“應用光學”課程教學模式的思考與建議

許嘉文，程湘愛，鐘海榮

(國防科學技術大學　光電科學與工程學院，湖南　長沙　410073)

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“應用光學”課程教學模式的思考與建議

許嘉文，程湘愛，鐘海榮

(國防科學技術大學光電科學與工程學院，湖南長沙410073)

摘要：“應用光學”作為光學工程專業(yè)的專業(yè)必修課程，課程教學效果直接影響后續(xù)專業(yè)課程的學習。調(diào)研了國內(nèi)外在光學工程教學和科研領域中處于一流地位的多所知名大學的具體教學模式，立足于我院技術類軍用光電工程專業(yè)的實際情況，針對不足之處結合教學經(jīng)驗進行思考分析，在教學內(nèi)容、教學方法、考核方式提出了課程材料多樣化、課程組織生動化、課程內(nèi)容前沿化和課程考核均衡化等具體實踐方案。

關鍵詞：教學模式；應用光學；教學方法；教學實踐

一、引言

“應用光學”是光學工程專業(yè)的核心必修課，為其他后續(xù)專業(yè)課程(如“軍用光電技術”、“軍用光電系統(tǒng)與裝備”)的學習奠定必備的基礎，在培養(yǎng)學員工程素質方面發(fā)揮關鍵作用。因此，保障和提高“應用光學”的教學質量在整個專業(yè)教學中具有重大意義。不同的教學理念、教學目標、教學策略及教學活動，構成了不同的教學模式。教學模式既是一種穩(wěn)定且簡明的教學結構理論框架，又包含著具體可操作的教學活動方式，指導人們從整體上探討和加強教學設計、研究教學過程的優(yōu)化組合[1]。本文調(diào)研了國外在光學工程教學和科研領域中處于一流地位的多所大學的教學模式，具體有：美國的普林斯頓大學(Princeton University)、斯坦福大學(Stanford University)、亞利桑那大學(University of Arizona)、羅切斯特大學(University of Rochester)，英國的劍橋大學(Cambridge)、倫敦大學瑪麗女王學院(Queen Mary University of London)、倫敦大學學院 (University College London)，與國內(nèi)大學(如浙江大學、華中科技大學等)的教學情況對比，結合“應用光學”的課程特點和軍校學生特色及培養(yǎng)目標，思考國內(nèi)大學教學模式中普遍存在的問題與不足，進而在教學模式的三個主要環(huán)節(jié)：教學內(nèi)容、教學方法和教學評價方面，提出具體可行的調(diào)整方案，最終通過教學實踐來檢驗教學效果。

二、國外教學模式主要特點

由于教學模式在課程教學中具有重要地位和作用，有關教學模式的探索從未停止過。經(jīng)過不斷的改革和嘗試，目前，“應用光學”課程的教學形成了較成熟系統(tǒng)的教學模式，國內(nèi)外不同高校在有關教學內(nèi)容的安排上和教學方法的運用上具有許多共同點，如：教學重點難點內(nèi)容的把握、提倡研究型教學理念、利用多媒體網(wǎng)絡等現(xiàn)代教學手段、理論學習與實踐課程結合、采用翻轉課堂授課等。但調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對比國內(nèi)高校的教學情況，國外大學的教學活動與其秉持的教學理念的結合更密切：大學教育不是所選專業(yè)的技能培訓，而是在專業(yè)素養(yǎng)訓練的基礎上，更注重接觸多元思想、開拓個人視野和鍛煉綜合能力。在總體課程綜合設置上，重視學科交叉和跨學科思維啟迪，總體課程結構由通識課、專業(yè)預修課、專業(yè)核心課、自由選修課四部分組成，通過在核心課程中嵌入高比例交叉學科課程和跨學科選修兩種方式來促進學科交叉[2-3]。下面就教學資源、學生學業(yè)訓練與要求這兩方面，具體介紹國外大學的資源優(yōu)勢和教學特點。

(一)強調(diào)因材施教、提供充足教學輔導

必須承認，國際一流大學具有得天獨厚的師資力量：以斯坦福大學為例[4]，其師資隊伍非常強大，一流的科研工作者同時也承擔各專業(yè)的教學任務，老師授課按照自己的理解和研究經(jīng)歷展開，教材僅作為幫助學生課后學習和消化課堂內(nèi)容的工具，每個章節(jié)都為學生提供大量參考文獻和閱讀材料；學生還具有和諾貝爾獎獲得者一起討論問題的機會，強大的教學團隊為學生帶來了不一樣的視野。

學校特別重視為每位學生分配充足的資源，按照精英教學理念，根據(jù)學生個人特征提供最適合的平臺。以普林斯頓大學為例[5]，其師生比例達1 ∶6；堅持“小而精”辦學理念實行小班制教學，每班人數(shù)不多于20人，再分為若干小組(一般4-5人一組)由研究生助研人員負責輔導教學；助研人員每周單獨為不同小組組織小班課來鞏固和擴展大課堂上的內(nèi)容，小班課氣氛輕松、重在討論，解決課堂和課下自學無法消化理解的問題；每名學生接受具有學業(yè)輔導老師和課題指導老師雙重管理，每周定期交流并親自督導學業(yè)。多重輔助教學為學生提供足以支撐起學業(yè)負擔的幫助。

(二)注重自主學習能力培養(yǎng)和科研創(chuàng)新訓練

另一方面，課堂教學容量大、難度高，尤其注重詳細深入的理論講解，目的是打破學生吸收學習的臨界點，迫使學生在課后查閱輔助材料，與老師和同學探討，及時消化課堂內(nèi)容。課后作業(yè)方面，考察理論知識點的習題力求精簡典型，題型和考察的知識點不重復出現(xiàn)；對于應用類知識，更多鼓勵學生完成研究報告，導師在過程中引導學生對報告進行討論并解答學生疑問，這些是為學生進一步參與更加系統(tǒng)化的課題項目作鋪墊[6]。學生的精力主要分配在各項科研訓練中：進入三年級后，學生將完全自由的選擇教授，完成一到兩個初級項目并撰寫發(fā)表論文(junior papers)，四年級時進入長達一年的高級項目研究，同樣撰寫論文(senior thesis)發(fā)表在較高水平刊物上；寒暑假期間進入如谷歌、雅虎、思科等大公司實習，工程類學生的編程技術水平較高，同時也懂得電路設計與儀器控制，在實習中，能進一步積累經(jīng)驗提高個人綜合能力。國內(nèi)大學要求完成畢業(yè)設計和畢業(yè)論文，開展各種學科競賽，也為學生提供不同的科研訓練，不足的是，低年級的科研訓練基礎不扎實、畢業(yè)設計的要求標準和學科競賽水平相對國外大學較低。

三、國內(nèi)教學問題思考及相關建議

(一)國內(nèi)教學存在的問題與思考

總的來說，國外教學模式采用的策略主要是為了改變教學過于注重知識傳授的傾向，強調(diào)形成積極主動的學習態(tài)度，尊重學生主體地位，同時提供科研訓練、給予適當?shù)膲毫?、保障充足的教學輔導與幫助。對比國內(nèi)教學情況，以“應用光學”課程的教學為例，通過自身經(jīng)驗、網(wǎng)絡調(diào)研和與其他教學工作者溝通交流，筆者總結出國內(nèi)“應用光學”課程教學實踐中長期存在如下問題，難以得到有效解決：教學內(nèi)容上，基礎理論講解不夠深入，應用部分與研究前沿結合不足，實驗課程不能取得良好實際效果；教學方法上，理論相關內(nèi)容的教學形式單一，過于注重知識傳授，理論與實踐結合不足，學生創(chuàng)新意識和動手解決問題的能力不足；教學評價上，教學手段未能與評價機制緊密聯(lián)系，實施效果欠佳，考核方式和評估手段較單一，對學生能力素質考察不足[7-9]。

在教學資源方面，國內(nèi)大學無法復制國外知名大學的師資力量和生源條件，但若能正確認識教學中存在的問題，合理利用現(xiàn)有教學力量、優(yōu)化教學資源配置、改進教學模式、發(fā)揮教學特色，調(diào)節(jié)使教學模式更適用于具體的課程教學情況，亦可極大的提高教學效果。

針對這些長期存在的問題和不足，結合我校學校辦學理念、學生實際情況、教學師資條件和平臺等客觀因素，學習國外知名大學教學模式中可借鑒的部分，有選擇、有創(chuàng)新的提出適用的教學模式調(diào)整建議，旨在使教學模式與學科特色、學生情況相適應，更好的實現(xiàn)培養(yǎng)學生自主學習和知識應用能力的初衷。主要歸納為教學內(nèi)容、教學方法和教學評價三個方面：教學內(nèi)容上，增加緒論介紹、科研前沿熱點和專題講座等內(nèi)容，充分發(fā)揮網(wǎng)上資源共享優(yōu)勢，提供豐富教學材料；教學方法上，設置隨堂問題討論，使用Zemax軟件動畫演示，實物帶入課堂，加大軍事元素比例，利用翻轉課堂教學法提高學生學習效率；教學評價上，采用多種考核評定方式、筆試與答辯結合考察。

(二)相關建議

1.關于教學內(nèi)容

(1)選用多種輔助教材

國外傳統(tǒng)的光學課程體系側重于幾何光學，其教材以《Elements of modern optical design》、《Geometrical Optics》為代表，對象差理論與光學系統(tǒng)的敘述比較簡單。近年來隨著光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，應用光學的體系結構也在發(fā)生變化，出現(xiàn)了以軟件使用為主線編排的教材，如《Introduction to Lens Design》等，說明國際上同類課程也在向著工程應用方面發(fā)展。應用光學的現(xiàn)有的教材均不夠成熟和全面，難以反映現(xiàn)代光學的應用發(fā)展。建議以李林主編的《應用光學》和《Geometrical Optics》為基礎，補充光學軟件和數(shù)碼電子光學器件的相關知識，其他教材為輔助資料供參考[10]：中文教材如張以謨和胡玉禧主編的《應用光學》，國外經(jīng)典教材如《Practical Optics》、《Geometrical Optics and Optical Design》、《Optical System Design》，幫助學生從不同角度理解和分析問題，熟悉關鍵概念和定理的原文表述，同時鍛煉英語閱讀能力。

(2)豐富教學課件內(nèi)容

教學課件是開展教學的第一手資料，調(diào)控整個課程教學的進行，授課老師應給予高度重視?？茖W的做法是自行編寫教學課件，綜合多方面教材資料，選取最適合的角度，按照最佳方式將教學內(nèi)容呈現(xiàn)給學生，突出知識體系的重點和難點，而不是僅給學生提供書目列表。

首先，為幫助學生迅速了解課程結構和課程定位，明確“為何學，學什么，怎么學”。在課件中編設一節(jié)緒論課——“走進應用光學”，專門介紹課程背景及整體框架，穿插大量案例重點介紹相關應用。引入“應用光學”發(fā)展史資料，介紹光學人物和光學大事，使學習者了解一些光學史知識和光學在人類文明發(fā)展史上的作用，還原真實的科學探索道路，同時提升學生重視程度和學習興趣。

其次，與光學類基礎課程重復的非主體內(nèi)容可以刪減略去，將時間重點分配給橫向拓展和縱向延伸：學習國外大學提高對基礎理論的重視度，詳盡細致講解，夯實學生的理論基礎；教學時間和主要精力放在前沿應用和實踐上：一方面，結合人才市場和軍事單位的需求，增加軍事特色內(nèi)容和實用技能訓練，以提高知識的前沿性、實用性，突出軍事應用。如：將軍用炮對鏡、觀察鏡、潛望鏡和周視瞄準鏡的光學總體設計列入教學內(nèi)容；在講解理想光學系統(tǒng)組合時，播放“鸚鵡螺”(MTHEL)高能激光系統(tǒng)打靶試驗視頻，并闡明該系統(tǒng)中應用到的相關知識點，激發(fā)學生學習課程的興趣[11]。另一方面，重視學生反饋意見，根據(jù)每年教學情況調(diào)整課件內(nèi)容和結構安排，接軌學術熱點內(nèi)容，將科研成果融入教學內(nèi)容中，保證課程的前沿性。例如，講解光學顯微鏡的專題時，補充介紹超分辨熒光顯微技術(2014年諾貝爾化學獎)，與學生共同研討該項技術是如何突破了光波長二分之一的分辨率極限，將顯微技術帶入“納米”領域。讓學生了解前沿，培養(yǎng)對前沿的敏感性，激勵學生主動思考。

再者，充分利用多媒體工具的特點，將文本、圖形、動畫、影音添加到課件中；發(fā)揮網(wǎng)絡資源的便捷性和共享性，將教學課件上傳到課程教學網(wǎng)站和教指委光電資源共享平臺；開展翻轉課堂，針對特定問題，以短小精悍的教學視頻講解，視頻后設置若干小問題，幫助學生鞏固和檢測知識掌握情況；建立課程微信平臺，方便老師與學生隨時互動交流。

2.關于教學方法

“應用光學”對原理性知識介紹深入，對學生的數(shù)學技巧要求高。這不僅會增加課程學習和教學的難度，也容易使學生在晦澀煩瑣的學習中喪失興趣。另外，課程內(nèi)容包含大量復雜光學系統(tǒng)和光學器件等，若想將抽象的光學規(guī)律及復雜的光學器件形象直觀地展示給學生，就必須跳出傳統(tǒng)的黑板加粉筆的授課模式，將傳統(tǒng)模式與多媒體現(xiàn)代化教學、實物教學和網(wǎng)絡平臺輔助教學進行優(yōu)勢組合，具體歸納如下幾個方面：

(1)設置隨堂問題討論

設置 “隨堂問題討論[12]”環(huán)節(jié)，圍繞課堂內(nèi)容，由基礎到綜合提出對應的討論題，基于問題討論的方式進行協(xié)同學習，使學習過程做到有的放矢。如在介紹紅外光學系統(tǒng)中，設置基本問題有：“紅外光學系統(tǒng)具備哪些功能和特點”、“為何使用輔助光學系統(tǒng)”、“典型紅外光學系統(tǒng)功能、結構與原理”，拓展問題有：“對比分析紅外成像儀與微光夜視儀的工作原理與工作特性”。學期末要各組上交討論記錄，總結討論結果，討論部分的評分計入綜合成績。

(2)實物教學與Zemax軟件輔助“教”與“學”

學習美國亞利桑那大學采用的專業(yè)軟件輔助教學，將國際通用的光學設計軟件Zemax用于課堂和實踐教學中[13]。Zemax 軟件是國際普及程度最高的綜合性光學設計仿真軟件，可以對所有光學系統(tǒng)進行設計、建模、優(yōu)化、分析，且圖形界面形象生動，操作界面簡單易學。借助Zemax 軟件動態(tài)模擬復雜光學系統(tǒng)，制作成教學動畫，幫助學生更直觀理解一些較難想象的內(nèi)容，如透鏡成像、變焦系統(tǒng)的理想光學系統(tǒng)結構，經(jīng)典光學系統(tǒng)的成像原理和光瞳匹配關系等。要求學生學習使用Zemax軟件，選擇感興趣的內(nèi)容制作對應的光學模型，在設計過程中能真正了解相關原理和具體細節(jié)，同時也熟悉光學設計軟件的使用，對學生未來的學習工作大有裨益。

因此，對于簡單直觀的實驗等，如“紅外成像”等，將實驗儀器帶入課堂，利用課間時間讓學生現(xiàn)場操作；對于復雜光學系統(tǒng)，增加“應用光學綜合設計”內(nèi)容，課堂講授光學系統(tǒng)基本內(nèi)容和設計方法后，學生實踐上機操作，運用Zemax軟件完成初步光學設計，后期進行光學加工和裝配，通過對色差的測量與分析等，完成設計報告和相關實驗總結。這種實物教學與Zemax軟件相結合，能很好地融合教學實踐，增加課堂趣味，繼而提高教學質量。

(3)專題系列講座與案例式教學

教學內(nèi)容增加對科研重點研究方向的介紹，開展七大專題講座，邀請相關研究領域的優(yōu)秀科研工作者舉行系列講座，為學生提供了與科研工作者溝通對話的機會，這正是國內(nèi)課程教學中普遍欠缺的。在每個專題講座之后，拋出研討問題，如：3D電影技術分析、藍光LED技術及其應用分析、傳統(tǒng)光纖與光子晶體光纖的應用研究等。學生組成研討小組，采用小組合作的方式，課外開展自主性、研究性學習，調(diào)研、分析和解決研討問題，撰寫總結論文。老師不斷跟進各小組研討進展，提供必要的指導和幫助。

案例式教學能引導學生從實際應用角度思考課堂知內(nèi)容，考慮到軍用光電工程專業(yè)的培養(yǎng)目標，學生所學知識技術應與部隊需求緊密結合，在教學中就引入具有軍事應用背景的案例[14]，引導學生舉一反三，增加對實際應用與理論知識間聯(lián)系的思考。案例介紹如：國外光學偵察衛(wèi)星、預警衛(wèi)星的典型光學結構及其應用、周視瞄準儀的工作原理與應用、高能光纖激光和大功率超連續(xù)譜光源的軍事應用等。

(4)加強實驗管理、基地聯(lián)訓實踐

實驗教學部分是對理論教學至關重要的補充和拓展。通過實地動手操作，可以幫助學生鞏固被動接收的課本知識，鍛煉獨立思考和動手能力。認識復雜的實際情況和不可避免的多種干擾因素，能有效減少眼高手低和技巧生疏等問題，有助于提高行動力、培養(yǎng)縝密的科學態(tài)度和對儀器的熟練使用。目前，國內(nèi)大學對實踐類課程的重視程度已有很大提高，但仍面臨著實驗完成度較低、學生動手能力差、積極度不高、不能有效運用被動接受知識來解決問題。這種現(xiàn)象存在的原因主要有：實驗教學內(nèi)容更新較慢內(nèi)容老套，指導材料為學生提供過于全面的細節(jié)和步驟，導致學生只是機械地重復指導步驟，與實驗課程初衷相違。

針對這種現(xiàn)象，一方面需要調(diào)整實驗內(nèi)容，提供給學生必要的知識點，再設定思考問題給予提示和引導，留給學生部分疑難點，以此來還原實驗課程的本質：是發(fā)現(xiàn)、探索、解決問題的過程而非結果。另一方面，提高對實驗完成情況與質量的評價標準，記錄學生在實驗預習、實驗操作和問題解答等多個環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)情況；增加實驗附加課，實驗室提供場地、設備等硬件設施條件，老師和助研人員提供理論指導和技術保障，學生可以自己設計實驗大膽嘗試；考慮學校設施存在一定局限性，為方便學生開展更系統(tǒng)深入的研究，借鑒羅切斯特大學、普林斯頓大學[15-16]等與當?shù)毓韭?lián)辦設置工程實踐，與國防、軍隊相關單位進行深度合作，加強實裝現(xiàn)地教學力度，提升學生實踐能力，有效避免學生走向工作崗位時出現(xiàn)“水土不服”的現(xiàn)象，為學生第一任職打下堅實的基礎。

3.關于教學評價

研究型教學要求對學生采取更全面均衡的教學評價體系[17]，綜合考查學生的課堂研討表現(xiàn)、課后練習、課程小論文、綜合設計以及學期末的筆試成績等方方面面，給出各項的權重因子，適當提高科研活動相關的權重，從評價機制上鼓勵學生參與科研活動。采用多元化的考核方式和評估手段，更加客觀、全面地評價學生的綜合能力。開展“小論文答辯”拓展作業(yè)，根據(jù)“應用光學”中不同章節(jié)具體的知識點，擬定一些小論文答辯的參考課題，在講述對應內(nèi)章節(jié)時，引出相關問題啟發(fā)學生思考；鼓勵學生根據(jù)課堂所學內(nèi)容和拓展閱讀，自己擬定感興趣的研究課題，也可以選用專題系列講座中的研討問題?！靶≌撐拇疝q”能調(diào)動學生在學習中不斷思考，鍛煉學生發(fā)現(xiàn)問題、搜集資料、分析問題、邏輯思考和撰寫論文的能力。學期末展開課堂小論文答辯式考核，全班同學參與投票，進行自評互評和點評，評委老師現(xiàn)場打分，再結合小論文得分，加權計算最終得分。全班共同參與的考核模式，不僅考察學生的寫作能力，還鍛煉其表達組織能力，真正做到與學以致用、發(fā)展綜合素質的課程標準相符合。

教學模式需要與實踐教學相結合，根據(jù)教學當年的實際情況來開展實施，在師生共同研究學習的過程中，不斷總結反思，調(diào)整教學方法，確保教學手段的有效執(zhí)行，從而保障教學質量進一步的提高。本文結合實際教學效果，并學習借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀教學模式，提出了一些具體思考與建議，還需要再應用到實踐教學中去檢驗。“應用光學”課件榮獲“第十三屆全國多媒體課件大賽”高教理科組三等獎和國防科大多媒體課件比賽一等獎；學生在課堂學習中積極性更高，師生關系融洽、交流密切，學生亦能主動向授課老師咨詢探討問題，學生的反饋也有助于授課老師發(fā)現(xiàn)教材與課件中疏漏不足之處和教學的疏漏薄弱方面；專題講座和研討作業(yè)進一步激發(fā)引導學生對科研前沿相關內(nèi)容的深入了解和思考，學生撰寫的小論文質量和深度不乏可圈可點之處，少數(shù)優(yōu)秀論文甚至與研究生課題方向掛鉤，為學生下一階段的學習或工作鋪路，這是超乎預期的收獲；增加軍事元素、基地聯(lián)訓實踐環(huán)節(jié)，學生懂得結合需求適應研究特點來看待思考問題；多種評價機制的應用，有效防止學生消極應試，發(fā)掘學生潛力和主動學習的積極性，是綜合能力的鍛煉和寓教于樂的雙贏。

三、結束語

本文思考國內(nèi)“應用光學”課程教學現(xiàn)狀，通過學習借鑒多所大學優(yōu)秀的教學模式和結合教學過程中遇到的實際問題，提出了關于教學內(nèi)容、教學方法、教學評價三大方面具體的改進建議和方案，希望通過靈活多元的授課方式，調(diào)動學習積極性和實踐動手能力，提升學生實踐能力等，幫助學生從公共基礎課程學習轉向深層專業(yè)的技術鍛煉，從單純理論積累轉向理論實踐相結合，培養(yǎng)自主學習、分析問題和解決問題的能力，能在今后工作中厚積薄發(fā)，游刃有余。

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(責任編輯：胡志剛)

Reflection and practice about Teaching Modes of Applied Optics Course

XU Jia-wen，CHENG Xiang-ai，ZHONG Hai-rong

(CollegeofOpto-electronicScienceandEngineering，NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China)

Abstract:As a compulsory course of the major of optical engineering, the teaching result of Applied Optics highly affect the following study of other curricula. In this paper, we have investigated the teaching modes of many well-known universities, which keep ahead in the teaching and research areas of optical engineering. Through learning from their rationally designed teaching methods of optical curricula and combining with our teaching situation, this paper proposed some practical advices on the course introduction, teaching materials, organization, content and assessments about the teaching of Applied Optics.

Key words：teaching mode; applied optics; teaching methods；teaching practices

中圖分類號：G642.4

文獻標志碼：A

文章編號：1672-8874 (2016) 01-0115-06

收稿日期：2015-12-11基金項目：全國高校光電教指分委教育教學熱點難點問題研究教研項目

作者簡介：許嘉文(1994-)，女，安徽亳州人。國防科學技術大學光電科學與工程學院碩士研究生，主要從事激光與物質相互作用研究。