“導(dǎo)波光學(xué)”在線課程建設(shè)與教學(xué)模式探索

張桂菊，崔元昊，鄒文龍

（蘇州大學(xué)，江蘇蘇州 215006）

導(dǎo)波光學(xué)是光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的重要學(xué)科與課程分支，其發(fā)展與光纖通信、光纖傳感、全光信號(hào)傳輸和激光技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展是相輔相成和相互促進(jìn)的。導(dǎo)波光學(xué)為光波傳輸及應(yīng)用奠定重要的理論基礎(chǔ)，是光學(xué)工程及相關(guān)專業(yè)研究生階段開(kāi)設(shè)的重要課程[1-2]。

2017年，教育部和國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)發(fā)布的“十三五”期間的學(xué)位與研究生教育發(fā)展規(guī)劃，提出要加強(qiáng)研究生課程建設(shè)。研究生課程學(xué)習(xí)體系，正朝著滿足個(gè)性化發(fā)展需求的在線開(kāi)放等形式發(fā)展，優(yōu)質(zhì)的研究生網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)課程正在不停地建設(shè)[3-5]。本文將以為什么要做在線課程為引，介紹導(dǎo)波光學(xué)在線課程的設(shè)計(jì)以及線上線下結(jié)合的教學(xué)模式實(shí)踐。

一、課程在線教學(xué)理念

在線教學(xué)，或稱在線教育，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的方式，學(xué)生與教師即使相隔萬(wàn)里也可以開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，而且學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的疑點(diǎn)難點(diǎn)也能夠及時(shí)得到解決，在真正意義上突破教育在時(shí)間和空間上的限制。2012年，美國(guó)的頂尖大學(xué)陸續(xù)設(shè)立網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，并在網(wǎng)上提供免費(fèi)課程，在線開(kāi)放課程（也就是“慕課”，Massive Open Online Courses，MOOC)開(kāi)始出現(xiàn)。2013年，國(guó)內(nèi)各大高校針對(duì)在線學(xué)習(xí)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，結(jié)合傳統(tǒng)課堂與現(xiàn)代資源優(yōu)勢(shì)，相繼推出網(wǎng)絡(luò)課程，良好的教學(xué)效果使“慕課時(shí)代”在全球興起。隨后幾年，中國(guó)大學(xué)MOOC、雨課堂、智慧樹(shù)等一批適應(yīng)我國(guó)本土化教學(xué)的教育教學(xué)平臺(tái)相繼上線，與國(guó)內(nèi)各大高校進(jìn)行合作，提供通識(shí)課、基礎(chǔ)課及各種專業(yè)課程的在線課程資源[6-7]。在線教學(xué)一般有異步和同步兩種模式。異步在線教學(xué)。主要是一種共享課程模式，學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)自主選擇學(xué)習(xí)時(shí)間和完成學(xué)習(xí)任務(wù)。同步在線教學(xué)，則以在線直播的形式進(jìn)行遠(yuǎn)程授課。伴隨著互聯(lián)網(wǎng)高科技和大數(shù)據(jù)信息時(shí)代的日漸成熟，線上教學(xué)不僅能夠?qū)€下教學(xué)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的模仿和替代，還將有望以智慧化賦能教學(xué)效果，大幅提升教學(xué)效率，真正實(shí)現(xiàn)“因材施教、有教無(wú)類”的教育理想，在線教育的意義也正是如此。

導(dǎo)波光學(xué)課程開(kāi)設(shè)初期，受傳統(tǒng)教育模式及學(xué)生人數(shù)限制，主要是以課堂授課模式為主，學(xué)生參與討論和交流為輔的教學(xué)模式。近幾年，在大力發(fā)展新工科的新形勢(shì)下，光學(xué)工程研究生招生人數(shù)擴(kuò)增，例如，上一年度，我校導(dǎo)波光學(xué)課程的選課人數(shù)達(dá)60人，而選課學(xué)生在本科階段的專業(yè)基礎(chǔ)差異較大，傳統(tǒng)的傳授教學(xué)模式已經(jīng)很難讓所有學(xué)生全面掌握和理解課程內(nèi)容。因此，導(dǎo)波光學(xué)進(jìn)行在線課程建設(shè)及推動(dòng)線上線下混合教學(xué)模式改革顯得尤為重要。導(dǎo)波光學(xué)將以智慧樹(shù)平臺(tái)為教學(xué)載體，建成一門研究生在線共享課程，發(fā)揮在線教學(xué)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)元素，優(yōu)化教學(xué)資源，線上線下有機(jī)融合，教學(xué)相長(zhǎng)，提高教學(xué)質(zhì)量。

二、在線課程規(guī)劃與在線教程建設(shè)

導(dǎo)波光學(xué)主要以光的電磁理論為基礎(chǔ)，研究光波在平板形及圓形等各種光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中調(diào)制、耦合、傳輸、放大、色散、偏振和非線性相互作用等效應(yīng)與現(xiàn)象；導(dǎo)波光學(xué)學(xué)科的發(fā)展與研究，對(duì)各種集成光子與光電子器件在信息、能源和軍事等研究領(lǐng)域中具有巨大的推動(dòng)作用。在教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)項(xiàng)目的浪潮下，也為了滿足研究生在校參加科研項(xiàng)目和畢業(yè)后的工作需求等目的，早在十多年前，蘇州大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)開(kāi)設(shè)導(dǎo)波光學(xué)課程。通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握光波導(dǎo)傳輸?shù)幕纠碚摷胺治霾煌惞獠▽?dǎo)的獨(dú)特方法，并能跟蹤國(guó)內(nèi)外光導(dǎo)波器件及應(yīng)用的最新發(fā)展?fàn)顩r，為今后從事光波導(dǎo)器件及應(yīng)用技術(shù)方面奠定基礎(chǔ)理論及實(shí)驗(yàn)技能。

在線課程設(shè)計(jì)以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)其學(xué)習(xí)的自主性和實(shí)踐性，學(xué)習(xí)過(guò)程具有可重復(fù)性，是一種可持續(xù)發(fā)展的教育教學(xué)模式。在線課程規(guī)劃一般包括課程設(shè)計(jì)、在線教程、課程資源、作業(yè)測(cè)試和考核標(biāo)準(zhǔn)等模塊，其中在線教程是課程建設(shè)的重要核心模塊。傳統(tǒng)的導(dǎo)波光學(xué)課堂一般以教材學(xué)習(xí)為主，而教材也以理論概念和公式推導(dǎo)為主，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中可能感覺(jué)枯燥乏味，尤其本科階段基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生，理解和掌握課程中較為抽象的理論概念和較復(fù)雜的公式推導(dǎo)存在一定難度。在線教程則是將課程內(nèi)容重新進(jìn)行合理的章節(jié)安排和講解錄制，既結(jié)合理論講解又具有實(shí)例分析，對(duì)深度理解這一課程有著十分重要的指導(dǎo)意義。結(jié)合光波導(dǎo)科學(xué)在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用及光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)本質(zhì)，總結(jié)和提煉導(dǎo)波光學(xué)在線教程的三句話內(nèi)涵：解決有邊界的光波傳播問(wèn)題、模式傳播理論、纖維光學(xué)和集成光學(xué)；即將導(dǎo)波光學(xué)課程濃縮為三大知識(shí)點(diǎn)，采用化繁為簡(jiǎn)、由淺入深、先易后難、理論與應(yīng)用結(jié)合的方法建立課程框架。圖1為導(dǎo)波光學(xué)在線視頻教程片頭呈現(xiàn)該課程內(nèi)涵的三句話提煉。

圖1 導(dǎo)波光學(xué)課程內(nèi)涵提煉

圍繞課程的內(nèi)涵建設(shè)，設(shè)置導(dǎo)波光學(xué)在線教程模塊的章節(jié)內(nèi)容框架，如圖2所示。課程主體分為光波分析基礎(chǔ)、光波導(dǎo)基礎(chǔ)理論、轉(zhuǎn)移矩陣?yán)碚摷皯?yīng)用、金屬介質(zhì)復(fù)合平板波導(dǎo)、光波導(dǎo)特征參數(shù)表征、光纖波導(dǎo)理論及應(yīng)用和科研應(yīng)用7章28小節(jié)，共錄制40個(gè)視頻。從基礎(chǔ)理論到科技應(yīng)用，涵蓋導(dǎo)波光學(xué)基本概念、基本理論和重要應(yīng)用；內(nèi)容前后連貫，框架清晰，層層推進(jìn)，便于學(xué)習(xí)和記憶。講述采用的課件圖表豐富，推演過(guò)程合理，有對(duì)要點(diǎn)的總結(jié)及關(guān)聯(lián)緊密和實(shí)用性強(qiáng)的實(shí)例，便于對(duì)課程理解和掌握。在線教程的每節(jié)課講解時(shí)間一般控制在15分鐘之內(nèi)，學(xué)生能夠高效集中利用碎片化的時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而提高課程學(xué)習(xí)的靈活性和主動(dòng)性。在線教程的視頻與參考教材相輔相成，明確課程內(nèi)容和章節(jié)中的主次重點(diǎn)，分配相應(yīng)的視頻教程課時(shí)，并運(yùn)用拆分重難點(diǎn)的方式，將晦澀難懂的部分進(jìn)行多章節(jié)講解，輔以微測(cè)試、微答疑等手段幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和理解課程內(nèi)容。

圖2 導(dǎo)波光學(xué)在線教程模塊框圖

在線課程設(shè)計(jì)與建設(shè)非常重視在線資源和作業(yè)測(cè)試等模塊。在線資源包括教程課件、教學(xué)成果展示和最新科技前沿論文等，幫助激發(fā)學(xué)生興趣和及時(shí)了解科技動(dòng)態(tài)。作業(yè)測(cè)試模塊設(shè)置相應(yīng)的章測(cè)試題、章討論及期末考試題庫(kù)。作業(yè)和考試是檢驗(yàn)課程學(xué)習(xí)效果的重要依據(jù)，通過(guò)課后測(cè)試，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程的理解和掌握程度。在線課程上線后，教師可在平臺(tái)上創(chuàng)建并管理課程和課堂，分配作業(yè)、討論和考試；教師預(yù)先設(shè)定學(xué)習(xí)計(jì)劃，學(xué)生依據(jù)個(gè)人情況合理安排學(xué)習(xí)時(shí)間進(jìn)行高效學(xué)習(xí)，并可隨時(shí)隨地通過(guò)電腦和手機(jī)等多終端進(jìn)行訪問(wèn)；在線教學(xué)平臺(tái)也為教師在后臺(tái)管理和學(xué)情統(tǒng)計(jì)提供大量的可視化數(shù)據(jù)，為后續(xù)教學(xué)改革、教學(xué)管理和教學(xué)效果提升提供大數(shù)據(jù)支持。

三、線上線下混合教學(xué)模式實(shí)施

線上教學(xué)模式具有資源再生利用及可重復(fù)性學(xué)習(xí)等優(yōu)勢(shì)，但是在線教學(xué)也有其不利的一面。例如，完全獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)直播課堂學(xué)習(xí)氛圍不足，課堂互動(dòng)難以開(kāi)展；而且在線開(kāi)放課程缺乏對(duì)學(xué)生的有效管控，教學(xué)效果得不到保證。因此，在教學(xué)過(guò)程中有必要揚(yáng)長(zhǎng)避短，將網(wǎng)絡(luò)線上和傳統(tǒng)線下的教學(xué)模式有機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)混合模式教學(xué)改革是非常有必要的，也將是一種趨勢(shì)。融合傳統(tǒng)課堂面授和線上教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)這兩種教學(xué)模式的缺點(diǎn)，達(dá)到一加一大于二的效果。

研究生階段的課程較難，僅靠線下課堂的面授不足以讓學(xué)生熟練掌握知識(shí)點(diǎn)。導(dǎo)波光學(xué)的線上線下結(jié)合教學(xué)模式，教學(xué)活動(dòng)被劃分為在線學(xué)習(xí)、課上講授及匯報(bào)研討、線上測(cè)試和作業(yè)。在線學(xué)習(xí)不僅可以幫助學(xué)生在課前進(jìn)行預(yù)習(xí)，也可在課后對(duì)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行溫故而知新。例如，課程中的轉(zhuǎn)移矩陣?yán)碚?，是一種求解耦合波方程的新方法，適用性非常強(qiáng)，可求解包含周期結(jié)構(gòu)、以準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)和非周期結(jié)構(gòu)，及求解負(fù)折射率材料介質(zhì)波導(dǎo)、金屬薄膜波導(dǎo)和金屬覆蓋介質(zhì)波導(dǎo)的問(wèn)題；教師及時(shí)利用班級(jí)群功能，通知學(xué)生線上預(yù)習(xí)及查閱資料，如此線下授課可達(dá)到事半功倍的效果。教師根據(jù)學(xué)生線上平臺(tái)的在線學(xué)習(xí)和完成試題情況，在課堂上調(diào)整知識(shí)講解和研討重點(diǎn)，更利于線下授課。針對(duì)章討論計(jì)劃和任務(wù)，查閱與課程相關(guān)的前沿論文和預(yù)備課下研討環(huán)節(jié)，既提高課堂效率，也能挖掘?qū)W生的開(kāi)放思維能力和問(wèn)題探究能力，能夠達(dá)到提高學(xué)生專業(yè)理論水平和科研工作水平的目的。

成績(jī)考核是教學(xué)效果檢驗(yàn)的必要環(huán)節(jié)。充分發(fā)揮線上線下混合教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)，必須構(gòu)建科學(xué)公平的課程考核體系，引導(dǎo)學(xué)生積極參與線上自主學(xué)習(xí)和線下課堂學(xué)習(xí)。設(shè)置線上學(xué)習(xí)及測(cè)試和討論成績(jī)占比30%、在線作業(yè)占比30%和期末考試成績(jī)占比40%，其中，前兩項(xiàng)為平時(shí)成績(jī)占比。提高平時(shí)成績(jī)比重利于督促被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。導(dǎo)波光學(xué)是理論更是應(yīng)用型課程，研究生學(xué)習(xí)階段應(yīng)側(cè)重引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。課程中大部分作業(yè)的完成，需要借助MATLAB、FDTD、COMSOL Multiphysics等仿真實(shí)驗(yàn)工具和軟件進(jìn)行。考核的最終成績(jī)由多項(xiàng)子成績(jī)綜合評(píng)定，既能督促學(xué)習(xí)和激發(fā)潛能，考核結(jié)果也相對(duì)公平。

線上線下混合教學(xué)模式還應(yīng)注意，避免學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的海量信息中陷入碎片化和淺層化的學(xué)習(xí)情境，而線下教學(xué)具有同步督促提醒功能。從近兩年的教學(xué)實(shí)踐和效果可知，混合教學(xué)模式具備線上教學(xué)的靈活授課優(yōu)勢(shì)，且教學(xué)效率要高于傳統(tǒng)課堂的面授模式。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，線上課程的建設(shè)以及線上線下混合的教學(xué)模式，已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注和認(rèn)可，這一模式也成為高等院校開(kāi)展教育教學(xué)工作的主流新模式。研究生教育是高等教育人才培養(yǎng)的重要途徑，而研究生的課程教學(xué)是教育中重要而必不可少的環(huán)節(jié)，因此這一階段的教育教學(xué)應(yīng)當(dāng)更加注重“授人以漁”，而不是教師單方面地講解和灌輸，教師引導(dǎo)學(xué)生思考并討論問(wèn)題。隨著數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的發(fā)展，教學(xué)本身就是一個(gè)非常豐富多彩的過(guò)程，尤其是新工科專業(yè)的教育教學(xué)發(fā)展，其教學(xué)形式和內(nèi)容也會(huì)隨著時(shí)間而改變。高科技尖端技術(shù)的發(fā)展，也將不斷地重塑教育形態(tài)，線上線下融合、智慧教學(xué)已然成為大勢(shì)所趨。