新工科背景下的“物理光學”課程立體化創新協同教學研究與探索

摘"要：本文基于新工科建設背景，以無錫學院這一應用型本科高校為例，探討“物理光學”課程的立體化創新協同教學改革。圍繞無錫市本地光子集成電路、物聯網等相關產業需求，提出深化校地融合、理論與實踐相結合的立體化教學模式，旨在培養適應產業發展的應用型人才。通過構建創新協同教學體系、優化課程內容、應用多元化教學方法、搭建校企合作實踐平臺等措施，實現了課堂理論教學與面向企業實踐的有機結合。這種立體化創新協同教學模式能夠有效提升學生的實踐能力和創新思維，為地方產業發展培養出更多高質量的應用型人才。

關鍵詞：新工科；物理光學；立體化教學；校企合作；創新協同

一、應用型本科高校“物理光學”教學存在的問題

（一）概述

在全球化、信息化和智能化的時代背景下，新一輪科技革命和產業變革正在深刻改變著世界的面貌。我國正處于建設創新型國家和世界科技強國的關鍵時期，面臨著前所未有的機遇和挑戰。為了應對這一重大戰略需求，教育部于2017年提出了“新工科”建設的重大戰略部署，旨在培養適應和引領新經濟發展的卓越工程科技人才［1］。新工科建設強調面向未來、適應需求、主動設計、創新發展，其核心是培養具有創新能力、綜合素質和國際競爭力的高素質復合型工程人才［2］。

無錫作為我國重要的光電產業基地，在光子集成電路、物聯網、新型顯示等領域具有顯著優勢，擁有光電子、電子信息、集成電路等大量產業集群，這一蓬勃發展的產業環境為“物理光學”教學改革提供了豐富的實踐資源和應用場景。同時，產業的快速發展也對高素質光電人才提出了迫切需求。作為服務地方經濟發展的應用型本科院校，無錫學院肩負著為本地產業培養高質量應用型人才的重要使命。然而，目前的人才培養模式與產業需求之間仍存在一定差距。因此，探索新工科背景下的“物理光學”立體化創新協同教學模式具有多重意義。通過創新教學模式，可以提高學生的學習興趣和效果，培養其創新思維和實踐能力，從而全面提升教學質量；通過立體化創新協同教學模式，可以更好地對接產業需求，培養出適應新工科要求的復合型創新人才；通過與企業深度合作，可以實現教學資源與產業資源的有效整合，促進產學研協同創新；通過教學改革，可以促進學科交叉融合，推動物理光學與其他學科的深度結合，形成特色優勢；培養高質量光電人才從而服務地方發展，可以為無錫光電產業發展提供人才支撐，促進產業轉型升級；成功的教學改革經驗可以為其他應用型本科院校的課程改革提供借鑒和參考［3］。

（二）存在的問題

“物理光學”作為工科特別是光電信息科學與工程專業的基礎課程之一，是光電等相關專業學生學習光學領域基礎知識、培養光學相關研究思維和鍛煉工程實踐能力的重要核心課程。同時，它也是當下許多前沿科技領域（如量子通信、光子集成、生物光子學等）的理論基礎。然而，傳統的“物理光學”教學模式存在諸多問題，例如，教學內容偏重理論，實驗教學與產業需求脫節，難以培養學生的創新能力和滿足新工科人才培養要求。這些問題嚴重制約了“物理光學”課程在新工科人才培養中的作用發揮，亟須進行深入的教學改革與創新［45］。

在新工科背景下開展“物理光學”立體化創新協同教學研究與探索，不僅是應對高等教育改革和產業發展需求的必然選擇，也是提高應用型本科院校人才培養質量的有效途徑。本文以無錫學院“物理光學”課程為研究對象，圍繞新工科建設要求和無錫市光電產業需求，探索立體化創新協同教學模式。本研究將立足無錫地方產業特色，整合高校、企業和科研院所的優質資源，構建多維度、全方位的“物理光學”教學新模式，為培養適應新工科要求的高素質應用型人才做出積極貢獻。同時，本研究的成果也將為其他工科基礎課程的教學改革提供有益借鑒，推動新工科建設的深入發展。

二、新工科背景下“物理光學”立體化創新協同教學體系的構建

當下應用型本科院校“物理光學”教學存在教學內容與產業需求脫節、教學方法較為單一、實踐教學環節薄弱、校企合作聯合培養不夠深入等問題，亟須探索新的教學模式，以適應產業發展需求和新工科建設要求。新工科建設強調“新理念、新結構、新模式、新質量、新體系”，因此在“物理光學”教學創新中需要從培養目標的轉變、課程內容的更新、教學方法的創新、實踐環節的強化以及產教融合的深化等幾方面著手。從注重知識傳授轉向注重能力培養，特別是創新能力、工程實踐能力和跨學科綜合能力的培養；需要及時融入學科前沿和新興技術，突出交叉融合，增強課程的時代性和應用性；倡導以學生為中心的教學理念，采用項目式、案例式等多元化教學方法；加強實驗教學和工程實踐，提高學生解決復雜工程問題的能力；加強校企合作，推動科教協同，實現人才培養與產業需求的緊密對接。針對上述挑戰和問題，本文提出構建“物理光學”立體化創新協同教學體系，具體內容如下。

（一）教學目標的重新定位

在新工科背景下，“物理光學”教學目標的重新定位是課程改革的關鍵起點。這一定位不僅要符合新工科的理念，還要滿足產業發展的實際需求，真正實現人才培養與社會需求的無縫對接。首先是知識目標，強調“厚基礎、寬口徑”的培養理念，要求學生掌握物理光學基本原理和方法，了解學科前沿和新興應用。學生不僅要牢固掌握經典物理光學的基本原理和方法，如干涉、衍射、偏振等，還要了解光子學、非線性光學、量子光學等前沿領域的基本概念和應用趨勢。這種知識結構的設計既確保了學生具備扎實的理論基礎，又為其未來的職業發展提供了廣闊的可能性。其次是能力目標，體現了新工科對復合型人才的需求，要培養學生的科學思維、創新能力、工程實踐能力和跨學科綜合能力。科學思維是學生進行理論分析和問題解決的基礎，創新能力則是應對快速變化的科技環境的關鍵，工程實踐能力確保學生能夠將理論知識應用于實際問題，跨學科綜合能力則使學生能夠在不同學科間建立聯系，培養系統思考的能力。

（二）課程內容的優化重組

課程內容的優化重組是實現新教學目標的關鍵環節，這一過程需要在保留傳統核心內容的基礎上，融入新知識、新技術，并加強與實際應用的聯系。首先，要強化基礎理論，保留經典物理光學內容，夯實學科基礎。經典物理光學內容，如光的干涉、衍射、偏振等，是學生理解和掌握光學現象的基礎。這部分內容的教學應注重概念的清晰性和邏輯的嚴密性，培養學生的理論思維能力。同時，可以通過增加互動性實驗和演示，加深學生對抽象概念的理解。其次，要融入前沿知識，為了拓寬學生的知識視野，課程應適當引入一些前沿領域的基本概念和應用，包括光子學、非線性光學等新興領域內容。例如，可以介紹光子集成電路的基本原理、量子通信的基本概念以及非線性光學效應在光信息處理中的應用等。這些內容的引入既可以激發學生的學習興趣，也可以為他們未來的深造或就業提供更多選擇。再次，要增加應用案例，將理論知識與實際應用相結合，通過引入無錫本地光電產業的實際案例，如光纖通信系統的設計、光學傳感器在物聯網中的應用、光電檢測技術在工業自動化中的運用等，幫助學生建立理論與實踐的聯系，增強學習的針對性和實用性。最后，在創新協同教學體系中要突出交叉融合，加強與信息、電子、材料等學科的交叉內容，這是新工科建設的重要特征。在課程中可以增加光學與其他學科的交叉內容，如光電子學中的光電轉換原理、光通信中的信息編碼技術、光學材料的特性與應用等，這種跨學科的內容設置有助于培養學生的綜合思維能力，為未來的跨領域創新奠定基礎。

（三）多元化教學方法的應用

采用多元化教學方法旨在提高教學效果，激發學生的學習興趣和主動性，從而培養和提升其綜合能力。可采用的教學方法包括項目式教學、案例教學、研討式教學以及虛擬仿真教學等，從多種角度和層面，全方位、立體式地將“物理光學”的教學融入學生的自身發展中。在項目式教學中，通過圍繞實際工程問題開展小組合作項目，將學習過程與實際問題解決相結合，如“光纖通信系統的優化”“光學傳感器的設計與應用”等項目，讓學生組隊合作，從問題分析、方案設計到實施評估，全面鍛煉其工程實踐能力和團隊協作精神。在案例教學中，可以通過分析無錫本地光電企業的真實案例，如某公司在光學系統設計中遇到的難題及其解決過程，讓學生深入理解理論知識在實際中的應用，培養其分析問題和解決問題的能力，這種方法也有助于縮小高校教育與企業需求之間的差距。在研討式教學中，針對光學領域的前沿話題或爭議性問題，如“量子通信的發展前景”“光學計算"VS"電子計算”等，通過組織學生開展專題研討，既可以培養學生的批判性思維、表達能力和創新思維，同時也有助于拓寬其科學視野。在虛擬仿真教學中，利用虛擬仿真軟件，輔助學生理解一些復雜的光學現象和在實際條件下難以直觀展示的光學系統設計，通過使用如Lumerical"FDTD、COMSOL等專業光學仿真軟件，可以讓學生直觀地理解復雜的光學概念，并進行光學系統的虛擬設計和優化，不僅可以加深學生對理論知識的理解，同時也培養了其使用專業軟件的能力。

（四）校企合作實踐教學平臺的搭建

搭建多層次、全方位的校企合作實踐教學平臺是實現產教融合、提高人才培養質量的重要途徑，能夠滿足不同階段、不同需求的實踐教學需要。首先，通過與企業合作，引入光譜分析儀、激光器等先進設備，建設集教學、科研、創新于一體的開放式實驗室，不僅可以滿足日常教學需求，還可以支持學生的創新實踐活動，同時可以聘請企業工程師擔任實驗指導，增強實驗教學的實用性和前沿性。其次，可以建設校外實踐基地，通過與無錫本地光電企業合作，建立穩定的實習實訓基地，為學生提供實習實訓機會，學生可以通過實習了解企業運作、體驗真實工作環境，將課堂所學知識與實際工作需求相結合，提高實踐能力和就業競爭力。再次，可以聯合企業和科研院所組建產學研協同創新中心，整合高校、企業和科研院所的優勢資源，圍繞光電檢測、光通信、光學傳感等方向，開展應用型研究和技術開發，組織學生參與其中，不僅可以提高學生的科研能力，還能培養學生的創新精神和團隊合作能力。最后，設立大學生創新創業基地，為學生提供了將創意轉化為現實的機會，支持學生開展創新實驗，參加各類科技競賽（如全國大學生光電設計競賽）、孵化創業項目等，不僅可以培養學生的創新創業能力，也為學校—企業—社會的良性互動提供了新的途徑。通過以上四個方面的建設，可以構建一個全方位、多層次的實踐教學體系，為學生提供從基礎實驗到創新創業的完整實踐鏈條，有效提升“物理光學”教學的質量和人才培養的水平。

三、教學改革的具體實施策略

（一）理論教學與實踐教學的有機融合

在“物理光學”教學實踐中，可以采用理實一體化教學方式，在理論課程中穿插實驗演示和動手實踐，加深對理論的理解，打破傳統的理論課與實驗課分離的局面。例如，在講授光的干涉原理時，可以現場演示楊氏雙縫干涉實驗，讓學生直觀感受光的波動性；在介紹偏振光原理時，可以讓學生親手操作偏振片，觀察偏振現象，這種即時的實踐體驗能夠極大地提高學生的學習興趣，加深學生的理解深度。在課程實驗中，采用分層次實驗教學方法，設置基礎性、綜合性和創新性三層次實驗，逐步提高學生的實踐能力。基礎性實驗旨在驗證基本原理，如牛頓環、邁克爾遜干涉儀等經典實驗；綜合性實驗要求學生綜合運用多個知識點，如光柵光譜儀的設計與調試；創新性實驗則鼓勵學生提出新的實驗方案或改進現有實驗，如設計新型光學傳感器。這種分層次的實驗體系能夠滿足不同層次學生的需求，逐步提升其實踐能力。

（二）項目案例式教學的開展

項目案例式教學是培養學生解決實際問題的能力的有效方法，它們能夠模擬真實工作環境，提高學生的綜合能力。與相關公司企業合作，導入無錫本地光電企業的實際項目，如“光纖傳感器設計”“光學成像系統優化”等，讓學生參與設計一種用于結構健康監測的光纖應變傳感器或一種工業生產車間目標模式識別成像系統。這種真實項目能夠讓學生了解行業需求，培養工程思維，提高解決實際問題的能力。在實踐中將學生分成4～6人的小組，每個小組模擬一個企業研發團隊，指導學生完成項目任務。在完成項目的過程中，學生需要進行角色分工，如項目經理、光學設計師、實驗員等，這不僅可以培養學生的團隊協作能力，還讓他們體驗了企業的工作模式，為未來職業發展做好準備。在項目案例式教學中，改變傳統的一次性考試模式，采用全過程考核，包括方案設計、中期匯報、最終成果展示等環節，不僅能全面評估學生的學習成果，還能培養其項目管理、溝通表達等綜合能力。

（三）虛擬仿真等信息化教學手段的應用

信息技術的快速發展為“物理光學”教學提供了新的手段和可能性。虛擬仿真等技術的應用可以突破傳統教學的局限，提供更直觀、更互動的學習體驗。搭建物理光學虛擬實驗平臺，利用Lumerical"FDTD、COMSOL等軟件，開發光場分布模擬、光學干涉等虛擬實驗，如光子晶體中的光場分布和邁克爾遜干涉儀中的干涉衍生現象。這些虛擬實驗不僅可以展示難以直接觀察的物理現象，還能培養學生使用專業軟件的能力。此外，還可以開發涵蓋物理光學各主要知識點的在線學習資源，制作一系列短小精悍的微課視頻，針對重點、難點進行講解。這些在線資源不僅方便學生復習和預習，還為實施翻轉課堂提供了基礎。

（四）產學研協同育人機制的建立

產學研協同育人強調高校、企業和科研機構的緊密合作，共同培養滿足產業需求的高素質人才。要注重“雙師型”教師隊伍建設，聘請無錫本地光電企業的資深工程師擔任兼職教師，同時，選派青年教師到企業掛職鍛煉，了解行業需求和技術發展趨勢，這種雙向交流可以促進理論教學與工程實踐的結合，提升教師的工程背景和實踐能力。在此基礎上，與企業合作共同制訂人才培養方案，針對企業的特定需求進行訂單式人才定向培養，在“物理光學”課程設置和實踐環節上突出與企業相關的內容，為企業培養所需的專業人才，并進一步讓學生參與企業研發，選拔優秀學生參與企業的物理光學相關研發項目中的產品開發或技術改進環節，不僅可以使學生獲得寶貴的工程經驗，也為企業輸送了新鮮的創新力量，實現了校企雙贏。通過以上策略的實施，“物理光學”教學將更加貼近工程實際，更好地培養學生的創新能力和實踐能力，為培養適應新工科要求的高素質人才奠定堅實基礎。

四、結論與展望

本文探索了新工科背景下“物理光學”課程立體化創新協同教學模式，通過構建創新協同教學體系、優化課程內容、應用多元化教學方法、搭建校企合作實踐平臺等措施，使課程內容更加貼近產業需求，提高學生學習興趣和積極性，提升學生的工程實踐能力和創新思維，深度加強校企合作，為學生提供更多實踐機會，提高學生就業質量，從而更好地滿足地方產業發展需求。這種立體化創新協同教學模式能夠有效提升應用型本科院校“物理光學”課程的教學質量，為新工科背景下的課程教學改革提供可借鑒的新范式。未來可以進一步探索人工智能、大數據等新技術在“物理光學”教學中的應用，深入研究跨學科融合教學模式，促進物理光學與其他學科的交叉融合，加強國際合作，借鑒國外先進經驗，提升教學國際化水平。在新工科建設背景下，“物理光學”教學改革是一個持續探索和創新的過程，需要廣大教師不斷適應新技術、新產業的發展需求，培養具有創新精神和實踐能力的高素質應用型光學人才，為推動地方經濟發展和國家創新驅動戰略做出積極貢獻。

參考文獻：

［1］鐘登華.新工科建設的內涵與行動［J］.高等工程教育研究，2017（03）：16.

［2］李春燕，劉建輝，寇生中.“新工科”背景下的創新型人才培養模式淺談［J］.科技風，2023（35）：5355.

［3］張玲.產教融合背景下應用型本科高校實踐教學體系研究［J］.教育現代化，2020，7（29）：120123.

［4］任麗麗，安之冬，徐賢.基于就業能力提升的應用型本科高校實踐教學改革探討［J］.公關世界，2024（11）：5254.

［5］陳靖，孔勇發，徐音，等.新工科背景下近代物理實驗教學改革與實踐［J］.實驗室研究與探索，2024，43（01）：174179.

項目資助：本研究獲得無錫學院教學研究與改革項目（項目編號XYJG2023038）；無錫學院引進人才科研啟動專項經費（項目編號2024r016）資助

作者簡介：李世雨（1997—"），男，漢族，遼寧大連人，博士研究生，講師，研究方向：微波光子傳感。