CDIO教育模式下“物理光學(xué)”教學(xué)設(shè)計探究

紀(jì)延俊 杜玉杰 卞 麗

(濱州學(xué)院光電工程系 山東 濱州 256603)

“物理光學(xué)”是光電類專業(yè)必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，從光的波動性出發(fā)研究光在傳播過程中所發(fā)生的現(xiàn)象的學(xué)科，所以也稱為波動光學(xué).物理光學(xué)涵蓋經(jīng)典光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)的廣泛內(nèi)容，包括光的基本性質(zhì)，光的干涉、衍射、吸收、色散、散射及晶體光學(xué)基礎(chǔ).物理光學(xué)的教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握光的波動理論及晶體光學(xué)的基本知識、概念，學(xué)會用光的電磁理論解決光的干涉、衍射、偏振及其與物質(zhì)的相互作用問題，為信息光學(xué)、激光原理與技術(shù)、光電信息技術(shù)、光纖通信等多門專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ).在該課程的教學(xué)中，學(xué)生反映課程內(nèi)容概念多，抽象難學(xué).如何得到好的教學(xué)效果，人們在教學(xué)方法和模式方面做了不斷的探索，如學(xué)導(dǎo)式教學(xué)[1]、研究性教學(xué)模式[2,3]、課題制教學(xué)[4]等.

大學(xué)是傳承、實踐和創(chuàng)新文化的機(jī)構(gòu)[5]，高等教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的雙重關(guān)系為引領(lǐng)與適應(yīng)[6]，如何調(diào)整人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)大學(xué)生就業(yè)，成為高校改革的熱點.CDIO(conceive,design, implement, operate，構(gòu)思、設(shè)計、實施、運作)工程教育模式改變了過去陳舊、單一的工程教育人才培養(yǎng)觀念，樹立以產(chǎn)品為導(dǎo)向的工程價值觀[7,8]，適應(yīng)了大眾化高等教育的發(fā)展和科技的發(fā)展.我校以培養(yǎng)高級應(yīng)用型人才為基礎(chǔ)，以需求、市場、就業(yè)為導(dǎo)向，在設(shè)計光電信息科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案時努力將社會需求科學(xué)地轉(zhuǎn)換為可以教學(xué)的應(yīng)用需求，使課程體系和課程內(nèi)容與實際應(yīng)用較好銜接.在“物理光學(xué)”教學(xué)中，融入CDIO教學(xué)模式，從課程內(nèi)容的構(gòu)思、設(shè)計到具體課堂以及課后教學(xué)的實施和具體運作，力圖使學(xué)生從單純的理解和接受式的被動學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用和探索式的自主學(xué)習(xí)方式.

1 物理光學(xué)教學(xué)中存在的主要問題

物理光學(xué)知識體系嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯推理性強、實踐性強，知識體系間又具有較強的獨立性；該課程公式多，難度大，講授難以生動形象，特別在光的電磁理論基礎(chǔ)和光的衍射部分，如果用死記硬背的學(xué)習(xí)方法，既影響學(xué)生對課程內(nèi)容的理解掌握，又影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索興趣，阻礙學(xué)生創(chuàng)新能力和探究能力的培養(yǎng).

物理光學(xué)的教學(xué)過程中主要存在以下問題.

(1)教學(xué)方法單一

物理光學(xué)涉及的知識抽象、公式復(fù)雜，教學(xué)中會出現(xiàn)教學(xué)方法古板、平鋪直敘的情況[9,10]，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣隨著理論學(xué)習(xí)的深入呈下降趨勢.

(2)學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不足

通過光的電磁波方程來表示光在傳播過程中與介質(zhì)的作用以及相互間的作用，復(fù)數(shù)的物理意義與運用一直是學(xué)生難以掌握的問題，致使學(xué)生重視了結(jié)論，卻忽略了分析問題的思想.

(3)知識的積累與應(yīng)用能力培養(yǎng)間難以協(xié)調(diào)

物理光學(xué)是光電類專業(yè)的基礎(chǔ)課，不僅要給學(xué)生打造寬厚的理論基礎(chǔ)，更重要的是要培養(yǎng)學(xué)生分析問題與解決問題的能力，同時注重學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng).

物理光學(xué)是光電類專業(yè)學(xué)生的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，但歷年來又被學(xué)生認(rèn)作是比較難學(xué)的課程之一，所以需要不斷探索其教學(xué)設(shè)計，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動手能力和工程素養(yǎng)，為后繼課程的學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ).

2 課程建設(shè)改革的實踐與探索

基于課程教學(xué)的特點和需要達(dá)到的目標(biāo)，我校在物理光學(xué)的教學(xué)過程中進(jìn)行了一系列的實踐和探索，對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面進(jìn)行改進(jìn)，取得了積極的效果.

2.1 課程內(nèi)容的構(gòu)思與設(shè)計

2.1.1 確定講授重點

(1)依據(jù)前后課程間的銜接

物理光學(xué)的前期課程為電磁學(xué)，對光的電磁屬性方面可以有選擇地講解，為了給后面的干涉和衍射打好理論基礎(chǔ)，光的波動特性需要加強講授；光的干涉、衍射、偏振為物理光學(xué)的重點，與文獻(xiàn)[11]的看法相同；其后繼課程為激光原理、信息光學(xué)，傅里葉光學(xué)部分可概括性講授，留待后繼課程詳細(xì)講授.

(2)依據(jù)學(xué)生的工作面向

我們與相關(guān)企業(yè)簽署了產(chǎn)學(xué)研合作協(xié)議和就業(yè)協(xié)議，考慮企業(yè)生產(chǎn)中所用知識和企業(yè)的發(fā)展方向，對干涉檢測、各種偏振光的應(yīng)用和晶體光學(xué)部分進(jìn)行了重點講授，并設(shè)立相應(yīng)的實驗.

2.1.2 注重應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維培養(yǎng)

首先在知識講解過程中，教師的舉例盡量與目前相關(guān)知識的發(fā)展、應(yīng)用相聯(lián)系.比如在講解邁克爾孫干涉儀時，分析利用邁克爾孫干涉儀測量微震動[12],測金屬絲的彈性模量[13],測透明介質(zhì)折射率[14],測溫度變化[15],測波長[16]等，以及講解對邁克爾孫干涉儀改進(jìn)后的馬赫-澤德干涉儀，將知識點的應(yīng)用和當(dāng)今光信息技術(shù)的發(fā)展相結(jié)合.

在章節(jié)末，要求學(xué)生查閱相關(guān)知識的應(yīng)用，在班上先做小組討論，然后小組推選代表進(jìn)行班級討論，并把學(xué)生的表現(xiàn)計入平時成績，既讓學(xué)生參與其中，又加強了對知識的理解，增強學(xué)生的應(yīng)用意識，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識.

2.1.3 教學(xué)與科研相結(jié)合提高教學(xué)質(zhì)量

教師在授課過程中，可結(jié)合自己的科研方向，對相關(guān)知識的講解略深入一些，激發(fā)學(xué)生的進(jìn)取心和考研興趣,同時為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ).教師開展主題講座，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，擴(kuò)大知識面.

2.2 教學(xué)的實施與運作

2.2.1 教學(xué)過程中體現(xiàn)以人為本

在課程的進(jìn)度、知識講解方法方面聽取學(xué)生建議；每章后的討論課上，要求每個學(xué)生積極參與，一學(xué)期結(jié)束后每人最少有一次發(fā)言機(jī)會；考核方法多樣化，多聽取學(xué)生建議，考慮學(xué)生多方面發(fā)展，以學(xué)生學(xué)會分析、掌握知識應(yīng)用為目的，采用多樣化的考核方式.

2.2.2 注重應(yīng)用能力培養(yǎng)的課堂教學(xué)法

(1)問題式課堂教學(xué)分為問題式講授、實例分析、啟發(fā)式提問和互動式討論

講解知識點時，首先選好問題，選擇問題要注意根據(jù)學(xué)生實際，把握好問題的層次和深度，起到循序漸進(jìn)的效果；然后提出問題，啟發(fā)學(xué)生思考，帶著問題一步一步深入.在知識點講解后，通過具體的實例加強學(xué)生對知識的理解.進(jìn)行課堂內(nèi)容總結(jié)時，由教師提出問題，由問題的解決引發(fā)學(xué)生討論、學(xué)習(xí)和總結(jié)，通過探索問題以及揭示出問題背后的知識點，使得學(xué)生掌握解決這些問題的能力.在有連貫的幾章結(jié)束后采用的方法，教師選取一些有代表性的知識點或若干相關(guān)聯(lián)的知識點群構(gòu)成問題，由學(xué)生在課下分小組主動學(xué)習(xí)和討論，形成初步印象或爭議，然后在課堂上由教師引導(dǎo)開展集中討論，完成升華式討論總結(jié).

(2)KM教學(xué)法,即為基于知識邏輯結(jié)構(gòu)融入思維導(dǎo)圖(KM)的教學(xué)法[17]

由于物理光學(xué)知識體系的較強邏輯性，通過橫向和縱向把知識通過抽點-連線-成網(wǎng)-擴(kuò)展-概型-嵌入建立邏輯關(guān)系，加強學(xué)生對知識的理解，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維.例如對干涉知識體系的表示，見圖1.

圖1 干涉知識體系KM圖

2.2.3 豐富課后教學(xué)

(1)任務(wù)驅(qū)動

每章結(jié)束后，針對這一章所學(xué)的光學(xué)知識，讓學(xué)生查閱資料，總結(jié)出其應(yīng)用，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了其知識含量和查閱資料的能力，使學(xué)生了解了相關(guān)知識的發(fā)展，為課程小論文打下基礎(chǔ).

(2)課后咨詢、答疑

咨詢、答疑是教師和學(xué)生進(jìn)行課后交流的主要形式，每個主講教師每周都安排答疑時間，或通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行.通過和學(xué)生的相互討論，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生對問題進(jìn)行分析，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，減少學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中過多依賴教師的現(xiàn)象.

(3)學(xué)術(shù)講座

在課堂教學(xué)之外，針對光學(xué)技術(shù)發(fā)展的前沿問題、教師的研究成果等，對學(xué)生經(jīng)常定期開展新技術(shù)講座，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生的知識面，開拓學(xué)生視野.

2.2.4 教學(xué)手段多樣化、感官化

運用多媒體設(shè)備進(jìn)行教學(xué)，制作課件，建設(shè)課程網(wǎng)站，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源共享和網(wǎng)上交流.目前已建設(shè)有光學(xué)校精品課程網(wǎng)站，教師授課錄像、課件、習(xí)題庫等全部上網(wǎng).優(yōu)質(zhì)豐富的教學(xué)資源既可以提高教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)性、先進(jìn)性和趣味性,又可加強學(xué)生與教師的實時交流,還可以方便學(xué)生在不同時間、不同地點根據(jù)自己的需要進(jìn)行自主化、個性化學(xué)習(xí).

軟件的實驗?zāi)M，對物理光學(xué)進(jìn)行計算機(jī)建模和相關(guān)軟件對實驗的模擬[18～21]，把難以理解的知識直觀化，既增強了學(xué)生對物理光學(xué)知識的理解，又增強了他們的軟件應(yīng)用能力.

2.2.5 加強實踐性教學(xué)

加強物理光學(xué)的實驗教學(xué)，加開綜合性、設(shè)計性實驗，鍛煉學(xué)生基本動手能力.我們采用實體實驗與軟件模擬相結(jié)合的方式[22].

與學(xué)科和項目競賽相結(jié)合，開拓學(xué)生潛能.目前學(xué)生參加的科技大賽有光電設(shè)計大賽、物理創(chuàng)新大賽、電子設(shè)計大賽等，對以往大賽中涉及的物理光學(xué)內(nèi)容進(jìn)行講解時，可采用項目教學(xué)法[23]或五步教學(xué)法[24]，通過啟發(fā)、探尋、反思、設(shè)計、實踐5個環(huán)節(jié)，加強學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)意思維的培養(yǎng).例如，講到光的偏振和晶體光學(xué)部分，以“光電導(dǎo)航搬運車”為例，通過分析如何實現(xiàn)光對障礙物的探測，啟發(fā)學(xué)生思考所用的光學(xué)知識，探尋實驗的原理，設(shè)計光學(xué)原理圖.

2.3 綜合的考核方法

課程成績評定可采用結(jié)構(gòu)化分?jǐn)?shù).采用期末閉卷考試形式、課程小論文、課堂討論及平時作業(yè)情況進(jìn)行綜合成績評定.學(xué)生經(jīng)過查閱文獻(xiàn)，結(jié)合自身的思考、分析、小結(jié)，寫出課程小論文，可以培養(yǎng)和鍛煉其查閱資料、提出、分析和解決問題以及表達(dá)問題的能力，同時可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究和創(chuàng)新能力.最終成績與平時成績結(jié)合，體現(xiàn)了以人為本、素質(zhì)教育，同時減輕了學(xué)生學(xué)期末的壓力.

3 總結(jié)

根據(jù)物理光學(xué)的課程特點，提出了基于CDIO工程教育模式下，如何去構(gòu)思、設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)上如何去實施、運作，并通過具體事例進(jìn)行說明.讓學(xué)生在物理光學(xué)的學(xué)習(xí)中得到工程鍛煉，全面提高學(xué)生的應(yīng)用能力、邏輯思維和創(chuàng)新思維，改變了枯燥的平鋪直述的講授方式，實現(xiàn)了理論與實踐、課內(nèi)和課外、教學(xué)與競賽、學(xué)業(yè)與就業(yè)的結(jié)合.

參考文獻(xiàn)

1 趙永林.學(xué)導(dǎo)式教學(xué)法在物理光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用.科技信息，2010(35)：186

2 徐寧.“物理光學(xué)”研究型教學(xué)模式探索與實踐.電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012(3):103～105

3 張尚劍.物理光學(xué)課程的研究性教學(xué)模式實踐.教育教學(xué)論壇，2012(22B)：77～78

4 李春芳.《物理光學(xué)》課題制教學(xué)法初探.實驗科學(xué)與技術(shù),2012(1):112～115

5 周遠(yuǎn)清.文化的教育·教育的文化.當(dāng)代教育論壇，2013(1)：1～4

6 閔維方，蔣承.產(chǎn)業(yè)與人力資源結(jié)構(gòu)雙調(diào)整背景下的大學(xué)生就業(yè).北京大學(xué)教育評論，2012(1)：2～12

7 陳冬松，孫陽春．CDIO工程教育模式下的工科院校人才培養(yǎng)途徑．現(xiàn)代教育管理，2011(11)：34～37

8 朱向慶，胡均萬，曾輝，陳宏華.CDIO工程教育模式的微型項目驅(qū)動教學(xué)法研究.實驗技術(shù)與管理，2012(11):159～162

9 王偉．物理光學(xué)課程教學(xué)改革與實踐.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011(4)：110～111

10 哈斯烏力吉，呂志偉，張愛紅，何偉名，林殿陽．物理光學(xué)教學(xué)設(shè)計的研究．電氣電子教學(xué)學(xué)報，2008(4):90～94

11 陳陶，徐寧，關(guān)建飛.光通信類《物理光學(xué)》教學(xué)改革研究．中國科技信息,2010(7)：194～197

12 汪逸新，潘啟勇，鄔正義.微機(jī)在弱振動光干涉檢測實驗中的應(yīng)用．大學(xué)物理，1999(11)：32～35

13 周菊林.用光的干涉和衍射測量金屬的線脹系數(shù)．大學(xué)物理實驗，2009(3):45～48

14 柯金瑞.利用邁克爾孫干涉儀測定液體折射率．物理實驗，2000(2):10～11

15 吳本科，肖蘇，高峰.邁克爾孫干涉儀上研究空氣折射率在溫度場中的變化規(guī)律．物理實驗，1999(3):32～34

16 金效辰，劉敏.邁克爾孫干涉儀測量波長的新方法．甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012(4):44～46

17 楊炳儒，張?zhí)壹t.理工科課堂KM教學(xué)法研究．現(xiàn)代大學(xué)教育，2006(4):83～85

18 曹玉瑞，趙紀(jì)青.物理光學(xué)建模方法的研究．河南科技學(xué)院學(xué)報，2010(3):116～119

19 師青梅，常宇.Matlab仿真技術(shù)在大學(xué)物理光學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用．中國電力教育，2012(15):78～80

20 李繼軍，程慶華，楊長銘.基于Matlab GUI的薄膜干涉仿真．洛陽師范學(xué)院學(xué)報，2011(11):16～19

21 藍(lán)海江.白光夫瑯禾費衍射實驗的計算機(jī)仿真．實驗室研究與探索，2010(9):186～188

22 紀(jì)延俊，杜玉杰.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的光學(xué)實驗的探討與實踐．大學(xué)物理,2010(10)：38～40

23 傅四保.構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下的項目教學(xué)法初探．中國大學(xué)教學(xué)，2011(2):56～58

24 郭凱.應(yīng)用五步教學(xué)法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力．考試周刊，2013(15):127～128