新工科背景下應用光學課程教學改革探究

孫苗，胡麗，傅強，王燕飛，趙曉虎，蔣杉,王宇

（合肥師范學院，安徽合肥 230601）

新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才[1]。2021 年4 月，習近平總書記在清華大學考察時強調：“要用好學科交叉融合的‘催化劑’，加強基礎學科培養能力，打破學科專業壁壘，對現有學科專業體系進行調整升級，瞄準科技前沿和關鍵領域，推進新工科、新醫科、新農科、新文科建設，加快培養緊缺人才。”[2]光電信息科學與工程專業是典型的新工科專業之一，是電子、光學、通信、計算機等多學科交叉融合的工科專業。應用光學是光電信息科學與工程專業的必修課程，主要目標是讓學生掌握光學的基本概念、原理及典型的光學系統，利用光學設計軟件進行光學系統設計和像質優化，培養學生利用理論知識分析和解決工程技術上常見光學問題的能力，并為學習光電子技術、信息光學等后續應用性強的課程打下堅實的基礎[3]。該課程理論知識點較多，學習難度相對較大，在一定程度上影響了學習效果。基于應用光學課程工程性較強、重要程度高及學習難度大等特點，本文對應用光學課程的教學現狀進行分析，探索在新工科背景下對應用光學課程教學進行改革，以期適應時代和行業發展的需要，為增強學生工程實踐能力和創新能力、提高光電信息科學與工程專業人才的培養質量提供課程教學保障。

1 應用光學課程教學存在的主要問題

1.1 教學目標比較單一

傳統的應用光學課程教學注重知識的傳授，忽視了對學生動手操作能力的培養。應用光學課程作為光電信息科學與工程專業的核心課程，通過對安徽省高校應用光學課程教師的調查，發現90%的教師在教學過程中重點講授幾何光學的基礎知識、光學系統成像的基本理論以及典型光學系統的基本原理，對學生基本理論的分析運用及解決實際問題能力的培養較少，且難以做到理論知識與實踐知識的有機融合，無法實現知識傳授、能力培養和價值塑造有機結合的課程目標。此外，通過對應用光學課程標準的研究，發現在教學目標設定、理論知識傳授與學生能力培養之間缺乏平衡，重理論、輕應用，教學目標相對單一[4]。

1.2 教學內容理論性強

通過研讀應用光學的教學大綱，分析日常實際教學的內容，發現應用光學主要講授幾何光學的基本定律與成像概念、理想光學系統、平面與平面系統、光學系統中的光束限制、光線的光路計算及像差理論、典型光學系統、光學系統的像質評價等，上述內容基礎知識點理論性較強，且概念較抽象，缺乏可以參考的實物，學生掌握相關知識點的難度較大。應用光學的教學內容更新緩慢，目前采用的教材為2016 年8 月出版的《工程光學》第四版教材，教材相對較舊；此外，該課程的實驗教學內容多為基礎性實驗，缺乏創新性、綜合性和設計性實驗，對知識點的應用性和工程性的關注度不高，不利于學生實踐能力、動手操作能力及創新能力的培養。

1.3 教學方法單一

教學方法是影響學生學習興趣和決定教學質量的關鍵因素。近幾年，雖然慕課、學習通、雨課堂等線上教學模式已經廣泛運用到大學課程教學過程中，但由于應用光學課程理論知識多、公式推導多、系統光路圖多，因此，多數教師授課仍以“講授+多媒體演示”為主，教學方法相對單一，屬于典型的教師主導式教學，學生被動接收理論知識[5]。另外，部分應用光學課程教師采用學習通或騰訊會議等線上教學平臺進行授課，但由于線上教學的課堂信息量大、教學節奏快等特點，壓縮了學生理解知識時間，這要求學生必須注意力高度集中，快速理解知識點并加以運用，增加了學生的學習壓力，教學效果不理想[6]。

1.4 考核方式固化

考核方式是提高學生學習積極性、衡量學生學習效果以及為學校提供評估服務的重要手段。當前，應用光學課程考核多采用平時成績與期末成績相結合的方式，兩者權重比為4∶6。平時成績主要包括課堂出勤、課堂表現和課后作業，忽略了對課堂學習及課后復習質量的考核評價，并且課堂表現打分教師的主觀性較強；此外，教師難以通過課后作業了解學生的真實學習情況[7]。期末成績主要以期末考試結果為主，注重應試能力，考核目標單一，考核偏重結果，重課本輕實踐，重知識輕能力，重結果輕過程，這樣既不利于學生自主學習習慣的養成和分析綜合能力的培養，又不利于學生創新能力及動手能力的提高，最終影響新工科人才的培養質量。

1.5 課程思政融入不足

大學作為人才培養的重要基地，要堅持以德為先，課程是培養大學生品德的具體抓手，而思政教育則是品德培養的具體體現。當前，應用光學課程的思政教育存在以下問題：（1）教師課程思政教學能力不足。多數教師難以有效地將應用光學課程與思政教育進行緊密且生動地融合，致使學生興趣不高。（2）思政教育方法缺乏創新性與互動性。教師由于缺乏課程思政的教學能力，對課程思政所采取的教育方法仍是說教式的教育，缺乏創新性和互動性[8-9]。

2 應用光學課程教學改革的對策

2.1 完善頂層教學目標設計，突出立德樹人目標

光電信息科學與工程專業是國家首批新工科建設的專業之一，應將科技素養有機融入應用型人才培養目標中。構建應用光學課程的教學目標，要突出課程的應用性，解決教學內容與實際應用融合欠佳、學生實踐能力匱乏、立德樹人培養目標不明確等問題，改變當前傳統課堂教學“重知識傳授、輕能力培養、弱課程思政”的現狀。基于上述思路，設計課程目標為：（1）知識目標：理解幾何光學的基本原理和定律、掌握光學系統成像的基本理論、典型光學系統的結構和原理，熟悉光學系統成像質量評價方法。（2）能力目標：具備理論知識指導實驗設計的思維方式、動手操作創新的能力，以及利用理論知識分析和解決工程技術上常見光學問題的能力。（3）素質目標：樹立社會主義核心價值觀，具備光電專業人才應有的創新意識、獨立自主意識、社會責任感及使命感[10]。

2.2 優化教學內容，注重理論與實踐相結合

應用光學課程的教學內容主要為傳統的幾何光學，地方應用型本科院校的光電信息科學與工程專業，在教學過程中應突出應用光學課程技術應用性的特點，對教學內容進行優化，既要注意傳授傳統的基礎知識，又要突出應用光學課程的應用性，將課程的理論部分與光電信息工程的科研成果、工程應用緊密結合，以工程實際問題出發探討基本的光學原理，實現基礎理論知識與具體實踐應用的有機結合，以契合應用型人才培養的要求。實驗教學方面，在教學過程中應增加由物像放大率測目鏡焦距、測自組顯微鏡的放大率等實驗教學內容，以此來培養學生理論聯系實際及動手操作的能力。在更新應用光學新知識方面，應通過引入最新的科研成果，向學生介紹國內外的科技前沿，增加教學內容的前沿性、先進性和應用性；通過介紹和分析工程案例，加深學生對所學理論知識的理解和掌握，培養解決實際工程問題的能力。

2.3 搭建線上線下相結合的教學模式

在教學過程中，應該發揮教師的主導作用，逐漸形成以學生為中心，教師引導學生主動學習的線上線下相結合的教學模式[11]。線上學習階段，將課程的重點和難點內容錄制為短視頻，在學生學習該部分內容時，督促學生觀看短視頻；線下傳授階段，教師采用講授、探究式、案例分析等教學方法結合的方式進行教學；結合具體理論知識，從光電信息工程的最新動態和工程應用角度提出問題，引導和啟發學生，讓學生邊看、邊聽、邊思考、邊討論，并且增加小組討論、創新專題設計、翻轉課堂、課后專題答疑等教學形式；通過對學生分組、發布不同的課題內容，各小組成員利用課堂時間和課下時間進行材料收集、知識點整理、小組討論、總結并推選代表上臺講解及答疑；在整個過程中，教師僅在必要的時候對學生進行指導和引導，幫助學生理清思路，加深理解。線上提升階段，教師課后布置應用性及拓展性作業，提升學生自主探究、合作學習的能力。該教學模式有助于教師從理論知識教學轉變為引導學生學習，激發了學生學習的主動性，提高了學生發現問題、解決問題的能力。

2.4 健全考核評價方式，注重過程及實踐考核，降低期末考核比重

依據過程及實踐考核與結果考核同等重要的原則，結合學生線上線下學習情況，采用線上、線下混合的全過程考核方式，總成績由平時成績（占40%）、實驗成績（占15%）和期末成績（占45%）三部分構成。其中，平時成績由課堂出勤（占10%）、課后作業（占15%）、單元測試（占30%）、分組討論（占20%）和創新專題設計（占25%）五部分構成，平時成績中增加了章節的單元測試，以及分組討論和創新專題設計，以此來提升學生自主探究及合作學習的能力。通過單元測試，可以幫助教師了解學生學習情況，也可以有效地促使學生注重平時的學習和積累，及時復習每章的知識點，發現自己學習的薄弱環節，查缺補漏，避免了期末考試突擊學習的現象。課程突出實踐考核的重要性（比重為15%），重點考核學生儀器操作的正確性、團隊協作能力和數據處理的準確性，培養學生動手操作解決實際問題的能力。降低期末考核的比重是健全應用光學考核評價方式的重要一環，期末考核主要以期末試卷考試的方式進行，占比45%。多樣化的考核方評價式能在一定程度上調動學生學習的積極性以及激發學生的學習潛能，更有利于課程教學質量的提高。

2.5 推動課程與思政教育深度融合

2020 年5 月，教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》，提出：“全面推進課程思政建設是落實立德樹人根本任務的戰略舉措。”[12]因此，推動專業課程與思政教育深度融合已迫在眉睫。一方面，在應用光學課程的教學過程中，教師結合課程特點和教學目標，挖掘思政元素，傳授專業知識的同時融入思政內容，實現知識傳授、能力培養和價值塑造的有機結合，達到立德樹人的目標。另一方面，應用光學課程可以從家國情懷、協同合作等方面出發將課程思政融入專業知識點的教學中[13-14]，提升學生發現問題、解決問題的能力，幫助學生樹立正確的人生觀、世界觀和價值觀。例如，講授望遠鏡系統時介紹我國近年來在太空觀測領域取得的成就，分享中國工程院院士潘君驊的科研歷程，講述中國天眼的觀測成就。

3 結語

光電信息科學與工程專業是新工科建設的專業之一，培養與社會、企業需求接軌的應用型人才，應用光學作為光電信息科學與工程專業的學生接觸的第一門專業課，具有非常重要的作用。本文針對應用光學課程的教學現狀及應用型人才培養的目標導向，對課程從教學目標、教學內容、教學方法、考核模式、課程思政融合等方面進行了改革探索和研究。完善頂層教學目標設計，突出人才培養立德樹人的目標；通過優化教學內容，提高實踐教學的比重，實現理論知識與實踐能力的有機結合；搭建線上線下相結合的教學模式來激發學生學習的主觀能動性；健全考核評價方式，注重過程及實踐考核，降低期末考核比重，減輕考試壓力；將課程思政融入專業知識點講解中，實現知識傳授、能力培養和價值塑造的有機結合，實現應用型人才培養和立德樹人的目標。