[出处] 教育教学论坛_2022年第7期

张桂菊，秦琳玲

[关键词] 信息光学;过程化考核;教学实践

[基金项目] 2018年度苏州大学本科教学团队项目“光学课程群教学团队”（5821502419）

[作者简介] 张桂菊（1977—），女，江西上饶人，博士，苏州大学光电科学与工程学院副教授，硕士生导师，主要从事微纳光子学器件研究;秦琳玲（1982—），女，江苏无锡人，博士，苏州大学光电科学与工程学院光电系副主任，副教授，硕士生导师，主要从事微纳光学设计与光学传感研究。

[中图分类号] G642.0;O438 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）07-0097-04 [收稿日期] 2021-10-18

引言

“信息光学”又称为“傅里叶变换光学”，以波动光学理论和傅里叶分析为基础，内容涉及光的衍射、成像、光学数据处理和全息技术等理论与应用。本课程重点面向光电信息科学与工程专业的本科生，属于专业核心课程，也是一门高年级的应用性很强的专业课程。我校的光电信息科学与工程专业是江苏省特色专业和苏州大学一流本科专业，旨在培养掌握光电/光信息系统、仪器设计和检测技术等相关原理和方法，在光电和光信息技术领域从事技术开发、工程设计、运行管理等的专业知识和技能的人才。2018年，我校启动“光学课程群”建设项目，“信息光学”课程是一门理论与实践结合的课程，能够让学生了解和学习现代光学系统，并在面对光电信息科学与工程领域复杂工程问题上提升设计和解决问题的能力。“教育部高等教育司2019年工作要点”中的十条都强调了本科教学的重要性，围绕“一流本科、一流专业、一流课程、一流教师、一流质保、一流人才”全面实施高等教育改革发展和助推高等教育强国建設[1-4]。专业课程是高等教育建设中的最基本单元，专业教学的意义和目标更是帮助学生解决和发现能够受用一生的知识和方法[5，6]。光学是一门古老而时髦的学科，本科高年级光学类专业课普遍具有较高难度。“信息光学”是物理光学的延伸课程，更是现代光学的一个重要分支，目前在各大高校的光学工程专业的硕士研究生和博士研究生阶段都在开设该课程，对于本科阶段，该课程的学习具有一定的难度和挑战性[7-11]。因此，教师在该课程的课堂教学内容与设计、方式与方法进行不断实践与调整就显得尤为重要。

一、教学方法和内容探究

信息光学是在20世纪中叶建立和发展起来，主要源于光学领域中的三件大事：1948年光学全息术的诞生、1955年光学传递函数概念的提出和1960年激光器的诞生。信息光学从经典的波动光学中脱颖而出，又以波动光学为基础，运用信息系统概念和傅里叶频谱分析方法对光学现象做了新的诠释，并渗透很多科技领域并得到越来越广泛的应用。在多年的教学经验和科研实践中，从以下方面对“信息光学”课堂教学进行了教学方法与内容的探究、建设与实践。

（一）重视绪论内容与讲授

绪论中讲解国内外最新科研进展及应用，特别引入我院科研先锋教师的研究进展介绍，用身边的故事激发学生的专业学习兴趣，培养科研强国精神和严谨求实的科学态度。介绍“信息光学”的课程建立发展及其思想内涵，再引入最新的科技纪事。例如，美国科学家Rainer Weiss、Barry C. Barish和Kip S. Thorne于20世纪90年代，最早提出利用激光干涉仪探测引力波的方法，并由于“LIGO探测器和引力波观测方面做出的决定性贡献”而获得2017年度的诺贝尔物理学奖。进而，介绍我国在空间引力波探测领域的重大进展——“天琴计划”及该研究赋予的科研和国防科技的重大意义。2018年度的诺贝尔物理学奖也颁给了“在激光物理领域的突破性发明”的法国科学家Gerard Mourou和加拿大科学家Donna Stricklan，由于他们在20世纪80年代研究和发明出重大的“放大再压缩啁啾光学脉冲”技术，该技术是激光脉冲展宽和压缩的体光栅器件的应用，可以从衍射光学角度看啁啾脉冲放大技术，是典型的信息光学应用领域的重大进展[12]。

引入身边的先锋人物和科研事迹。我校光电学院光学工程特色学科方向之一的吴建宏研究员带领团队在大口径脉冲压缩光栅全息掩膜领域进行研究，经过多年的积累，已建成国际/国内最大的全息实验室，有国际首创独有和国际唯一的超大光栅的拼接技术，突破了超大口径极弱曝光条件下的条纹锁定技术，精度达到1/20条纹周期。还有陈林森研究员和他的团队，在光学全息技术上多年来具有广度和深度的开发应用：“定向光变色膜”原版制造技术，一举拿下了第二代身份证的第一道防伪技术——视读防伪;“双通道光变色膜及其纳米压印技术”应用在新版驾驶证和行驶证上;用于新能源汽车号牌的智能签注系统的“3D光场打印技术”。他们在科研的道路上一直把个人命运与国家命运联系在一起，在我国自主创新的道路上不断探索，这种在身边的科研精神更真实的鼓励着学生努力学习、树立“科技强国”的伟大抱负和立项。

（二）增加现代光学的专题内容，激发学生专业学习和科研探索兴趣，拓宽科技视野

“信息光学”课程囊括的知识内容既是传承又是突破，在标量衍射理论框架下发展了现代光学思想，通过增加现代光学的专题内容，一方面激发学生专业学习和科研探索兴趣，另一方面拓宽学生的知识面和科技视野。

对本课程才出现的概念，例如“空间频率”“角谱”“角谱理论”“基元函数”和“点扩散函数”等，如何让学生更准确的理解和掌握，并不至于“抽象而晦涩”？为帮助学生更好理解这些概念，教师在教学过程中更注重传统理论知识在现代工程技术中的应用，除了教材中的例子，再引入主题式或专题式的教学内容。例如，在“相衬显微镜技术”中深入探讨空间滤波的“相幅信息转换”概念、“超大光栅技术”中深入对光学全息技术和基元全息图的理解，以及“光学传递函数”的专门认识和讲解。为了加深对频谱信息的理解，专门在对光学成像系统的频率特性一章的学习之后，开始进行小专题“从信息变换的角度看透镜成像”的讲解，进一步帮助和消化频谱信息概念与分析。并将部分专题内容的知识点讲授形成教学短视频，以微课小视频的形式放在在线学习平台上供学生课外时间观看。以真实而生动的应用实例，带动对抽象理论概念的理解，帮助学生深刻认识到公式背后的物体图像，显著增强学习兴趣。

（三）注重知识体系构建和知识的连贯性

“信息光学”课程的形成和发展在时间和知识面宽度的跨度很大。从18—19世纪的Fourier变换和Kirchhoff/Fresnel标量衍射理论、Abbe-Porter理论到20世紀的现代通信理论、空间滤波技术和精密加工技术的发展，理论、实验和应用交错发展。因此，在教学方法和内容上，更加重视课程知识体系的构建，教学设计上注重知识导图的学习和讲解。如图1给出“信息光学”的发展和建立框图，交代该课程在理论与应用发展上的里程碑事件，同时也概括了“信息光学”课程的知识体系形成与构建的内在脉络。光学图像从“空域”走向“频域”，使得频谱信息的概念贯穿整个课程始终。

在课程构建体现基础上，课程内容分解和涵盖了包括二维线性系统分析、标量衍射理论、透镜成像规律、用频谱方法分析光学系统性质、光学全息技术、空间滤波和现代光学信息处理技术等章节内容。课堂教学过程中，不仅要重视一门课程的第一课和最后一课，也要重视课程每章的第一课和最后一课。针对整个课程内容，有开篇的课程模块介绍和引导学习内容，也要有课程总结和回顾。针对章节，则是提炼章节主要内容和章节重点。例如，课程第三章“光学成像系统的频率特性”的第一课，回顾第两章“二维线性系统分析”和“标量衍射理论”的主要内容与本章节之间的联系：非初等函数和特殊函数、傅里叶变换和线性系统及采用空间频谱的观点来分析衍射成像，为透镜成像系统的像质评估提供了数理基础;每章最后一课罗列总结学习重点：透镜的位相调制、傅里叶变换性质及成像特性、相干传递函数和光学传递函数对成像系统评估应用（光学系统的截止频率和像强度分布计算）。

二、过程化考核与评估探究

课程考试是课程教学过程中的一个重要环节，也是检测高等教育教学质量的一个重要手段。过程化考核（考试）是在教学全过程中，对学生的学习行为、学习态度、学习表现和学习积极性等情况进行全面而综合的考量。“信息光学”是一门专业综合性强的高年级专业课程，采用过程化考核的评估模式，能够充分调动学生的积极性，实现对学生全方位和多元化的考核，及时帮助学生解决学习难点问题。

该课程在过程化考核和评估中，基础内容的学习采用章考核、应用内容的学习注重文献阅读和翻转课堂汇报。与“信息光学”课程相关联的应用学习贯穿整个课程，翻转课堂项目和文献阅读分散在整个学期中，学生可根据自己的兴趣和时间安排选题并完成。教学过程中设计的翻转课堂项目的相关选题，内容涵盖了课程的全部章内容，包括基础理论及重要应用，文献检索近3～5年内的不少于5篇，至少包括2～3篇英文文献。翻转课堂项目分组进行，每组3～4人，设置小组长，各有分工。在学习专业知识过程中，帮助养成和提升学生之间的交流合作能力。在上一轮的过程化考核中，本课程共设置3次章节的过程考试，内容包含二维线性系统分析、标量衍射理论和光学成像系统的频率特性、光学全息和现代光学信息处理，三次过程化考核均采用开卷答题形式，共占总成绩50%;1次综合考试，占总成绩25%;平时表现、文献阅读和翻转课堂项目汇报，占总成绩25%。综合考试放在学期末统一安排，其余成绩考核均在教学周完成。该课程设置在本科三年级，过程化考核式学习能够更好体现专业学习上的有承前启后与课程之间的衔接特点。过程考核的实际教学过程表明，帮助学生及时理解和消化专业知识、巩固和拓展了专业知识的应用、减缓期末考试压力和提升了学生平时学习的积极性和兴趣。

结语

我校以学科建设推动本科专业及教学发展改革，对“信息光学”课程的教学内容和方法、教学考核和评估进行了探究与实践。在绪论中讲发展、讲来源、也将身边的人物和故事，注重基础理论与现代光学应用结合、教学与科研结合。考核方式采用过程化考核，评估学生的学习过程。采用章考核方式、综合考试、文献阅读和翻转课堂汇报等形式，启发和引导学生的自主学习和思考，激发学习的主动性和积极性，收到了良好的教学效果。