经将自制的基于长周期光纤光栅的光谱滤波器应用到高性能光纤激光器的研发中，取得SCI二区及以上论文成果10余项，授权发明专利1项。学生通过所见所感加深了对光栅知识点的理解。因为光栅是第二章最难的知识点，通过将教学内容与科学前沿知识相结合，对光栅相关知识的实践学习让学生觉得第二章《光的衍射》的内容精华简洁明了。关于第五章《光的偏振》的讲解，教师会准备偏振片、偏光眼镜、波片、双折射片的成品带到教室给学生进行实物演示，课中会讲解非线性偏振旋转的锁模原理，是通过偏振光的干涉（课本第一章《光的干涉》）来实现的。课下会安排约2个小时到研究生实验室观摩研制的非线性偏振旋转锁模光纤激光器。该类型光纤激光器包括偏振片、偏振分束器、布儒斯特窗、波片等相关知识，张书敏教授所负责团队在非线性偏振旋转锁模时空孤子光纤激光器及Mamyshev振荡器方面的研究，取得了SCI二区及以上论文成果30余项。仍然是通过将教学内容与科学前沿知识相结合，对干涉、偏振相关知识的实践学习让学生领悟第一章《光的干涉》及第五章《光的偏振》的内容精华。关于第三章、第四章几何光学部分的学习，教师会将开普勒式和伽利略式天文望远镜带到教室中进行实物演示，也会安排一个天气情况比较好的晚上，带着学生用天文望远镜观测月球。教材中的每一章内容除了普通物理实验和近代物理实验的实践支撑外，还有知识点与科技前沿应用的紧密结合。有的学生也会因为“光学”课程的实践学习，激发了他们从事物理竞赛和科学研究的内驱力。

2.针对网络新媒体技术灵活运用的特点，团队利用互联网对教育教学资源进行收集整理和优化，再通过丰富的资源对学生进行有效引导；团队以线上线下相结合的课堂学习模式，利用学习通、雨课堂等网络课程平台为传统课堂赋能，加强课堂的时代特色，加深学生对教学内容的体会和理解，从而使得整个教学活动更具活力。不仅如此，团队还将教学改革成果、试题库利用学习通等进行推广，推动教学资源和成果惠及更多学生。针对团队教师培训进修问题，不间断派出教师参加一流高校“光学”课程的课堂学习。如2022年课题组通过中西部高校青年教师融合式教学进修项目，派出2名教师全程参加了华东师范大学“光学（荣誉课程）”的课堂学习。教师不断将所学的“光学”教学的新思想、新方法与本校的教学实践相结合，实现教师自身及时“换血”。

平时团队授课教师会有意识关注新媒体新技术在课程教学中运用的有益案例，PPT中会及时更新一些对相关知识点理解的新动画。教师也尝试录过一些微课，比如“从三个角度来看波函数的表达式”“非线性偏振旋转锁模用到了哪些光学知识点”。这些微课需要一些平台来播放，如何将新媒体新技术与课程教学有机融合并提升学生学习效果是教学团队不断关注的方向。

3.针对过程化考核形式单一问题，团队不断完善试题库建设，加大过程化考核力度，提高过程化考核质量和分数占比；全方位、多角度、全过程地记录、考查学生的课堂考勤、课堂表现、阶段性测验、平时作业、学术文献阅读等方面的课程学习过程化数据，建立学习反馈机制并对成绩落后学生进行预警和辅导等；发掘教学过程化考核新模式、新方法，进一步调动学生学习的积极性，提高学习效果。

以下是“光学”课程过程化考核占比情况：（1）课堂考勤（1%）：每次课堂结束后记录未到学生名单。（2）课堂表现（9%）：针对学生的听课状态与纪律，学生课堂发言、公式推导、专题讨论等课程表现情况进行综合评定。（3）平时作业（30%）：包括课外作业、学术小论文或文献综述。（4）阶段测验（30%）：包括随堂测验和章节测验。（5）期末考试（30%）：过程化考核方面的新举措借鉴了华东师范大学管曙光教授团队的做法。教师将波动光学和几何光学的重要内容分成了40个专题，每3～4人一组研究一个专题知识点，在讲授相关知识点时让相应小组分享对专题知识点的理解或者补充一些拓展内容。学生这部分表现作为第二项的考核内容之一。整个考核方案的目的是尽量排除班级授课教师主观上对学生整体学习效果考核的干扰。这种做法对存在多个平行授课班级或大班授课的情况是一项有利因素。

4.针对课程思政效果不明显的问题，团队教师不断加强自身思想建设，提高政治站位，紧跟党和国家建设高等教育强国的新思想、新理念，紧跟时代，不断优化教学大纲，常讲常新，不断激发教师积极性、主动性和创造性，着力打造一支信仰坚定、学识渊博、理论功底深厚的教师团队。另外，团队将课程思政引入课堂，讲述光学在现代科技前沿中的重要应用及国家社会安全稳定发展的重要性等，培养学生的科学家精神，实现光学专业知识与思想政治教育的有机融合。课程组已经打磨了多个成熟的“光学”教学课程思政案例，润物无声地将高校立德树人任务在“光学”课程上落地，不断增强学生的担当精神和责任意识。

在绪论《光学发展简史》部分，通过对中国古籍中光学内容的介绍，如《墨经》（光的直线传播）、《潜夫论》（光源）、《梦溪笔谈》（成像焦点）和苏轼关于海市蜃楼（光的折射）的诗句等，归纳出中国古人在直观体验的感性认识上是很有创造力的，突出中国古人具备科学探索的精神。在讲第1.8节《迈克尔逊干涉仪》部分，通过对迈克尔逊干涉仪在测量长度的微小变化上的应用引入激光干涉引力波观测系统（LIGO），并介绍LIGO发现引力波并获得诺贝尔奖事件，突出强调光学研究在人类科学发展上的贡献，进而引入中国空间引力波探测项目——“天琴计划”，激发学生的爱国热情，增强学生的社会责任感和使命感。在讲第4.8节《助视仪器的放大本领》部分，通过对望远镜的讲解，引入我国500米口径球面射电望远镜（即“中国天眼”），“中国天眼”在结构工程及力学、大尺度工业测量、接收机系统研制等多个领域的五项相关技术成果被鉴定为国际领先水平，显著提高了我国相关领域产业技术水平和自主创新能力。同时，专家组一致认定射电望远镜的灵敏度水平已经显著领先国际上其他射电望远镜水平，实现了我国射电天文望远镜由追赶到领先的跨越，对促进我国在相关学科实现重大原创突破具有重要意义。增强了学生的民族自豪感，坚定“四个自信”。