《应用光学》课堂教学改革探索

张巍 宋宝安 徐培鹏 戴世勋 聂秋华

摘  要：文章以宁波大学光电信息工程专业《应用光学》课程课堂教学为例，对教学内容、教学方法以及考核方式等几个方面进行了教学改革探索。通过调整教学内容、基于OBE模式进行“逆向思维教学法”尝试、以及引入单元测试和课堂小组讨论讲解的环节，充分调动起学生的学习主动性和积极性，获得了良好的教学改革效果。

关键词：应用光学; 教学改革; OBE

中图分类号：G642 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）03-0085-03

Abstract： In this paper， the teaching of applied optics， a course of optoelectronic information engineering in Ningbo University， is taken as an example. By adjusting the teaching content， trying to "reverse thinking teaching method" based on OBE model， and introducing unit tests and group discussion， students' learning initiative and enthusiasm are fully aroused， and good teaching reform effect was achieved.

Keywords： applied optics; teaching reform; OBE

前言

《应用光学》是高等学校光电信息工程、光学仪器等相关本科专业的基础专业课，也是光学工程相关专业的考研专业课，在光电相关专业的课程体系中占有重要地位[1-6]。宁波大学光电信息工程专业2011年建立，2012年招收第一批学生，《应用光学》课程安排在二年级授课，是宁波大学光电信息工程专业学生最早接触的专业基础课程之一，在培养学生专业基本素养及基础工程素质方面具有重要作用。该课程主要由几何光学、像差理论和光学设计三大部分组成，从几何光学基本定律出发，研究物体在不同系统中的成像特性、光学系统中的光束限制，学习光学系统的几何像差以及典型的光学系统。该课程所涉及的知识面广，学生通过《应用光学》课程的学习，一方面要了解几何光学的基本概念和理论，掌握光学元件和光学系统的成像特征，另一方面更要具备通过运用所学的知识进行分析和解决日常生活以及实际工程技术上常见光学问题的能力。

一、《应用光学》课程特点及现存教学问题

通过几年的教学工作，我们发现《应用光学》这门课程具有以下几个特点：第一，定义多、概念抽象，容易混淆和遗忘。课程中有不少概念抽象深奥，又没有实物进行参考，需要发挥学生的空间想象力，比如光束限制部分，对于孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑的概念，学生普遍认为很难理解;再例如像差部分，学生很容易将几种像差的概念混淆在一起。第二，公式繁多，推导复杂。课程中有大量的公式推导和计算，对学生的数学基础提出了较高的要求，并且随着课程学习的深入，遇到的公式越来越多，公式之间既有联系又有区别，容易造成混乱。第三，教学内容多，要求学生不能简单地死记硬背，需要动态的看待所学的知识，前后联系，融会贯通，这样才能真正掌握所学的知识，并为我所用。

同时，在教学过程中，我们也发现宁波大学光电信息工程专业的《应用光学》课程课堂教学存在以下问题：首先，教学内容方面，《应用光学》涉及的内容较多较杂，要在76课时教学时间（59课堂教学+17实验）内完成从简单的球面系统、平面系统到典型光学系统的过渡，再加上光能及其传播计算、光学系统成像质量等内容，是一个比较大的挑战;如何突出课程重点内容，明确教學目标，增强工程实践能力的培养，适当减少公式的推导，也是一个需要解决的问题。其次，教学方法方面，之前教学过程中仍然采用以教师讲解知识，学生被动的接受知识为主的传统教学模式，忽略了对学生逻辑思维能力和自主学习能力的培养;课堂上缺乏师生之间有效的双向互动环节，不能充分调动学生学习的主观积极性。第三，考核方式方面，期末总成绩由平时成绩、实验成绩和期末考试卷面成绩三部分组成，三部分的比例权重存在不平衡的现象，其中期末试卷成绩占比过大;此外，使用的考核机制过于单一，无法对学生各个阶段学习效果进行系统的衡量，其中平时成绩主要以作业完成情况和课堂点名为主，作业抄袭现象严重，雷同答案较多，既无法真正体现学生平时学习的状况，也无法体现公平的平时成绩考核结果。

针对以上提出的《应用光学》课程教学过程中出现几个问题，在宁波大学教研项目支持下，我们在《应用光学》课堂教学中尝试了一系列改革措施，旨在改变传统的教学方式，提高学生的学习兴趣和积极性，提升课程的教学效果。

二、《应用光学》课堂教学改革实施方案

（一）教学内容优化

课程教材选用浙江大学出版社的《几何光学·像差·光学设计》（第三版），根据教学大纲的要求，将《应用光学》课程内容划分为三大模块，分别为：1. 光学零件模块，主要讲解透镜、平面镜、棱镜、平行平板等。2. 像差模块，以光学系统中光束的限制为基础，引出球差、彗差、像散、相面弯曲和畸变，以及复色光成像所得的位置色差和倍率色差。3. 典型光学系统模块，包括望远系统、显微系统、照相系统、投影系统，介绍这几种成像系统各自的特点，是对前面所学内容的综合和应用。这三大模块前后呼应，相互关联，形成了一个有机的整体。在实际课堂教学过程中，我们对教材章节顺序进行了调整，由几何光学的基本概念和基本定律开始讲解，通过球面和球面系统、平面和平面系统引入理想光学系统，然后介绍光能及其传播计算，接着再进入光学系统中光束的限制一章，并衔接典型光学系统模块，最后再进行像差模块学习。教学中将像差模块和典型光学系统模块顺序调换，主要是因为典型光学系统模块内容与前面的光学零件模块联系更加紧密，可以把典型光学系统看作是光学零件的组合和延伸，这样的安排能够在复习前面学习内容的基础上自然引出复杂的典型光学系统，做到“温故而知新”，前后内容连贯。此外，由于宁波大学光电信息工程专业后续开设有光学系统设计与仿真相关课程，为了避免内容上的重叠，因此在《应用光学》课程中删除了光线追迹、光学系统质量评价等内容，改在后续相关课程中进行讲授。最后，在总教学课时不变的情况下，我们减少了光能及其传播计算这一章的授课时长，并削弱了考试对这一章的要求;同时在期中和期末增加了两次课堂讨论、学生课堂讲解的环节，这样做可以进一步提高学生学习的主观能动性，对培养学生分析问题、解决问题的能力有一定的帮助。

（二）课堂教学方法改革

最近几年，一种基于成果导向的教学模式（Outcome-Based Education，简称 OBE）在国内众多高校的专业教育中得到了广泛的应用[7]。这种教学模式是以预习产出为中心组织实施和评价的教育结构模式，更有利于学生学习，提高学生的实际应用和创新能力[4]。在这种教学理念下，教师不再是课上的讲解者，而是学习方法和学习环境的设计者，更加注重学生预期学习成果的达成。

基于OBE的教学模式和宁波大学光电信息工程专业学生实际情况，我们在授课过程中尝试了“逆向思维教学法”。“逆向思维教学法”是一种与OBE的教学模式相契合的教学方法，它遵循的原则是：首先明确教学目标，以教学目标成为课程设计的标准与出发点，再通过这个先期明确的教学目标，选择课程材料，使课程内容得以成形，学习知识的过程得以发展，课程的评价工作得以准备。应用到《应用光学》课堂教学改革中，以学生为主体，以培养学生创新能力为目标。这就要求教师不能简单地作为讲解者来灌输教学内容，而是从应用光学最新动态和发展趋势角度去引导和启发学生思考，教师从“教”学为主转变为以“导”学为主，并增加课后专题答疑、小组讨论等教学形式，让学生不单单是被动地接受教师讲解的知识内容，而是能更主动地参与到课程教学过程中，充分发挥主观能动性，以促进学生自主学习的能力。

在教学改革实践过程中，以小组讨论为例，课前教师会将学生以3-4人为一组分成若干小组，每组选出一名组长，然后向不同的小组成员发布不同的课题内容，让每个小组利用课余时间进行材料搜集，并结合课本上的知识点进行整理，通过课堂时间进行小组讨论和总结，并指派代表上台讲解。实际操作过程中，我们发现学生会利用自己所学的知识，对教师所提出的问题进行充分的文献调研，并通过小组成员之间的沟通与交流，将各自的意见和观点融会在一起，形成一个相对完整的答案，最后每组选一名代表上台，阐述小组成员对所提出问题的看法和见解。同时，台下的同学在听完台上同学讲解之后，可以现场提问，也可以对台上同学所做的解答进行补充，双方你来我往交换意见，深入地探讨相关的知识，教师在整个过程中作为旁观者和引导者，在必要的时候对学生讨论的内容进行指点和引导，使学生对相关知识的脉络更加清晰，理解也更加深刻。这种让学生参与到授课过程中的教学模式，让学生可以更快、更深的理解和掌握课程的内容，并提高学生分析问题、解决问题的能力，相比于传统的教师填鸭式讲解、学生被动接受的教学方式，这种方式更加灵活、高效，同时也能活跃课堂气氛，营造更好的学习氛围。

（三）考核评价方式调整

在长期盛行的传统考核方式中，期末试卷成绩占主导地位，具有“一考定乾坤”的现象。很多学生平时不注重知识积累和消化，往往在期末考试前临时抱佛脚，只是为了应付期末考试，期望期末考卷能够“六十分万岁”。这样做法没有办法对学生在各个不同阶段的学习进行均衡化的评价，也无法对不同阶段出现的问题及时进行查缺补漏。为了更全面客观地评价学生学习情况，把学习能力、实践能力和创新能力作为考核学生是否优秀的重要指标，我们减少了传统期末卷面成绩所占比重，在总成绩考核中期末考试成绩、实验成绩和平时成绩分别占50%、30%和20%。在考核内容中除了增加前面提到的分组课堂讨论和上台讲解之外，还增加了每章的单元测试作为平时成绩的一个重要部分，这样避免了传统评价方式中的平时成绩仅仅依靠点名和作业成绩的做法，可以相对更公平地衡量学生平时的学习效果。

教学改革实践中的单元测试，是在每一章学习内容结束后，利用课堂上抽出的20分钟时间进行这一章的测试，测试内容为该章主要知识点，以选择、填空题为主，有少量画图、计算题。测试完毕当堂进行答案讲解和同学之间互相批阅。通过这样的测试形式，一方面可以让教师掌握学生在这一段时间内的学习效果，另一方面也讓学生对每章内容进行及时的复习，避免期末时集中突击的现象，同时可以引导学生从注重考试结果向注重学习过程转变，提高学习的主动性。根据学生课后的反馈，进行章节单元测验可以让他们更清楚地认识到每一章所学知识重点和难点，更加了解自己学习的薄弱环节，进行有针对性的复习，做到有的放矢，有利于提高学习效果和学习效率。

三、结束语

本文针对宁波大学信息科学与工程学院光电信息工程专业的实际情况，借鉴了国内其他高校应用光学课程教学改革的一些经验，以《应用光学》课程为例，认真研读该专业的培养方案和《应用光学》课程教学大纲，优化《应用光学》课程的教学内容;以OBE理念为基础，改革课堂教学方法，引入“逆向思维教学法”，提高了学生的学习主动性;通过考核评价方式调整，增加阶段性单元测试，更加注重学习过程的考察。通过两学年时间的课堂教学改革探索，学生反馈对这门课程所传授知识有了更深入理解，学生期末总评平均分由教学改革之前两年的74.9分和75.3分提高到80.4分和83.7分，充分说明了改革后的课堂教学效果显著。同时学生的学习能力也得到了充分的锻炼和提高，学习热情得到了激发，学生真正融入到课堂教学中，平时就开始注重知识积累和储备，而不是临考试前再突击复习，明显提升了学生的学习体验和教学效果。

当然，《应用光学》课程教学中还存在其他的问题，在今后的教学工作中，仍需要保持原有好的教学方法和教学思路，同时继续改进课堂教学方法，并通过实验教学改革进一步发挥学生主观能动性，促进学生综合能力培养。

参考文献：

[1]许嘉文，程湘爱，钟海荣.“应用光学”课程教学模式的思考与建议[J].高等教育研究学报，2016（1）：115-120.

[2]官邦贵，何恩节，秦炎福，等.《工程光学》课程教学内容优化与教学模式改革的研究[J].价值工程，2017，36（1）：160-162.

[3]杨磊，蔡怀宇，吕且妮，等.天津大学《工程光学》“慕课”教学改革与实践[J].教育教学论坛，2017（16）：143-145.

[4]边心田，陈贵宾.基于OBE理念的应用光学课程改革与实践[J].高教学刊，2017（18）：125-127.

[5]张燕飞.基于应用型人才培养的工程光学课程教学改革研究——以黄山学院为例[J].科教导刊，2019（1）：51-53.

[6]黄富瑜，周冰，刘秉琦，等.“应用光学”课程教学改革初探[J].电气电子教学学报，2017（39）：49-51.

[7]边心田，陈贵宾.成果导向教育（OBE）理念下的应用光学课程改革[J].高教学刊，2019（7）：113-115.