基于CDIO模式的光學系統課程設計的教學改革

張繼艷 孟憲國 鄭榮升 林海峰

摘? ?要：光學系統課程設計是一門實踐性很強的專業課程，在創新型人才培養中有著重要的地位，針對本課程的實踐性較強的特點，采用CDIO的新型教學模式，本文從課程目標、課程設計、課程考核及課程特色幾個方面介紹教學改革的措施。實踐證明，采用CDIO的教學模式，有利于學生的工程實踐能力的提高和創新型人才的培養。

關鍵詞：創新能力? 工程實踐? 光學系統

中圖分類號：G643.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）05（b）-0178-03

光學系統課程設計是在應用光學、光學設計等專業課程的基礎上，基于光學設計的基本理論，采用光學設計軟件進行光學系統的設計，使學生了解光學設計中的主要環節，掌握光學系統設計開發的基本方法及設計流程，為以后從事光學儀器設計、研發打下良好的基礎。光學系統課程設計作為光信息科學技術的專業必修課，在人才培養中有著重要的作用。課程具有很強的實用性及應用性并具有行業的前瞻性，掌握了光學系統設計無疑會助力學生的職業道路的選擇，同時還會對其他專業實踐類課程都有著一定的啟迪作用。

光學系統課程設計在光信息專業學生的大二第三學期開設，學生在做課程設計之前已經通過光學設計課程掌握了光學設計相關知識及簡單的光學設計軟件的應用技巧，但是尚未做過典型的完整的光學系統的設計。本門課程旨在通過光學系統課程設計使學生具備獨立查閱光學設計理論和像差分析的相關文獻和資料的能力，收集、加工各種信息及獲得知識的能力。具備獨立設計光學系統，能用Zemax軟件對初級像差進行分析和校正，從而對鏡頭進行優化設計的能力，同時使學生具備采用計算機軟件進行數值計算、仿真、繪圖等能力。課程要求學生具有較強的創新意識和進行光電信息系統分析、設計、開發的初步能力。特別注重培養學生終身學習和在工程實踐中學習的能力，同時體現信息產業高速發展、學科交叉的趨勢。

專業實踐類課程的設計與實施必須與高校的人才培養目標和模式相一致，在強化專業技能的同時，還要強調學生實踐動手能力與職業素養的養成。而目前光學系統課程設計等實踐類課程的內容大多與實際的工程項目相脫節，設計的內容多為重復性的，驗證性的，不利于學生的工程素質的培養和鍛煉，當然也不能培養出企業需要的專門性人才。

CDIO工程教育理念是在2000年由美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學的研究成果，CDIO四個英文分別對應著C（conceive）構思、D（design）設計、I（implement）實現、O（operate）運作。核心理念是基于做中學和基于項目導向的教學過程及方法[1]。

本文將CDIO的工程教育理念應用于光學系統課程設計中，突出“三重”原則，重基礎、重能力、重應用。以培養光學系統設計綜合應用能力為目標，選擇有代表性的光學鏡頭設計應用的實際項目，圍繞項目訓練基本能力，依照認知規律構建學習模塊。探索通過“做中學，以項目為導向”的教學新模式。通過項目任務的方式，整合、優化整個教學流程，實現做中學，為學生實踐創新能力的提高創造了有利的條件。

1? 課程目標

光學系統設計內容比較龐雜，包含成像設計，如物鏡、目鏡、轉接中繼物鏡等，非成像設計，如光源、探測器、光束轉換等。設計中又涉及到新材料，包含晶體、玻璃、塑料;新器件，如導光板、CCD;新工藝，如非球面系統、球面系統、二元混合表面、折衍混合系統，包含了對信息的獲取、存儲、傳輸、處理、顯示等內容，光學系統設計的過程是光機電算一體化的過程。在課程的設計過程中，改變原來的“以教師為主、學生為輔”的教育理念，突出學生主體地位，以CDIO教育理念為指導，結合現代設計的特色，以分級教學的培養為目標，以項目實踐為主要的教學內容[2]。在體現校企融合、工學一體的原則基礎上，在教學體系的設計中實現三個轉變由學科體系轉變為工作體系，由學習過程轉變為工作過程，由教師主體轉變為學生主體。

課程設計的思路為以工作崗位定課程目標、以職業能力定課程地位、以企業工作任務定課程內容、以學生的認知規律組織課堂教學、以典型任務為載體來設計教學環節、以真實項目為參照從而強化能力訓練[3]。

2? 課程設計

2.1 課程內容的組織

課程設計的內容選取上，在學生學習情況分析的基礎上，結合企業真實的工作項目和任務，選取合適的課程設計的內容，工作項目包含了本課程對應工作崗位所需的對應的知識、能力和素質要求。涵蓋光學元件及光學系統設計的典型過程和方法[4]。設計內容包含身邊典型的現代光學系統如：手機鏡頭、醫用內窺鏡、海底攝像機、車載鏡頭、無人機攝像頭等。實踐項目要盡量做到典型性和理論課較好的結合，設計內容均為面向工程、既拓寬了知識面、又強調應用的原則。設計題目即要考慮學生的能力、理論基礎，又考慮分級教學的需要，設計題目有難有易，學生根據興趣及能力水平來選擇合適的題目，并適當分組，對項目題目進行任務分解，分工協作來完成整個項目。項目要依照以下幾個步驟來完成，明確光學系統的使用要求，計算系統理想參數;通過專利查找或者手工計算，選擇（或構造）合適的初始結構;縮放焦距、確定像面尺寸，更換玻璃;系統像差校正、系統結構優化;對成像像質進行評價、靠模，分配公差;輸出加工圖紙、裝配圖紙。設計過程中要讓學生學會像工程師一樣的思考問題。學生通過項目實踐，可以提前掌握技術領域和職業崗位的任職要求，而且改變學習中被動思考的思維習慣，充分發揮學生的主觀能動性，提高學生的創新實踐能力。

2.2 教學方法的改革

在教學方法上，采用CDIO的教學模式，體現做中學的思想。結合當前學生的學情特點，目前學生的思維較活躍，喜歡新鮮有意思的具體問題，但對思考問題缺乏嚴密性，學習自信心不夠，理論應用意識較薄弱。由于課程前期的光學設計課程，學生已經熟悉了光學設計軟件的功能和使用，不再需要老師親自講解并示范，學生已經可以完成簡單的仿真任務。所以在光學系統設計的課程中，教師可以提供幾個可供選擇并分層次的設計內容，讓學生自主選擇，并形成課題小組。教師只是在其中做一些總體的把握或關鍵思路上的提示。有利于增加了學生獨立思考和自主動手的實踐機會。前期學生要大量的查找相關的專利、文獻，了解設計題目中的重點難點，及設計的步聚及要素，在確定任務的基礎上進行分工協作。設計題目即不能超出學生的能力范圍，學生操作起來困難，又不能過于簡單，無法體現工程素質教育目標的需求。

整個教學過程中，要充分的引導學生從分析項目到項目設計實施，由學生自主，創造性的完成整個設計方案，以小組為單位題交設計方案，在設計的最后，每個項目組要進行項目答辯，對可行性及設計的效果上進行論證。教師對各項目小組的方案給出評價及指導建議，充分肯定優秀項目，并鼓勵優秀項目小組的學生進一步探索，起到良好的帶頭示范作用。項目實踐中充分發揮了學生分析問題及解決問題的能力、啟發學生思維、體現了以能力為本，學生為主體的思想。

2.3 考核方式的改革

以往的考試課程，學生都是考前突擊，平時作業靠抄襲，往往無法客觀評價學生對課程的掌握程度，考試的考核方式尤其不適用于專業實踐類課程。本門課程采用考查的考核方式。考查的要素要涵蓋學生的整個學習課程，包含以下幾塊內容。一是課堂的出勤和平時的作業及設計報告，占比20%;二是學生自評，每個學生根據自己在項目中收獲的實際經驗，對照各項能力評價指標，給自己打分，自評增加了學生的參于感，學生評分的同時也是對照檢查的過程，學生感到新鮮的同時及產生了極大的自我認同感，自評同樣占比為20%;三是組內學生的互評，頂目組內成員根據組內其他成員對項目的貢獻度及默契度，給其他組員評分，并取平均值，互評占比也為20%;四是師評，教師通過各項目組答辯情況，根據項目完成的實際效果和可行性，給出每個組的綜合分數，師評占比40%，可以看出師評所占比重很大，項目組成員為了獲得一個滿意的成績，就要在整個項目完成過程中很好的配合，群策群力，學生在項目實行的整個過程中也會體會到團隊的重要性。每個學生的成績由以上幾項成績加權求得。考核過程中教師要做到嚴格監控，做到評分客觀公正。

3? 課程特色

本課程具有豐富的網絡資源且不斷進行更新，課程網站為學生提供了課程標準、課程大綱、授課計劃、學習指導、電子教材、電子教案、多媒體課件、視頻錄像、實訓指導書、參考資料等豐富的網絡教學資源。同時，課程的教學資料和學習指導等全部上網，為學生創立了自主學習平臺。

我校的光電卓越班采用的是工學結合的“3+1”專業人才培養模式。校內學習3年，校外企業實習1年，用企業中崗位所需的技能置換校內課程，充分培養學生的項目開發和實際動手操作能力，校企合作共建實訓基地，目前我校已經與很多企業建立了合作關系：玉晶光電、麥克奧迪光電、三眼通光電、宸鴻光電、勵德光電等。學生在修完光學系統課程設計之后，可以依托企業資源來進行光學設計的科研，學生在大四階段也可以直接進入對口的光電企業進行實習。

通過該教學實踐，可為學生開拓眼界，并為企業輸送優秀對口人才，達到合作辦學，共建雙贏的目的。再者，企業與高校的合作，可為我校的教學及科研儲備資源。校企合作，課程定位準確，培養目標明確;優化、組合課程內容，教學過程工程化;共建“職場環境下，工程項目為核心”的教學體系，一切圍繞以綜合職業素質為基礎，以能力為本位的培養思想，校企合作，共建一流專業實驗、實訓教學平臺、為產學研提供硬件保障;適時的請企業工程師走入大學課堂，為學生開專題講座，開拓學生的眼界，同時近距離的與企業工程師交談，也可以使學生提早對步入職場做好思想準備。

基于CDIO教學模式的課程改革研究過程中，也取得了很多可喜的成果，學生利用該課程的理論基礎與項目積累的經驗積極參加各類大學生光電與電子大賽及省級校級創新訓練項目，獲得第四屆福建省大學生光電設計大賽二等獎，第五屆全國大學生光電設計大賽總決賽二等獎、三等獎、第六屆全國大學生光電設計大賽總決賽一等獎。

4? 結語

CDIO是一種全新的國際化工程教育模式，對于它的研究還遠沒結束，本文將CDIO的理念和光學系統課程設計相結合，以工程實踐為載體，在教學過程中以項目實踐為導向，有利于擴展學生的實踐創新能力和工程素養，同時為相關企業提供了對口輸送的人才，對學生的綜合能力的提升起到了積極的作用，同時也為光信息專業其他實踐類課程起到一定的示范作用。

參考文獻

[1] 顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（下）[J].高等工程教育研究，2012（5）：24-40.

[2] 王昱琳，易丹，袁紅梅，等.基于CDIO的光學設計課程改革與實踐[J].無線互聯科技，2016（16）：94-95.

[3] 張文濤，蔣曲博，汪杰君，等.《光學設計》課程教學方法改革初探[J].科技創新導報，2011（2）：179-181.

[4] 岑兆豐，李曉彤，劉向東.引入科研模式的光學系統CAD課程[J].光學技術，2007（33）：272-274.