基于CDIO的光學(xué)設(shè)計(jì)課程改革與實(shí)踐

王昱琳，易　丹，袁紅梅，孟雪琴

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院 微電子技術(shù)系，四川　成都　611731）

基于CDIO的光學(xué)設(shè)計(jì)課程改革與實(shí)踐

王昱琳，易丹，袁紅梅，孟雪琴

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院 微電子技術(shù)系，四川成都611731）

文章結(jié)合電子科技大學(xué)成都學(xué)院的學(xué)生特點(diǎn)及學(xué)科設(shè)置，基于CDID工程教學(xué)理念，按職業(yè)能力目標(biāo)整合教學(xué)內(nèi)容，以“任務(wù)式實(shí)踐”為教學(xué)模式，設(shè)立多方面的綜合考核方式，對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)課程實(shí)施了全方位的教學(xué)改革。實(shí)踐證明此次改革獲得了學(xué)生的認(rèn)同及良好的教學(xué)效果，為進(jìn)一步的工程教育改革積累了經(jīng)驗(yàn)。

CDIO；光學(xué)設(shè)計(jì)；教學(xué)模式；工程教育

光學(xué)設(shè)計(jì)是許多工科院校光電專業(yè)的主修課程，是一門(mén)將幾何光學(xué)、物理光學(xué)知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)科。該課程應(yīng)用性、操作性較強(qiáng)，涉及的知識(shí)點(diǎn)較廣泛，對(duì)鞏固學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、思維能力、設(shè)計(jì)能力等方面都有著極為重要的作用［1］。在傳統(tǒng)的“先教授、后使用”的教學(xué)模式中，存在著學(xué)時(shí)少、理論基礎(chǔ)銜接不佳、學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)力等問(wèn)題。為此，結(jié)合學(xué)生的特點(diǎn)，開(kāi)展了基于CDIO（Conceive，Design，Implement And Operate，構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作的工程教育理念）工程教育理念的光學(xué)設(shè)計(jì)課程改革。改革按職業(yè)能力目標(biāo)的層次和類型，遵循學(xué)生學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的基本規(guī)律，以虛擬工作任務(wù)及其實(shí)驗(yàn)過(guò)程為依據(jù)，整合、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)更緊密的“教、學(xué)、做”一體化，為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)靈活、自由、主動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境。

1　課程定位及教學(xué)現(xiàn)狀

1.1課程定位

學(xué)校的光學(xué)設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)課程，一般開(kāi)設(shè)于本科三年級(jí)，是基于已學(xué)習(xí)的“幾何光學(xué)”“物理光學(xué)”“工程制圖”等課程基礎(chǔ)上，完成從理論教學(xué)到工程實(shí)踐的過(guò)渡［2］。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生較系統(tǒng)和全面地掌握光學(xué)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，并能完成大多數(shù)典型光學(xué)部件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。該課程以光學(xué)設(shè)計(jì)為核心，理論聯(lián)系實(shí)際為立足點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)與綜合創(chuàng)新能力為基本目標(biāo)，將學(xué)生培養(yǎng)為既有堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)又有相當(dāng)實(shí)踐能力的復(fù)合型實(shí)用人才［3］。

1.2教學(xué)現(xiàn)狀

首先，雖然光學(xué)設(shè)計(jì)中需用到的基礎(chǔ)知識(shí)已在前期的理論課程中教授過(guò)，但由于涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，而學(xué)校的學(xué)生普遍存在對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)缺乏熱情、對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解及掌握不夠或是容易遺忘。導(dǎo)致每次在實(shí)驗(yàn)課中仍需花較多的學(xué)時(shí)鞏固之前學(xué)過(guò)的基本物理量及公式，在有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)中，學(xué)生們用于實(shí)踐、鍛煉的學(xué)時(shí)不夠。

光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課是依托計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）軟件來(lái)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的“先教授、后使用”的教學(xué)模式中，前期授課內(nèi)容主要是介紹軟件的基本功能，學(xué)生都是跟著老師的步驟逐步操作。在實(shí)驗(yàn)課后期，安排幾個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)讓同學(xué)們自主獨(dú)立完成，這一階段學(xué)生的問(wèn)題會(huì)特別多，很多都是非常簡(jiǎn)單或操作上的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，在以往的教學(xué)模式下，學(xué)生前期已學(xué)的理論知識(shí)銜接不上，缺乏學(xué)習(xí)興趣、主動(dòng)性及思考，已不能滿足對(duì)人才培養(yǎng)的需求。應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)課程進(jìn)行改革。

2　課程改革思路與內(nèi)容

2.1基于CDIO課程體系整合基礎(chǔ)理論知識(shí)

要做好一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，囊括的知識(shí)點(diǎn)較多。這些知識(shí)點(diǎn)都在之前的其它課程中學(xué)習(xí)過(guò)，卻比較分散。例如“幾何光學(xué)”中講授的輻射度學(xué)、光度學(xué)，“工程制圖”課程中講授的制圖、標(biāo)注方法等?？稍谇捌谙嚓P(guān)的課程章節(jié)的教學(xué)中，有針對(duì)性地介紹一些關(guān)于光學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)例，讓整個(gè)課程體系達(dá)到CDIO的教育理念，即讓學(xué)生主動(dòng)將實(shí)踐課程有機(jī)聯(lián)系起來(lái)學(xué)習(xí)。在光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課中，基于建構(gòu)主義和混合式學(xué)習(xí)理論，以就業(yè)為導(dǎo)向，根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域和職業(yè)崗位的任職要求，參照職業(yè)資格標(biāo)準(zhǔn)，選取課程內(nèi)容。

2.2以“任務(wù)式實(shí)踐”為主要教學(xué)模式

改變“先教授、后使用”的教學(xué)方法，以CDIO工程教育理念為指導(dǎo)思想，按能力培養(yǎng)目標(biāo)的層次和類型，以典型項(xiàng)目和學(xué)習(xí)任務(wù)為主要教學(xué)模式。

由于其它相關(guān)課程中已經(jīng)加入一些光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例，因此在本課程初始階段，回顧理論知識(shí)的學(xué)時(shí)將大大縮短。在光學(xué)設(shè)計(jì)課程的前期階段，主要目的是讓同學(xué)們熟悉軟件的功能和使用，但不再是老師先講解再讓學(xué)生操作，而是直接以幾個(gè)簡(jiǎn)單的仿真任務(wù)為切入點(diǎn)，讓同學(xué)們一邊思考一邊熟悉軟件功能。在每次上課一開(kāi)始就先展示仿真結(jié)果并布置小任務(wù)，讓學(xué)生對(duì)本次任務(wù)有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這種方式，讓同學(xué)們帶著具體的任務(wù)來(lái)學(xué)習(xí)、操作光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，快速地體會(huì)到設(shè)計(jì)的流程與目的。

在光學(xué)設(shè)計(jì)課程的后期階段，同學(xué)們已經(jīng)掌握了光學(xué)設(shè)計(jì)的基本步驟，為了鍛煉、檢驗(yàn)學(xué)生的掌握程度，培養(yǎng)其獨(dú)立思考及分析能力，將安排幾個(gè)大型虛擬項(xiàng)目讓同學(xué)們完成，教師適時(shí)對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)。具體的方案如下：（1）充分考慮學(xué)生的現(xiàn)有知識(shí)和能力水平，按照適合協(xié)作學(xué)習(xí)的分組辦法對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組。（2）學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、小組協(xié)作學(xué)習(xí)等方式，對(duì)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行分析，確定任務(wù)所涉及的各種要素，充分應(yīng)用已掌握的前序知識(shí)，確定任務(wù)的實(shí)施步驟和分工。（3）學(xué)生利用CAD光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，按照已制定好的計(jì)劃獨(dú)立完成項(xiàng)目任務(wù)。教師適時(shí)對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)過(guò)程及分工合作進(jìn)行指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)教師和學(xué)生以及學(xué)生之間的交流。（4）項(xiàng)目完成后，采取分組討論及自由發(fā)言的形式展示自己的項(xiàng)目成果，讓同學(xué)們成為課堂的“主角”，老師只做適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)。討論結(jié)束后，老師對(duì)思考題進(jìn)行講解。學(xué)生在此過(guò)程中能夠充分參與，通過(guò)自己切身的思考與表達(dá)，對(duì)比自己與其他同學(xué)的成果，查找不足。

2.3設(shè)立多項(xiàng)考核方式

光學(xué)設(shè)計(jì)課程以實(shí)踐為主，著重點(diǎn)在于軟件操作、設(shè)計(jì)步驟、設(shè)計(jì)思路和結(jié)果分析，尤其是如何得出正確的結(jié)果圖、對(duì)結(jié)果圖的正確分析以進(jìn)一步調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)都至關(guān)重要。因此，為了考核學(xué)生在本課程中各方面的表現(xiàn)，采用單一的期末考試方式顯然并不適用。同時(shí)，考慮到CDIO的工程培養(yǎng)理念及能力目標(biāo)，課程的考核成績(jī)不僅僅是分?jǐn)?shù)上的高低，應(yīng)從學(xué)生的創(chuàng)新精神、工程能力、自學(xué)能力、交流溝通與表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)合作等多方面對(duì)其進(jìn)行綜合考核評(píng)價(jià)。

在本次光學(xué)設(shè)計(jì)的教學(xué)改革實(shí)施環(huán)節(jié)中，學(xué)生的成績(jī)由4部分組成：（1）基本操作部分。課程前期階段，每次上課的小任務(wù)都有完成情況的小任務(wù)分?jǐn)?shù)，主要考查學(xué)生對(duì)軟件基本操作的掌握程度，避免有些同學(xué)上課分心、渾水摸魚(yú)。（2）設(shè)計(jì)分析部分。課程后期階段，每個(gè)虛擬項(xiàng)目都設(shè)置幾個(gè)考核節(jié)點(diǎn)及思考題，先讓每位同學(xué)自主完成并評(píng)定個(gè)人成績(jī)，主要考查學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力、分析及解決問(wèn)題的能力。（3）小組合作部分。每個(gè)虛擬項(xiàng)目個(gè)人完成后再進(jìn)行分組討論，根據(jù)每組的結(jié)果讓同學(xué)們自由發(fā)言，根據(jù)表現(xiàn)評(píng)定分?jǐn)?shù)，主要考查學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作、交流溝通與表達(dá)能力。（4）寫(xiě)作報(bào)告部分。虛擬項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，每位同學(xué)必須記錄自己的設(shè)計(jì)步驟及思路，在學(xué)期末自行整理后上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告及個(gè)人總結(jié)，根據(jù)報(bào)告內(nèi)容評(píng)定分?jǐn)?shù)，主要考察設(shè)計(jì)思路的寫(xiě)作能力、邏輯分析能力。

3　教學(xué)效果

光學(xué)設(shè)計(jì)的課程改革已實(shí)施一個(gè)學(xué)期，針對(duì)課程內(nèi)容、教學(xué)方式、教學(xué)效果等方面編寫(xiě)了調(diào)查問(wèn)卷，并讓所有上課的同學(xué)填寫(xiě)。從已提交問(wèn)卷中可以看出，同學(xué)們對(duì)于每次課程的任務(wù)及現(xiàn)場(chǎng)打分體會(huì)頗深，不僅讓他們的學(xué)習(xí)目的更明確，也是督促他們每堂課都認(rèn)真對(duì)待的有效方法。配合多方位的成績(jī)考核方式，給予學(xué)生充分展示自己的機(jī)會(huì)，有效地調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)積極性及主動(dòng)參與意識(shí)。關(guān)于虛擬項(xiàng)目先獨(dú)立完成、再小組討論的方式，同學(xué)們也給予高度贊同，認(rèn)為這種方式讓他們先有自己的思考與結(jié)論，再相互溝通交流，不僅鍛煉了自己分析問(wèn)題的能力，也大大激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣及參與性，能夠適時(shí)體會(huì)到自己的不足，這也從每次課堂討論的熱烈氛圍中有所體現(xiàn)。另外，光學(xué)設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)者有清晰的思路及分析判斷能力，因此實(shí)驗(yàn)課程中關(guān)于這一部分也有針對(duì)性的鍛煉及考核，這一點(diǎn)也從同學(xué)們的問(wèn)卷中得到較好的反饋，大部分同學(xué)認(rèn)為在光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課中鍛煉了結(jié)果分析能力和設(shè)計(jì)過(guò)程的寫(xiě)作能力。

4　結(jié)語(yǔ)

培養(yǎng)和提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，為企業(yè)輸送合格實(shí)用的光學(xué)設(shè)計(jì)人才，一直是高校及教育工作者值得思考的問(wèn)題［4］。借鑒CDIO工程教育理念，結(jié)合本校學(xué)生及學(xué)科建設(shè)的特點(diǎn)，對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)課程進(jìn)行了具體的改革實(shí)踐，獲得了良好的效果。今后，筆者將不斷完善CDIO的課程教學(xué)體系，在實(shí)踐中探索、改革、提高，培養(yǎng)出更多適應(yīng)學(xué)科發(fā)展的綜合性工程技術(shù)人才。

［1］陳美香，劉銀春.《工程光學(xué)設(shè)計(jì)》教學(xué)方法探索［J］.中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2007（12a）：34.

［2］張繼艷，熊飛兵.以工程素質(zhì)為導(dǎo)向的光學(xué)設(shè)計(jì)CAD教學(xué)方法探討［J］.中國(guó)電力教育，2013（31）：93-94.

［3］岑兆豐，李曉彤，劉向東. 引入科研模式的光學(xué)系統(tǒng)CAD課程［J］.光學(xué)技術(shù)，2007（33）：272-274.

［4］許曉賦，廖珊珊，高忠堅(jiān)，等. 《光學(xué)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)模式的探索與實(shí)踐［J］.福建教育學(xué)園學(xué)報(bào)，2014（4）：69-71.

Reform and practice in the course of optical design based on CDIO

Wang Yulin， Yi Dan， Yuan Hongmei， Meng Xueqin
（ChengDu College of University of Electronic Science and Technology of China ， Chengdu611731， China）

Combined with the characteristics of the students and the subject setting， the teaching reform in the course of optics design has been carried out. The reform a djusted the teaching content according to the vocational ability， employed “task based practice” as the teaching pattern， established a comprehensive assessment of various aspects. Experience has proved that the reform has gained the recognition of students and favorable teaching effect. It also accumulated experience for further engineering education reform.

CDIO； optical design； teaching pattern； engineering education

王昱琳（1981— ），女，江西南昌，助教，碩士；研究方向：光學(xué)設(shè)計(jì)與光電檢測(cè)技術(shù)。