光電儀器設計線下一流課程教學設計探索與實踐

吳玲玲 高 明 尚小燕 紀小輝 王 謙

（西安工業大學光電工程學院，陜西 西安 710021）

1 一流課程建設背景及意義

2019年10月，教育部發布《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8號），建設適應新時代要求的一流本科課程，全面開展一流本科課程建設，樹立課程建設新理念，推進課程改革創新，實施科學課程評價，嚴格課程管理，立起教授上課、消滅“水課”、取消“清考”等硬規矩，夯實基層教學組織，提高教師教學能力，完善以質量為導向的課程建設激勵機制，形成多類型、多樣化的教學內容與課程體系。經過三年左右時間，建成萬門左右國家級一流本科課程和萬門左右省級一流本科課程。

2 光電儀器設計一流課程建設的基礎

光電儀器設計是西安工業大學光電信息科學與工程專業的一門專業課程，由精密儀器設計課程為基礎發展而來。專業課精密儀器設計主要介紹光學、機械精密儀器的典型部件設計。隨著精密儀器專業調整為測控技術與儀器專業，精密儀器設計已無法滿足光電儀器行業對教學提出的新要求。因此，將現代設計方法、測控電路、誤差理論與數據處理、傳感器等知識引入課程知識體系中，設立了光電儀器設計課程。

光電儀器設計以光、機、電結合的光電儀器為著重點，講授光電儀器設計中的共性問題。希望學生通過對本課程的學習，能夠理論聯系實際，綜合運用所學的有關課程（儀器類專業基礎課和專業課如精密儀器電路、誤差理論與數據處理、傳感器、精密機械零件等），將光、機、電、計算機知識相結合，具備當代測量與控制技術和光電精密儀器及系統的研究、設計能力；培養學生解決工程技術具體的實際問題的能力。

多年來光電儀器設計課程建設做了大量建設工作，取得了一系列的成果，包括：

2.1 課程建設

2007年結合教學改革項目“《光電儀器設計》試題庫建設及考試方法改革”，通過考試方法改革，將期末考試與系統出題多次測驗相結合，更加全面地考核學生的知識和能力。

2012年，結合學科發展和專業特色，自編教材《光電儀器設計》經國防工業出版社出版，被列為“普通高等院校光電工程系列十二五規劃教材”。2013年獲陜西省普通高等學校優秀教材二等獎以及第四屆兵工高校優秀教材一等獎，排名第1。

2015年獲批陜西省精品資源共享課程。2016年在泛雅平臺建設了課程網站，教學大綱、課件、測驗、試題庫等資源全部上網。

2016年，光電儀器設計獲批校級核心課程建設項目，在教學方法設計、教學內容更新、題庫建設、立體化教學資源建設等方面開展了進一步的建設。2018年，光電儀器設計獲批校級課程思政建設項目，在專業課程內容融入思政工作、課程思政教學資源建設等方面做了有益的探索。

2.2 教學團隊

課程負責人先后被評為陜西省師德標兵、陜西省教學名師，并獲“陜西省教書育人楷模”和“陜西省優秀教育工作者”稱號。課程團隊所屬的測控技術與儀器專業教學團隊獲批省級教學團隊。

3 課程與教學改革要解決的重點問題

該課程已有的建設雖然持續提升了課程質量，但距離國家級一流課程仍然有很大的差距，必須進行新的探索和實踐。課程與教學改革要解決的重點問題有：

3.1 教學方法單一

因學生人數多，開展研究式、互動式教學方法難度大，目前主要結合儀器設計案例分析進行講解，教學方法較單一。

3.2 解決復雜工程問題能力培養不足

光電儀器產品的設計是典型的復雜工程問題。授課時要從分析生產實際中的典型光電儀器設計實例入手，由淺入深地介紹設計任務分析、信號轉換原理的選擇、提高儀器精度的措施、結構參數和技術指標的確定以及總體方案的確定，完整地再現儀器設計的全過程，學習難度大，從課程達成分析的結果看，學生儀器設計能力培養的效果不理想。

3.3 倫理、法律等非技術因素融入不足

本課程側重于融合光、機、電、算各類課程介紹設計方法，在工程、倫理、法律、安全等非技術因素的融入不足。

4 教學設計的基本思路與內容

針對上述問題，本課程的建設從教學設計、教學內容、教學方法、課程考核、課程資源等方面開展綜合性教學改革，完成后形成體現復雜光電儀器系統設計特點的光電儀器設計一流課程。

4.1 教學設計的思路

教學設計一般包括教學目標、教學對象、教學任務、教學內容、教學方法、教學實施及評價反饋等。教學設計主要是針對一節代表性課程的完整教學設計和教學實施流程，教學設計需要從課堂教學目標出發，將教學內容（知識點）和教學活動（教學方法）結合起來，同時需要教師給出教學反思，根據教育學、教育心理學等方面進行整體考慮課堂教學設計。

4.2 教學設計實例

4.2.1 教學內容

“典型光電儀器設計之成像光譜儀”這節課是在學生已經學習了光電儀器總體設計方法、設計原理、設計原則和儀器精度理論的基礎上學習的。通過本節課的學習使學生了解成像光譜儀研究的必要性以及成像光譜儀的特點，并能根據軍事、民用領域的不同應用需求，提出問題、分析問題并解決問題，進行成像光譜儀的總體方案設計和方案論證。

4.2.2 教學目標

（1）知識、能力和素質。通過成像光譜儀的原理分析、參數確定和選型與設計案例分析應具有以下知識、能力和素質：

①能解釋說明成像光譜儀的應用；

②成像光譜儀的分類及工作原理；

③能根據軍事、民用領域的不同應用需求，結合安全、經濟等因素選擇合適的成像光譜儀的工作原理；

④能根據指標要求確定成像光譜儀的主要參數；

⑤能夠說明不同工作原理的成像光譜儀的特點和適用范圍；

⑥能夠綜合考慮安全、法律、經濟等因素進行成像光譜儀的方案設計和方案論證。

（2）過程和方法。

①通過案例分析法讓學生初步學會成像光譜儀工作原理分析；

②通過分組研討進一步學會成像光譜儀的參數確定和選型；

③通過分組研討能夠進行成像光譜儀的方案設計和方案論證。

（3）情感態度和價值觀。

①通過成像光譜儀的廣泛應用體驗運用光電知識解決軍事、民用領域迫切需求的樂趣；

②通過了解光電行業龍頭企業被技術封鎖，體會光電知識與國防、軍事的緊密聯系，樹立學習知識、為國效力的志向，感受光電儀器的價值；

③形成良好的積極向上的學習習慣。

4.2.3 學生特征分析

（1）學生是大學四年級的學生。

（2）學生對最新的光電儀器在軍事和民用領域的應用有著濃厚的興趣。

（3）學生已經掌握光電儀器總體設計方法、設計原理、設計原則和儀器精度理論。

（4）學生檢索資料的能力比較強。

（5）學生光學、機械等參數計算和儀器精度估算能力有一定的基礎。

（6）綜合運用光機電算的知識結合儀器設計方法進行光電儀器設計的能力需要加強。

4.2.4 教學方法

以案例式教學法為主，堅持啟發式教學理念，采取研究式、互動式教學，合理、有效地利用現代化教學手段，強化對學生基礎知識的傳授，著力培養創造性思維能力，遵循教育規律和教學原則改革現有單一的講授的教學方法，使之符合創新人才要求。

4.2.5 教學環境

智慧教室的運用。

4.2.6 教學設計

隨著教學實踐的積累，教學團隊的教學理念逐漸更新，即教師需要把知識傳授為主的教學修正為以學生為主的學習活動，學生也需要改變傳統的學習習慣，從被動變主動。充分發揮和尊重學生在學習中的主體地位，激發起學生內在的好奇心和自主學習的熱情，幫助他們發現問題、分析問題和解決問題，最終讓學生具有積極正確的價值觀，養成自主學習、終身學習的習慣。

整個課程的教學設計中，首先明確課程思政的重要性，將社會主義核心價值觀融入教育教學全過程，并將工程、倫理、法律、安全等非技術因素貫穿始終。其次教學內容方面，儀器總體設計及儀器精度分析，其實是很枯燥的，但是通過在課堂教學中引入典型案例，激發學生學習興趣和潛力。

學生從最開始分析簡單儀器的工作原理、檢索資料、到分組自行設計儀器方案、繪制原理圖、方案論證、計算儀器參數，直至最終確定總體設計方案并單獨進行分系統設計，完整地體驗了儀器設計的全過程，教學內容由淺入深分層次進行，學生工程能力培養由低到高、逐步進階。學生也完成了從最初的“聽眾”到“設計者”的身份轉變。

4.2.7 教學活動

（1）引言。介紹國防、軍事領域揭露偽裝、發現地方軍事目標的作用，吸引學生的注意力，幫助學生專注課堂在即將要介紹的內容、了解本節內容的重要性。

提出問題：為什么成像光譜儀能夠揭露偽裝？

引導學生了解成像光譜儀的重要性和學習的必要性，以濃厚的興趣進入成像光譜儀相關內容的學習。

（2）參與學習。

參與式學習，采取兩種方式：

一種是教師與學生之間的互動，另外一種則是同學之間的討論。在這個階段，將學生分成小組，教師此時給出問題，讓學生進行思考，然后以小組為單位討論成像光譜儀設計中的問題，并鼓勵學生自主思考、提出問題。教師引導學生一起分析問題，為學生答疑解惑，如圖1所示。

圖1 光電儀器設計教學設計與復雜工程問題的對應關系

因為儀器設計具備復雜工程問題的四個特征，是典型的復雜工程問題。案例式教學中帶領學生體驗儀器設計全過程的七個步驟：

第一，提出科研中的實際問題。

分析我國的國防和國內制造業升級對成像光譜儀等先進光電儀器產品的迫切需求，以及當前發達國家對我國光電行業龍頭企業的技術壟斷和封鎖，激發學生的愛國之心，立志“為中華之崛起而讀書”，將課程思政元素自然地融入課程，并提出國防和國內制造業升級對成像光譜儀提出的實際需求和急需解決的問題。

第二，光電儀器的設計任務分析。

以分組討論的形式引導學生綜合考慮安全性、工藝性、經濟性、專利知識產權等進行設計任務分析，將工程、法律（專利）、倫理、經濟等非技術因素融入儀器設計。

第三，信號轉換原理的選擇。

通過檢索文獻了解相關儀器的測量原理，培養學生自主學習、探究知識的能力。綜合運用專業課知識，分析相關儀器工作原理。

第四，方案的論證和選擇。

以分組討論的形式，通過精度、可行性、合理性、經濟性的分析，進行方案論證，結合非技術因素確定總體方案。最終每個小組的成員共同確定本組的儀器設計總體方案。

第五，對選定方案確定技術指標，以分組討論的形式通過設計任務的精度要求合理確定光電儀器的各項相關技術指標。

第六，系統設計。

完成光電儀器的光學、機械結構、系統硬件、電路及軟件等的設計。這部分工作分工完成，由小組內每位學生根據自己的特長和興趣選擇光學、機械結構、系統硬件電路及軟件等中的一個系統進行具體設計工作，充分尊重學生的興趣和選擇，體現個性化、差異化培養，系統設計工作在課后完成。

第七，編寫設計報告。

每名學生都需要總結設計成果，撰寫設計報告。撰寫報告在課后完成。

（3）課程考核。課程考核進行多元化設計，將學生分組討論過程中的表現和回答問題的情況記錄下來，結合課后提交的成像光譜儀設計報告，給出成績。這樣就將過程性測試與形成性測試、總結性測試整合，形成課程的多元化考核。

（4）總結。教師幫助學生總結課堂內容、整合學習要點。表揚學生的努力和學習成果，鼓勵學生迎難而上，做好課后的設計報告。

5 課程建設的效果

5.1 建立與培養學生創新能力相適應的考核方法

建立全過程多元化考核體系，綜合應用綜述、設計報告等非標準答案考試進行多元化考核，全過程考核學生對知識的掌握和運用，注重對學生能力的評價。

5.2 優化課程資源

本課程所選用的教材光電儀器設計為“普通高等院校光電工程系列‘十二五’規劃教材”，2013年獲陜西省普通高等學校優秀教材二等獎以及第四屆兵工高校優秀教材一等獎，排名第1。結合光電儀器設計試題庫、光電儀器設計課件，已經形成立體化的教材體系，今后要根據學科發展和典型光電儀器產品的更新換代，不斷充實和擴展這一立體化教材體系。在工程、倫理、法律、安全等非技術因素、課程思政和課程內容結合與滲透需要進一步做好設計，挖掘、設計非技術因素和課程思政資源與儀器設計結合的典型案例。

5.3 持續改進

本課程的目標是使畢業生能夠設計針對測控技術和儀器系統工程問題的解決方案，設計滿足特定需求的測控技術和儀器系統，并能夠在設計環節中體現創新意識。在教學過程中，為了促進課程各項目標的達成，需要對建設效果進行評估分析，在課程質量標準、教案或演示文稿、重點難點指導、作業、教學方法等各方面的建設工作中及時發現問題并進行持續改進。

為了達到國家級線下一流課程的標準，教學團隊從教學設計、教學內容、教學方法、課程考核、課程資源等方面開展綜合性教學改革，形成體現復雜光電儀器系統設計特點的光電儀器設計一流課程，受到學生的廣泛歡迎，效果良好。2020年11月，光電儀器設計獲批教育部首批國家級線下一流本科課程。