工程光學(xué)課程金課建設(shè)初步研究

毛少娟 李剛 黃富瑜 陳玉丹 李莉

摘 ?要 當(dāng)前全國(guó)各高校都非常重視金課建設(shè)研究，提出要消滅“水課”，建設(shè)金課。結(jié)合陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)電子與光學(xué)工程系工程光學(xué)課程兩期的教學(xué)實(shí)際，分析當(dāng)前課程教學(xué)中凸顯的問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)方法三方面以金課標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行初步建設(shè)，力爭(zhēng)使這一課程更加符合人才培養(yǎng)方案要求，更加貼近部隊(duì)需求。

關(guān)鍵詞 工程光學(xué);金課;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)手段;教學(xué)方法;教學(xué)輔助軟件;課程思政;實(shí)驗(yàn)儀器

中圖分類號(hào)：G642 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）05-0047-04

0 前言

為了貫徹落實(shí)黨中央、習(xí)主席關(guān)于深化國(guó)防和軍隊(duì)改革的決策部署，2016年我軍院校進(jìn)行了大規(guī)模編制體制調(diào)整改革，光學(xué)工程教研室的教學(xué)培訓(xùn)任務(wù)隨之發(fā)生較大變化。針對(duì)部隊(duì)需求和專業(yè)培訓(xùn)特點(diǎn)，教研室對(duì)承訓(xùn)專業(yè)的專業(yè)課程體系及內(nèi)容設(shè)置進(jìn)行修訂，經(jīng)多方調(diào)研論證，將原來(lái)教研室開(kāi)設(shè)的應(yīng)用光學(xué)和物理光學(xué)課程合并為工程光學(xué)課程。自光學(xué)工程教研室成立以來(lái)，應(yīng)用光學(xué)和物理光學(xué)兩門課程一直是教研室承訓(xùn)專業(yè)的主干型專業(yè)基礎(chǔ)課，在光學(xué)工程學(xué)科的教學(xué)中起著承前啟后的作用，占有十分重要的地位;二者合并為工程光學(xué)課程后，已經(jīng)經(jīng)歷兩輪教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)課程教學(xué)中存在的某些突出問(wèn)題。筆者力圖通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)資源以及教學(xué)方法等的合理整合、優(yōu)化及設(shè)計(jì)，以金課標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，使得這一課程更加符合新版的人才培養(yǎng)方案和培養(yǎng)目標(biāo)要求，更加貼近部隊(duì)需求。

1 當(dāng)前課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

課程學(xué)時(shí)多，教學(xué)頻次安排緊湊 ?作為工程光學(xué)課程的前身，應(yīng)用光學(xué)和物理光學(xué)兩門課程的側(cè)重點(diǎn)各不相同：應(yīng)用光學(xué)采用光線理論來(lái)闡述光學(xué)現(xiàn)象，較為形象，便于理解;而物理光學(xué)側(cè)重光的波動(dòng)理論，較為抽象。二者本身均為有一定難度的課程，合并之前教學(xué)學(xué)時(shí)分別為50學(xué)時(shí)和60學(xué)時(shí)。在開(kāi)課時(shí)間上，應(yīng)用光學(xué)課程一般較物理光學(xué)課程提前一個(gè)學(xué)期開(kāi)課，安排在大二春季學(xué)期。兩門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程在開(kāi)課時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，有利于合理地安排教學(xué)頻次，有利于學(xué)員更好地消化吸收知識(shí)。二者合并后教學(xué)學(xué)時(shí)壓縮為80學(xué)時(shí)，開(kāi)課時(shí)間安排在大三秋季學(xué)期授課，同時(shí)期學(xué)員還開(kāi)設(shè)有激光技術(shù)及應(yīng)用、光電技術(shù)、現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)等幾門重要課程。這幾門課程均以工程光學(xué)課程內(nèi)容作為基礎(chǔ)，從開(kāi)課時(shí)間順序上要求安排在工程光學(xué)課程之后，而整個(gè)學(xué)期教學(xué)時(shí)間又是有限的，這就勢(shì)必要求工程光學(xué)課程盡可能開(kāi)得早一些、講得快一些，以方便后續(xù)課程的教學(xué)。

課程內(nèi)容多，學(xué)員易出現(xiàn)學(xué)習(xí)疲沓現(xiàn)象 ?工程光學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容包含幾何光學(xué)和物理光學(xué)兩大部分，各部分的內(nèi)容模塊相較原來(lái)的應(yīng)用光學(xué)和物理光學(xué)沒(méi)有明顯減少，這也是前期研討課程教學(xué)計(jì)劃時(shí)教員為了保證教學(xué)內(nèi)容的完整性和系統(tǒng)性的考慮。經(jīng)過(guò)兩期的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)學(xué)員在如此多學(xué)時(shí)的大課程學(xué)習(xí)中容易出現(xiàn)學(xué)習(xí)疲沓現(xiàn)象和教學(xué)內(nèi)容的遺忘，學(xué)了后面忘記前面，不利于課程知識(shí)的整體掌握。

課程理論性強(qiáng)，難以引起學(xué)員興趣 ?工程光學(xué)課程中的幾何光學(xué)和物理光學(xué)部分均涉及很多的公式推導(dǎo)，授課中如果過(guò)度強(qiáng)調(diào)這些推導(dǎo)過(guò)程，不利于學(xué)員工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，體現(xiàn)不出工程光學(xué)教學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性與趣味性;而且學(xué)員普遍對(duì)這些公式推導(dǎo)過(guò)程不感興趣，課堂授課質(zhì)量差，學(xué)員對(duì)知識(shí)的吸收能力很弱，對(duì)所學(xué)知識(shí)的工程運(yùn)用和前景不甚清楚。

授課方式單一，教學(xué)不夠生動(dòng)形象 ?目前的課堂教學(xué)中主要還是采用傳統(tǒng)的板書(shū)結(jié)合PPT的講授式教學(xué)方式，雖然課程組在課件中盡可能多地融入了動(dòng)畫、視頻、實(shí)驗(yàn)演示等內(nèi)容，在一定程度上能夠提升學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，但是這種單一的教學(xué)方式仍然不足以長(zhǎng)時(shí)間地吸引學(xué)員的眼球。

教學(xué)環(huán)境轉(zhuǎn)換，學(xué)員適應(yīng)新環(huán)境需要過(guò)渡期 ?本專業(yè)學(xué)員現(xiàn)實(shí)行的是“2+2”培養(yǎng)方式，前兩年在南京校本部學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程，后兩年（大三和大四）在石家莊校區(qū)學(xué)習(xí)專業(yè)課程。工程光學(xué)課程作為學(xué)員來(lái)到石家莊校區(qū)后接觸的第一門專業(yè)課程，其教學(xué)方式、授課節(jié)奏、學(xué)習(xí)方法、考試安排等均與南京校本部課程有所區(qū)別，學(xué)員亟待調(diào)整來(lái)適應(yīng)新的教學(xué)模式。

2 工程光學(xué)課程金課建設(shè)實(shí)踐

針對(duì)上述問(wèn)題，從以下幾方面對(duì)課程進(jìn)行初步建設(shè)。

教學(xué)內(nèi)容上，規(guī)劃設(shè)計(jì)好教學(xué)內(nèi)容

1）合理分配學(xué)時(shí)，規(guī)劃好各部分教學(xué)內(nèi)容。工程光學(xué)課程總學(xué)時(shí)為80學(xué)時(shí)，內(nèi)容包含幾何光學(xué)和物理光學(xué)兩部分，合理分配這兩部分內(nèi)容的授課學(xué)時(shí)，對(duì)于開(kāi)展整個(gè)教學(xué)活動(dòng)至關(guān)重要。鑒于此，對(duì)多個(gè)開(kāi)設(shè)工程光學(xué)課程的地方高校進(jìn)行調(diào)研，多數(shù)高校的學(xué)時(shí)分配方案是物理光學(xué)部分較幾何光學(xué)部分多?？紤]到本專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)及學(xué)員在前期基礎(chǔ)課程大學(xué)物理中學(xué)習(xí)過(guò)部分簡(jiǎn)單的物理光學(xué)知識(shí)，將幾何光學(xué)和物理光學(xué)兩部分均分為40學(xué)時(shí)。以此為基礎(chǔ)，教員對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行下一步的合理設(shè)計(jì)。

2）完善課程標(biāo)準(zhǔn)，刪減與其他課程重復(fù)內(nèi)容。課程選用教材為機(jī)械工業(yè)出版社出版，郁道銀編著的國(guó)家精品課程教材《工程光學(xué)》，涵蓋內(nèi)容極其豐富。鑒于教學(xué)課時(shí)有限，不可能在一個(gè)教學(xué)周期內(nèi)完成全書(shū)內(nèi)容的講授，必須對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行合理的刪減整合?？紤]到教學(xué)中既要強(qiáng)化學(xué)員的基礎(chǔ)理論教學(xué)，又要引入應(yīng)用技術(shù)及前沿課題，保證課程的先進(jìn)性，按時(shí)完成教學(xué)任務(wù)，經(jīng)教研室專家教授研討決定，在盡可能保證教學(xué)內(nèi)容完整性、系統(tǒng)性前提下，工程光學(xué)課程內(nèi)容教學(xué)重點(diǎn)側(cè)重在基礎(chǔ)知識(shí)上，將教材中涉及的前沿技術(shù)以教學(xué)案例的形式穿插到基礎(chǔ)知識(shí)講授中。其中幾何光學(xué)部分重點(diǎn)講授“幾何光學(xué)基本定律與成像概念”“理想光學(xué)系統(tǒng)”“平面與平面系統(tǒng)”和“光學(xué)系統(tǒng)中的光闌與光束限制”等四章內(nèi)容;物理光學(xué)部分重點(diǎn)講授“光的電磁理論基礎(chǔ)”“光的干涉和干涉系統(tǒng)”“光的衍射”以及“光的偏振和晶體光學(xué)基礎(chǔ)”等基礎(chǔ)知識(shí)，詳細(xì)的教學(xué)內(nèi)容安排如表1所示。

教學(xué)手段上，采用生動(dòng)性、可視化的輔助手段

1）開(kāi)發(fā)課程教學(xué)輔助軟件。針對(duì)這種大課時(shí)、內(nèi)容多、理論性強(qiáng)的課程，必須采用多種教學(xué)手段來(lái)提高教學(xué)效率，避免學(xué)員感覺(jué)課程枯燥乏味。授課中注重在PPT課件中適當(dāng)增加視頻、動(dòng)畫等資源，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，適度減少冗長(zhǎng)復(fù)雜公式的推導(dǎo)過(guò)程，側(cè)重講清公式及結(jié)果的物理含義。除此之外，為了使學(xué)生能更深刻地理解理論知識(shí)，增強(qiáng)課程的生動(dòng)性和可視化，開(kāi)發(fā)工程光學(xué)輔助教學(xué)軟件，主界面如圖1所示，分為幾何光學(xué)和物理光學(xué)兩部分，每一部分均包含學(xué)習(xí)課件、教學(xué)資源、題庫(kù)、輔助軟件等四個(gè)模塊。其中，學(xué)習(xí)課件匯集了教師上課所用的教案和PPT課件，方便學(xué)員課下查看學(xué)習(xí)。教學(xué)資源模塊包含教員從互聯(lián)網(wǎng)上搜集的工程光學(xué)國(guó)家級(jí)或省級(jí)精品課程的視頻和動(dòng)畫等資源，解決了軍校學(xué)員不便上互聯(lián)網(wǎng)查找資料的難題。幾何光學(xué)和物理光學(xué)的題庫(kù)各包含至少1 000題，做到了教學(xué)內(nèi)容重難點(diǎn)的全覆蓋。幾何光學(xué)輔助軟件部分如圖2所示，采用ZEMAX軟件，將傳統(tǒng)教學(xué)中難以演示的光路路徑、光學(xué)元件（系統(tǒng)）以三維實(shí)體的方式精準(zhǔn)地構(gòu)建出來(lái)，極大地增強(qiáng)了理論知識(shí)的形象化和準(zhǔn)確性[1]。物理光學(xué)輔助軟件部分如圖3所示，采用MATLAB軟件構(gòu)建物理光學(xué)仿真平臺(tái)，方便教員在課上演示光學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果，有效地提高了課堂教學(xué)效率，改善了當(dāng)前課時(shí)壓縮和教學(xué)內(nèi)容有增無(wú)減的矛盾。

2）增加課堂演示實(shí)驗(yàn)。工程光學(xué)課程的理論知識(shí)較為抽象，其中涉及很多光學(xué)實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)過(guò)程僅憑教師的口授講解，學(xué)員理解起來(lái)比較困難。前期教學(xué)中，教研室一直缺乏與課程配套的實(shí)驗(yàn)儀器，課程中涉及的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)只能借助課件或仿真的方式盡可能地使其生動(dòng)化，但是學(xué)員的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力無(wú)法得以鍛煉提高。為此，課程組購(gòu)置一批小巧、便于組合的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器，包括光學(xué)系統(tǒng)像差測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀器、應(yīng)用光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)儀器、光的偏振與晶體光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器、物理光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)儀器，如圖4所示。這些實(shí)驗(yàn)元器件通過(guò)組合，基本能夠覆蓋工程光學(xué)課程的經(jīng)典光學(xué)實(shí)驗(yàn)，既方便教員在課堂上演示實(shí)驗(yàn)，也可以讓學(xué)員利用課余時(shí)間自行組隊(duì)深入研究感興趣的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可以作為學(xué)員開(kāi)展科技創(chuàng)新的基地，提升學(xué)員的科研能力和工程實(shí)踐能力。

教學(xué)方法上，依據(jù)教學(xué)內(nèi)容的不同，選取合適的教學(xué)方法

1）引入課程思政元素。2016年底，習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上指出：“要堅(jiān)持把立德樹(shù)人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開(kāi)創(chuàng)我國(guó)高等教育事業(yè)發(fā)展新局面?！盵2]軍隊(duì)院校更應(yīng)時(shí)刻注重學(xué)員的思想政治教育，而專業(yè)課程教學(xué)中涉及的都是學(xué)術(shù)性、針對(duì)性很強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)，如何在課程中挖掘思政元素并將其融入教學(xué)中，是一個(gè)值得任課教員深思的問(wèn)題。如在教材下篇的物理光學(xué)部分有“光的干涉和干涉系統(tǒng)”一章，光的干涉理論上是指在多個(gè)光波疊加的區(qū)域內(nèi)、在觀察時(shí)間里形成穩(wěn)定的光強(qiáng)強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象，干涉后的總光強(qiáng)可能大于或小于各光波強(qiáng)度之和，出現(xiàn)1+1>2或1+1<2的效應(yīng)[2]。由此現(xiàn)象，向?qū)W員傳遞“二人同心、其利斷金”和“團(tuán)結(jié)就是力量”的正能量，引導(dǎo)學(xué)員樹(shù)立團(tuán)結(jié)協(xié)作、共同進(jìn)步的意識(shí)，注重班級(jí)和團(tuán)隊(duì)的凝聚力建設(shè)，增強(qiáng)集體榮譽(yù)感。

2）采用小組合作與任務(wù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方法。為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)員參與課堂教學(xué)的積極性，教員在授課中采用小組合作與任務(wù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的教學(xué)方法。課前選取教學(xué)內(nèi)容難度適中的課題，以設(shè)計(jì)任務(wù)的形式提前布置給學(xué)員，全部學(xué)員分成若干小組，每組2～3人分工合作完成課題任務(wù)，課堂上每組學(xué)員輪流進(jìn)行答辯講解。如在幾何光學(xué)部分，教員講授關(guān)于光學(xué)系統(tǒng)成像和像質(zhì)的基本知識(shí)后，布置“簡(jiǎn)單望遠(yuǎn)系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)任務(wù)，讓學(xué)員課下根據(jù)已有知識(shí)或查閱資料，自行設(shè)計(jì)出系統(tǒng)方案，課上答辯時(shí)由全體學(xué)員討論、評(píng)判方案的可行性及有無(wú)進(jìn)一步優(yōu)化的可能。在這種學(xué)員自己設(shè)計(jì)、眾人思想碰撞的過(guò)程中，學(xué)員相當(dāng)于又把知識(shí)梳理了一遍，增強(qiáng)了將理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，全國(guó)各高校積極響應(yīng)第一次新時(shí)代中國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神，發(fā)出金課建設(shè)研究的強(qiáng)烈信號(hào)，同時(shí)校區(qū)近期也開(kāi)展了廣泛的課程改造工作，由此可見(jiàn)課程建設(shè)在人才培養(yǎng)質(zhì)量方面的重要作用。本文以本專業(yè)學(xué)員的專業(yè)基礎(chǔ)課程工程光學(xué)為例，針對(duì)兩期的教學(xué)實(shí)踐反映出來(lái)的問(wèn)題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)方法三方面提出解決方法，并對(duì)課程進(jìn)行了初步的改造和建設(shè)，以期通過(guò)這些方法手段，使其更加符合新版的人才培養(yǎng)方案和培養(yǎng)目標(biāo)要求，更加貼近部隊(duì)需求。

參考文獻(xiàn)

[1]李莉.基于光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用光學(xué)課程建設(shè)研究[J].教育教學(xué)論壇，2015（34）：170-171.

[2]卞海溢，曹蘇群.課程思政在工程光學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐探索[J].教育教學(xué)論壇，2020（22）：262-265.