《應用光學》課堂教學改革探索

張巍 宋寶安 徐培鵬 戴世勛 聶秋華

摘? 要：文章以寧波大學光電信息工程專業《應用光學》課程課堂教學為例，對教學內容、教學方法以及考核方式等幾個方面進行了教學改革探索。通過調整教學內容、基于OBE模式進行“逆向思維教學法”嘗試、以及引入單元測試和課堂小組討論講解的環節，充分調動起學生的學習主動性和積極性，獲得了良好的教學改革效果。

關鍵詞：應用光學; 教學改革; OBE

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）03-0085-03

Abstract： In this paper， the teaching of applied optics， a course of optoelectronic information engineering in Ningbo University， is taken as an example. By adjusting the teaching content， trying to "reverse thinking teaching method" based on OBE model， and introducing unit tests and group discussion， students' learning initiative and enthusiasm are fully aroused， and good teaching reform effect was achieved.

Keywords： applied optics; teaching reform; OBE

前言

《應用光學》是高等學校光電信息工程、光學儀器等相關本科專業的基礎專業課，也是光學工程相關專業的考研專業課，在光電相關專業的課程體系中占有重要地位[1-6]。寧波大學光電信息工程專業2011年建立，2012年招收第一批學生，《應用光學》課程安排在二年級授課，是寧波大學光電信息工程專業學生最早接觸的專業基礎課程之一，在培養學生專業基本素養及基礎工程素質方面具有重要作用。該課程主要由幾何光學、像差理論和光學設計三大部分組成，從幾何光學基本定律出發，研究物體在不同系統中的成像特性、光學系統中的光束限制，學習光學系統的幾何像差以及典型的光學系統。該課程所涉及的知識面廣，學生通過《應用光學》課程的學習，一方面要了解幾何光學的基本概念和理論，掌握光學元件和光學系統的成像特征，另一方面更要具備通過運用所學的知識進行分析和解決日常生活以及實際工程技術上常見光學問題的能力。

一、《應用光學》課程特點及現存教學問題

通過幾年的教學工作，我們發現《應用光學》這門課程具有以下幾個特點：第一，定義多、概念抽象，容易混淆和遺忘。課程中有不少概念抽象深奧，又沒有實物進行參考，需要發揮學生的空間想象力，比如光束限制部分，對于孔徑光闌、視場光闌、漸暈光闌的概念，學生普遍認為很難理解;再例如像差部分，學生很容易將幾種像差的概念混淆在一起。第二，公式繁多，推導復雜。課程中有大量的公式推導和計算，對學生的數學基礎提出了較高的要求，并且隨著課程學習的深入，遇到的公式越來越多，公式之間既有聯系又有區別，容易造成混亂。第三，教學內容多，要求學生不能簡單地死記硬背，需要動態的看待所學的知識，前后聯系，融會貫通，這樣才能真正掌握所學的知識，并為我所用。

同時，在教學過程中，我們也發現寧波大學光電信息工程專業的《應用光學》課程課堂教學存在以下問題：首先，教學內容方面，《應用光學》涉及的內容較多較雜，要在76課時教學時間（59課堂教學+17實驗）內完成從簡單的球面系統、平面系統到典型光學系統的過渡，再加上光能及其傳播計算、光學系統成像質量等內容，是一個比較大的挑戰;如何突出課程重點內容，明確教學目標，增強工程實踐能力的培養，適當減少公式的推導，也是一個需要解決的問題。其次，教學方法方面，之前教學過程中仍然采用以教師講解知識，學生被動的接受知識為主的傳統教學模式，忽略了對學生邏輯思維能力和自主學習能力的培養;課堂上缺乏師生之間有效的雙向互動環節，不能充分調動學生學習的主觀積極性。第三，考核方式方面，期末總成績由平時成績、實驗成績和期末考試卷面成績三部分組成，三部分的比例權重存在不平衡的現象，其中期末試卷成績占比過大;此外，使用的考核機制過于單一，無法對學生各個階段學習效果進行系統的衡量，其中平時成績主要以作業完成情況和課堂點名為主，作業抄襲現象嚴重，雷同答案較多，既無法真正體現學生平時學習的狀況，也無法體現公平的平時成績考核結果。

針對以上提出的《應用光學》課程教學過程中出現幾個問題，在寧波大學教研項目支持下，我們在《應用光學》課堂教學中嘗試了一系列改革措施，旨在改變傳統的教學方式，提高學生的學習興趣和積極性，提升課程的教學效果。

二、《應用光學》課堂教學改革實施方案

（一）教學內容優化

課程教材選用浙江大學出版社的《幾何光學·像差·光學設計》（第三版），根據教學大綱的要求，將《應用光學》課程內容劃分為三大模塊，分別為：1. 光學零件模塊，主要講解透鏡、平面鏡、棱鏡、平行平板等。2. 像差模塊，以光學系統中光束的限制為基礎，引出球差、彗差、像散、相面彎曲和畸變，以及復色光成像所得的位置色差和倍率色差。3. 典型光學系統模塊，包括望遠系統、顯微系統、照相系統、投影系統，介紹這幾種成像系統各自的特點，是對前面所學內容的綜合和應用。這三大模塊前后呼應，相互關聯，形成了一個有機的整體。在實際課堂教學過程中，我們對教材章節順序進行了調整，由幾何光學的基本概念和基本定律開始講解，通過球面和球面系統、平面和平面系統引入理想光學系統，然后介紹光能及其傳播計算，接著再進入光學系統中光束的限制一章，并銜接典型光學系統模塊，最后再進行像差模塊學習。教學中將像差模塊和典型光學系統模塊順序調換，主要是因為典型光學系統模塊內容與前面的光學零件模塊聯系更加緊密，可以把典型光學系統看作是光學零件的組合和延伸，這樣的安排能夠在復習前面學習內容的基礎上自然引出復雜的典型光學系統，做到“溫故而知新”，前后內容連貫。此外，由于寧波大學光電信息工程專業后續開設有光學系統設計與仿真相關課程，為了避免內容上的重疊，因此在《應用光學》課程中刪除了光線追跡、光學系統質量評價等內容，改在后續相關課程中進行講授。最后，在總教學課時不變的情況下，我們減少了光能及其傳播計算這一章的授課時長，并削弱了考試對這一章的要求;同時在期中和期末增加了兩次課堂討論、學生課堂講解的環節，這樣做可以進一步提高學生學習的主觀能動性，對培養學生分析問題、解決問題的能力有一定的幫助。

（二）課堂教學方法改革

最近幾年，一種基于成果導向的教學模式（Outcome-Based Education，簡稱 OBE）在國內眾多高校的專業教育中得到了廣泛的應用[7]。這種教學模式是以預習產出為中心組織實施和評價的教育結構模式，更有利于學生學習，提高學生的實際應用和創新能力[4]。在這種教學理念下，教師不再是課上的講解者，而是學習方法和學習環境的設計者，更加注重學生預期學習成果的達成。

基于OBE的教學模式和寧波大學光電信息工程專業學生實際情況，我們在授課過程中嘗試了“逆向思維教學法”。“逆向思維教學法”是一種與OBE的教學模式相契合的教學方法，它遵循的原則是：首先明確教學目標，以教學目標成為課程設計的標準與出發點，再通過這個先期明確的教學目標，選擇課程材料，使課程內容得以成形，學習知識的過程得以發展，課程的評價工作得以準備。應用到《應用光學》課堂教學改革中，以學生為主體，以培養學生創新能力為目標。這就要求教師不能簡單地作為講解者來灌輸教學內容，而是從應用光學最新動態和發展趨勢角度去引導和啟發學生思考，教師從“教”學為主轉變為以“導”學為主，并增加課后專題答疑、小組討論等教學形式，讓學生不單單是被動地接受教師講解的知識內容，而是能更主動地參與到課程教學過程中，充分發揮主觀能動性，以促進學生自主學習的能力。

在教學改革實踐過程中，以小組討論為例，課前教師會將學生以3-4人為一組分成若干小組，每組選出一名組長，然后向不同的小組成員發布不同的課題內容，讓每個小組利用課余時間進行材料搜集，并結合課本上的知識點進行整理，通過課堂時間進行小組討論和總結，并指派代表上臺講解。實際操作過程中，我們發現學生會利用自己所學的知識，對教師所提出的問題進行充分的文獻調研，并通過小組成員之間的溝通與交流，將各自的意見和觀點融會在一起，形成一個相對完整的答案，最后每組選一名代表上臺，闡述小組成員對所提出問題的看法和見解。同時，臺下的同學在聽完臺上同學講解之后，可以現場提問，也可以對臺上同學所做的解答進行補充，雙方你來我往交換意見，深入地探討相關的知識，教師在整個過程中作為旁觀者和引導者，在必要的時候對學生討論的內容進行指點和引導，使學生對相關知識的脈絡更加清晰，理解也更加深刻。這種讓學生參與到授課過程中的教學模式，讓學生可以更快、更深的理解和掌握課程的內容，并提高學生分析問題、解決問題的能力，相比于傳統的教師填鴨式講解、學生被動接受的教學方式，這種方式更加靈活、高效，同時也能活躍課堂氣氛，營造更好的學習氛圍。

（三）考核評價方式調整

在長期盛行的傳統考核方式中，期末試卷成績占主導地位，具有“一考定乾坤”的現象。很多學生平時不注重知識積累和消化，往往在期末考試前臨時抱佛腳，只是為了應付期末考試，期望期末考卷能夠“六十分萬歲”。這樣做法沒有辦法對學生在各個不同階段的學習進行均衡化的評價，也無法對不同階段出現的問題及時進行查缺補漏。為了更全面客觀地評價學生學習情況，把學習能力、實踐能力和創新能力作為考核學生是否優秀的重要指標，我們減少了傳統期末卷面成績所占比重，在總成績考核中期末考試成績、實驗成績和平時成績分別占50%、30%和20%。在考核內容中除了增加前面提到的分組課堂討論和上臺講解之外，還增加了每章的單元測試作為平時成績的一個重要部分，這樣避免了傳統評價方式中的平時成績僅僅依靠點名和作業成績的做法，可以相對更公平地衡量學生平時的學習效果。

教學改革實踐中的單元測試，是在每一章學習內容結束后，利用課堂上抽出的20分鐘時間進行這一章的測試，測試內容為該章主要知識點，以選擇、填空題為主，有少量畫圖、計算題。測試完畢當堂進行答案講解和同學之間互相批閱。通過這樣的測試形式，一方面可以讓教師掌握學生在這一段時間內的學習效果，另一方面也讓學生對每章內容進行及時的復習，避免期末時集中突擊的現象，同時可以引導學生從注重考試結果向注重學習過程轉變，提高學習的主動性。根據學生課后的反饋，進行章節單元測驗可以讓他們更清楚地認識到每一章所學知識重點和難點，更加了解自己學習的薄弱環節，進行有針對性的復習，做到有的放矢，有利于提高學習效果和學習效率。

三、結束語

本文針對寧波大學信息科學與工程學院光電信息工程專業的實際情況，借鑒了國內其他高校應用光學課程教學改革的一些經驗，以《應用光學》課程為例，認真研讀該專業的培養方案和《應用光學》課程教學大綱，優化《應用光學》課程的教學內容;以OBE理念為基礎，改革課堂教學方法，引入“逆向思維教學法”，提高了學生的學習主動性;通過考核評價方式調整，增加階段性單元測試，更加注重學習過程的考察。通過兩學年時間的課堂教學改革探索，學生反饋對這門課程所傳授知識有了更深入理解，學生期末總評平均分由教學改革之前兩年的74.9分和75.3分提高到80.4分和83.7分，充分說明了改革后的課堂教學效果顯著。同時學生的學習能力也得到了充分的鍛煉和提高，學習熱情得到了激發，學生真正融入到課堂教學中，平時就開始注重知識積累和儲備，而不是臨考試前再突擊復習，明顯提升了學生的學習體驗和教學效果。

當然，《應用光學》課程教學中還存在其他的問題，在今后的教學工作中，仍需要保持原有好的教學方法和教學思路，同時繼續改進課堂教學方法，并通過實驗教學改革進一步發揮學生主觀能動性，促進學生綜合能力培養。

參考文獻：

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[5]張燕飛.基于應用型人才培養的工程光學課程教學改革研究——以黃山學院為例[J].科教導刊，2019（1）：51-53.

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[7]邊心田，陳貴賓.成果導向教育（OBE）理念下的應用光學課程改革[J].高教學刊，2019（7）：113-115.