基于虛擬仿真的“物理光學”混合式教學模式探索

賀文俊，歐陽名釗，王 洋，鄭 陽，常艷賀

（長春理工大學 光電工程學院，吉林 長春 130022）

引言

“物理光學”課程依托長春理工大學光學工程和儀器科學與技術兩大學科，面向光電信息科學與工程、測控技術與儀器兩個國家級一流專業建設點，作為專業基礎課和必修課，是從事光學、光學工程及相關領域研究工作的基礎，在學科建設及專業人才培養中具有重要作用。但是，本課程的學習需要豐富且抽象的數理知識，又涉及很多復雜的推導過程，課程理論性強，內容晦澀難懂。同時學生反映，由于課程中所涉及的光學概念難以直接簡單地與生活中可以觀察到的光學現象相關聯，因此，對光學知識點缺乏直觀性的理解。這些都導致學生學習興趣不高，學習效果不好，課程目標達成度較低。

為了解決上述問題，在國家積極推動“雙一流”建設的背景下，課程組開展了基于虛擬仿真的“物理光學”線上線下混合式教學的改革與探索。針對“物理光學”課程中公式復雜、難以理解的教學內容，基于VirtualLab Fusion光學仿真平臺將其設計為虛擬仿真內容，并結合虛擬仿真結果進行教學，以降低學生對相關知識點的理解難度，從而使理論教學變得生動豐富，并能具體生動形象地展示枯燥抽象的理論知識，增強了學生的感性認知。同時，改變了傳統單一的線下教學模式，采取線上線下混合式教學，能夠充分利用各類教學資源，擴展學生的知識面，通過各種教學方法、教學媒體、教學策略等的優化組合，發揮了學生的主體作用，增強了學生的積極性和創造性。本文以長春理工大學“物理光學”課程為例，探討了虛擬仿真技術與線上線下混合式教學的深度融合方法，研究了線上線下混合式教學設計，以及面向產出的多元化學習評價方法。

一、虛擬仿真可視化教學資源建設

VirtualLab Fusion是由德國LightTrans公司研發的一款基于統一化光學建模理念的光學仿真平臺，其通過求解麥克斯韋方程組獲得了整個光學系統空間里的光場向量信息，保證了所有模式光源和通過光學元件任意傳輸方法的完全兼容性，建模范圍包括從幾何光學到物理光學及其組合的簡單或復雜的光學系統。該平臺采用流程圖的形式進行光學系統的建模和仿真分析，內部集成了大量常規的模塊化操作，極大地簡化了理論建模、光路搭建、光路對準等工作，能夠方便簡單地實現“物理光學”課程中光的干涉、衍射、偏振等教學內容的虛擬仿真。

課程組根據教學大綱規劃了“物理光學”課程中能夠進行虛擬仿真的教學內容，并依托長春理工大學與VirtualLab Fusion中國代理商上海訊稷光電聯合成立的光學設計聯合實驗室，開展了相關教學內容的虛擬仿真可視化教學資源建設，設計開發出了與“物理光學”課程所對應的大量虛擬仿真系統，如光的色散、球面波的位相、平面波與球面波的干涉、平行平板的多光束干涉、菲涅爾衍射、夫瑯禾費衍射、偏振等教學內容，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真教學資源部分案例

虛擬仿真可視化教學資源的建設將教學過程中眾多具有復雜、抽象概念的課堂教學，通過簡單的流程圖的形式進行建模，使傳統課堂中不易展示的光的基本屬性、干涉、衍射及偏振相關的抽象特征，通過虛擬仿真平臺形象逼真地展示出來，使學生能夠脫離復雜的理論公式，理解各種現象的物理本質和特征，有助于學生對教學內容的理解和感性認知。

二、線上線下混合式教學設計

“物理光學”課程秉承工程教育專業認證的OBE理念，堅持以學生為中心，以結果為導向，思政元素頂層滲透的教學設計思路，力圖在教學過程中體現“物理光學”課程的高階性、創新性和挑戰性。改革課程采用的傳統單一的線下教學模式，主要包括課堂講學（64學時）和實驗教學（16學時）。改革后的課程學時安排如下：線上教學16學時，占20%；線下教學48學時，占60%；實驗教學16學時，占20%。

虛擬仿真教學內容有機融入各種教學模式中。（1）在線上教學過程中，虛擬仿真教學資源融入視頻觀看、課后鞏固環節。在課后鞏固環節，結合科研工作中的實際案例與“物理光學”的知識點，設計出可供學生自主學習和探索的虛擬仿真模塊，使學生通過線上課程的指導，自己建模開發出較為復雜的光學系統，培養學生自主學習及解決復雜工程問題的綜合能力和高級思維，提升課程的高階性。（2）在線下教學過程中，虛擬仿真教學內容融入PPT和課堂討論中，通過形象直觀的展示將抽象的光學概念可視化，降低學生對相關知識點的理解難度。（3）在實驗教學過程中，虛擬仿真教學內容融入實驗指導書和實驗結果討論中。在每次實驗課中，學生可將虛擬仿真實驗與實物實驗過程及結果相互比對，提升學生對教學內容的理解。

（一）線上教學設計

對于線上教學，主要針對課程中相對容易理解的知識點和一些補充延展的內容。其教學實施過程包括視頻觀看、互動、習題、答疑、測試和鞏固等環節。視頻觀看包括課程組教師錄制的教學視頻、VirtualLab Fusion虛擬仿真視頻，以及學堂在線及慕課等優秀線上教學視頻。通過建立豐富的線上課程資源知識點講解視頻，讓學生擁有相應的線上自主學習條件。此外，建立線上知識點題庫，通過線上平臺測試題對學生的自主學習能力進行考查，了解學生通過線上自主學習對知識點的掌握情況。

具體實施過程設計如下：在第四周周五的第3、4節課（90分鐘），前15分鐘在雨課堂平臺上觀看光的吸收、色散和散射的相關知識點視頻，使學生能夠歸納知識點的主要內容。其后，20分鐘進行互動，引導學生共同思考；15分鐘進行習題練習，加強學生對知識點的理解；20分鐘講解習題題目，答疑；15分鐘測試，考核學生的學習效果；5分鐘推送類似的學習內容，鞏固學習效果。

（二）線下教學設計

線下課堂教學包括課堂講學、課堂討論、課堂測試等環節。課堂講學為多媒體教學和板書教學相結合的方式，多媒體教學以虛擬仿真平臺VirtualLab Fusion實現可視化教學為主；課堂講學重點講解核心和難點內容，并引導學生于課外在線學習次要、簡單、補充延展的內容，并以此為脈絡將整個課程知識點串聯起來，形成思維導圖和知識樹。

此外，根據具體的教學內容，在課堂講學中設計了多次翻轉課堂環節，結合線上課程，學生通過自學對知識點有了基本了解和掌握；在線下課堂中，學生走上講臺講解該部分知識點，有效激發了學生自主學習的主觀能動性和積極性。每章結束后進行一次課堂討論，教師根據課程核心和重點內容提前給學生提供相關的討論題目，然后由學生收集相關資料，在課堂討論環節中分組討論共性問題和熱點問題，并在教師的指導下進一步分析和解決問題，達成共識。每章講完后進行一次課堂測試，從而對學生的知識掌握情況進行及時了解和評價。

（三）課程思政元素的有機融入

傳統的思想政治教學多采用教師講授灌輸價值觀，這使得思想政治教學與課程知識點割裂，思政元素融入生硬，容易誘發學生的反感情緒，難以在情感上引起學生的共鳴。

針對上述問題，課程組深入挖掘了課程中蘊含的思想政治教育價值，梳理了思想政治在培養學生知識、能力和素質方面的支撐點，形成了思想教育元素融入“物理光學”課程內容的知識點列表。我們將科技創新融入知識目標培養；科學發展觀融入分析光學現象和解決光學工程問題的能力目標培養；以老一輩光學科學家的事跡支撐素質目標的培養。以期強化學生的使命感、責任感和家國情懷，培養學生的創新精神和工匠精神。參與式教學能讓學生自主思考，實現由被動接受價值觀到主動塑造價值觀的轉變。課程思政的教學設計思路如下。

1.線上——融入思想政治目標的導向性任務。基于VirtualLab Fusion建立的物理光學仿真數據庫及雨課堂，提前發布融入思想政治目標的導向性任務，該任務在包含思政元素的時政新聞或社會熱點問題中恰當地融入專業性知識點。學生在線上學習過程中，不僅學習了相關理論知識，還了解了相關思政元素的背景，為線下課程的思想政治教學奠定了情感共鳴基礎。

2.線下——參與式教學方法促進思想政治教育融入。充分利用“物理光學”課程線上線下混合式教學的優勢，在線下課堂中開展翻轉課堂等參與式教學方法，通過教師導入問題、學生分組討論、生講師聽、教師點評總結等多個環節，使學生的學習由被動變主動，激發學生探索學習的興趣，同時，學生的深度參與使得思想政治教育融入得更為自然，更容易使學生產生情感共鳴，達到課程思政的教學目標。

3.思想政治教學目標的達成度評價。根據課程的知識目標、能力目標和素質目標，布置包含思政元素的啟發性或開放性作業，使學生了解相關的新技術和新知識，開闊學術視野，強化自我學習能力，對其中的價值觀問題進行主動思考，并根據作業完成情況和調查問卷評價思想政治教學目標的達成度。

三、面向產出的多元化學習評價機制

基于成果導向，探索了相應的多元化學習評價體系，增加了形成性考核的所占比重，通過課堂提問、分組討論、線上測試、線下作業等對課程學習成果進行評價和考核，通過實驗、期末考試等多個環節進行考核，從而由原來的單一評價變成直接和間接評價相結合、過程性與終結性評價加權累加、學生自評補充教師評價，所有環節都覆蓋了知識、能力和素質這三大課程目標。每年期末形成課程目標達成情況分析報告，評價結果用于下一年度的教學改進，形成閉環。課程組對每一項評價的分數比例和支撐權重持續改進優化，力圖體現課程的挑戰性。

課程組在不斷探索“物理光學”教學改革的過程中，獲得了一些正面的反饋。調查問卷結果表明，經過兩年的實踐，大部分學生建立了自主學習的習慣，學習積極性得到了明顯提升。每學期的課程目標達成度統計結果表明，“物理光學”課程目標的平均達成度由0.66提升為0.82，最近兩學期的學生評教滿意度均高于99%，反映了學生對“物理光學”教學模式改革的認可。校內督導抽查課程組教師課堂情況的評價均為優秀，反映了學校對課程改革的認可。

結語

基于VirtualLab Fusion光學仿真平臺，建立了虛擬仿真可視化“物理光學”教學資源，使傳統課堂中不易展示的光的基本屬性、干涉、衍射及偏振相關的抽象特征，被形象逼真地展示了出來，降低了學生對相關教學內容的理解難度。“物理光學”課程有機結合了線上教學和線下教學各自的優勢，形成了課內課外全時段、線上線下多維度的教學資源融合，探索了“物理光學”課程線上線下混合式教學設計方法，挖掘了課程中蘊含的思想政治教育價值，探討了思政元素教學設計思路，開展了面向產出的多元化學習評價機制。教學實踐結果表明，“物理光學”課程的改革提高了學生的自主學習能力，增強了學習效果，提高了課程目標的達成度。本文的研究結果對同類型的課程改革和一流課程建設具有一定的借鑒和推廣價值。