CDIO教育模式下“物理光学”教学设计探究

2014-06-28纪延俊杜玉杰

物理通报 2014年10期

纪延俊杜玉杰卞丽

(滨州学院光电工程系山东滨州 256603)

“物理光学”是光电类专业必修的一门重要的专业基础课，从光的波动性出发研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学.物理光学涵盖经典光学和现代光学的广泛内容，包括光的基本性质，光的干涉、衍射、吸收、色散、散射及晶体光学基础.物理光学的教学目的是让学生掌握光的波动理论及晶体光学的基本知识、概念，学会用光的电磁理论解决光的干涉、衍射、偏振及其与物质的相互作用问题，为信息光学、激光原理与技术、光电信息技术、光纤通信等多门专业课程的学习奠定良好的基础.在该课程的教学中，学生反映课程内容概念多，抽象难学.如何得到好的教学效果，人们在教学方法和模式方面做了不断的探索，如学导式教学[1]、研究性教学模式[2,3]、课题制教学[4]等.

大学是传承、实践和创新文化的机构[5]，高等教育与产业发展的双重关系为引领与适应[6]，如何调整人才培养结构，促进大学生就业，成为高校改革的热点.CDIO(conceive,design, implement, operate，构思、设计、实施、运作)工程教育模式改变了过去陈旧、单一的工程教育人才培养观念，树立以产品为导向的工程价值观[7,8]，适应了大众化高等教育的发展和科技的发展.我校以培养高级应用型人才为基础，以需求、市场、就业为导向，在设计光电信息科学与工程专业人才培养方案时努力将社会需求科学地转换为可以教学的应用需求，使课程体系和课程内容与实际应用较好衔接.在“物理光学”教学中，融入CDIO教学模式，从课程内容的构思、设计到具体课堂以及课后教学的实施和具体运作，力图使学生从单纯的理解和接受式的被动学习方式转变为应用和探索式的自主学习方式.

1 物理光学教学中存在的主要问题

物理光学知识体系严谨、逻辑推理性强、实践性强，知识体系间又具有较强的独立性；该课程公式多，难度大，讲授难以生动形象，特别在光的电磁理论基础和光的衍射部分，如果用死记硬背的学习方法，既影响学生对课程内容的理解掌握，又影响学生的学习兴趣和探索兴趣，阻碍学生创新能力和探究能力的培养.

物理光学的教学过程中主要存在以下问题.

(1)教学方法单一

物理光学涉及的知识抽象、公式复杂，教学中会出现教学方法古板、平铺直叙的情况[9,10]，学生学习兴趣随着理论学习的深入呈下降趋势.

(2)学生数学基础不足

通过光的电磁波方程来表示光在传播过程中与介质的作用以及相互间的作用，复数的物理意义与运用一直是学生难以掌握的问题，致使学生重视了结论，却忽略了分析问题的思想.

(3)知识的积累与应用能力培养间难以协调

物理光学是光电类专业的基础课，不仅要给学生打造宽厚的理论基础，更重要的是要培养学生分析问题与解决问题的能力，同时注重学生创新思维的培养.

物理光学是光电类专业学生的必修专业基础课，但历年来又被学生认作是比较难学的课程之一，所以需要不断探索其教学设计，激发学生的学习兴趣，提高学生的动手能力和工程素养，为后继课程的学习打下坚实基础.

2 课程建设改革的实践与探索

基于课程教学的特点和需要达到的目标，我校在物理光学的教学过程中进行了一系列的实践和探索，对教学内容、教学方法和教学手段等方面进行改进，取得了积极的效果.

2.1 课程内容的构思与设计

2.1.1 确定讲授重点

(1)依据前后课程间的衔接

物理光学的前期课程为电磁学，对光的电磁属性方面可以有选择地讲解，为了给后面的干涉和衍射打好理论基础，光的波动特性需要加强讲授；光的干涉、衍射、偏振为物理光学的重点，与文献[11]的看法相同；其后继课程为激光原理、信息光学，傅里叶光学部分可概括性讲授，留待后继课程详细讲授.

(2)依据学生的工作面向

我们与相关企业签署了产学研合作协议和就业协议，考虑企业生产中所用知识和企业的发展方向，对干涉检测、各种偏振光的应用和晶体光学部分进行了重点讲授，并设立相应的实验.

2.1.2 注重应用能力和创新思维培养

首先在知识讲解过程中，教师的举例尽量与目前相关知识的发展、应用相联系.比如在讲解迈克尔孙干涉仪时，分析利用迈克尔孙干涉仪测量微震动[12],测金属丝的弹性模量[13],测透明介质折射率[14],测温度变化[15],测波长[16]等，以及讲解对迈克尔孙干涉仪改进后的马赫-泽德干涉仪，将知识点的应用和当今光信息技术的发展相结合.

在章节末，要求学生查阅相关知识的应用，在班上先做小组讨论，然后小组推选代表进行班级讨论，并把学生的表现计入平时成绩，既让学生参与其中，又加强了对知识的理解，增强学生的应用意识，培养其创新意识.

2.1.3 教学与科研相结合提高教学质量

教师在授课过程中，可结合自己的科研方向，对相关知识的讲解略深入一些，激发学生的进取心和考研兴趣,同时为学生毕业设计打下基础.教师开展主题讲座，激发学生的学习兴趣，扩大知识面.

2.2 教学的实施与运作

2.2.1 教学过程中体现以人为本

在课程的进度、知识讲解方法方面听取学生建议；每章后的讨论课上，要求每个学生积极参与，一学期结束后每人最少有一次发言机会；考核方法多样化，多听取学生建议，考虑学生多方面发展，以学生学会分析、掌握知识应用为目的，采用多样化的考核方式.

2.2.2 注重应用能力培养的课堂教学法

(1)问题式课堂教学分为问题式讲授、实例分析、启发式提问和互动式讨论

讲解知识点时，首先选好问题，选择问题要注意根据学生实际，把握好问题的层次和深度，起到循序渐进的效果；然后提出问题，启发学生思考，带着问题一步一步深入.在知识点讲解后，通过具体的实例加强学生对知识的理解.进行课堂内容总结时，由教师提出问题，由问题的解决引发学生讨论、学习和总结，通过探索问题以及揭示出问题背后的知识点，使得学生掌握解决这些问题的能力.在有连贯的几章结束后采用的方法，教师选取一些有代表性的知识点或若干相关联的知识点群构成问题，由学生在课下分小组主动学习和讨论，形成初步印象或争议，然后在课堂上由教师引导开展集中讨论，完成升华式讨论总结.

(2)KM教学法,即为基于知识逻辑结构融入思维导图(KM)的教学法[17]

由于物理光学知识体系的较强逻辑性，通过横向和纵向把知识通过抽点-连线-成网-扩展-概型-嵌入建立逻辑关系，加强学生对知识的理解，锻炼学生的创新思维.例如对干涉知识体系的表示，见图1.

图1 干涉知识体系KM图

2.2.3 丰富课后教学

(1)任务驱动

每章结束后，针对这一章所学的光学知识，让学生查阅资料，总结出其应用，调动了学生学习的积极性，提高了其知识含量和查阅资料的能力，使学生了解了相关知识的发展，为课程小论文打下基础.

(2)课后咨询、答疑

咨询、答疑是教师和学生进行课后交流的主要形式，每个主讲教师每周都安排答疑时间，或通过网络进行.通过和学生的相互讨论，引导和启发学生对问题进行分析，培养学生分析问题、解决问题的能力，减少学生在学习过程中过多依赖教师的现象.

(3)学术讲座

在课堂教学之外，针对光学技术发展的前沿问题、教师的研究成果等，对学生经常定期开展新技术讲座，以提高学生的学习兴趣，拓展学生的知识面，开拓学生视野.

2.2.4 教学手段多样化、感官化

运用多媒体设备进行教学，制作课件，建设课程网站，实现了网络资源共享和网上交流.目前已建设有光学校精品课程网站，教师授课录像、课件、习题库等全部上网.优质丰富的教学资源既可以提高教学内容的科学性、先进性和趣味性,又可加强学生与教师的实时交流,还可以方便学生在不同时间、不同地点根据自己的需要进行自主化、个性化学习.

软件的实验模拟，对物理光学进行计算机建模和相关软件对实验的模拟[18～21]，把难以理解的知识直观化，既增强了学生对物理光学知识的理解，又增强了他们的软件应用能力.

2.2.5 加强实践性教学

加强物理光学的实验教学，加开综合性、设计性实验，锻炼学生基本动手能力.我们采用实体实验与软件模拟相结合的方式[22].

与学科和项目竞赛相结合，开拓学生潜能.目前学生参加的科技大赛有光电设计大赛、物理创新大赛、电子设计大赛等，对以往大赛中涉及的物理光学内容进行讲解时，可采用项目教学法[23]或五步教学法[24]，通过启发、探寻、反思、设计、实践5个环节，加强学生创新、创意思维的培养.例如，讲到光的偏振和晶体光学部分，以“光电导航搬运车”为例，通过分析如何实现光对障碍物的探测，启发学生思考所用的光学知识，探寻实验的原理，设计光学原理图.

2.3 综合的考核方法

课程成绩评定可采用结构化分数.采用期末闭卷考试形式、课程小论文、课堂讨论及平时作业情况进行综合成绩评定.学生经过查阅文献，结合自身的思考、分析、小结，写出课程小论文，可以培养和锻炼其查阅资料、提出、分析和解决问题以及表达问题的能力，同时可以提高学生学习的积极性和主动性，培养学生的科学研究和创新能力.最终成绩与平时成绩结合，体现了以人为本、素质教育，同时减轻了学生学期末的压力.

3 总结

根据物理光学的课程特点，提出了基于CDIO工程教育模式下，如何去构思、设计教学内容，在教学上如何去实施、运作，并通过具体事例进行说明.让学生在物理光学的学习中得到工程锻炼，全面提高学生的应用能力、逻辑思维和创新思维，改变了枯燥的平铺直述的讲授方式，实现了理论与实践、课内和课外、教学与竞赛、学业与就业的结合.

参考文献

1 赵永林.学导式教学法在物理光学教学中的应用.科技信息，2010(35)：186

2 徐宁.“物理光学”研究型教学模式探索与实践.电气电子教学学报，2012(3):103～105

3 张尚剑.物理光学课程的研究性教学模式实践.教育教学论坛，2012(22B)：77～78

4 李春芳.《物理光学》课题制教学法初探.实验科学与技术,2012(1):112～115

5 周远清.文化的教育·教育的文化.当代教育论坛，2013(1)：1～4

6 闵维方，蒋承.产业与人力资源结构双调整背景下的大学生就业.北京大学教育评论，2012(1)：2～12

7 陈冬松，孙阳春．CDIO工程教育模式下的工科院校人才培养途径．现代教育管理，2011(11)：34～37

8 朱向庆，胡均万，曾辉，陈宏华.CDIO工程教育模式的微型项目驱动教学法研究.实验技术与管理，2012(11):159～162

9 王伟．物理光学课程教学改革与实践.安徽工业大学学报，2011(4)：110～111

10 哈斯乌力吉，吕志伟，张爱红，何伟名，林殿阳．物理光学教学设计的研究．电气电子教学学报，2008(4):90～94

11 陈陶，徐宁，关建飞.光通信类《物理光学》教学改革研究．中国科技信息,2010(7)：194～197