论新形势下高校“几何光学”课程教学改革

杨利平， 周大秋

(重庆大学 光电工程学院，重庆 400044)

0 引言

“几何光学”课程介绍光的传播规律和光学系统成像原理，用以指导光学系统设计[1]，是从光学原理到实际光学系统设计的纽带，是光电信息科学与工程、测控技术与仪器专业及其他相关理工科专业的专业基础课和必修课，也是光学工程、仪器科学与技术等相关学科最重要的基础课程[2,3]。从国内最早建立光学仪器专业到现在，经过近70年的发展，“几何光学”课程的体系和内容已经非常完善。大多数高校现行的“几何光学”课程都是以理想光学系统理论为核心，同时涵盖光能和光束限制、像差理论、经典目视光学系统和现代光学系统等内容[4]。

最近几年，立德树人成为了高校人才培养的根本任务。随着“思政课程”到“课程思政”的转变[5]，新工科专业建设的推进[6]和中国工程教育认证工作[1]的开展，国家的需要、社会行业和产业的发展和高等教育的要求都对专业课程的课程内涵、功能和定位提出了更高要求。如何适应新形势的发展，使“几何光学”课程适应行业和专业发展的需要、符合工程教育的条件、满足立德树人的要求是任课教师必须思考的问题，也是当前进行课程改革的迫切任务。本文在分析当前工科专业课程教学的新形势和调研“几何光学”课程教学现状(以重庆大学为例)的基础上，给出了高等学校“几何光学”课程教学改革的几点思考。

1 当前工科专业课程教学面临的新形势

1)课程思政深入专业课堂成为高校落实立德树人、三全育人的必然

课程思政是指以构建全员、全程、全课程育人格局的形式将各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应，把立德树人作为教育的根本任务的一种综合教育理念[7]。

2016年12月召开的全国高校思想政治工作会议要求要用好课堂教学的主渠道，各类课程都要围绕学生、关照学生、服务学生，让学生成为德才兼备、全面发展的人才。2017年12月，教育部发布的《高校思想政治工作质量提升工程实施纲要》明确，要大力推动以课程思政为目标的课堂教学改革，优化课程设置，修订专业教材，完善教学设计，加强教学管理，梳理各门专业课程所蕴含的思想政治教育元素和所承载的思想政治教育功能，融入课堂教学各环节，实现思政教育和知识体系教育的有机统一。以上会议的召开和实施纲要的发布表明，将思政教育融入专业教学是当前国家对高等院校人才培养的根本要求，在专业课程教学环节中融合增加必要的思政教育因素是当前和今后一段时间内专业课程教学改革发展的重要内容之一。

2)新工科建设成为驱动工科专业课程教学改革的动力

新工科建设是指建设代表着当前最新产业和行业发展方向的新兴、新型和新生工程学科，具有引领性、交融性、创新性、跨界性和发展性等特征。新工科的建设要服务国家战略、满足行业需求、面向未来发展。

光电信息产业是当前最具魅力的战略性新兴产业[7]。光电信息科学与工程是光电信息产业高素质培养人才的本科专业，是新工科建设的重点。仪器科学与技术作为工程性学科，涵盖了光学、机械、电子、计算机、信息等多学科的专业知识，具有典型的多学科交叉融合特点。测控技术与仪器专业作为当前仪器科学与技术学科对应的唯一本科专业，也属于新工科建设范畴。“几何光学”课程作为光电信息科学与工程、测控技术与仪器的专业基础课，为适应新工科发展，必然要开展课程教学内容改革和教育教学方式革新。

3)工程教育专业认证促使课程教学必须适应专业对学生能力培养的要求

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。以学生为中心、成果导向教育和持续改进是工程教育专业认证的基本理念[8]。课程体系建设是实现专业培养目标的基础保障，课程教学是学生能力培养和毕业要求达成的根本环节。

最新修订的工程教育专业认证标准对学生解决本专业复杂工程问题能力以及学生的“工程与社会、环境和可持续发展、职业规范、个人和团队、沟通、项目管理、终身学习”等非技术素养的培养提出了更高的要求。作为落实工程教育理念和要求最根本环节的课程教学必须与专业对学生的能力培养相适应。

2 “几何光学”课程教学现状调研

为分析“几何光学”的教学现状，我们对重庆大学2017～2018学年和2018～2019学年光电信息科学与工程、测控技术与仪器专业的学生学习情况进行了三次调研，分别是：《2017-2018学年第二学期“几何光学”课程教学调查》、《2018-2019学年第二学期“几何光学”课程教学中期调查》、《2018-2019学年第二学期“几何光学”课程教学调查》。课程教学调查安排在课程结束时进行，主要关注学生对课程满意度、获得感、学习情况以及课程改进的建议；课程教学中期调查安排在课程期中测试后进行，重点关注学生对课程基本理论的掌握情况。三次调研共收集了125份学生的反馈问卷，其中课程教学调查104份、课程中期教学调查21份。

(a)教学满意度统计 (b)课程获得感统计

图2 学生最佳学习手段统计

图3 学生对课程改进的建议

图1～图3为2018、2019学年的课程调查统计。从调查情况看，课程教学的现状主要表现为以下几个方面。第一，学生对“几何光学”课程教学总体是比较认可的，88%的学生对教学是满意的，84%的学生认为课程的知识、能力、素质获得符合自己的预期；教学满意度较高，知识、能力、素质的获得感较强。第二，现行的按照工程教育专业认证标准制定的课程教学大纲对学生的学习具有较好的指导作用。第三，学生在课程学习过程中注重课堂教学、课后复习和课后作业环节，但忽视了课前预习环节的重要性；这不利于课程知识的内化和能力培养。第四，学生主要通过课堂教学、作业和自学等手段完成课程学习；但网络资源的利用率不高，与同学的交流不足。第五，学生认为课程还应该在工程性、应用性，知识的系统性、前沿性等方面进一步提升和改进。图4为2019学年的课程教学中期调查结果统计。从调查的结果看，96%的学生认可课程采用的教学方法，78%的学生适应课程的教学方法。从基础理论和基本知识的掌握情况看，学生能够完全掌握“几何光学”的符号规则、单个折射面近轴公式以及牛顿公式、高斯公式等理想光学系统的物像关系；但是，随着理论知识的增多、过渡关系以及等效光组参量等的引入，学生对知识的理解程度降低，非常容易混淆各种参量的物理含义。这表明学生对于基础知识的理解不深、知识的内化程度不够、综合应用能力需要加强。

(a)学生对教学方法的适应情况 (b)学生对课程知识理解情况图4 课程教学中期调查结果统计

综合以上两方面的调研，我们认为当前“几何光学”的课程教学总体是能够满足学生能力培养和专业发展要求的。但具体教学环节还存在一些不足，主要体现在：①学生学习手段单一，过分依赖课堂教学，线上资源利用率低、自主学习动力不足；②学生对课前预习的学习环节重视不足，课堂知识内化程度不够，综合应用能力不足；③课程的教学内容新颖性需要进一步凸显，增加工程性、应用性、系统性和前沿性的教学内容和教学设计。

此外，我们也注意到：当前“几何光学”课程的教学内容还是以高斯光学为基础的经典内容，虽然教学过程中会涉及科学精神、工程素养等方面的内容，但是尚未将课程思政显式地作为课程的教学目标；同时，课程的光学系统设计教学内容仍以经典目视光学系统为主，未能充分体现新工科对专业基础课程的要求。

3 适应新形势开展“几何光学”课程

教学改革的思考

为了使课程教学适应当前高等教育新形势的发展，使学生在课程学习过程中打牢专业基础、提升知识的综合应用能力，满足新工科、工程教育认证对光电信息科学与工程、测控技术与仪器专业学生的应用光学知识、能力、素质方面的要求，我校“几何光学”课程教学组经过广泛的调研和讨论，形成了以下几点课程教学改革的思考。

3.1 在教学设计上融入课程思政理念，增加相应教学环节

“几何光学”作为专业基础课，虽然不具备“马克思主义基本原理”、“毛泽东思想和中国特色社会主义理论体系”以及“思想道德修养”等成体系的思政类课程思想政治教育的作用，但可以在国家意识、社会责任、科学精神、文化自信和工匠精神等方面引导和激励学生。进而使学生理解发展光学事业在中国特色社会主义事业新征程中的历史使命，激发学生将职业发展与专业发展有机结合的自觉性，培养学生作为未来光电专业人才的社会责任感、工匠精神、创新意识与自主学习能力。

课程的教学设计上，将科学精神、国家意识、社会责任、工匠精神等课程思政元素有机融合到各章节的教学中。在课程前言部分的教学中，以激发学生学习光学的兴趣为目标，增加光学发展简史教学环节，培养学生不畏困难、客观判断、实践检验和勇于创新的科学精神；增加国内光电产业发展的教学环节，培养学生作为光学专业从业人员的国家意识和社会责任感。综合理想光学系统理论、像差理论和光学系统设计的教学内容，使学生理解原理设计和工程实现的差异，理解像差控制对光学系统设计的重要性，培养学生在光学设计中处理矛盾的唯物辩证思维的工匠精神。

3.2 以光学和仪器的产业和行业最新发展方向为指引革新课程教学内容，适应新工科建设的需要

“几何光学”课程的教学重点包括高斯光学理论和光学系统设计两大部分。当前，绝大部分高校的光学系统设计教学都是以经典的目视光学系统，如显微系统、望远系统、摄影系统等为主要内容。然而，近年来，随着光学和仪器行业的发展，应用光学中出现了许多新技术，如自由光学曲面、非成像光学、紧凑型光学系统、微纳光学等。这些新技术的出现，要求我们必须在现行教学内容基础上对课程进行革新，以适应新工科发展的需要。

在课程内容革新的过程中，可以遵循以下原则：①在保证高斯光学理论完整性的前提下，适度精简和提炼几何光学的基础理论；②结合具体工程实例增加基础理论综合应用的教学内容，以拓展学生视野，提升学生的基础知识应用能力；③在现有显微系统、望远系统和摄影系统等目视光学系统设计教学内容的基础上，根据各高校的研究基础和面向行业的不同，从科学研究中凝练1～2个现代光学系统设计案例作为新的教学内容，拓展课程的前沿性、系统性。重庆大学可以在信息光学系统设计、微纳光学系统设计和光纤传感光学系统设计等方面凝练案例，形成具有自身特色的教学内容。

3.3 以学生为中心，突出专业素养训练，适应工程教育认证对学生非技术因素的要求

一流本科的专业基础课程教学绝不是简单的专业技能培训，而是在掌握扎实专业基础理论的前提下培养学生的专业素养，注重接触多元思想、开拓个人视野和锻炼综合能力[9]。这与工程教育专业认证要求培养学生的工程与社会、环境和可持续发展、职业规范、个人和团队、沟通、项目管理以及终身学习等非技术因素能力是相一致的。针对当前“几何光学”课程仍以知识传授为主的现状，我们一方面需要加深基础理论的教学使学生打牢基础，另一方面需要从工程实践中凝练教学案例做到理论与实践相结合，全面培养学生对工程问题的理解能力，形成良好的专业素养。

在教学形式方面，可结合重庆本地光学设计企业较为集中的优势，设计专门的课程讲座环节，通过聘请光学设计企业的高级工程师为学生讲解光学系统设计发展现状以及光学系统从原理设计到工程实现的全过程流程管理，拓展学生的视野，培养学生的职业规范和项目管理能力。

3.4 构建形成性和终结性相结合的课程评价体系，确保课程教学过程的持续改进

形成性评价是在教学过程中为了解学生的学习情况，对学生日常学习过程中的表现、所取得的成绩以及所反映出的情感、态度、策略等方面的发展做出的及时评价。通过评价激励和管理学生学习过程，并及时调整课程教学过程。终结性评价是在教学活动结束后为判断学生学习效果而进行的评价。

课程教学过程应包括两个层次的循环：一是以学生为责任主体的“课前——课堂——课后”学习过程循环；二是以教师为责任主体的“大纲修订——教案修订——课程教学——学生达成情况评价——课程教学改进”教学过程循环。无论哪个层次的循环都需要依据一定的评价结果来推动。从评价的目的来看，形成性评价适合于学习过程评价，终结性评价适合于教学的评价，两种评价手段缺一不可。因此，我们需要构建形成性和终结性相结合的课程评价体系，保障学生学有所获，确保课程教学活动一直处于良性的持续改进过程中。

4 结语

课程思政、新工科、工程教育认证，最终的指向是高等学校本科人才培养。“几何光学”课程在教学设计上融入课程思政理念，以光学和仪器的产业和行业最新发展方向为指引革新课程教学内容，突出专业素养训练，构建形成性和终结性相结合的课程评价体系，确保课程教学过程的持续改进，契合“成果导向、以学生为中心和持续改进”的工程教育理念。这也是“回归常识、回归本分、回归初心、回归梦想”四个回归要求在课程层面的具体体现。