激發自主學習意識的課程教學方法探索

摘 要：為進一步發揮核心課程在研究生基礎課程教育中的重要作用，以期培養出一批具有獨立思考能力、創新意識和扎實理論功底的研究型科技人才，本文對多年來在核心課程“高等光學”教學中所開展的以激發學生自主學習意識為目的的教學方式和方法的改革實踐進行了總結?；谡n程理論難度較大、涉及內容廣泛等特點，改革內容包括教材設定、教學組織方式、實踐教學的設計等。改革效果表明，從科研發展前沿和工程實際中提出開放性問題，并在線上和線下引導學生進行問題探索，開展師生討論式的教學能有效激發學生的自主學習意識，非常有利于教與學的結合，有利于達到良好的教學效果。通過從學術前沿、工程實際應用和不同學科領域交叉中提出、討論和探索問題，幫助學生將光學基礎理論知識和工程實踐相結合，從而提高利用基礎理論知識解決實際問題的能力，為培養高素質光學科學技術人才奠定基礎。

關鍵詞：高等光學；教學改革實踐；核心課程；互動探索式

中圖分類號：G642.0" 文獻標識碼：A

1 概述

在知識經濟時代的信息化和國際化背景下，科學技術的進步、國家創新能力和競爭力的提升，尤其是對關鍵技術的突破，都將工科研究生教育的質量提上議事日程。研究生教育被置于重要位置，同時面對西方發達國家的技術隔離和重要儀器設備限制的不利局面，推動研究生教育取得新發展顯得尤為重要，其中工科研究生教育更是重中之重。

隨著科學技術的高速發展，國際形勢的復雜多樣和國家之間技術保護政策的日益嚴苛，高等教育，特別是研究型大學的研究生教育的歷史責任在當代顯得尤為重要。為國家培養優秀的工程技術人才，成為高等研究生教育改革的主要目標。我們不僅需要培養學生掌握扎實的基礎理論知識和先進實踐技術，還需要激發學生的自主學習能力，以及發現問題、提出問題并能利用所學解決問題的能力，從而承擔高度的責任感和使命感。

基于上述現狀分析，以北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院的研究生核心課程“高等光學”為例，開展了以激發學生自主學習意識為目的的教學方式和方法的改革實踐。針對課程理論難度大且涉及內容相對廣泛的實際特點，從教材設定、教學組織、實踐教學等環節開展改革探索，實踐表明通過問題探索和師生討論式的教學能有效激發學生的自主學習意識，有利于教學相融，得到良好的教學效果。

2 “高等光學”課程內容及國內外課程比較

“高等光學”是國內外眾多高校獨立設置的課程，旨在面向現代科技發展需求，并與培養應用型高層次人才接軌?！案叩裙鈱W”課程作為光學工程專業研究生教育的核心課程之一，教學目的在于使學生建立扎實的物理基礎知識與寬廣的物理視野，在此基礎上，引導學生利用所學知識分析解決實際問題，培養具有各個學校研究特色的，適應國家社會和國防部門需求的，具有扎實光學基礎理論知識和實踐能力的研究和應用人才［1］?！案叩裙鈱W”雖然是一門光學工程專業的基礎課程，但是多門學科綜合交叉的產物，涉及物理學、電磁學、導波光學、光電技術、光信息處理等多個學科，有機地實現了多研究領域的滲透和結合。該課程對完整的系統分析是非常重要和有價值的，對光學工程、精密儀器與機械、導航工程、制導與控制等學科的研究生而言是非常有影響力、非常有價值的。考慮到課程具有理論難度較大、內容廣泛的特點，各學校根據課程的發展特點，以更好地提高教學質量為目標，對“高等光學”課程內容體系結構、教學內容組織方式、實踐教學的設計等方面做了很多工作。本文對國內外光學學科比較有代表性的高校課程開設情況做對比，其中，國外以美國的三大光學中心為例，即中佛羅里達大學的光學和激光教育研究中心、亞利桑那大學懷恩特光學科學中心和羅切斯特大學的光學研究所；國內代表性的高校包括北京航空航天大學、清華大學、北京理工大學、天津大學、浙江大學、華中科技大學和長春理工大學。

國內外各高校研究生“高等光學”類似課程的設置基本基于物理光學，而幾何光學往往作為本科生的學習重點。考慮到各個大學均有博士和碩士培養體系，且光學方向也有差別，但各學?；緦⑽锢砉鈱W、光電子學等列為主要或核心課程。國內高校的整體光學課程結構布局與三大光學中心的課程布局有一定可比性，結合國內研究生開課實際情況，大多數高校都開設了“高等光學”類課程作為研究生核心課程，并結合本校特點，做了相應調整。

在《高等光學》教材選擇方面，有的學校選擇外文原著中譯本，即M.Born和E.Wolf所著《光學原理》的中譯本。這本教材，雖然是講述經典光學原理的權威著作，但因為其上冊中有相當一部分內容已編入本科生光學或工程光學類教材，在研究生課程教學中只能選取著作中的部分內容，同時該書所采用單位非國際單位制，與其他教材不匹配，所以近年來國內出現了很多自編教材。例如，陳軍編著的《光學電磁理論》［2］，季家镕編著的《高等光學教程》［3］。這使得“高等光學”課程教材的選擇有了更大的靈活性，也很好地豐富了課程教材的內容和適用性。前者的教材布局是在對光的電磁理論介紹基礎上，重點闡述了光的干涉、衍射、偏振和晶體光學的內容；而后者更強調光的電磁波特性及其傳輸規律，包括電磁波在無限大均勻介質中的傳播、在分層介質中的傳播、在金屬中的傳播，以及在介質波導中的傳播和在晶體中的傳播。北京航空航天大學儀器學院光學工程的研究方向，有一大部分涉及與光纖和光波導有關的光傳感器件及系統的研究。為了使研究生在課題研究中，不受制于光學專業知識，“高等光學”的主體教材選擇的是《光學電磁理論》，其目的在于讓學生掌握電磁場理論的基本知識，學習在不同邊界條件下求解麥克斯韋方程組的基本方法；利用電磁場理論分析，求解現代光學，特別是前沿學科中出現的光學現象及應用問題。書中涉及電動力學、工程電磁學、物理光學、波導及光纖、晶體及非線性光學等內容，較為深入地將電磁理論與現代光學結合起來，可以幫助學生用電磁理論對現代光學及在光電信息學科中的基礎知識及光纖傳感、光纖陀螺、光纖電流互感器、集成光學芯片等工程實際問題的求解與分析。

3 “高等光學”教學質量提升的入手點

縱觀高等光學這門學科的發展過程，國內外教材的變化及各類教改工作，可以說在過去二十年中，“高等光學”這門課程取得了長足進步，隨著信息電子技術的發展，現代科技多媒體教學使“高等光學”課程從教材到教學都取得了很大進步，這是不爭的事實［45］。然而，無論是學生后繼課程的學習和博士、碩士研究課題的推進，乃至日后走向工作或科研崗位，對于不同專業但都是工科背景的學生來說，或多或少都會遇到與“高等光學”這門課程密切相關的或是工程問題或科學問題。在遇到這類問題時，部分學生或許會想到，這個問題曾經在“高等光學”課里涉及過，而部分學生想不到。導致這一現象的原因并不是老師講課有問題，也不是學生學習不認真，也不是選取的教材不合適，很可能是課程缺失了一個最重要的環節，即用理論知識解決實際問題的環節。

高等光學是研究光波傳播特性的理論學科，與工程實際、日常生活息息相關，其涉及的問題涵蓋了很多工程技術問題，大到航空航天領域，小到微納米領域。從現實世界走入課本不難發現，無論是什么版本的教材，所講述的都是經過了簡化了的模型，如無限大分層均勻介質、薄膜波導、單色平面波等，這不禁使人提出疑問：如此簡單的幾何構型、入射波和邊界條件跟我們豐富多彩、五彩繽紛的現實世界如何對應起來，換句話說，就是如何用這些簡單的光學模型解決實際問題。這是教材和教學中容易缺失的。誠然，課本在引進一個光學概念時都是從實際工程入手的。隨著多媒體教學普及和發展，授課老師找來更多生動形象的工程實例作為鋪墊來引出要講授的知識點，這是幾年來教學的進步，但是我們忽略了一個問題，那就是無論書里還是課堂上都不斷強調實際與這門課程講授知識之間的聯系。這種聯系在學生的實際應用中沒有得到體現，教材上的作業幾乎都是將工程問題簡化后的理想模型，學生只是用教師講授的知識來求解題目。如此一來，造成的結果是，給學生題目，他也許做得很好，但是合上課本，走向現實世界的時候，他不知道如何用高等光學解決問題。

認清“高等光學”課程教學和學生學習過程中的不足后，就可以相對容易地找到提高“高等光學”課程教學質量的切入點，那就是將“格物致知”的理念融入“高等光學”課程的教學，以彌補以往教學的不足，強化學生理論聯系實際的訓練?！案叩裙鈱W”課程的教學固然要明確采用何種理論體系，補充必要精深的內容，還要教會學生利用高等光學知識處理問題的思想和方法，進而要讓學生把高等光學基本知識用起來，真正成為自身知識體系中的一個必要組成部分，成為研究生必備的基本能力，只有這樣才能充分發揮這門課程的作用。

4 基于問題的探索式和互動式教學改革實踐

在課程教學中對課程目標、課程內容、課程實施等方面進行優化，使之與國家、北京航空

航天大學的研究生培養要求相一致，總體上體現基本知識和技能積累并重，強調基礎理論知識的培養和工程實際問題的應用。

2019—2024年，我們連續五年分別在北京航空航天大學研究生核心課程“高等光學”教學班中進行了基于問題的探索和互動教學改革。大體流程為：在開始階段，對學生進行簡單的問卷調查，內容包括本科就讀學校及專業、現攻讀專業、是否系統學習過光學課程、希望通過學習達到的結果、研究生課題是否基本確定（若是，請簡要說明）等，從而初步了解選課研究生的整體基礎和未來課題方向。開展這一調研主要是考慮到入學研究生的本科基礎有一定差距和未來課題方向不盡相同，教師需要通過問卷了解情況，為后期開放式問題的設計提供參考。然后，教師將初步擬定的問題和要求發給學生，并允許學生結合自己的未來課題方向另行選擇問題，保證選題的開放性。在教學進行到中期時，學生組成的學習研究小組基本定型，根據選課人數，保證各小組人數不超過4人，使每位同學都能參與其中，并能合理分工，教師備案分組情況。在課程主體教學工作基本完成時，進入學生對研究問題的答辯環節。每組時間為講授10分鐘，學生及教師討論10分鐘。最終，根據學生合作分工、報告內容、答辯表述和問題討論等，評審教師給出最終成績。

在上述題目設計中，盡可能體現當今“高等光學”課程教學內容的學術研究的先進性、工程實際應用的普遍性和不同學科的融合性。例如，近年來發展迅速的薄膜鈮酸鋰調制器的原理、設計和制備；用于片上集成的SOI波導如何實現器件的小型化；光纖探針增敏機理和可能的應用等。問題設計和選擇應做到既不超教學大綱，又有所拓展。對涉及的附加領域知識內容，教師應提供關鍵詞供學生自行完成文獻檢索，使其在解決問題的同時，增強文獻調研能力。對一些專業背景比較強的研究問題（該問題一般屬于學生自選題），要求同學們講清楚原理和具體的研究現狀，以及光電磁波在其中起到的作用和操控方式等，不要求學生搞懂所研究問題的全部技術細節，可以給出定性的或半定量的分析結果來完成報告。

基于問題的探索式和互動式教學內容，以學生完成小組答辯為最終考核形式，占總成績的20%?？己肆η髮W生綜合學習能力進行評判，包括考查學生運用基本理論知識（電磁波在不同介質中傳播的機理和特點等）分析和解決問題的能力；針對實際的器件和系統，考查學生對光源、光波傳輸和信號調控等關鍵點的把握，使學生建立可以用高等光學基礎理論分析實際光電器件。例如，對于集成光電調制器，學生要明確其具有的分光、起偏和電光調制的三個主要功能，可用波導傳輸理論分析其分光特性、利用晶體雙折射理論分析其偏振分光特性和晶體的非線性電光效應分析其調制特性。由于學生理論知識的積累有限和實際問題的復雜性，小組報告的結論不要求是確定的，可以開放，也可以再引入更深入的問題，但總體要求是所用到的課程剛學習過的理論知識，需要扎實掌握，不能出現基本概念的錯誤，整體報告的問題分析應保證思路清晰、邏輯連貫和結論明確，已達到基本考核要求。而在報告準備和匯報過程中，學生體現的自主學習和探索的能力，良好的邏輯思維能力和清晰的表述能力等是加分項。

5 結論

綜上所述，本校“高等光學”研究生課程作為核心課程，經過上述教學改革實踐，取得了一定效果。但是本課程教學以建立基礎為主，覆蓋面廣，如何教好這門課，讓學生從中受益，培養其創新能力，是課程教學改革的重要目標，我們將繼續遵循教育教學規律和人才培養規律，積極創新，不斷探索，建設好課程，找到一種適合于本校特色的教學模式。同時，我們也希望得到同行的斧正，共同提升課程建設和教學的水平，為光學專業及相關跨專業人才的培養提供條件和支持。

參考文獻：

［1］季家镕，馮向華，曾學文.《高等光學》精品課程建設的實踐探索［J］.高等教育研究學報，2009，32（2）：6062.

［2］陳軍.光學電磁理論［M］.北京：科學出版社，2005.

［3］季家镕.高等光學教程：光學的基本電磁理論［M］.北京：科學出版社，2007.

［4］姚志友，鄒雪.新時代研究生教育治理審視：價值重塑與未來行動［J］.研究生教育研究，2024（3）：4553.

［5］趙沁平.研究生教育領域仍需摸著石頭過的三條河［J］.研究生教育研究，2019（1）：12.

作者簡介：馮麗爽（1968— ），女，漢族，河北石家莊人，博士研究生，教授，研究方向為光纖傳感、集成光學；馮迪（1972— ），男，漢族，陜西西安人，博士研究生，副教授，研究方向為光纖傳感、集成光學；張登科（1986— ），男，漢族，吉林長春人，博士研究生，副教授，研究方向為集成光電子學；劉惠蘭（1977— ），女，漢族，山東濟寧人，博士研究生，副教授，研究方向為光電成像、集成光學。