論新形勢下高校“幾何光學”課程教學改革

楊利平， 周大秋

(重慶大學 光電工程學院，重慶 400044)

0 引言

“幾何光學”課程介紹光的傳播規律和光學系統成像原理，用以指導光學系統設計[1]，是從光學原理到實際光學系統設計的紐帶，是光電信息科學與工程、測控技術與儀器專業及其他相關理工科專業的專業基礎課和必修課，也是光學工程、儀器科學與技術等相關學科最重要的基礎課程[2,3]。從國內最早建立光學儀器專業到現在，經過近70年的發展，“幾何光學”課程的體系和內容已經非常完善。大多數高校現行的“幾何光學”課程都是以理想光學系統理論為核心，同時涵蓋光能和光束限制、像差理論、經典目視光學系統和現代光學系統等內容[4]。

最近幾年，立德樹人成為了高校人才培養的根本任務。隨著“思政課程”到“課程思政”的轉變[5]，新工科專業建設的推進[6]和中國工程教育認證工作[1]的開展，國家的需要、社會行業和產業的發展和高等教育的要求都對專業課程的課程內涵、功能和定位提出了更高要求。如何適應新形勢的發展，使“幾何光學”課程適應行業和專業發展的需要、符合工程教育的條件、滿足立德樹人的要求是任課教師必須思考的問題，也是當前進行課程改革的迫切任務。本文在分析當前工科專業課程教學的新形勢和調研“幾何光學”課程教學現狀(以重慶大學為例)的基礎上，給出了高等學校“幾何光學”課程教學改革的幾點思考。

1 當前工科專業課程教學面臨的新形勢

1)課程思政深入專業課堂成為高校落實立德樹人、三全育人的必然

課程思政是指以構建全員、全程、全課程育人格局的形式將各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應，把立德樹人作為教育的根本任務的一種綜合教育理念[7]。

2016年12月召開的全國高校思想政治工作會議要求要用好課堂教學的主渠道，各類課程都要圍繞學生、關照學生、服務學生，讓學生成為德才兼備、全面發展的人才。2017年12月，教育部發布的《高校思想政治工作質量提升工程實施綱要》明確，要大力推動以課程思政為目標的課堂教學改革，優化課程設置，修訂專業教材，完善教學設計，加強教學管理，梳理各門專業課程所蘊含的思想政治教育元素和所承載的思想政治教育功能，融入課堂教學各環節，實現思政教育和知識體系教育的有機統一。以上會議的召開和實施綱要的發布表明，將思政教育融入專業教學是當前國家對高等院校人才培養的根本要求，在專業課程教學環節中融合增加必要的思政教育因素是當前和今后一段時間內專業課程教學改革發展的重要內容之一。

2)新工科建設成為驅動工科專業課程教學改革的動力

新工科建設是指建設代表著當前最新產業和行業發展方向的新興、新型和新生工程學科，具有引領性、交融性、創新性、跨界性和發展性等特征。新工科的建設要服務國家戰略、滿足行業需求、面向未來發展。

光電信息產業是當前最具魅力的戰略性新興產業[7]。光電信息科學與工程是光電信息產業高素質培養人才的本科專業，是新工科建設的重點。儀器科學與技術作為工程性學科，涵蓋了光學、機械、電子、計算機、信息等多學科的專業知識，具有典型的多學科交叉融合特點。測控技術與儀器專業作為當前儀器科學與技術學科對應的唯一本科專業，也屬于新工科建設范疇。“幾何光學”課程作為光電信息科學與工程、測控技術與儀器的專業基礎課，為適應新工科發展，必然要開展課程教學內容改革和教育教學方式革新。

3)工程教育專業認證促使課程教學必須適應專業對學生能力培養的要求

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎。以學生為中心、成果導向教育和持續改進是工程教育專業認證的基本理念[8]。課程體系建設是實現專業培養目標的基礎保障，課程教學是學生能力培養和畢業要求達成的根本環節。

最新修訂的工程教育專業認證標準對學生解決本專業復雜工程問題能力以及學生的“工程與社會、環境和可持續發展、職業規范、個人和團隊、溝通、項目管理、終身學習”等非技術素養的培養提出了更高的要求。作為落實工程教育理念和要求最根本環節的課程教學必須與專業對學生的能力培養相適應。

2 “幾何光學”課程教學現狀調研

為分析“幾何光學”的教學現狀，我們對重慶大學2017～2018學年和2018～2019學年光電信息科學與工程、測控技術與儀器專業的學生學習情況進行了三次調研，分別是：《2017-2018學年第二學期“幾何光學”課程教學調查》、《2018-2019學年第二學期“幾何光學”課程教學中期調查》、《2018-2019學年第二學期“幾何光學”課程教學調查》。課程教學調查安排在課程結束時進行，主要關注學生對課程滿意度、獲得感、學習情況以及課程改進的建議；課程教學中期調查安排在課程期中測試后進行，重點關注學生對課程基本理論的掌握情況。三次調研共收集了125份學生的反饋問卷，其中課程教學調查104份、課程中期教學調查21份。

(a)教學滿意度統計 (b)課程獲得感統計

圖2 學生最佳學習手段統計

圖3 學生對課程改進的建議

圖1～圖3為2018、2019學年的課程調查統計。從調查情況看，課程教學的現狀主要表現為以下幾個方面。第一，學生對“幾何光學”課程教學總體是比較認可的，88%的學生對教學是滿意的，84%的學生認為課程的知識、能力、素質獲得符合自己的預期；教學滿意度較高，知識、能力、素質的獲得感較強。第二，現行的按照工程教育專業認證標準制定的課程教學大綱對學生的學習具有較好的指導作用。第三，學生在課程學習過程中注重課堂教學、課后復習和課后作業環節，但忽視了課前預習環節的重要性；這不利于課程知識的內化和能力培養。第四，學生主要通過課堂教學、作業和自學等手段完成課程學習；但網絡資源的利用率不高，與同學的交流不足。第五，學生認為課程還應該在工程性、應用性，知識的系統性、前沿性等方面進一步提升和改進。圖4為2019學年的課程教學中期調查結果統計。從調查的結果看，96%的學生認可課程采用的教學方法，78%的學生適應課程的教學方法。從基礎理論和基本知識的掌握情況看，學生能夠完全掌握“幾何光學”的符號規則、單個折射面近軸公式以及牛頓公式、高斯公式等理想光學系統的物像關系；但是，隨著理論知識的增多、過渡關系以及等效光組參量等的引入，學生對知識的理解程度降低，非常容易混淆各種參量的物理含義。這表明學生對于基礎知識的理解不深、知識的內化程度不夠、綜合應用能力需要加強。

(a)學生對教學方法的適應情況 (b)學生對課程知識理解情況圖4 課程教學中期調查結果統計

綜合以上兩方面的調研，我們認為當前“幾何光學”的課程教學總體是能夠滿足學生能力培養和專業發展要求的。但具體教學環節還存在一些不足，主要體現在：①學生學習手段單一，過分依賴課堂教學，線上資源利用率低、自主學習動力不足；②學生對課前預習的學習環節重視不足，課堂知識內化程度不夠，綜合應用能力不足；③課程的教學內容新穎性需要進一步凸顯，增加工程性、應用性、系統性和前沿性的教學內容和教學設計。

此外，我們也注意到：當前“幾何光學”課程的教學內容還是以高斯光學為基礎的經典內容，雖然教學過程中會涉及科學精神、工程素養等方面的內容，但是尚未將課程思政顯式地作為課程的教學目標；同時，課程的光學系統設計教學內容仍以經典目視光學系統為主，未能充分體現新工科對專業基礎課程的要求。

3 適應新形勢開展“幾何光學”課程

教學改革的思考

為了使課程教學適應當前高等教育新形勢的發展，使學生在課程學習過程中打牢專業基礎、提升知識的綜合應用能力，滿足新工科、工程教育認證對光電信息科學與工程、測控技術與儀器專業學生的應用光學知識、能力、素質方面的要求，我校“幾何光學”課程教學組經過廣泛的調研和討論，形成了以下幾點課程教學改革的思考。

3.1 在教學設計上融入課程思政理念，增加相應教學環節

“幾何光學”作為專業基礎課，雖然不具備“馬克思主義基本原理”、“毛澤東思想和中國特色社會主義理論體系”以及“思想道德修養”等成體系的思政類課程思想政治教育的作用，但可以在國家意識、社會責任、科學精神、文化自信和工匠精神等方面引導和激勵學生。進而使學生理解發展光學事業在中國特色社會主義事業新征程中的歷史使命，激發學生將職業發展與專業發展有機結合的自覺性，培養學生作為未來光電專業人才的社會責任感、工匠精神、創新意識與自主學習能力。

課程的教學設計上，將科學精神、國家意識、社會責任、工匠精神等課程思政元素有機融合到各章節的教學中。在課程前言部分的教學中，以激發學生學習光學的興趣為目標，增加光學發展簡史教學環節，培養學生不畏困難、客觀判斷、實踐檢驗和勇于創新的科學精神；增加國內光電產業發展的教學環節，培養學生作為光學專業從業人員的國家意識和社會責任感。綜合理想光學系統理論、像差理論和光學系統設計的教學內容，使學生理解原理設計和工程實現的差異，理解像差控制對光學系統設計的重要性，培養學生在光學設計中處理矛盾的唯物辯證思維的工匠精神。

3.2 以光學和儀器的產業和行業最新發展方向為指引革新課程教學內容，適應新工科建設的需要

“幾何光學”課程的教學重點包括高斯光學理論和光學系統設計兩大部分。當前，絕大部分高校的光學系統設計教學都是以經典的目視光學系統，如顯微系統、望遠系統、攝影系統等為主要內容。然而，近年來，隨著光學和儀器行業的發展，應用光學中出現了許多新技術，如自由光學曲面、非成像光學、緊湊型光學系統、微納光學等。這些新技術的出現，要求我們必須在現行教學內容基礎上對課程進行革新，以適應新工科發展的需要。

在課程內容革新的過程中，可以遵循以下原則：①在保證高斯光學理論完整性的前提下，適度精簡和提煉幾何光學的基礎理論；②結合具體工程實例增加基礎理論綜合應用的教學內容，以拓展學生視野，提升學生的基礎知識應用能力；③在現有顯微系統、望遠系統和攝影系統等目視光學系統設計教學內容的基礎上，根據各高校的研究基礎和面向行業的不同，從科學研究中凝練1～2個現代光學系統設計案例作為新的教學內容，拓展課程的前沿性、系統性。重慶大學可以在信息光學系統設計、微納光學系統設計和光纖傳感光學系統設計等方面凝練案例，形成具有自身特色的教學內容。

3.3 以學生為中心，突出專業素養訓練，適應工程教育認證對學生非技術因素的要求

一流本科的專業基礎課程教學絕不是簡單的專業技能培訓，而是在掌握扎實專業基礎理論的前提下培養學生的專業素養，注重接觸多元思想、開拓個人視野和鍛煉綜合能力[9]。這與工程教育專業認證要求培養學生的工程與社會、環境和可持續發展、職業規范、個人和團隊、溝通、項目管理以及終身學習等非技術因素能力是相一致的。針對當前“幾何光學”課程仍以知識傳授為主的現狀，我們一方面需要加深基礎理論的教學使學生打牢基礎，另一方面需要從工程實踐中凝練教學案例做到理論與實踐相結合，全面培養學生對工程問題的理解能力，形成良好的專業素養。

在教學形式方面，可結合重慶本地光學設計企業較為集中的優勢，設計專門的課程講座環節，通過聘請光學設計企業的高級工程師為學生講解光學系統設計發展現狀以及光學系統從原理設計到工程實現的全過程流程管理，拓展學生的視野，培養學生的職業規范和項目管理能力。

3.4 構建形成性和終結性相結合的課程評價體系，確保課程教學過程的持續改進

形成性評價是在教學過程中為了解學生的學習情況，對學生日常學習過程中的表現、所取得的成績以及所反映出的情感、態度、策略等方面的發展做出的及時評價。通過評價激勵和管理學生學習過程，并及時調整課程教學過程。終結性評價是在教學活動結束后為判斷學生學習效果而進行的評價。

課程教學過程應包括兩個層次的循環：一是以學生為責任主體的“課前——課堂——課后”學習過程循環；二是以教師為責任主體的“大綱修訂——教案修訂——課程教學——學生達成情況評價——課程教學改進”教學過程循環。無論哪個層次的循環都需要依據一定的評價結果來推動。從評價的目的來看，形成性評價適合于學習過程評價，終結性評價適合于教學的評價，兩種評價手段缺一不可。因此，我們需要構建形成性和終結性相結合的課程評價體系，保障學生學有所獲，確保課程教學活動一直處于良性的持續改進過程中。

4 結語

課程思政、新工科、工程教育認證，最終的指向是高等學校本科人才培養。“幾何光學”課程在教學設計上融入課程思政理念，以光學和儀器的產業和行業最新發展方向為指引革新課程教學內容，突出專業素養訓練，構建形成性和終結性相結合的課程評價體系，確保課程教學過程的持續改進，契合“成果導向、以學生為中心和持續改進”的工程教育理念。這也是“回歸常識、回歸本分、回歸初心、回歸夢想”四個回歸要求在課程層面的具體體現。