“導波光學”在線課程建設與教學模式探索

張桂菊，崔元昊，鄒文龍

（蘇州大學，江蘇蘇州 215006）

導波光學是光信息科學與技術專業的重要學科與課程分支，其發展與光纖通信、光纖傳感、全光信號傳輸和激光技術等學科的發展是相輔相成和相互促進的。導波光學為光波傳輸及應用奠定重要的理論基礎，是光學工程及相關專業研究生階段開設的重要課程[1-2]。

2017年，教育部和國務院學位委員會發布的“十三五”期間的學位與研究生教育發展規劃，提出要加強研究生課程建設。研究生課程學習體系，正朝著滿足個性化發展需求的在線開放等形式發展，優質的研究生網絡公開課程正在不停地建設[3-5]。本文將以為什么要做在線課程為引，介紹導波光學在線課程的設計以及線上線下結合的教學模式實踐。

一、課程在線教學理念

在線教學，或稱在線教育，通過互聯網的方式，學生與教師即使相隔萬里也可以開展教學活動，而且學生在學習過程中的疑點難點也能夠及時得到解決，在真正意義上突破教育在時間和空間上的限制。2012年，美國的頂尖大學陸續設立網絡學習平臺，并在網上提供免費課程，在線開放課程（也就是“慕課”，Massive Open Online Courses，MOOC)開始出現。2013年，國內各大高校針對在線學習進行課程設計，結合傳統課堂與現代資源優勢，相繼推出網絡課程，良好的教學效果使“慕課時代”在全球興起。隨后幾年，中國大學MOOC、雨課堂、智慧樹等一批適應我國本土化教學的教育教學平臺相繼上線，與國內各大高校進行合作，提供通識課、基礎課及各種專業課程的在線課程資源[6-7]。在線教學一般有異步和同步兩種模式。異步在線教學。主要是一種共享課程模式，學生在規定的時間內自主選擇學習時間和完成學習任務。同步在線教學，則以在線直播的形式進行遠程授課。伴隨著互聯網高科技和大數據信息時代的日漸成熟，線上教學不僅能夠對線下教學實現大規模的模仿和替代，還將有望以智慧化賦能教學效果，大幅提升教學效率，真正實現“因材施教、有教無類”的教育理想，在線教育的意義也正是如此。

導波光學課程開設初期，受傳統教育模式及學生人數限制，主要是以課堂授課模式為主，學生參與討論和交流為輔的教學模式。近幾年，在大力發展新工科的新形勢下，光學工程研究生招生人數擴增，例如，上一年度，我校導波光學課程的選課人數達60人，而選課學生在本科階段的專業基礎差異較大，傳統的傳授教學模式已經很難讓所有學生全面掌握和理解課程內容。因此，導波光學進行在線課程建設及推動線上線下混合教學模式改革顯得尤為重要。導波光學將以智慧樹平臺為教學載體，建成一門研究生在線共享課程，發揮在線教學優勢，結合傳統教學元素，優化教學資源，線上線下有機融合，教學相長，提高教學質量。

二、在線課程規劃與在線教程建設

導波光學主要以光的電磁理論為基礎，研究光波在平板形及圓形等各種光波導結構中調制、耦合、傳輸、放大、色散、偏振和非線性相互作用等效應與現象；導波光學學科的發展與研究，對各種集成光子與光電子器件在信息、能源和軍事等研究領域中具有巨大的推動作用。在教育部積極推進新工科建設項目的浪潮下，也為了滿足研究生在校參加科研項目和畢業后的工作需求等目的，早在十多年前，蘇州大學光學工程專業開設導波光學課程。通過本課程學習，學生能夠掌握光波導傳輸的基本理論及分析不同類光波導的獨特方法，并能跟蹤國內外光導波器件及應用的最新發展狀況，為今后從事光波導器件及應用技術方面奠定基礎理論及實驗技能。

在線課程設計以學生為中心，強調其學習的自主性和實踐性，學習過程具有可重復性，是一種可持續發展的教育教學模式。在線課程規劃一般包括課程設計、在線教程、課程資源、作業測試和考核標準等模塊，其中在線教程是課程建設的重要核心模塊。傳統的導波光學課堂一般以教材學習為主，而教材也以理論概念和公式推導為主，學生在學習過程中可能感覺枯燥乏味，尤其本科階段基礎較為薄弱的學生，理解和掌握課程中較為抽象的理論概念和較復雜的公式推導存在一定難度。在線教程則是將課程內容重新進行合理的章節安排和講解錄制，既結合理論講解又具有實例分析，對深度理解這一課程有著十分重要的指導意義。結合光波導科學在光學技術領域中的重要應用及光波導結構本質，總結和提煉導波光學在線教程的三句話內涵：解決有邊界的光波傳播問題、模式傳播理論、纖維光學和集成光學；即將導波光學課程濃縮為三大知識點，采用化繁為簡、由淺入深、先易后難、理論與應用結合的方法建立課程框架。圖1為導波光學在線視頻教程片頭呈現該課程內涵的三句話提煉。

圖1 導波光學課程內涵提煉

圍繞課程的內涵建設，設置導波光學在線教程模塊的章節內容框架，如圖2所示。課程主體分為光波分析基礎、光波導基礎理論、轉移矩陣理論及應用、金屬介質復合平板波導、光波導特征參數表征、光纖波導理論及應用和科研應用7章28小節，共錄制40個視頻。從基礎理論到科技應用，涵蓋導波光學基本概念、基本理論和重要應用；內容前后連貫，框架清晰，層層推進，便于學習和記憶。講述采用的課件圖表豐富，推演過程合理，有對要點的總結及關聯緊密和實用性強的實例，便于對課程理解和掌握。在線教程的每節課講解時間一般控制在15分鐘之內，學生能夠高效集中利用碎片化的時間進行學習，從而提高課程學習的靈活性和主動性。在線教程的視頻與參考教材相輔相成，明確課程內容和章節中的主次重點，分配相應的視頻教程課時，并運用拆分重難點的方式，將晦澀難懂的部分進行多章節講解，輔以微測試、微答疑等手段幫助學生學習和理解課程內容。

圖2 導波光學在線教程模塊框圖

在線課程設計與建設非常重視在線資源和作業測試等模塊。在線資源包括教程課件、教學成果展示和最新科技前沿論文等，幫助激發學生興趣和及時了解科技動態。作業測試模塊設置相應的章測試題、章討論及期末考試題庫。作業和考試是檢驗課程學習效果的重要依據，通過課后測試，加強學生對課程的理解和掌握程度。在線課程上線后，教師可在平臺上創建并管理課程和課堂，分配作業、討論和考試；教師預先設定學習計劃，學生依據個人情況合理安排學習時間進行高效學習，并可隨時隨地通過電腦和手機等多終端進行訪問；在線教學平臺也為教師在后臺管理和學情統計提供大量的可視化數據，為后續教學改革、教學管理和教學效果提升提供大數據支持。

三、線上線下混合教學模式實施

線上教學模式具有資源再生利用及可重復性學習等優勢，但是在線教學也有其不利的一面。例如，完全獨立的網絡直播課堂學習氛圍不足，課堂互動難以開展；而且在線開放課程缺乏對學生的有效管控，教學效果得不到保證。因此，在教學過程中有必要揚長避短，將網絡線上和傳統線下的教學模式有機組合，實現混合模式教學改革是非常有必要的，也將是一種趨勢。融合傳統課堂面授和線上教學模式的優點，彌補這兩種教學模式的缺點，達到一加一大于二的效果。

研究生階段的課程較難，僅靠線下課堂的面授不足以讓學生熟練掌握知識點。導波光學的線上線下結合教學模式，教學活動被劃分為在線學習、課上講授及匯報研討、線上測試和作業。在線學習不僅可以幫助學生在課前進行預習，也可在課后對課程的重點和難點進行溫故而知新。例如，課程中的轉移矩陣理論，是一種求解耦合波方程的新方法，適用性非常強，可求解包含周期結構、以準周期結構和非周期結構，及求解負折射率材料介質波導、金屬薄膜波導和金屬覆蓋介質波導的問題；教師及時利用班級群功能，通知學生線上預習及查閱資料，如此線下授課可達到事半功倍的效果。教師根據學生線上平臺的在線學習和完成試題情況，在課堂上調整知識講解和研討重點，更利于線下授課。針對章討論計劃和任務，查閱與課程相關的前沿論文和預備課下研討環節，既提高課堂效率，也能挖掘學生的開放思維能力和問題探究能力，能夠達到提高學生專業理論水平和科研工作水平的目的。

成績考核是教學效果檢驗的必要環節。充分發揮線上線下混合教學模式的優勢，必須構建科學公平的課程考核體系，引導學生積極參與線上自主學習和線下課堂學習。設置線上學習及測試和討論成績占比30%、在線作業占比30%和期末考試成績占比40%，其中，前兩項為平時成績占比。提高平時成績比重利于督促被動學習變為主動學習。導波光學是理論更是應用型課程，研究生學習階段應側重引導學生分析問題和解決問題。課程中大部分作業的完成，需要借助MATLAB、FDTD、COMSOL Multiphysics等仿真實驗工具和軟件進行。考核的最終成績由多項子成績綜合評定，既能督促學習和激發潛能，考核結果也相對公平。

線上線下混合教學模式還應注意，避免學生在網絡環境下的海量信息中陷入碎片化和淺層化的學習情境，而線下教學具有同步督促提醒功能。從近兩年的教學實踐和效果可知，混合教學模式具備線上教學的靈活授課優勢，且教學效率要高于傳統課堂的面授模式。

四、結束語

隨著信息技術與教育教學的深度融合，線上課程的建設以及線上線下混合的教學模式，已經得到越來越廣泛的關注和認可，這一模式也成為高等院校開展教育教學工作的主流新模式。研究生教育是高等教育人才培養的重要途徑，而研究生的課程教學是教育中重要而必不可少的環節，因此這一階段的教育教學應當更加注重“授人以漁”，而不是教師單方面地講解和灌輸，教師引導學生思考并討論問題。隨著數字化網絡化時代的發展，教學本身就是一個非常豐富多彩的過程，尤其是新工科專業的教育教學發展，其教學形式和內容也會隨著時間而改變。高科技尖端技術的發展，也將不斷地重塑教育形態，線上線下融合、智慧教學已然成為大勢所趨。