新工科背景下“应用光学”课程的探索与实践

韦晓孝 冯吉军 梁青青 张 薇 王 宁

（上海理工大学 上海 200093）

0 引言

“应用光学”作为一门既有系统理论又有较强实践性的技术基础课，是电子科学与技术、光信息科学与技术和测控技术与仪器等专业的专业基础课程。从国内最早建立光学仪器专业到现在，经过近70年的发展，“应用光学”课程的体系和内容已经非常完善。课程以几何光学原理为基础，分析研究了几种典型光学仪器(显微镜、望远镜、照相机和投影仪)和现代光学系统(光纤光学系统、红外光学系统和激光光学系统)的工作原理、系统架构、成像质量和设计方法等，在整个工科专业课程体系中占据重要地位[1-2]。

新工科是新经济背景下工程教育改革的重大战略选择，也是今后我国工程教育发展的新思维、新方式。“新工科”相对于传统工科而言，更强调学科的实用性、交叉性与综合性。“应用光学”作为光电信息工程专业重要的基础课程之一，与基础学科和精密机械与制造、计算机等周边相关学科具有广泛的联系，更容易体现知识综合与学科交叉的特征。为了实现高等教育的创新和适应未来工业革命的挑战，开展“新工科”学科布局，构建多样化、个性化的工程人才培养模式已经成为教育部重要战略发展方向。在新工科背景下，“应用光学”课程也应该思考如何建设与新环境相适应的教学模式，探索教学与实践、创新之间的关系，从而激发学生的求知欲和创造欲，为培养高素质复合型“新工科”光电人才打下坚实的基础。

1 “应用光学”课程教学现状

1.1 教学内容的问题

以本校“应用光学”课程为例，课程教学还是以高斯光学为基础，以理想光学系统理论为核心，同时涵盖光能和光束限制、像差理论等的经典内容。从成绩的反馈来看，学生基本上能够掌握“几何光学”中的符号规则、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。且在当前考核评价方式下，书面考查也反映学生对光学系统像差的理论有一定的掌握，但是这种单一的方式又怎能对培养目标的满足情况进行多维度的考察呢？学生的这些理论知识是脱离于学科工程实际应用性的，如果结合实际应用的一个具体需求指标，学生完全不能把指标与书本上的理论知识结合起来，并且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、综合应用能力需要加强。

1.2 教学模式的问题

传统的“填鸭式”教学模式，授课过程中主要以教师讲、学生听为主，课堂气氛较为沉闷，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，不仅不利于课程知识的内化和能力培养，也难以调动学生的积极性，还会扼杀本科生的求知欲和创新精神，完全不适合当今社会对创新型工科人才的培养需求。

2 新形势下“应用光学”课程教学的探索

2018年教育部发布了“普通高等学校本科专业类教学质量国家标准”，其原则和理念的核心就是以学生为中心、以成果为导向，通过翻转课堂的教学模式，充分发挥学生的主体作用，提高学生创新意识、分析问题和解决问题的能力[3]。作者承担高校光学专业的“应用光学”课程，在教授该门课程的过程中也在不断地探索思考，如何在教学过程中，从教学主导者的角度出发，尽可能的引导学生学习并消化知识，加强实际应用能力，很显然，有效的教学方法及教学手段是解决该问题的举措之一，也是一个师者在教学生涯中的不断追求。

鉴于此，作者开展了以下几个方面的探索研究。

（1）课程思政的有效结合。“应用光学”专业教师利用自己的专业知识储备，在传授专业知识的过程中，可结合具体的专业课程内容进行灵活巧妙地思政教育。从“应用光学”学科的交叉性特点出发，挖掘思政元素，培养学生的职业素养，要求学生养成一丝不苟的精神和认真负责的工作态度，尤其是团队合作的精神。从“应用光学”学科的发展历史培养学生的爱国主义精神，向学生讲述在20世纪50年代美国德国等发达国家对我国实行技术封锁的情况下，国家在不到10年的时间里相继建立起光学设计与检验、光学工艺、光学镀膜、光学计量测试、机械设计等10多个方面的工艺和技术基础，初步构建起布局合理、结构完整、功能完备的光学和精密机械的研究基础，使得我国从在光学领域内一片空白的局面扭转为在国际上占得一席之地，以此培养学生的爱国主义情操。从老一辈光学科研工作者的光辉事迹，他们严谨的科学态度、勇于探索的科学精神激发学生的历史使命感[4]。

（2）课程教学内容的优化。课程教学从光学知识在前沿科技领域的应用出发，结合光学的发展史，回顾高中物理课本中已学过的反射定律和折射定律等内容[3]，逐步引导“应用光学”课程的学习内容和目标，尤其是以贴近我们日常生活中的实际应用为例，引发学生的思考。比如大部分同学戴的近视眼镜，就是一个非常好的应用，这里面有很多问题需要思考：近视眼镜的原理是什么？它所用的是什么材料？为什么不同的眼镜反射光的颜色不一样，基于的是什么原理？眼镜片通过什么手段可以做薄？渐进多焦镜又能实现什么样的功能呢？通过启发式的问答，把每一个应用的点跟课程中的理论概念结合起来，激发学生对课程学习的兴趣。近年来，随着光学和仪器行业的发展，应用光学也涌现出了很多不同于经典光学系统的新技术，比如自由曲面，超短焦，微纳光学等等，这些新技术的出现，也要求我们根据新工科发展的需求调整教学内容。教师可结合自己所从事的行业，结合应用的前沿性和系统性，提炼出综合性的经典案例，形成具有个人特色的教学内容。

（3）课程教学方式的探索。“应用光学”的课程教学可采用“理论—实践”和“案例教学”的方法，主要通过讲授课本的基础知识，结合配套的实验教学，并将理论内容与工程应用相结合来完成。作者在教学过程中印象深刻的一点是：提问学生关于不同倍率显微物镜的知识点，前面的数字10X/20X等表达了光学系统的什么指标，通过这种方式，学生会对这方面的知识点掌握牢固。此外，以课程项目的方式展开教学，以项目提出的光学指标为前提，指导学生查阅文献，明确项目中的光学指标与“应用光学”课程中的哪些概念是一致的，将具体的光学指标与理论知识结合起来，融入到实际的光学仪器研发过程中，并辅助采用ZEMAX光学设计软件等现代化手段，让学生在学中做，做中学，大幅提升学生的学习主动性。最终实现从以“灌输—接受”为主的教学方式过渡到“以教师为主导、学生为主体”的教学模式，逐步适应新的发展。

（4）课程教师教学能力提升的对策探讨。应用光学是一门系统性、综合性的学科，具有计算数学、计算机技术、信息物理、光学等多学科融会贯通的知识结构，任课教师需要利用自己的专业知识储备进一步加强新理念的学习和消化，开展多学科的交叉融合，比如精密机械、机器视觉算法等，充分而深入地挖掘教学内容的内涵，特别是了解各门课程之间的关系，善于将课程之间的联系引入课堂，并引导学生将课堂知识与科研、生产实际相联系。

（5）明确培养目标，推进校企合作育人机制。应用光学课程的发展是要服务于光学仪器，最终面向企业需求。让企业充分表达其对人才知识、能力、素质方面的培养要求，如光学设计人员需掌握的工程知识，并对教学内容与教学模式提出意见与建议，聘请光学相关企业高技能人才兼职授课，将工匠精神培育融入课程教学。只有这样，才能从根本上解决学校人才培养中故步自封，与生产实际脱节等问题，真正培养出具备企业需要的核心职业能力的优秀工程人才。

3 结语

“应用光学”是多学科紧密交叉、互相渗透的应用型课程，为应对新工科的发展，以培养适应产业需求,培养适应现在和未来社会的高素质光学复合人才，本文在课程思政、课程内容、教学方式、教师能力、培养目标等方面都提出了一些建议，我们也将更加努力，不断探索，不断实践，在提升课程教学质量、提升人才培养质量的路上继续奋进。