基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的光電信息類課程教學(xué)改革初探

尚 亮

曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院 山東曲阜 273165

在以光通信、光電傳感與檢測、激光加工制造和光電顯示與存儲等高新技術(shù)為核心的光電信息技術(shù)發(fā)展推動下，光電信息產(chǎn)業(yè)迅速崛起，已在世界范圍內(nèi)被公認(rèn)為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)[1]。為滿足國家對光電信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，通過整合原有的光信息科學(xué)與技術(shù)、光電子技術(shù)和光電信息工程等多個相關(guān)專業(yè)，教育部于2012年統(tǒng)一設(shè)置了光電信息科學(xué)與工程專業(yè)，旨在培養(yǎng)具有深厚光電信息理論知識和較強(qiáng)實(shí)踐創(chuàng)新能力的高素質(zhì)光電信息技術(shù)專門人才，為光電信息產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持和人才保障。因此，如何從創(chuàng)新教學(xué)模式、完善課程體系、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，以及豐富課程教學(xué)資源等方面進(jìn)行教學(xué)改革，從而有效地提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力，對于高校專業(yè)教師來說，既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。

2012年，教育部發(fā)布了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011～2020年)》，標(biāo)志著教育信息化將成為帶動我國教育現(xiàn)代化發(fā)展的重要推手。利用基于多媒體、數(shù)據(jù)庫、并行計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)和通信網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行教育教學(xué)模式創(chuàng)新和優(yōu)質(zhì)教育教學(xué)資源開發(fā)已逐漸成為我國高等教育改革發(fā)展的主流趨勢，有力地推動了以MOOC、網(wǎng)絡(luò)共享課程、微課程和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室為典型代表的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)資源建設(shè)。受此影響，不少任課教師開始將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于光電專業(yè)課程教學(xué)中，并取得了較為滿意的效果[2,3]。然而，當(dāng)前的這些應(yīng)用實(shí)踐大多還處于探索階段，人們對于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在光電信息類課程教學(xué)中所起作用的認(rèn)識還不系統(tǒng)和完整，這嚴(yán)重阻礙了基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的課程教學(xué)改革實(shí)踐的進(jìn)一步發(fā)展。

本文將系統(tǒng)地厘清計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在光電信息類課程教學(xué)改革中的積極作用和意義，并且在深入分析光電信息類課程教學(xué)中存在問題的基礎(chǔ)上，有針對性地提出基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的課程教學(xué)改革措施與對策，以期為以專業(yè)素養(yǎng)提升和創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)的光電信息類課程教學(xué)改革與實(shí)踐提供有價值的參考。

1 作用與意義

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)過程應(yīng)該以學(xué)生為中心，是在教師指導(dǎo)下的主動建構(gòu)行為，而不是被動的接收[4]。該理論既強(qiáng)調(diào)了學(xué)生的主動性對促進(jìn)學(xué)習(xí)的重要性，同時也指出了教師在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中應(yīng)該承擔(dān)幫助者和引導(dǎo)者的責(zé)任。因此，如何創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)主動發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，成為擺在專業(yè)教師面前的首要問題。實(shí)踐證明，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的出現(xiàn)，對于踐行和發(fā)展建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論起到了舉足輕重的作用。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)分析能力，不僅易于以低成本和低消耗完成真實(shí)環(huán)境中較難實(shí)現(xiàn)的教學(xué)任務(wù)，而且通過網(wǎng)絡(luò)共享，可以讓學(xué)生便捷地使用數(shù)字化教學(xué)資源，有利于反復(fù)操練和舉一反三，為項(xiàng)目或任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法以及翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的實(shí)施提供有利條件[5]。尤其是結(jié)合了多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬仿真技術(shù)，更是因?yàn)槟軌虮普娴卦佻F(xiàn)真實(shí)場景，為學(xué)習(xí)者提供身臨其境的學(xué)習(xí)實(shí)踐環(huán)境，而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中備受青睞[6]。因此，在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下，發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢，對于提升光電信息技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量必將起到積極的推動作用。

2 存在的問題

目前，從專業(yè)課程體系構(gòu)建、教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方法采用以及教學(xué)資源開發(fā)等人才培養(yǎng)的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)來看，制約光電信息技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量提高的突出問題，主要體現(xiàn)在以下三個方面：

首先，專業(yè)課程與教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置存在重理論而輕實(shí)踐、重知識而輕能力的現(xiàn)象，尤其是在培養(yǎng)學(xué)生對光電器件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析能力以及綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決光電技術(shù)實(shí)際問題的能力方面存在短板，這顯然不利于提高學(xué)生的光電信息技術(shù)綜合應(yīng)用和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

其次，理論課程教學(xué)方法單一，主要以傳統(tǒng)的課堂講授為主，在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和調(diào)動學(xué)習(xí)積極性和主動性方面存在不足，尤其是對于部分理論性強(qiáng)且內(nèi)容抽象晦澀的光電信息類基礎(chǔ)課程，采用這種單一的教學(xué)方法，非常不利于學(xué)生深入理解和鞏固所學(xué)理論知識。

最后，大多光電實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)設(shè)備屬于精密儀器，價格昂貴，并且運(yùn)行和維護(hù)成本高，尤其是涉及大功率激光輸出的實(shí)驗(yàn)還存在高危因素，故采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法在滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)的基本要求方面表現(xiàn)乏力，顯然更無法為學(xué)生提供足夠的開放實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)機(jī)會，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

2013年，教育部下發(fā)了《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，標(biāo)志著國家對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度達(dá)到了一個新高度。然而，在目前經(jīng)教育部批準(zhǔn)建設(shè)的三百個國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心中，涉及光電信息技術(shù)的不足十個，遠(yuǎn)不能滿足光電信息類實(shí)踐教學(xué)需要。與在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用相比，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在輔助理論課程教學(xué)中的應(yīng)用則明顯重視不足。特別是，雖有少數(shù)教師在培養(yǎng)學(xué)生利用專業(yè)仿真軟件進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)和光電器件設(shè)計(jì)與分析，以及通過自行建模和編程計(jì)算解決實(shí)際光電技術(shù)問題的能力方面進(jìn)行過有益探索，但是內(nèi)容分散，不成系統(tǒng)，并未納入到光電信息技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)體系中綜合考慮。

3 改革措施與對策

3.1 加強(qiáng)以創(chuàng)新和實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)的專業(yè)課程建設(shè)

以光電器件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，完善光電信息類專業(yè)課程體系建設(shè)，可以從以下兩方面著手。一方面，在專業(yè)課程體系中的基礎(chǔ)課程模塊，增設(shè)與光電器件與系統(tǒng)建模和數(shù)值計(jì)算相關(guān)的課程，結(jié)合高等數(shù)學(xué)類課程的教學(xué)內(nèi)容，主要講授常用的數(shù)學(xué)建模與數(shù)值計(jì)算方法，以及利用科學(xué)計(jì)算語言(例如MATLAB或Mathematica)編程實(shí)現(xiàn)的技能，以培養(yǎng)學(xué)生能夠主動地獨(dú)立運(yùn)用建模和仿真技術(shù)去設(shè)計(jì)和分析光電器件與系統(tǒng)的創(chuàng)新實(shí)踐能力。另一方面，將各類專業(yè)仿真軟件的使用引入到相對應(yīng)的光電信息類專業(yè)課程教學(xué)中，作為教材基礎(chǔ)知識的有益補(bǔ)充和延伸，然后采用項(xiàng)目任務(wù)教學(xué)法培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用專業(yè)仿真軟件設(shè)計(jì)與分析光電器件和系統(tǒng)的實(shí)踐能力。具體來說，在保證課程知識結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性和完整性的前提下，通過整合重組，適當(dāng)壓縮理論性過強(qiáng)和與關(guān)聯(lián)課程重復(fù)性高的教學(xué)內(nèi)容，給開展仿真項(xiàng)目實(shí)踐預(yù)留課時。這樣，既可以優(yōu)化理論和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時的比例，又能夠發(fā)揮項(xiàng)目任務(wù)教學(xué)法在培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力方面的優(yōu)勢。表1所示為目前適合進(jìn)行上述課程內(nèi)容改革的部分典型光電信息類課程及其相對應(yīng)的專業(yè)仿真軟件。

表1　典型專業(yè)課程及其相應(yīng)的專業(yè)仿真軟件

3.2 發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在輔助理論課程教學(xué)中的優(yōu)勢

在光電信息科學(xué)與工程專業(yè)課程體系中，部分基礎(chǔ)課程客觀存在理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象和晦澀難懂的問題，例如物理光學(xué)、信息光學(xué)、激光原理和電磁場與電磁波等。這類課程采用傳統(tǒng)的課堂講授模式，已很難取得令師生都滿意的教學(xué)效果，因此亟須采用新的教學(xué)模式。近年來備受青睞的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式無疑是首選，并且為充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在輔助理論課程教學(xué)中的優(yōu)勢提供了用武之地。例如，在歸納總結(jié)典型的重點(diǎn)和難點(diǎn)知識基礎(chǔ)上，任課教師可以利用Visual C++，MATLAB等可視化編程語言自行開發(fā)用戶界面友好的交互式計(jì)算仿真程序，將抽象的理論結(jié)果轉(zhuǎn)化成形象直觀的圖像結(jié)果，作為教學(xué)資源供學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)和操練，為學(xué)生理解知識重點(diǎn)和難點(diǎn)創(chuàng)設(shè)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境，有利于提高學(xué)習(xí)興趣和加深理解知識點(diǎn)。進(jìn)一步地，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)深入程度，在學(xué)生已經(jīng)接受過計(jì)算機(jī)仿真技能培訓(xùn)的基礎(chǔ)上，可以采用項(xiàng)目教學(xué)法，通過給學(xué)生布置任務(wù)的形式，讓其利用仿真軟件自行調(diào)整計(jì)算參數(shù)和條件，以得到不同情況下的結(jié)果，或者對仿真軟件進(jìn)行二次開發(fā)，擴(kuò)展仿真功能。這一方面可使學(xué)生能夠真正理解和鞏固所學(xué)知識點(diǎn)，另一方面又培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)解決光電實(shí)際問題的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

3.3 開發(fā)特色鮮明的光電信息類實(shí)踐課程虛擬仿真教學(xué)資源

根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)條件，結(jié)合專業(yè)課程體系中的光電信息類實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，按照“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，通過整合和優(yōu)化原有項(xiàng)目、開發(fā)新項(xiàng)目等多種形式，遴選和挖掘一批能夠符合學(xué)科發(fā)展方向、體現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)特色和具有較高推廣應(yīng)用價值的光電信息類實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。在此基礎(chǔ)上，通過自主設(shè)計(jì)或者與企業(yè)合作開發(fā)等多種形式，開發(fā)能夠逼真再現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)的環(huán)境，可以滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)要求的光電信息類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從而豐富實(shí)踐課程教學(xué)資源。值得注意的是，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)共享主義盛行的大環(huán)境下，開發(fā)虛擬仿真教學(xué)資源必須要體現(xiàn)出本單位的培養(yǎng)特色，盡可能避免重復(fù)建設(shè)，力爭做到“人無我有，人有我優(yōu)”。例如，我校建有山東省激光偏光與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和山東省激光偏光工程技術(shù)研究中心，在光學(xué)元器件(尤其是偏振光學(xué)器件)設(shè)計(jì)加工方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，最能體現(xiàn)依托其建設(shè)的光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)特色。為此，我們開發(fā)了一系列關(guān)于光學(xué)元器件加工制作工藝和光波偏振態(tài)調(diào)制變換技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，取得了良好的實(shí)踐教學(xué)效果。

4 結(jié)語

光電信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展為光電信息科學(xué)與工程專業(yè)建設(shè)帶來了史無前例的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。以創(chuàng)新能力和應(yīng)用實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)，切實(shí)提高光電信息技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量更顯得尤為迫切。在當(dāng)前教育信息化建設(shè)方興未艾之際，以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在光電信息類理論和實(shí)踐課程教學(xué)中的應(yīng)用為抓手，圍繞基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的教學(xué)模式創(chuàng)新實(shí)踐，從完善專業(yè)課程體系、革新教學(xué)內(nèi)容和豐富教學(xué)資源等方面探索有效的教學(xué)改革之路，必將對提高光電信息技術(shù)人才的專業(yè)綜合素養(yǎng)產(chǎn)生積極的推動作用。