基于新工科理念的《物理光學(xué)》課程建設(shè)

周哲海 趙爽 王曉玲 牟濤濤 何巍 樊凡 郎曉萍

摘要：新工科建設(shè)要求將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求引入教學(xué)過程中，這就要求對原有的課程體系進(jìn)行重新的梳理和調(diào)整。正是基于這樣的需求，教學(xué)團隊對物理光學(xué)課程體系進(jìn)行了調(diào)整，增加了很多反映最新社會發(fā)展和技術(shù)需求的教學(xué)內(nèi)容，同時著手建設(shè)在線課程和虛擬實驗平臺，為學(xué)生的課外學(xué)習(xí)提供了更為豐富的教學(xué)資源，支撐了學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：新工科，物理光學(xué)，課程體系，創(chuàng)新實踐

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）15-0089-03

一、引言

2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了復(fù)旦共識、天大行動和北京指南，以主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略。新工科建設(shè)要求將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求引入教學(xué)過程，更新教學(xué)內(nèi)容和課程體系。

物理光學(xué)是我校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，基于光的波動性和粒子性（即波粒二象性）的基本原理，介紹光的干涉、衍射、偏振、散射等基本的光學(xué)現(xiàn)象、基本原理及典型應(yīng)用，是光電類專業(yè)重要的知識組成部分。同時，物理光學(xué)所涉及的內(nèi)容與社會發(fā)展密切相關(guān)，有非常大的生命力和活力，在現(xiàn)代社會和科技發(fā)展中有非常大的影響力，在不斷地創(chuàng)新發(fā)展，推動者社會進(jìn)步。因此，持續(xù)開展課程體系建設(shè)，以適應(yīng)最新的社會發(fā)展需求，是課程建設(shè)的基本要求。在過去兩年，課程組基于工程教育專業(yè)認(rèn)證和新工科理念，對物理光學(xué)的課程體系進(jìn)行了新的系統(tǒng)設(shè)計，將最新的信息技術(shù)引入到課程教學(xué)中，突出學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)。本論文將對過去我們的工作做一簡要總結(jié)，拋磚引玉。

二、建設(shè)舉措及效果

在光電信息科學(xué)與工程專業(yè)2012版培養(yǎng)方案中，物理光學(xué)課程的課時為48個，同時與之相關(guān)的兩門課是信息光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)實驗，其中，信息光學(xué)40個學(xué)時，現(xiàn)代光學(xué)實驗是24個學(xué)時，是一門純實驗課。物理光學(xué)和信息光學(xué)兩門課有一部分內(nèi)容有一些重疊，就是關(guān)于光的衍射的內(nèi)容。而現(xiàn)代光學(xué)實驗則同時包括兩門課的一些綜合性實驗。總體上，這樣的安排有一些混亂。同時，面向新的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，原有的課程內(nèi)容也需要進(jìn)行調(diào)整。因此，在2016版培養(yǎng)方案中，課程團隊對課程體系進(jìn)行了一系列的調(diào)整。

（一）進(jìn)一凝練教學(xué)內(nèi)容，將最新的技術(shù)發(fā)展融入課程教學(xué)

技術(shù)在不斷發(fā)展，課程教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)該隨之變化，以適應(yīng)這種發(fā)展。我們將信息光學(xué)課程取消，部分內(nèi)容融入物理光學(xué)的課程中，總學(xué)時由原來的48個學(xué)時增加至64個學(xué)時，現(xiàn)代光學(xué)實驗依然為獨立的實驗課程，16個學(xué)時，全部為綜合性的實驗。具體來說，課程團隊對物理光學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了新的調(diào)整，引入了“傅里葉變換”和“線性系統(tǒng)理論”，從頻域的角度進(jìn)一步理解光在空間傳播的物理現(xiàn)象和本質(zhì)，從而從更深的層面理解衍射的物理含義;同時，課程還增加了“光學(xué)全息”的內(nèi)容，讓學(xué)生綜合運用干涉和衍射的物理概念來理解這個非常重要的物理概念。

同時，課程還對原有的一些內(nèi)容的教學(xué)學(xué)時進(jìn)行了壓縮，例如金屬的反射和透射特性、多層介質(zhì)薄膜的濾波特性、子波帶法計算菲涅耳衍射場分布、多種類型的光柵等，設(shè)立了一些小的專題，例如負(fù)折射率材料的反射和透射特性、基于Macleod軟件計算介質(zhì)薄膜的透射和反射特性、凹面光柵、亞波長光柵、超分辨熒光顯微成像、全光場成像等等，將這些最新的技術(shù)發(fā)展引入到課堂中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、了解最新的技術(shù)發(fā)展和研究熱點，激發(fā)他們探索新問題的熱情。

（二）采用新的教學(xué)方法，提升課程教學(xué)質(zhì)量

面向新的技術(shù)發(fā)展，特別是信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)方法面臨著很多挑戰(zhàn)，很多傳統(tǒng)的滿堂灌、一言堂的方式已經(jīng)難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，因此新的教學(xué)方法改革與創(chuàng)新變得非常重要而且迫切。

為此，課程組在物理光學(xué)的課程建設(shè)中也開展了一些新的嘗試。首先，建設(shè)了在線課堂資源，將教學(xué)內(nèi)容和重要知識點講解放到網(wǎng)上，學(xué)生可以隨時進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，提問答疑，完成測試等;其次，在課堂教學(xué)中引入了超星公司的學(xué)習(xí)通App，增加了互動環(huán)節(jié)，讓學(xué)生參與到課堂教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生分析問題、解決問題。

（三）提供更豐富的實踐內(nèi)容，提升學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力

課程實驗和圍繞課程的實踐環(huán)節(jié)是課程教學(xué)的重要內(nèi)容，也是提升學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的重要手段，所以提升課程實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量至關(guān)重要。

首先，我們對原有的一些實驗進(jìn)行了改造提升，讓傳統(tǒng)的驗證性實驗提升到設(shè)計性、綜合性實驗的水平，在實驗設(shè)計的環(huán)節(jié)中提出問題導(dǎo)向，讓學(xué)生帶著問題做實驗，通過做實驗來分析問題、解決問題，從而提升學(xué)生的實踐動手能力、分析問題和解決問題的能力。為此，我們基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，重新梳理了課程實驗教學(xué)大綱、課程實驗指導(dǎo)書、實驗報告規(guī)范以及實驗考核標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。

其次，我們還開設(shè)了一些新的開放性實驗供學(xué)生選擇，和集體做實驗不同，學(xué)生可以在課余時間來做實驗，靈活自主，而且按要求完成后可以計入課程實驗成績。更大的一個創(chuàng)新工作在于，我們利用虛擬仿真軟件平臺開設(shè)了一些虛擬仿真實驗，學(xué)生通過這些實驗可以模擬一些典型的光學(xué)現(xiàn)象，了解基本的光學(xué)原理，同時還可以設(shè)計一些比較復(fù)雜的實驗系統(tǒng)，進(jìn)行更為復(fù)雜的實驗現(xiàn)象的分析模擬。這種虛實結(jié)合的實驗方式為學(xué)生的實踐教學(xué)提供了更多的鍛煉機會，更好的能力培養(yǎng)途徑。

（四）改革課程考核方式，豐富課程考核手段，進(jìn)一步強化過程考核

傳統(tǒng)的課程考核方式主要是期末考試和平時考核相結(jié)合，這種方式忽略了過程考核，導(dǎo)致很多學(xué)生在平時學(xué)習(xí)的壓力不夠，不夠用心期末考試突擊復(fù)習(xí)，學(xué)習(xí)效果和成績并不理想。鑒于此，我們將過程考核引入到課程考核中，將課程成績分成幾個過程性成績的總和，增加一些過程考核的環(huán)節(jié)，這樣學(xué)生在平時學(xué)習(xí)就比較有壓力，在整個過程都能投入，學(xué)習(xí)的效果也好很多。當(dāng)然，這種過程考核方式給教學(xué)團隊增加了很大的工作量，因為每個考核過程都要進(jìn)行成績批改和記錄，以及教學(xué)文檔的整理。

（五）完善現(xiàn)有的課程評價機制，持續(xù)改進(jìn)提升課程教學(xué)質(zhì)量

持續(xù)改進(jìn)是工程教育專業(yè)認(rèn)證的三大理念之一，將這一理念運用到課程教學(xué)上，最關(guān)鍵的就是科學(xué)合理的課程評價機制。

傳統(tǒng)上課程評價的機制主要是學(xué)生評教，學(xué)生給老師的總體教學(xué)水平打一個分?jǐn)?shù)。但是這種方式無論分高分低，都很難用于持續(xù)改進(jìn)，因為老師不是很秦楚課程需要在哪些方面進(jìn)行改進(jìn)提升。為此，我們按照工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念，豐富了課程的評價機制。首先，通過調(diào)查問卷，了解學(xué)生課程目標(biāo)達(dá)成情況以及對課程的意見。通過問卷結(jié)果分析，可以清楚地了解到學(xué)生對課程不同目標(biāo)的達(dá)成情況，也就是學(xué)生收獲的情況，這可以告訴教師在新一輪的教學(xué)中在哪些方面加強改進(jìn)提高，而且收集學(xué)生的意見后，也可以有針對性地進(jìn)行完善。另外，我們還引入了課程過程成績評價方法，也就是將學(xué)生的考核成績和教學(xué)目標(biāo)掛鉤，定量的了解學(xué)生在不同教學(xué)目標(biāo)方面的達(dá)成情況，有比較清楚的量化指標(biāo)，更有利于課程改進(jìn)的實際操作。而且這種課程量化評價方法還可以進(jìn)一步支持專業(yè)的畢業(yè)要求達(dá)成度評價。

三、總結(jié)與分析

課程教學(xué)是提升人才培養(yǎng)質(zhì)量“最后一公里工程”，所以課程教學(xué)改革始終是人才培養(yǎng)最根本的問題。過去幾年，我們圍繞物理光學(xué)的課程體系進(jìn)行了一系列改革，在課程內(nèi)容、教學(xué)方法、實踐體系、考核方式以及評價機制等方面都做了一些嘗試，有了一些心得和收獲，這些改革的效果得到了學(xué)生的支持，也確實提高了課程的教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生有了更多的收獲。為此老師們也付出了很多的時間和精力，投入很大。當(dāng)然這些方法也不見得能運用到所有的課程教學(xué)上，實際上，針對不同類型的課程，都可能有很多不同的更適用的方法。但不管怎么說，只要是能提高課程教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生有更多收獲的方法就是好方法，值得去努力應(yīng)用的方法。

改革永遠(yuǎn)在路上，課程教學(xué)改革也是如此，我們也將更加努力，不斷探索，不斷實踐，在提升課程教學(xué)質(zhì)量、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的路上繼續(xù)奮進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧佩華.新工科與新范式：概念、框架與實施路徑[J].高等工程教育研究，2017，（6）：1-13.

[2]顧佩華.從CDIO在中國到中國的CDIO：發(fā)展路徑、產(chǎn)生的影響及其原因研究[J].高等工程教育研究，2017，（1）：24-43.