光電儀器設(shè)計(jì)線下一流課程教學(xué)設(shè)計(jì)探索與實(shí)踐

吳玲玲 高 明 尚小燕 紀(jì)小輝 王 謙

（西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

1 一流課程建設(shè)背景及意義

2019年10月，教育部發(fā)布《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》（教高〔2019〕8號(hào)），建設(shè)適應(yīng)新時(shí)代要求的一流本科課程，全面開(kāi)展一流本科課程建設(shè)，樹(shù)立課程建設(shè)新理念，推進(jìn)課程改革創(chuàng)新，實(shí)施科學(xué)課程評(píng)價(jià)，嚴(yán)格課程管理，立起教授上課、消滅“水課”、取消“清考”等硬規(guī)矩，夯實(shí)基層教學(xué)組織，提高教師教學(xué)能力，完善以質(zhì)量為導(dǎo)向的課程建設(shè)激勵(lì)機(jī)制，形成多類型、多樣化的教學(xué)內(nèi)容與課程體系。經(jīng)過(guò)三年左右時(shí)間，建成萬(wàn)門左右國(guó)家級(jí)一流本科課程和萬(wàn)門左右省級(jí)一流本科課程。

2 光電儀器設(shè)計(jì)一流課程建設(shè)的基礎(chǔ)

光電儀器設(shè)計(jì)是西安工業(yè)大學(xué)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的一門專業(yè)課程，由精密儀器設(shè)計(jì)課程為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)。專業(yè)課精密儀器設(shè)計(jì)主要介紹光學(xué)、機(jī)械精密儀器的典型部件設(shè)計(jì)。隨著精密儀器專業(yè)調(diào)整為測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，精密儀器設(shè)計(jì)已無(wú)法滿足光電儀器行業(yè)對(duì)教學(xué)提出的新要求。因此，將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、測(cè)控電路、誤差理論與數(shù)據(jù)處理、傳感器等知識(shí)引入課程知識(shí)體系中，設(shè)立了光電儀器設(shè)計(jì)課程。

光電儀器設(shè)計(jì)以光、機(jī)、電結(jié)合的光電儀器為著重點(diǎn)，講授光電儀器設(shè)計(jì)中的共性問(wèn)題。希望學(xué)生通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，能夠理論聯(lián)系實(shí)際，綜合運(yùn)用所學(xué)的有關(guān)課程（儀器類專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課如精密儀器電路、誤差理論與數(shù)據(jù)處理、傳感器、精密機(jī)械零件等），將光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)知識(shí)相結(jié)合，具備當(dāng)代測(cè)量與控制技術(shù)和光電精密儀器及系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)能力；培養(yǎng)學(xué)生解決工程技術(shù)具體的實(shí)際問(wèn)題的能力。

多年來(lái)光電儀器設(shè)計(jì)課程建設(shè)做了大量建設(shè)工作，取得了一系列的成果，包括：

2.1 課程建設(shè)

2007年結(jié)合教學(xué)改革項(xiàng)目“《光電儀器設(shè)計(jì)》試題庫(kù)建設(shè)及考試方法改革”，通過(guò)考試方法改革，將期末考試與系統(tǒng)出題多次測(cè)驗(yàn)相結(jié)合，更加全面地考核學(xué)生的知識(shí)和能力。

2012年，結(jié)合學(xué)科發(fā)展和專業(yè)特色，自編教材《光電儀器設(shè)計(jì)》經(jīng)國(guó)防工業(yè)出版社出版，被列為“普通高等院校光電工程系列十二五規(guī)劃教材”。2013年獲陜西省普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材二等獎(jiǎng)以及第四屆兵工高校優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng)，排名第1。

2015年獲批陜西省精品資源共享課程。2016年在泛雅平臺(tái)建設(shè)了課程網(wǎng)站，教學(xué)大綱、課件、測(cè)驗(yàn)、試題庫(kù)等資源全部上網(wǎng)。

2016年，光電儀器設(shè)計(jì)獲批校級(jí)核心課程建設(shè)項(xiàng)目，在教學(xué)方法設(shè)計(jì)、教學(xué)內(nèi)容更新、題庫(kù)建設(shè)、立體化教學(xué)資源建設(shè)等方面開(kāi)展了進(jìn)一步的建設(shè)。2018年，光電儀器設(shè)計(jì)獲批校級(jí)課程思政建設(shè)項(xiàng)目，在專業(yè)課程內(nèi)容融入思政工作、課程思政教學(xué)資源建設(shè)等方面做了有益的探索。

2.2 教學(xué)團(tuán)隊(duì)

課程負(fù)責(zé)人先后被評(píng)為陜西省師德標(biāo)兵、陜西省教學(xué)名師，并獲“陜西省教書(shū)育人楷?！焙汀瓣兾魇?yōu)秀教育工作者”稱號(hào)。課程團(tuán)隊(duì)所屬的測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)獲批省級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

3 課程與教學(xué)改革要解決的重點(diǎn)問(wèn)題

該課程已有的建設(shè)雖然持續(xù)提升了課程質(zhì)量，但距離國(guó)家級(jí)一流課程仍然有很大的差距，必須進(jìn)行新的探索和實(shí)踐。課程與教學(xué)改革要解決的重點(diǎn)問(wèn)題有：

3.1 教學(xué)方法單一

因?qū)W生人數(shù)多，開(kāi)展研究式、互動(dòng)式教學(xué)方法難度大，目前主要結(jié)合儀器設(shè)計(jì)案例分析進(jìn)行講解，教學(xué)方法較單一。

3.2 解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力培養(yǎng)不足

光電儀器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是典型的復(fù)雜工程問(wèn)題。授課時(shí)要從分析生產(chǎn)實(shí)際中的典型光電儀器設(shè)計(jì)實(shí)例入手，由淺入深地介紹設(shè)計(jì)任務(wù)分析、信號(hào)轉(zhuǎn)換原理的選擇、提高儀器精度的措施、結(jié)構(gòu)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)的確定以及總體方案的確定，完整地再現(xiàn)儀器設(shè)計(jì)的全過(guò)程，學(xué)習(xí)難度大，從課程達(dá)成分析的結(jié)果看，學(xué)生儀器設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的效果不理想。

3.3 倫理、法律等非技術(shù)因素融入不足

本課程側(cè)重于融合光、機(jī)、電、算各類課程介紹設(shè)計(jì)方法，在工程、倫理、法律、安全等非技術(shù)因素的融入不足。

4 教學(xué)設(shè)計(jì)的基本思路與內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，本課程的建設(shè)從教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、課程考核、課程資源等方面開(kāi)展綜合性教學(xué)改革，完成后形成體現(xiàn)復(fù)雜光電儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)的光電儀器設(shè)計(jì)一流課程。

4.1 教學(xué)設(shè)計(jì)的思路

教學(xué)設(shè)計(jì)一般包括教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)對(duì)象、教學(xué)任務(wù)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)實(shí)施及評(píng)價(jià)反饋等。教學(xué)設(shè)計(jì)主要是針對(duì)一節(jié)代表性課程的完整教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施流程，教學(xué)設(shè)計(jì)需要從課堂教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，將教學(xué)內(nèi)容（知識(shí)點(diǎn)）和教學(xué)活動(dòng)（教學(xué)方法）結(jié)合起來(lái)，同時(shí)需要教師給出教學(xué)反思，根據(jù)教育學(xué)、教育心理學(xué)等方面進(jìn)行整體考慮課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。

4.2 教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例

4.2.1 教學(xué)內(nèi)容

“典型光電儀器設(shè)計(jì)之成像光譜儀”這節(jié)課是在學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了光電儀器總體設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)原則和儀器精度理論的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)的。通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)使學(xué)生了解成像光譜儀研究的必要性以及成像光譜儀的特點(diǎn)，并能根據(jù)軍事、民用領(lǐng)域的不同應(yīng)用需求，提出問(wèn)題、分析問(wèn)題并解決問(wèn)題，進(jìn)行成像光譜儀的總體方案設(shè)計(jì)和方案論證。

4.2.2 教學(xué)目標(biāo)

（1）知識(shí)、能力和素質(zhì)。通過(guò)成像光譜儀的原理分析、參數(shù)確定和選型與設(shè)計(jì)案例分析應(yīng)具有以下知識(shí)、能力和素質(zhì)：

①能解釋說(shuō)明成像光譜儀的應(yīng)用；

②成像光譜儀的分類及工作原理；

③能根據(jù)軍事、民用領(lǐng)域的不同應(yīng)用需求，結(jié)合安全、經(jīng)濟(jì)等因素選擇合適的成像光譜儀的工作原理；

④能根據(jù)指標(biāo)要求確定成像光譜儀的主要參數(shù)；

⑤能夠說(shuō)明不同工作原理的成像光譜儀的特點(diǎn)和適用范圍；

⑥能夠綜合考慮安全、法律、經(jīng)濟(jì)等因素進(jìn)行成像光譜儀的方案設(shè)計(jì)和方案論證。

（2）過(guò)程和方法。

①通過(guò)案例分析法讓學(xué)生初步學(xué)會(huì)成像光譜儀工作原理分析；

②通過(guò)分組研討進(jìn)一步學(xué)會(huì)成像光譜儀的參數(shù)確定和選型；

③通過(guò)分組研討能夠進(jìn)行成像光譜儀的方案設(shè)計(jì)和方案論證。

（3）情感態(tài)度和價(jià)值觀。

①通過(guò)成像光譜儀的廣泛應(yīng)用體驗(yàn)運(yùn)用光電知識(shí)解決軍事、民用領(lǐng)域迫切需求的樂(lè)趣；

②通過(guò)了解光電行業(yè)龍頭企業(yè)被技術(shù)封鎖，體會(huì)光電知識(shí)與國(guó)防、軍事的緊密聯(lián)系，樹(shù)立學(xué)習(xí)知識(shí)、為國(guó)效力的志向，感受光電儀器的價(jià)值；

③形成良好的積極向上的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

4.2.3 學(xué)生特征分析

（1）學(xué)生是大學(xué)四年級(jí)的學(xué)生。

（2）學(xué)生對(duì)最新的光電儀器在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用有著濃厚的興趣。

（3）學(xué)生已經(jīng)掌握光電儀器總體設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)原則和儀器精度理論。

（4）學(xué)生檢索資料的能力比較強(qiáng)。

（5）學(xué)生光學(xué)、機(jī)械等參數(shù)計(jì)算和儀器精度估算能力有一定的基礎(chǔ)。

（6）綜合運(yùn)用光機(jī)電算的知識(shí)結(jié)合儀器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行光電儀器設(shè)計(jì)的能力需要加強(qiáng)。

4.2.4 教學(xué)方法

以案例式教學(xué)法為主，堅(jiān)持啟發(fā)式教學(xué)理念，采取研究式、互動(dòng)式教學(xué)，合理、有效地利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，強(qiáng)化對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的傳授，著力培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力，遵循教育規(guī)律和教學(xué)原則改革現(xiàn)有單一的講授的教學(xué)方法，使之符合創(chuàng)新人才要求。

4.2.5 教學(xué)環(huán)境

智慧教室的運(yùn)用。

4.2.6 教學(xué)設(shè)計(jì)

隨著教學(xué)實(shí)踐的積累，教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教學(xué)理念逐漸更新，即教師需要把知識(shí)傳授為主的教學(xué)修正為以學(xué)生為主的學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)生也需要改變傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)習(xí)慣，從被動(dòng)變主動(dòng)。充分發(fā)揮和尊重學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，激發(fā)起學(xué)生內(nèi)在的好奇心和自主學(xué)習(xí)的熱情，幫助他們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，最終讓學(xué)生具有積極正確的價(jià)值觀，養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

整個(gè)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)中，首先明確課程思政的重要性，將社會(huì)主義核心價(jià)值觀融入教育教學(xué)全過(guò)程，并將工程、倫理、法律、安全等非技術(shù)因素貫穿始終。其次教學(xué)內(nèi)容方面，儀器總體設(shè)計(jì)及儀器精度分析，其實(shí)是很枯燥的，但是通過(guò)在課堂教學(xué)中引入典型案例，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和潛力。

學(xué)生從最開(kāi)始分析簡(jiǎn)單儀器的工作原理、檢索資料、到分組自行設(shè)計(jì)儀器方案、繪制原理圖、方案論證、計(jì)算儀器參數(shù)，直至最終確定總體設(shè)計(jì)方案并單獨(dú)進(jìn)行分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完整地體驗(yàn)了儀器設(shè)計(jì)的全過(guò)程，教學(xué)內(nèi)容由淺入深分層次進(jìn)行，學(xué)生工程能力培養(yǎng)由低到高、逐步進(jìn)階。學(xué)生也完成了從最初的“聽(tīng)眾”到“設(shè)計(jì)者”的身份轉(zhuǎn)變。

4.2.7 教學(xué)活動(dòng)

（1）引言。介紹國(guó)防、軍事領(lǐng)域揭露偽裝、發(fā)現(xiàn)地方軍事目標(biāo)的作用，吸引學(xué)生的注意力，幫助學(xué)生專注課堂在即將要介紹的內(nèi)容、了解本節(jié)內(nèi)容的重要性。

提出問(wèn)題：為什么成像光譜儀能夠揭露偽裝？

引導(dǎo)學(xué)生了解成像光譜儀的重要性和學(xué)習(xí)的必要性，以濃厚的興趣進(jìn)入成像光譜儀相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

（2）參與學(xué)習(xí)。

參與式學(xué)習(xí)，采取兩種方式：

一種是教師與學(xué)生之間的互動(dòng)，另外一種則是同學(xué)之間的討論。在這個(gè)階段，將學(xué)生分成小組，教師此時(shí)給出問(wèn)題，讓學(xué)生進(jìn)行思考，然后以小組為單位討論成像光譜儀設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，并鼓勵(lì)學(xué)生自主思考、提出問(wèn)題。教師引導(dǎo)學(xué)生一起分析問(wèn)題，為學(xué)生答疑解惑，如圖1所示。

圖1 光電儀器設(shè)計(jì)教學(xué)設(shè)計(jì)與復(fù)雜工程問(wèn)題的對(duì)應(yīng)關(guān)系

因?yàn)閮x器設(shè)計(jì)具備復(fù)雜工程問(wèn)題的四個(gè)特征，是典型的復(fù)雜工程問(wèn)題。案例式教學(xué)中帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)全過(guò)程的七個(gè)步驟：

第一，提出科研中的實(shí)際問(wèn)題。

分析我國(guó)的國(guó)防和國(guó)內(nèi)制造業(yè)升級(jí)對(duì)成像光譜儀等先進(jìn)光電儀器產(chǎn)品的迫切需求，以及當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)光電行業(yè)龍頭企業(yè)的技術(shù)壟斷和封鎖，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)之心，立志“為中華之崛起而讀書(shū)”，將課程思政元素自然地融入課程，并提出國(guó)防和國(guó)內(nèi)制造業(yè)升級(jí)對(duì)成像光譜儀提出的實(shí)際需求和急需解決的問(wèn)題。

第二，光電儀器的設(shè)計(jì)任務(wù)分析。

以分組討論的形式引導(dǎo)學(xué)生綜合考慮安全性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性、專利知識(shí)產(chǎn)權(quán)等進(jìn)行設(shè)計(jì)任務(wù)分析，將工程、法律（專利）、倫理、經(jīng)濟(jì)等非技術(shù)因素融入儀器設(shè)計(jì)。

第三，信號(hào)轉(zhuǎn)換原理的選擇。

通過(guò)檢索文獻(xiàn)了解相關(guān)儀器的測(cè)量原理，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究知識(shí)的能力。綜合運(yùn)用專業(yè)課知識(shí)，分析相關(guān)儀器工作原理。

第四，方案的論證和選擇。

以分組討論的形式，通過(guò)精度、可行性、合理性、經(jīng)濟(jì)性的分析，進(jìn)行方案論證，結(jié)合非技術(shù)因素確定總體方案。最終每個(gè)小組的成員共同確定本組的儀器設(shè)計(jì)總體方案。

第五，對(duì)選定方案確定技術(shù)指標(biāo)，以分組討論的形式通過(guò)設(shè)計(jì)任務(wù)的精度要求合理確定光電儀器的各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

第六，系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

完成光電儀器的光學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)硬件、電路及軟件等的設(shè)計(jì)。這部分工作分工完成，由小組內(nèi)每位學(xué)生根據(jù)自己的特長(zhǎng)和興趣選擇光學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)硬件電路及軟件等中的一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)工作，充分尊重學(xué)生的興趣和選擇，體現(xiàn)個(gè)性化、差異化培養(yǎng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作在課后完成。

第七，編寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。

每名學(xué)生都需要總結(jié)設(shè)計(jì)成果，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。撰寫(xiě)報(bào)告在課后完成。

（3）課程考核。課程考核進(jìn)行多元化設(shè)計(jì)，將學(xué)生分組討論過(guò)程中的表現(xiàn)和回答問(wèn)題的情況記錄下來(lái)，結(jié)合課后提交的成像光譜儀設(shè)計(jì)報(bào)告，給出成績(jī)。這樣就將過(guò)程性測(cè)試與形成性測(cè)試、總結(jié)性測(cè)試整合，形成課程的多元化考核。

（4）總結(jié)。教師幫助學(xué)生總結(jié)課堂內(nèi)容、整合學(xué)習(xí)要點(diǎn)。表?yè)P(yáng)學(xué)生的努力和學(xué)習(xí)成果，鼓勵(lì)學(xué)生迎難而上，做好課后的設(shè)計(jì)報(bào)告。

5 課程建設(shè)的效果

5.1 建立與培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力相適應(yīng)的考核方法

建立全過(guò)程多元化考核體系，綜合應(yīng)用綜述、設(shè)計(jì)報(bào)告等非標(biāo)準(zhǔn)答案考試進(jìn)行多元化考核，全過(guò)程考核學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和運(yùn)用，注重對(duì)學(xué)生能力的評(píng)價(jià)。

5.2 優(yōu)化課程資源

本課程所選用的教材光電儀器設(shè)計(jì)為“普通高等院校光電工程系列‘十二五’規(guī)劃教材”，2013年獲陜西省普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材二等獎(jiǎng)以及第四屆兵工高校優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng)，排名第1。結(jié)合光電儀器設(shè)計(jì)試題庫(kù)、光電儀器設(shè)計(jì)課件，已經(jīng)形成立體化的教材體系，今后要根據(jù)學(xué)科發(fā)展和典型光電儀器產(chǎn)品的更新?lián)Q代，不斷充實(shí)和擴(kuò)展這一立體化教材體系。在工程、倫理、法律、安全等非技術(shù)因素、課程思政和課程內(nèi)容結(jié)合與滲透需要進(jìn)一步做好設(shè)計(jì)，挖掘、設(shè)計(jì)非技術(shù)因素和課程思政資源與儀器設(shè)計(jì)結(jié)合的典型案例。

5.3 持續(xù)改進(jìn)

本課程的目標(biāo)是使畢業(yè)生能夠設(shè)計(jì)針對(duì)測(cè)控技術(shù)和儀器系統(tǒng)工程問(wèn)題的解決方案，設(shè)計(jì)滿足特定需求的測(cè)控技術(shù)和儀器系統(tǒng)，并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)。在教學(xué)過(guò)程中，為了促進(jìn)課程各項(xiàng)目標(biāo)的達(dá)成，需要對(duì)建設(shè)效果進(jìn)行評(píng)估分析，在課程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、教案或演示文稿、重點(diǎn)難點(diǎn)指導(dǎo)、作業(yè)、教學(xué)方法等各方面的建設(shè)工作中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

為了達(dá)到國(guó)家級(jí)線下一流課程的標(biāo)準(zhǔn)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)從教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、課程考核、課程資源等方面開(kāi)展綜合性教學(xué)改革，形成體現(xiàn)復(fù)雜光電儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)的光電儀器設(shè)計(jì)一流課程，受到學(xué)生的廣泛歡迎，效果良好。2020年11月，光電儀器設(shè)計(jì)獲批教育部首批國(guó)家級(jí)線下一流本科課程。