新工科背景下“應用光學”課程的探索與實踐

韋曉孝 馮吉軍 梁青青 張 薇 王 寧

（上海理工大學 上海 200093）

0 引言

“應用光學”作為一門既有系統(tǒng)理論又有較強實踐性的技術基礎課，是電子科學與技術、光信息科學與技術和測控技術與儀器等專業(yè)的專業(yè)基礎課程。從國內(nèi)最早建立光學儀器專業(yè)到現(xiàn)在，經(jīng)過近70年的發(fā)展，“應用光學”課程的體系和內(nèi)容已經(jīng)非常完善。課程以幾何光學原理為基礎，分析研究了幾種典型光學儀器(顯微鏡、望遠鏡、照相機和投影儀)和現(xiàn)代光學系統(tǒng)(光纖光學系統(tǒng)、紅外光學系統(tǒng)和激光光學系統(tǒng))的工作原理、系統(tǒng)架構、成像質量和設計方法等，在整個工科專業(yè)課程體系中占據(jù)重要地位[1-2]。

新工科是新經(jīng)濟背景下工程教育改革的重大戰(zhàn)略選擇，也是今后我國工程教育發(fā)展的新思維、新方式?！靶鹿た啤毕鄬τ趥鹘y(tǒng)工科而言，更強調(diào)學科的實用性、交叉性與綜合性。“應用光學”作為光電信息工程專業(yè)重要的基礎課程之一，與基礎學科和精密機械與制造、計算機等周邊相關學科具有廣泛的聯(lián)系，更容易體現(xiàn)知識綜合與學科交叉的特征。為了實現(xiàn)高等教育的創(chuàng)新和適應未來工業(yè)革命的挑戰(zhàn)，開展“新工科”學科布局，構建多樣化、個性化的工程人才培養(yǎng)模式已經(jīng)成為教育部重要戰(zhàn)略發(fā)展方向。在新工科背景下，“應用光學”課程也應該思考如何建設與新環(huán)境相適應的教學模式，探索教學與實踐、創(chuàng)新之間的關系，從而激發(fā)學生的求知欲和創(chuàng)造欲，為培養(yǎng)高素質復合型“新工科”光電人才打下堅實的基礎。

1 “應用光學”課程教學現(xiàn)狀

1.1 教學內(nèi)容的問題

以本?！皯霉鈱W”課程為例，課程教學還是以高斯光學為基礎，以理想光學系統(tǒng)理論為核心，同時涵蓋光能和光束限制、像差理論等的經(jīng)典內(nèi)容。從成績的反饋來看，學生基本上能夠掌握“幾何光學”中的符號規(guī)則、單個折射面近軸公式以及牛頓公式、高斯公式等理想光學系統(tǒng)的物像關系。且在當前考核評價方式下，書面考查也反映學生對光學系統(tǒng)像差的理論有一定的掌握，但是這種單一的方式又怎能對培養(yǎng)目標的滿足情況進行多維度的考察呢？學生的這些理論知識是脫離于學科工程實際應用性的，如果結合實際應用的一個具體需求指標，學生完全不能把指標與書本上的理論知識結合起來，并且非常容易混淆各種參量的物理含義。這表明學生對于基礎知識的理解不深、綜合應用能力需要加強。

1.2 教學模式的問題

傳統(tǒng)的“填鴨式”教學模式，授課過程中主要以教師講、學生聽為主，課堂氣氛較為沉悶，學生在課程學習過程中注重課堂教學、課后復習和課后作業(yè)環(huán)節(jié)，但忽視了課前預習環(huán)節(jié)的重要性，不僅不利于課程知識的內(nèi)化和能力培養(yǎng)，也難以調(diào)動學生的積極性，還會扼殺本科生的求知欲和創(chuàng)新精神，完全不適合當今社會對創(chuàng)新型工科人才的培養(yǎng)需求。

2 新形勢下“應用光學”課程教學的探索

2018年教育部發(fā)布了“普通高等學校本科專業(yè)類教學質量國家標準”，其原則和理念的核心就是以學生為中心、以成果為導向，通過翻轉課堂的教學模式，充分發(fā)揮學生的主體作用，提高學生創(chuàng)新意識、分析問題和解決問題的能力[3]。作者承擔高校光學專業(yè)的“應用光學”課程，在教授該門課程的過程中也在不斷地探索思考，如何在教學過程中，從教學主導者的角度出發(fā)，盡可能的引導學生學習并消化知識，加強實際應用能力，很顯然，有效的教學方法及教學手段是解決該問題的舉措之一，也是一個師者在教學生涯中的不斷追求。

鑒于此，作者開展了以下幾個方面的探索研究。

（1）課程思政的有效結合?！皯霉鈱W”專業(yè)教師利用自己的專業(yè)知識儲備，在傳授專業(yè)知識的過程中，可結合具體的專業(yè)課程內(nèi)容進行靈活巧妙地思政教育。從“應用光學”學科的交叉性特點出發(fā)，挖掘思政元素，培養(yǎng)學生的職業(yè)素養(yǎng)，要求學生養(yǎng)成一絲不茍的精神和認真負責的工作態(tài)度，尤其是團隊合作的精神。從“應用光學”學科的發(fā)展歷史培養(yǎng)學生的愛國主義精神，向學生講述在20世紀50年代美國德國等發(fā)達國家對我國實行技術封鎖的情況下，國家在不到10年的時間里相繼建立起光學設計與檢驗、光學工藝、光學鍍膜、光學計量測試、機械設計等10多個方面的工藝和技術基礎，初步構建起布局合理、結構完整、功能完備的光學和精密機械的研究基礎，使得我國從在光學領域內(nèi)一片空白的局面扭轉為在國際上占得一席之地，以此培養(yǎng)學生的愛國主義情操。從老一輩光學科研工作者的光輝事跡，他們嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、勇于探索的科學精神激發(fā)學生的歷史使命感[4]。

（2）課程教學內(nèi)容的優(yōu)化。課程教學從光學知識在前沿科技領域的應用出發(fā)，結合光學的發(fā)展史，回顧高中物理課本中已學過的反射定律和折射定律等內(nèi)容[3]，逐步引導“應用光學”課程的學習內(nèi)容和目標，尤其是以貼近我們?nèi)粘Ｉ钪械膶嶋H應用為例，引發(fā)學生的思考。比如大部分同學戴的近視眼鏡，就是一個非常好的應用，這里面有很多問題需要思考：近視眼鏡的原理是什么？它所用的是什么材料？為什么不同的眼鏡反射光的顏色不一樣，基于的是什么原理？眼鏡片通過什么手段可以做??？漸進多焦鏡又能實現(xiàn)什么樣的功能呢？通過啟發(fā)式的問答，把每一個應用的點跟課程中的理論概念結合起來，激發(fā)學生對課程學習的興趣。近年來，隨著光學和儀器行業(yè)的發(fā)展，應用光學也涌現(xiàn)出了很多不同于經(jīng)典光學系統(tǒng)的新技術，比如自由曲面，超短焦，微納光學等等，這些新技術的出現(xiàn)，也要求我們根據(jù)新工科發(fā)展的需求調(diào)整教學內(nèi)容。教師可結合自己所從事的行業(yè)，結合應用的前沿性和系統(tǒng)性，提煉出綜合性的經(jīng)典案例，形成具有個人特色的教學內(nèi)容。

（3）課程教學方式的探索?！皯霉鈱W”的課程教學可采用“理論—實踐”和“案例教學”的方法，主要通過講授課本的基礎知識，結合配套的實驗教學，并將理論內(nèi)容與工程應用相結合來完成。作者在教學過程中印象深刻的一點是：提問學生關于不同倍率顯微物鏡的知識點，前面的數(shù)字10X/20X等表達了光學系統(tǒng)的什么指標，通過這種方式，學生會對這方面的知識點掌握牢固。此外，以課程項目的方式展開教學，以項目提出的光學指標為前提，指導學生查閱文獻，明確項目中的光學指標與“應用光學”課程中的哪些概念是一致的，將具體的光學指標與理論知識結合起來，融入到實際的光學儀器研發(fā)過程中，并輔助采用ZEMAX光學設計軟件等現(xiàn)代化手段，讓學生在學中做，做中學，大幅提升學生的學習主動性。最終實現(xiàn)從以“灌輸—接受”為主的教學方式過渡到“以教師為主導、學生為主體”的教學模式，逐步適應新的發(fā)展。

（4）課程教師教學能力提升的對策探討。應用光學是一門系統(tǒng)性、綜合性的學科，具有計算數(shù)學、計算機技術、信息物理、光學等多學科融會貫通的知識結構，任課教師需要利用自己的專業(yè)知識儲備進一步加強新理念的學習和消化，開展多學科的交叉融合，比如精密機械、機器視覺算法等，充分而深入地挖掘教學內(nèi)容的內(nèi)涵，特別是了解各門課程之間的關系，善于將課程之間的聯(lián)系引入課堂，并引導學生將課堂知識與科研、生產(chǎn)實際相聯(lián)系。

（5）明確培養(yǎng)目標，推進校企合作育人機制。應用光學課程的發(fā)展是要服務于光學儀器，最終面向企業(yè)需求。讓企業(yè)充分表達其對人才知識、能力、素質方面的培養(yǎng)要求，如光學設計人員需掌握的工程知識，并對教學內(nèi)容與教學模式提出意見與建議，聘請光學相關企業(yè)高技能人才兼職授課，將工匠精神培育融入課程教學。只有這樣，才能從根本上解決學校人才培養(yǎng)中故步自封，與生產(chǎn)實際脫節(jié)等問題，真正培養(yǎng)出具備企業(yè)需要的核心職業(yè)能力的優(yōu)秀工程人才。

3 結語

“應用光學”是多學科緊密交叉、互相滲透的應用型課程，為應對新工科的發(fā)展，以培養(yǎng)適應產(chǎn)業(yè)需求,培養(yǎng)適應現(xiàn)在和未來社會的高素質光學復合人才，本文在課程思政、課程內(nèi)容、教學方式、教師能力、培養(yǎng)目標等方面都提出了一些建議，我們也將更加努力，不斷探索，不斷實踐，在提升課程教學質量、提升人才培養(yǎng)質量的路上繼續(xù)奮進。