基于線上線下混合模式的工程光學綜合實驗平臺的建設研究

李小燕 任洪亮 張奚寧 劉永欣 陳子陽

摘?要：在“新工科”課程建設需求下，基于華僑大學僑生背景的學情，以培養“應用型”人才為目的，文章針對工程光學實驗中存在的問題，對現有的實驗內容，教學方式及考核方式方面進行了改革探索。將實驗內容分成不同層次的學習任務，以虛擬仿真實驗平臺為輔，實際操作實驗為主，基于虛擬實際相結合的混合式教學方式，構建一個可以根據學生的實際學習情況進行個性教學的綜合實驗平臺。該綜合實驗平臺有助于培養學生解決問題、科研動手能力，團隊協作能力、自主式學習及研討式學習的能力。

關鍵詞：仿真平臺;工程光學實驗;個性化教學;自主學習

電子科學與技術專業是一門多學科交叉專業，工程光學實驗課程作為電子科學與技術專業獨立設置的必修專業課實驗課程，對于提高學生的專業技能和素養具有重要的作用。而未來的人才不僅在于其具有扎實的專業知識和技能，更在于其創新意識和創造能力的發揮。要使學生適應社會發展的需要，工程光學實驗實驗是一種有效的方法，是通過綜合訓練來培養學生的研究能力和綜合素質，主要是自主學習能力和創新能力。

一、工程光學實驗教學中存在的問題：

根據多年來的教學情況來看，以往的工程光學實驗教學存在很多的問題：實驗方法落后，實驗種類基本都為驗證性實驗，其實驗方法以及實驗結論都比較固定，導致學生思維受限，無法做到理論聯系實際，更不用說自主創新了;教學方式簡單，僅靠學生根據講義和教師演示進行學習操作，而學生一般基礎理論不足，學生在沒有接觸過任何實驗儀器的情況下進行操作，對實驗器材十分陌生，經驗缺乏，動手能力不足，導致學習效果不佳，學生的實踐能力得不到提高;受實驗課時、實驗室開放時間、學生做實驗時間及師生交流互動所限，學生的學習效果也不理想。同時工程光學實驗考核較為單一，成績判定缺乏科學性。

為了解決這些教學中存在的問題，華僑大學工程光學教研組對教學模式、考核方式和實驗內容進行了改革，建立了一個基于線上線下混合教學模式，漸近式實驗課程體系下新的工程光學實驗平臺。

二、工程光學實驗平臺的建設與實踐：

（一）優化實驗項目

為了解決實驗項目固化、方法落后，無法培養學生的創新能力的問題，將驗證型實驗進行歸類合并，減少必修實驗中驗證型實驗的數量，同時增加應用型和開放式實驗，加強對學生解決問題能力的培養。

針對學生光學實驗經驗缺乏，動手能力不足的問題，教研組在實驗內容中增加對實際操作能力的培養，由淺入深逐步提升，不同實驗側重點不同。

由于實驗時間有限，太復雜的實驗學生往往無法在限定的時間內完成實驗任務，教研組設計了新的實驗光路，簡化復雜枯燥的調試過程，刪除重復的學習內容，避免挫傷學生的積極性的同時提高實驗效率。

比如以往的工程光學實驗中圓孔的菲涅耳衍射及單縫的夫瑯和費衍射分成兩個實驗，這兩個實驗屬于驗證型實驗，光路相對簡單且雷同。將兩個衍射實驗進行合并，實驗中只需要變換目標板，改變投影屏的距離就可以完成實驗項目的變換，不用重復調試光路。將兩者合并成一個實驗項目既減少了實驗數量，又簡化了枯燥的調試過程，在不降低實驗效果的同時提高了實驗效率。

（二）建立漸近式的實驗課程體系

華僑大學僑生比較多，來自世界各地的僑生與國內的在校大學生知識背景差別比較大，每個學生的學習能力水平各有不同，對一部分同學來說簡單的實驗對另一部分學生來說相對比較困難。一刀切的課程學習體系無法應對華僑大學學生知識背景相對復雜的學情。

針對學生知識背景及學習能力差別的問題，實驗平臺將學習任務分為三個逐漸提升的層次：必修實驗，擴展實驗，開放式實驗。必修實驗中包含十個工程光學基本實驗，涵蓋了工程光學的基本內容，可以幫助學生更好地理解工程光學的基本原理和概念。每個實驗對學生科研操作能力的培養側重點不同。這是每個學生都必須要完成的實驗項目，相對比較簡單，適合學習能力不足的學生。

學有余力的學生可以選擇擴展實驗和開放式實驗做為進一步的學習內容。擴展實驗任務包含更多不同類型的實驗，這些實驗可以幫助學生進一步理解工程光學的擴展原理和概念。

開放式實驗針對想要創新的學生。可以根據實驗問題情境，按照自己的想法搭建光學實驗。開放式實驗的增設可以提高學生解決問題的能力和科研創新能力。

（三）以虛擬仿真實驗平臺作為教學輔助，采用虛擬實際相結合的混合式教學方式，教師根據學生的實際學習情況進行個性教學

工程光學實驗的物理光學部分選用中國科學院軟件所自主研發的seelight光學系統虛擬仿真實驗平臺。該平臺基于麥克斯韋方程組、菲涅耳-基爾霍夫衍射、阿貝成像、光線追跡等理論，結合云計算、并行計算等技術實現了模塊化的物理建模仿真。

應用光學及光學設計部分選用同樣是軟件所研發的seeod光學系統優化設計軟件進行。該軟件以光的直線傳播、數學幾何原理、光線追跡等為基礎，對光學系統的幾何像差和波動像差進行多角度分析，重點突破光學系統的多變量、多目標的自動優化和公差分析，可以對幾何光學系統進行虛擬仿真模擬。

綜合實驗平臺將學生的學習過程分為：課前預習、課中操作和課后復習三個階段。課前學生根據教師布置的任務目標，在虛擬實驗平臺上提前演練將要操作的實驗項目，可以更好地理解實驗原理，掌握實驗方法和步驟，節省時間，提高效率。學生完成仿真訓練任務后，將仿真結果和問題及時反饋給教師，相關問題將作為實驗教學環節的教學重點。課中教學環節，學生在實驗室中分組進行實驗操作，學習實際光路搭建的方法，驗證仿真的結果。教師在旁結合課程內容闡釋相關概念和光學原理進行指導，強化學生對課程知識的理解。課后跟進提升環節，學生基于在線平臺完成相關實驗原理的復習練習，教師跟進輔導，掃除學生的知識盲區。

教師根據每個學生的學習情況，針對學生的強項、弱項給出個性化的學習建議，并根據整體學生對課程知識點的掌握情況，及時調整實驗內容和教學重點。

（四）增加考核內容，完善考核體系，對全體學生的學習情況進行綜合測評

將預習成績、知識點測評成績及實驗報告做為基本考核內容，考查學生對基本原理概念的掌握程度及基本實驗操作水平;擴展實驗、開放式實驗的學習情況作為附加考核內容，考查學生學習的廣度深度及學生的科研創新水平。

三、工程光學綜合實驗平臺的特色

（一）分段式學習過程

實驗平臺將學生的學習過程分為：課前預習、課中操作和課后復習三個階段。通過課前預習，學生在做實驗時可以做到心里有數，提高實驗效率，課后復習則可以幫助學習鞏固所學知識。

（二）漸進式的學習任務包

實驗平臺將學習任務分為三個逐漸提升的層次：必修實驗，擴展實驗，開放式實驗。不同學生可以根據自身的水平選擇不同層次的學習任務。漸進式的學習任務包可以滿足不同學生不同層次的學習需求。

（三）個性化教學

結合學生的預習成績、知識點測試的正確率、在實際操作中的表現及實驗報告，教師能夠隨時掌握每個學生實時的學習情況及實際能力水平，及時調整教學內容和重點，針對學生的薄弱環節進行輔導，并根據整體學生對課程知識點的掌握情況，及時調整實驗內容和教學重點。

（四）自主式學習和研討式學習

學生可以在課前或課后在虛擬仿真平臺上進行自主學習，也可以根據自身水平來選擇不同層次的學習任務包。學生基于仿真實驗平臺形成的仿真模型及計算結果可實時在線共享，便于小組成員之間針對仿真案例進行深入交流和討論。學生也可通過團隊協作形式，進行分工合作共建仿真工程、數據分析和撰寫實驗報告，培養學生的團隊協作意識。

四、結語

為了解決工程實驗教學中存在的諸多問題，華僑大學工程光學教研建設了一個基于線上線下混合教學模式的，擁有漸近式課程體系的綜合性實驗平臺。該平臺的分段式學習過程可以將學生的學習分為不同的階段，提高學生的學習效率;漸進式的學習任務包，方便學生根據自身的時間安排和學習水平來選擇不同的學習時段和學習任務，可以提高學生的學習興趣;虛擬實驗平臺方便小組成員之間針對仿真案例進行深入交流和討論，可以培養學生的團隊協作能力。同時通過該實驗系統教師可以實時掌握學生的學習情況和現有水平進行個性化教學。綜上所述該綜合實驗平臺可以培養學生解決問題和科研動手能力、自主學習能力、創新能力及組織協作能力，培養出國家需求的“應用型”人才。

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課題項目：2020年華僑大學新工科示范課程項目-工程光學;2021年華僑大學項目-第三批校一流課程，線下課程;2019年福建省本科高校重大教育教學改革研究項目“電磁場數值計算方法精品課程建設探索與實踐研究”（項目編號：FBJG20190124）

作者簡介：李小燕（1979—?），女，漢族，廣西崇左人，博士，華僑大學信息科學與工程學院電子科學與技術系講師，研究方向：光學設計、光束傳輸。