基于CDIO模式的光學(xué)系統(tǒng)課程設(shè)計的教學(xué)改革

張繼艷 孟憲國 鄭榮升 林海峰

摘? ?要：光學(xué)系統(tǒng)課程設(shè)計是一門實踐性很強的專業(yè)課程，在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中有著重要的地位，針對本課程的實踐性較強的特點，采用CDIO的新型教學(xué)模式，本文從課程目標(biāo)、課程設(shè)計、課程考核及課程特色幾個方面介紹教學(xué)改革的措施。實踐證明，采用CDIO的教學(xué)模式，有利于學(xué)生的工程實踐能力的提高和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力? 工程實踐? 光學(xué)系統(tǒng)

中圖分類號：G643.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）05（b）-0178-03

光學(xué)系統(tǒng)課程設(shè)計是在應(yīng)用光學(xué)、光學(xué)設(shè)計等專業(yè)課程的基礎(chǔ)上，基于光學(xué)設(shè)計的基本理論，采用光學(xué)設(shè)計軟件進行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，使學(xué)生了解光學(xué)設(shè)計中的主要環(huán)節(jié)，掌握光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的基本方法及設(shè)計流程，為以后從事光學(xué)儀器設(shè)計、研發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。光學(xué)系統(tǒng)課程設(shè)計作為光信息科學(xué)技術(shù)的專業(yè)必修課，在人才培養(yǎng)中有著重要的作用。課程具有很強的實用性及應(yīng)用性并具有行業(yè)的前瞻性，掌握了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計無疑會助力學(xué)生的職業(yè)道路的選擇，同時還會對其他專業(yè)實踐類課程都有著一定的啟迪作用。

光學(xué)系統(tǒng)課程設(shè)計在光信息專業(yè)學(xué)生的大二第三學(xué)期開設(shè)，學(xué)生在做課程設(shè)計之前已經(jīng)通過光學(xué)設(shè)計課程掌握了光學(xué)設(shè)計相關(guān)知識及簡單的光學(xué)設(shè)計軟件的應(yīng)用技巧，但是尚未做過典型的完整的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計。本門課程旨在通過光學(xué)系統(tǒng)課程設(shè)計使學(xué)生具備獨立查閱光學(xué)設(shè)計理論和像差分析的相關(guān)文獻(xiàn)和資料的能力，收集、加工各種信息及獲得知識的能力。具備獨立設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)，能用Zemax軟件對初級像差進行分析和校正，從而對鏡頭進行優(yōu)化設(shè)計的能力，同時使學(xué)生具備采用計算機軟件進行數(shù)值計算、仿真、繪圖等能力。課程要求學(xué)生具有較強的創(chuàng)新意識和進行光電信息系統(tǒng)分析、設(shè)計、開發(fā)的初步能力。特別注重培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)和在工程實踐中學(xué)習(xí)的能力，同時體現(xiàn)信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展、學(xué)科交叉的趨勢。

專業(yè)實踐類課程的設(shè)計與實施必須與高校的人才培養(yǎng)目標(biāo)和模式相一致，在強化專業(yè)技能的同時，還要強調(diào)學(xué)生實踐動手能力與職業(yè)素養(yǎng)的養(yǎng)成。而目前光學(xué)系統(tǒng)課程設(shè)計等實踐類課程的內(nèi)容大多與實際的工程項目相脫節(jié)，設(shè)計的內(nèi)容多為重復(fù)性的，驗證性的，不利于學(xué)生的工程素質(zhì)的培養(yǎng)和鍛煉，當(dāng)然也不能培養(yǎng)出企業(yè)需要的專門性人才。

CDIO工程教育理念是在2000年由美國麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)的研究成果，CDIO四個英文分別對應(yīng)著C（conceive）構(gòu)思、D（design）設(shè)計、I（implement）實現(xiàn)、O（operate）運作。核心理念是基于做中學(xué)和基于項目導(dǎo)向的教學(xué)過程及方法[1]。

本文將CDIO的工程教育理念應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)課程設(shè)計中，突出“三重”原則，重基礎(chǔ)、重能力、重應(yīng)用。以培養(yǎng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計綜合應(yīng)用能力為目標(biāo)，選擇有代表性的光學(xué)鏡頭設(shè)計應(yīng)用的實際項目，圍繞項目訓(xùn)練基本能力，依照認(rèn)知規(guī)律構(gòu)建學(xué)習(xí)模塊。探索通過“做中學(xué)，以項目為導(dǎo)向”的教學(xué)新模式。通過項目任務(wù)的方式，整合、優(yōu)化整個教學(xué)流程，實現(xiàn)做中學(xué)，為學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的提高創(chuàng)造了有利的條件。

1? 課程目標(biāo)

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容比較龐雜，包含成像設(shè)計，如物鏡、目鏡、轉(zhuǎn)接中繼物鏡等，非成像設(shè)計，如光源、探測器、光束轉(zhuǎn)換等。設(shè)計中又涉及到新材料，包含晶體、玻璃、塑料;新器件，如導(dǎo)光板、CCD;新工藝，如非球面系統(tǒng)、球面系統(tǒng)、二元混合表面、折衍混合系統(tǒng)，包含了對信息的獲取、存儲、傳輸、處理、顯示等內(nèi)容，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的過程是光機電算一體化的過程。在課程的設(shè)計過程中，改變原來的“以教師為主、學(xué)生為輔”的教育理念，突出學(xué)生主體地位，以CDIO教育理念為指導(dǎo)，結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計的特色，以分級教學(xué)的培養(yǎng)為目標(biāo)，以項目實踐為主要的教學(xué)內(nèi)容[2]。在體現(xiàn)校企融合、工學(xué)一體的原則基礎(chǔ)上，在教學(xué)體系的設(shè)計中實現(xiàn)三個轉(zhuǎn)變由學(xué)科體系轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ黧w系，由學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鬟^程，由教師主體轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主體。

課程設(shè)計的思路為以工作崗位定課程目標(biāo)、以職業(yè)能力定課程地位、以企業(yè)工作任務(wù)定課程內(nèi)容、以學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律組織課堂教學(xué)、以典型任務(wù)為載體來設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)、以真實項目為參照從而強化能力訓(xùn)練[3]。

2? 課程設(shè)計

2.1 課程內(nèi)容的組織

課程設(shè)計的內(nèi)容選取上，在學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)真實的工作項目和任務(wù)，選取合適的課程設(shè)計的內(nèi)容，工作項目包含了本課程對應(yīng)工作崗位所需的對應(yīng)的知識、能力和素質(zhì)要求。涵蓋光學(xué)元件及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的典型過程和方法[4]。設(shè)計內(nèi)容包含身邊典型的現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)如：手機鏡頭、醫(yī)用內(nèi)窺鏡、海底攝像機、車載鏡頭、無人機攝像頭等。實踐項目要盡量做到典型性和理論課較好的結(jié)合，設(shè)計內(nèi)容均為面向工程、既拓寬了知識面、又強調(diào)應(yīng)用的原則。設(shè)計題目即要考慮學(xué)生的能力、理論基礎(chǔ)，又考慮分級教學(xué)的需要，設(shè)計題目有難有易，學(xué)生根據(jù)興趣及能力水平來選擇合適的題目，并適當(dāng)分組，對項目題目進行任務(wù)分解，分工協(xié)作來完成整個項目。項目要依照以下幾個步驟來完成，明確光學(xué)系統(tǒng)的使用要求，計算系統(tǒng)理想?yún)?shù);通過專利查找或者手工計算，選擇（或構(gòu)造）合適的初始結(jié)構(gòu);縮放焦距、確定像面尺寸，更換玻璃;系統(tǒng)像差校正、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化;對成像像質(zhì)進行評價、靠模，分配公差;輸出加工圖紙、裝配圖紙。設(shè)計過程中要讓學(xué)生學(xué)會像工程師一樣的思考問題。學(xué)生通過項目實踐，可以提前掌握技術(shù)領(lǐng)域和職業(yè)崗位的任職要求，而且改變學(xué)習(xí)中被動思考的思維習(xí)慣，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

2.2 教學(xué)方法的改革

在教學(xué)方法上，采用CDIO的教學(xué)模式，體現(xiàn)做中學(xué)的思想。結(jié)合當(dāng)前學(xué)生的學(xué)情特點，目前學(xué)生的思維較活躍，喜歡新鮮有意思的具體問題，但對思考問題缺乏嚴(yán)密性，學(xué)習(xí)自信心不夠，理論應(yīng)用意識較薄弱。由于課程前期的光學(xué)設(shè)計課程，學(xué)生已經(jīng)熟悉了光學(xué)設(shè)計軟件的功能和使用，不再需要老師親自講解并示范，學(xué)生已經(jīng)可以完成簡單的仿真任務(wù)。所以在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的課程中，教師可以提供幾個可供選擇并分層次的設(shè)計內(nèi)容，讓學(xué)生自主選擇，并形成課題小組。教師只是在其中做一些總體的把握或關(guān)鍵思路上的提示。有利于增加了學(xué)生獨立思考和自主動手的實踐機會。前期學(xué)生要大量的查找相關(guān)的專利、文獻(xiàn)，了解設(shè)計題目中的重點難點，及設(shè)計的步聚及要素，在確定任務(wù)的基礎(chǔ)上進行分工協(xié)作。設(shè)計題目即不能超出學(xué)生的能力范圍，學(xué)生操作起來困難，又不能過于簡單，無法體現(xiàn)工程素質(zhì)教育目標(biāo)的需求。

整個教學(xué)過程中，要充分的引導(dǎo)學(xué)生從分析項目到項目設(shè)計實施，由學(xué)生自主，創(chuàng)造性的完成整個設(shè)計方案，以小組為單位題交設(shè)計方案，在設(shè)計的最后，每個項目組要進行項目答辯，對可行性及設(shè)計的效果上進行論證。教師對各項目小組的方案給出評價及指導(dǎo)建議，充分肯定優(yōu)秀項目，并鼓勵優(yōu)秀項目小組的學(xué)生進一步探索，起到良好的帶頭示范作用。項目實踐中充分發(fā)揮了學(xué)生分析問題及解決問題的能力、啟發(fā)學(xué)生思維、體現(xiàn)了以能力為本，學(xué)生為主體的思想。

2.3 考核方式的改革

以往的考試課程，學(xué)生都是考前突擊，平時作業(yè)靠抄襲，往往無法客觀評價學(xué)生對課程的掌握程度，考試的考核方式尤其不適用于專業(yè)實踐類課程。本門課程采用考查的考核方式?？疾榈囊匾w學(xué)生的整個學(xué)習(xí)課程，包含以下幾塊內(nèi)容。一是課堂的出勤和平時的作業(yè)及設(shè)計報告，占比20%;二是學(xué)生自評，每個學(xué)生根據(jù)自己在項目中收獲的實際經(jīng)驗，對照各項能力評價指標(biāo)，給自己打分，自評增加了學(xué)生的參于感，學(xué)生評分的同時也是對照檢查的過程，學(xué)生感到新鮮的同時及產(chǎn)生了極大的自我認(rèn)同感，自評同樣占比為20%;三是組內(nèi)學(xué)生的互評，頂目組內(nèi)成員根據(jù)組內(nèi)其他成員對項目的貢獻(xiàn)度及默契度，給其他組員評分，并取平均值，互評占比也為20%;四是師評，教師通過各項目組答辯情況，根據(jù)項目完成的實際效果和可行性，給出每個組的綜合分?jǐn)?shù)，師評占比40%，可以看出師評所占比重很大，項目組成員為了獲得一個滿意的成績，就要在整個項目完成過程中很好的配合，群策群力，學(xué)生在項目實行的整個過程中也會體會到團隊的重要性。每個學(xué)生的成績由以上幾項成績加權(quán)求得?？己诉^程中教師要做到嚴(yán)格監(jiān)控，做到評分客觀公正。

3? 課程特色

本課程具有豐富的網(wǎng)絡(luò)資源且不斷進行更新，課程網(wǎng)站為學(xué)生提供了課程標(biāo)準(zhǔn)、課程大綱、授課計劃、學(xué)習(xí)指導(dǎo)、電子教材、電子教案、多媒體課件、視頻錄像、實訓(xùn)指導(dǎo)書、參考資料等豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。同時，課程的教學(xué)資料和學(xué)習(xí)指導(dǎo)等全部上網(wǎng)，為學(xué)生創(chuàng)立了自主學(xué)習(xí)平臺。

我校的光電卓越班采用的是工學(xué)結(jié)合的“3+1”專業(yè)人才培養(yǎng)模式。校內(nèi)學(xué)習(xí)3年，校外企業(yè)實習(xí)1年，用企業(yè)中崗位所需的技能置換校內(nèi)課程，充分培養(yǎng)學(xué)生的項目開發(fā)和實際動手操作能力，校企合作共建實訓(xùn)基地，目前我校已經(jīng)與很多企業(yè)建立了合作關(guān)系：玉晶光電、麥克奧迪光電、三眼通光電、宸鴻光電、勵德光電等。學(xué)生在修完光學(xué)系統(tǒng)課程設(shè)計之后，可以依托企業(yè)資源來進行光學(xué)設(shè)計的科研，學(xué)生在大四階段也可以直接進入對口的光電企業(yè)進行實習(xí)。

通過該教學(xué)實踐，可為學(xué)生開拓眼界，并為企業(yè)輸送優(yōu)秀對口人才，達(dá)到合作辦學(xué)，共建雙贏的目的。再者，企業(yè)與高校的合作，可為我校的教學(xué)及科研儲備資源。校企合作，課程定位準(zhǔn)確，培養(yǎng)目標(biāo)明確;優(yōu)化、組合課程內(nèi)容，教學(xué)過程工程化;共建“職場環(huán)境下，工程項目為核心”的教學(xué)體系，一切圍繞以綜合職業(yè)素質(zhì)為基礎(chǔ)，以能力為本位的培養(yǎng)思想，校企合作，共建一流專業(yè)實驗、實訓(xùn)教學(xué)平臺、為產(chǎn)學(xué)研提供硬件保障;適時的請企業(yè)工程師走入大學(xué)課堂，為學(xué)生開專題講座，開拓學(xué)生的眼界，同時近距離的與企業(yè)工程師交談，也可以使學(xué)生提早對步入職場做好思想準(zhǔn)備。

基于CDIO教學(xué)模式的課程改革研究過程中，也取得了很多可喜的成果，學(xué)生利用該課程的理論基礎(chǔ)與項目積累的經(jīng)驗積極參加各類大學(xué)生光電與電子大賽及省級校級創(chuàng)新訓(xùn)練項目，獲得第四屆福建省大學(xué)生光電設(shè)計大賽二等獎，第五屆全國大學(xué)生光電設(shè)計大賽總決賽二等獎、三等獎、第六屆全國大學(xué)生光電設(shè)計大賽總決賽一等獎。

4? 結(jié)語

CDIO是一種全新的國際化工程教育模式，對于它的研究還遠(yuǎn)沒結(jié)束，本文將CDIO的理念和光學(xué)系統(tǒng)課程設(shè)計相結(jié)合，以工程實踐為載體，在教學(xué)過程中以項目實踐為導(dǎo)向，有利于擴展學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)，同時為相關(guān)企業(yè)提供了對口輸送的人才，對學(xué)生的綜合能力的提升起到了積極的作用，同時也為光信息專業(yè)其他實踐類課程起到一定的示范作用。

參考文獻(xiàn)

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