基于線上線下相結(jié)合的光學(xué)CAD實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方式探索

摘? 要：隨著現(xiàn)代信息化的迅速發(fā)展，基于曾經(jīng)的疫情防控影響所帶來的思索，高校課程教學(xué)中的線上教學(xué)形式已成為不可缺少的一部分。該文基于線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，對光學(xué)CAD實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方式進(jìn)行一定的探索。介紹該課程在線上與線下的具體教學(xué)方式，并以學(xué)生為中心，由老師作為引導(dǎo)者，將線下進(jìn)行交流討論的互動形式應(yīng)用于線上，提出進(jìn)行線上分組答疑討論的交流方式。不僅有助于老師獲得更好的教學(xué)效果，為基于軟件平臺的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)提供一定的新思路，而且更能夠鍛煉學(xué)生相互學(xué)習(xí)、互幫互助和取長補(bǔ)短的學(xué)習(xí)能力。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；線上線下相結(jié)合；線上分組答疑討論；Zemax軟件；教學(xué)方式

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）32-0095-04

Abstract： With the rapid development of modern information technology and based on the thinking brought by the influence of prevention and control of epidemic situation in COVID-19， the online teaching forms in the course teachings of colleges and universities have become an indispensable part. Based on the online and offline teaching mode， the teaching method of optical CAD experimental course is explored in this paper. The specific online and offline teaching methods of this course are introduced. With teachers as guides and students as the center， the interactive advantages of offline communication and discussion is applied to the online teaching. The communication teaching method of online group question-and-answer discussion is proposed. This will not only help teachers to obtain better teaching effect， and provides some new ideas for the teaching of experimental courses based on software platform， but also can train students' learning ability of learning from each other， helping each other and learning from each other's strong points.

Keywords： experimental teaching; combination of online and offline; online group asking and answeringdiscussion; Zemax software; teaching methods

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于液體變焦透鏡的人眼光學(xué)成像系統(tǒng)研究”（61905117）

作者簡介：孔梅梅（1983-），女，漢族，江蘇南京人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楣鈱W(xué)設(shè)計、微流控光學(xué)與視光學(xué)。

光學(xué)CAD實(shí)驗(yàn)課程是南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院光電信息科學(xué)與工程等相關(guān)本科專業(yè)的一門專業(yè)選修課，是一門重要的具有專業(yè)特色的實(shí)踐性課程，課程教學(xué)內(nèi)容都是基于學(xué)生前期已學(xué)習(xí)過的應(yīng)用光學(xué)和物理光學(xué)專業(yè)課程的理論知識，以光學(xué)設(shè)計軟件Zemax[1]作為主要平臺，完成有關(guān)光學(xué)設(shè)計的理論與實(shí)踐的學(xué)習(xí)[2]。該課程與先修的理論基礎(chǔ)構(gòu)成一個完整的體系，實(shí)現(xiàn)了由理論學(xué)習(xí)到工程實(shí)踐的過渡；其相關(guān)知識和工具的使用是該專業(yè)本科生今后就業(yè)和繼續(xù)深造經(jīng)常需要的基本必備能力。

在已過去的新冠感染疫情防控期間，根據(jù)具體形勢的變化，學(xué)校在教育部“停課不停學(xué)、疫情防控與教學(xué)兩不誤”的指導(dǎo)下[3]，對于教學(xué)形式的變化通知時而線上時而線下，所以，為了應(yīng)對這種不可抗因素的影響，光學(xué)CAD實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方式也進(jìn)行了實(shí)時的規(guī)劃與調(diào)整，將線上和線下相結(jié)合，圓滿地完成了相應(yīng)的教學(xué)任務(wù)。雖然現(xiàn)在已放開疫情防控，但是線上教學(xué)活動的開展帶給我們的啟示不僅僅是其只適用于疫情防控期間的教學(xué)形式，而是應(yīng)該可以將線上與線下相結(jié)合、形成一體化教學(xué)模式的思索[4]，從而促進(jìn)學(xué)生知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，進(jìn)而顯著提升教學(xué)效果[4-5]。

本文主要對基于線上線下相結(jié)合的光學(xué)CAD實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方式進(jìn)行了一定探索，以學(xué)生為中心，提出了進(jìn)行線上分組答疑討論的交流方式，可以克服學(xué)生線上的有效交流受限的困難，彌補(bǔ)學(xué)生無法全方位地進(jìn)行線下交流與相互學(xué)習(xí)的短板，從而可以有助于獲得更好的教學(xué)效果，為基于軟件平臺的實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)提供了新思路。

一? 優(yōu)勢與不足

由于光學(xué)CAD實(shí)驗(yàn)課程主要是基于光學(xué)設(shè)計軟件Zemax進(jìn)行有關(guān)光學(xué)設(shè)計的教學(xué)與學(xué)習(xí)，與一般的理工科實(shí)驗(yàn)課程中必須應(yīng)用到具體的實(shí)驗(yàn)器材或分析儀器不同，教師和學(xué)生都無需現(xiàn)場操作具體的實(shí)驗(yàn)器材、只需通過計算機(jī)和軟件的應(yīng)用即可完成相應(yīng)的課程任務(wù)。所以，該實(shí)驗(yàn)課程在進(jìn)行線上教學(xué)時，不受線下場地、時間安排和需操作實(shí)驗(yàn)器材等相關(guān)限制，只需網(wǎng)絡(luò)正常，即可順暢無阻地進(jìn)行，這是基于軟件平臺的實(shí)驗(yàn)課程在進(jìn)行線上教學(xué)時最突出的優(yōu)勢。

但是，本實(shí)驗(yàn)課程的線上教學(xué)也同樣會存在和其他課程相似的一些不足之處[6-7]。比如，沒有線下上課的課堂氛圍，不利于老師實(shí)時了解學(xué)生的上課狀態(tài)，也不利于學(xué)生之間互相熟悉、交流、討論，缺乏同齡人之間更多的交流學(xué)習(xí)機(jī)會，而大學(xué)期間的教育不僅僅只是延續(xù)中學(xué)期間那種從書本、老師、實(shí)驗(yàn)室獲取知識的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，更需要學(xué)會與人交往、合作、互相取長補(bǔ)短等要步入社會的前期綜合活動能力[6]。因此，線上教學(xué)在一定程度上限制了學(xué)生之間的溝通，使得學(xué)生們的有效交流受限，不太有利于學(xué)生們綜合能力與素養(yǎng)的發(fā)展。而且，線上教學(xué)的學(xué)習(xí)環(huán)境獨(dú)立且開放，對學(xué)習(xí)者的自律性要求很高，對于一些自律性較差的學(xué)生來說，由于缺乏線下監(jiān)管，可能會有學(xué)生直接將設(shè)備掛到網(wǎng)上而本人一去無蹤，這將大大削弱在線課堂的教學(xué)效果[7]。

二? 教學(xué)方式的探索與實(shí)踐

為了克服線上教學(xué)的不足之處，結(jié)合“線上+線下”的教學(xué)方式，除了平時一般的老師授課的線上直播形式以外，提出了進(jìn)行線上分組答疑討論的交流方式，在本實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過程中添加了新的內(nèi)容安排：以學(xué)生為中心，由老師提供平臺并作為引導(dǎo)者，由學(xué)生作為主角進(jìn)行具體的討論交流，加強(qiáng)了線上的實(shí)時溝通，克服了學(xué)生們有效交流受限的困難，從而彌補(bǔ)了無法進(jìn)行線下交流與相互學(xué)習(xí)的短板。

（一）? “線上+線下”相結(jié)合

在已過去的新冠感染疫情防控期間，根據(jù)具體的形勢變化，本實(shí)驗(yàn)課程根據(jù)學(xué)校的通知要求動態(tài)調(diào)整教學(xué)形式（時而線上時而線下），采用了“線上+線下”相結(jié)合的方式，如圖1所示，下面主要介紹這兩個部分的具體內(nèi)容安排。

新學(xué)期初，老師在開課前提前建立QQ教學(xué)群，上報給學(xué)院通知選課學(xué)生入群，并積極與輔導(dǎo)員聯(lián)系、合作，確保所有選課學(xué)生都能夠在正式開課前進(jìn)群。老師在群里提前通知有關(guān)上課的事宜，比如，課程的具體上課方式會根據(jù)學(xué)校通知實(shí)時調(diào)整，課程所需軟件的安裝注意事項(xiàng)，本課程線上和線下教學(xué)時具體內(nèi)容的安排計劃，等等。線上教學(xué)時，每次上課前，老師提前在群里發(fā)布將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容和學(xué)生需要完成的上機(jī)實(shí)驗(yàn)報告，便于學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的課前預(yù)習(xí)。上課時，老師主要通過QQ群的“群課堂”功能或騰訊會議軟件按照課表時間進(jìn)行直播上課，期間，學(xué)生若有疑問之處，都可以通過“群課堂”里的“發(fā)言申請”或騰訊會議里的“舉手”來向老師提出疑問，進(jìn)行反饋。為了實(shí)時地關(guān)注學(xué)生上課的狀態(tài)，老師會通過QQ群的“投票”功能和課上提問請學(xué)生當(dāng)場回答的方式來提高學(xué)生上課的專注度。并且，這兩種直播方式都可以通過直播“錄制”，具有課程回放的功能，有助于課后學(xué)生通過觀看回放復(fù)習(xí)所學(xué)內(nèi)容或?qū)δ硞€知識點(diǎn)有所遺忘時的回顧。而且，對于課后有疑問的學(xué)生還可以通過QQ私信老師，老師也會一一進(jìn)行具體解答。

除了直播上課以外，老師通過QQ群還會發(fā)布與本課程有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源和電子資料供學(xué)生拓展學(xué)習(xí)。比如，通過大量的資料查閱，發(fā)現(xiàn)中國大學(xué)MOOC網(wǎng)上的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與工藝課程中有關(guān)光學(xué)設(shè)計的內(nèi)容比較適合本課程，老師將其相關(guān)的網(wǎng)址和觀看其課件時的注意事項(xiàng)都一一發(fā)布于群里；在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計過程中，我們需要參考《光學(xué)設(shè)計手冊》書本中的國家標(biāo)準(zhǔn)（如GB3158—82）來完成相關(guān)的光學(xué)設(shè)計，老師也會將該書本的電子文檔上傳至群里便于學(xué)生查閱。同時，為了培養(yǎng)學(xué)生既具有獨(dú)立工作能力，又具有團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，老師根據(jù)具體的選課人數(shù)，讓學(xué)生可自由分組，進(jìn)行2～3人一組的分工協(xié)作，從而按要求分組完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；關(guān)于具體的分組人員要求以及每一組不同的具體設(shè)計任務(wù)要求，都可以通過騰訊文檔軟件的在線文檔形式發(fā)布于群里，便于學(xué)生在線填寫并查閱。

當(dāng)可以進(jìn)行線下教學(xué)時，除了因?yàn)橐咔樵騻€別未返校的學(xué)生以外，其他學(xué)生都可以在學(xué)院計算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行線下上課，老師也通過采用了線上教學(xué)時的QQ群的“群課堂”或騰訊會議軟件，同步直播上課內(nèi)容，便于未返校的學(xué)生一起上課學(xué)習(xí)。

線下教學(xué)時，老師除了進(jìn)行常規(guī)的課程內(nèi)容講授以外，會安排具體的現(xiàn)場軟件操作時間，可以進(jìn)行面對面的現(xiàn)場交流。對于每一組學(xué)生在利用軟件進(jìn)行實(shí)際設(shè)計操作過程中，若有學(xué)生出現(xiàn)了疑問可以進(jìn)行同學(xué)間的相互討論和向老師求助的互動活動，老師就可以進(jìn)行相應(yīng)的現(xiàn)場答疑，也便于老師及時了解學(xué)生的掌握程度。而且，老師會根據(jù)每一組上交的實(shí)驗(yàn)報告的批改情況，針對報告中出現(xiàn)的不同問題或錯誤，一一進(jìn)行現(xiàn)場溝通，以確保每一組的每一位學(xué)生都能完全掌握相關(guān)的知識點(diǎn)。同時，基于前期線上上課時學(xué)生可能仍會存在的疑問之處，還可以在線下進(jìn)行補(bǔ)充和解答。

綜上可見，與線上教學(xué)相比，線下教學(xué)最突出的優(yōu)勢就是學(xué)生之間或?qū)W生與老師之間都可以進(jìn)行現(xiàn)場的面對面的交流與討論，使學(xué)生能夠及時地解決問題、老師能夠及時地了解學(xué)生的具體掌握情況。為了彌補(bǔ)線上教學(xué)時在交流互動這部分的缺失，在進(jìn)行線上教學(xué)時，我們將線下的交流互動形式應(yīng)用于線上，提出一種線上分組答疑討論的交流方式。

（二）? 線上答疑討論的交流方式

通過利用騰訊會議軟件，采用線上答疑討論的交流方式如圖2所示。具體的流程內(nèi)容主要為：每一組輪流按照分組的組號進(jìn)行，首先，由每個組派一位同學(xué)代表，通過共享屏幕或文檔，提出各個組在設(shè)計過程中遇到的具體問題和對某個知識點(diǎn)存在的疑問等，也可以每一組中的每一位同學(xué)都進(jìn)行不同角度的提問；然后，針對該組所提出的疑問，其他組的同學(xué)若有解決方法和對知識點(diǎn)已掌握并可解答的，那么就可以由其他組的同學(xué)幫忙回答，再由老師對其回答進(jìn)行點(diǎn)評和總結(jié)；如果其他組的同學(xué)也都不清楚、沒法回答，那么說明這個問題或疑問可能需要老師重視，就由老師來重點(diǎn)詳細(xì)地進(jìn)行答疑；最后，老師在線與學(xué)生進(jìn)行實(shí)時交流、反饋，確定大家都聽懂和聽明白。除了進(jìn)行答疑解惑以外，每個組的同學(xué)也可以在線分享各自在設(shè)計過程中獲得的心得與經(jīng)驗(yàn)，幫助大家一起進(jìn)步、更好地掌握所學(xué)知識點(diǎn)。

比如，有一組同學(xué)在進(jìn)行“擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計”過程中，遇到了“單個正透鏡該如何組合”的問題，圖3是其在進(jìn)行提問交流時的截圖，而其他組的同學(xué)也暫時沒有可以完全解答的。雖然這個問題在上課時老師都已進(jìn)行了詳細(xì)講解，但可能因?yàn)樵摻M合過程相對于單個結(jié)構(gòu)的設(shè)計而言比較復(fù)雜，所以學(xué)生仍存在疑問也是正常的。而后在這樣的線上答疑中，通過老師的解答，該組同學(xué)不僅復(fù)習(xí)了如何將透鏡進(jìn)行組合、加強(qiáng)了組合時需注意的細(xì)節(jié)方面，而且還發(fā)現(xiàn)了目前單個正透鏡的厚度不符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，需要重新進(jìn)行建立評價函數(shù)控制厚度并進(jìn)行優(yōu)化。后面，在其他組的同學(xué)進(jìn)行交流時，不僅也解決了“單個正透鏡該如何組合”的問題，而且還通過該組同學(xué)的分享，發(fā)現(xiàn)本組也存在與其相似的厚度問題，也需要進(jìn)行相應(yīng)修正。

除了答疑以外，某一位同學(xué)還分享了其學(xué)習(xí)心得。他根據(jù)目前上課中所學(xué)到的內(nèi)容，對所有重要的知識點(diǎn)都進(jìn)行了相應(yīng)的歸納整理，并以思維導(dǎo)圖的形式體現(xiàn)出了其已收獲的主要知識。圖4是其交流的針對“單個正負(fù)透鏡的設(shè)計”內(nèi)容而整理的思維導(dǎo)圖截圖，條理清晰、簡潔明了，該學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和方法值得稱贊，而且值得其他同學(xué)多多學(xué)習(xí)。在他介紹完基于思維導(dǎo)圖的學(xué)習(xí)心得后，老師不僅表揚(yáng)了他的學(xué)習(xí)態(tài)度與方法并給予鼓勵，表達(dá)了學(xué)生可以相互學(xué)習(xí)的希望，而且還對其所做的思維導(dǎo)圖中的細(xì)節(jié)問題都一一做了相關(guān)的具體點(diǎn)評，使其可以更加完善內(nèi)容，加強(qiáng)了知識點(diǎn)的鞏固，對每一位同學(xué)而言都是受益匪淺的。

為了參與這樣的線上交流方式，每一組的學(xué)生都要在課前提前進(jìn)行組內(nèi)溝通，一起進(jìn)行課程已學(xué)內(nèi)容的復(fù)習(xí)，才能整理出本課程學(xué)習(xí)過程中遇到的有關(guān)疑問和已獲得的知識，提前做好答疑討論準(zhǔn)備。在進(jìn)行線上答疑討論的過程中，每一位學(xué)生也都會認(rèn)真參與其中，因?yàn)椴粌H可以收獲各自的疑問解答，而且還可能做其他同學(xué)的“小老師”幫助別人解答問題，體會到助人為樂的快樂。因此，這種線上分組答疑討論的交流方式具有以學(xué)生為中心、由學(xué)生為主角的特點(diǎn)，能夠調(diào)動起學(xué)生積極學(xué)習(xí)的主動性，能夠激發(fā)學(xué)生主動參與課程學(xué)習(xí)的熱情。

三? 結(jié)束語

根據(jù)光學(xué)CAD實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，基于線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式，并將線下可相互交流討論的形式應(yīng)用于線上，提出了線上分組答疑討論的交流教學(xué)方式，由老師提供平臺并作為引導(dǎo)者，由學(xué)生作為主角，老師通過跟學(xué)生們一起探討設(shè)計過程中遇到的問題，進(jìn)行實(shí)時的討論與交流，不僅可以讓老師實(shí)時了解學(xué)生的具體掌握情況，而且可以讓學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)、互相幫助，取長補(bǔ)短，讓其能夠樹立正確的學(xué)習(xí)理念，獲取更好的學(xué)習(xí)方法，比單單掌握本課程的內(nèi)容更有教育意義。

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