基于OBE理念“激光原理与技术”课程的教学改革探讨

郭明磊 王郭 吕跃凤 官邦贵

摘 要：针对“激光原理与技术”课程，基于以学习成果为导向的OBE理念，结合高水平应用型大学的办学思路以及精品开放课程的建设，通过逆向设计教学模式、教学内容、教学方法和实践教学各个教学环节，培养学生思维能力、分析能力和实践能力，提高教师教学水平。

关键词：光电信息;激光原理;OBE理念

中图分类号：G642.0  文献标识码：A

Abstract：Based on the OBE concept oriented by students' learning achievements，combined with the idea of running a highlevel applicationoriented university and the construction of excellent open courses，the teaching practice and teaching reforms of laser principle and technology course have been carried out，through the reverse design of teaching mode，teaching content，teaching method and practice teaching，to cultivate students' thinking ability，analytical ability and practical ability，so as to improve teachers' teaching level.

Keywords：optoelectronic information;laser principle;OBE idea

1 概述

随着光电信息科学与技术的发展和新工科背景下高素质人才培养的需求，对高水平应用型本科高校的办学思路和人才培养提出了新的要求。“激光原理与技术”课程是作为光电信息类专业的一门重要的基础课程，在专业建设和人才培养中具有承上启下的课程地位[1]。由于该课程公式复杂，理论性强，学生不容易接受，如何让学生更好地理解激光原理与技术的基本知识，并把相应的激光技术成果渗透到课程教学当中，这是值得当前从事该课程教学的教师共同思考的问题[24]。OBE作为一种以学习成果为导向的教育理念，自1981年由Spady等人提出后，被公认为是追求卓越教育的有效方法，受到各国著名大学的重视[5]。将OBE理念引入高等工程教育，可以有效地提高教学质量，实现预期的教学目标[69]。“激光原理与技术”课程的核心目标是使学生了解和掌握激光器的基本原理和技术，培养学生分析解决激光问题的能力，同时能理解并掌握激光技术在相关行业的应用，具有分析和处理一些激光技术相关问题的能力。基于OBE理念，通过教学目标的确立和学习者的分析，可以逆向设计教学模式、教学内容、教学方法和实践教学各个教学环节，并应用于实践教学，从而培养学生能力素养，提高教师教学水平。

2 教学现状

“激光原理与技术”教学采用传统的教学方法难以取得理想的教学效果，难以满足时代发展对光电专业高素质人才培养的要求。目前主要存在以下几个方面的问题：一是教学过程以全程讲授的教学方式进行授课，教学方法单调，学生在教学活动中只是一个被动的接受者，学生缺乏对知识的深入理解和思考，特别是对激光增益、激光展宽、激光腔输出模式、品质因数、脉冲功率等问题，不能灵活地运用所学知识去分析，遇到一些综合性的问题更是束手无策;二是理论不能联系实际，学生接触的只是教材中的一些例子和简单的应用，与实际结合的内容较少，缺乏生动直观的激光原理模型，导致学生感觉到自己所学的激光原理知识与实际生产生活相距很远;三是教学评价方式片面，课程考核注重的是学生对知识点的记忆，忽略了学生平时学习的过程和科学思维的锻炼，不能很好地反映学生学习的效果。

3 教学改革

OBE教学理念强调的是将学生作为教学的主体，它改变了传统的教学理念，教学不再以传授知识为主，而是以培养学生能力、解决实际问题为核心，注重学生内在学习动机的诱导，强调学生思维和技能训练[67]。将OBE理念引入高等工程教育，以学生的学习成果为导向，依据所确定的教学目标，设计各个教学环节，可以有效保障学习过程的实施，从而最终实现预期的学习目标。

3.1 教学模式改革

基于OBE教学理念，“激光原理与技术”课程教学模式可以大致分为五个部分，即分析（Analysis）、设计（Design）、开发（Develop）、实施（Implement）、评价（Evaluate）的ADDIE模式。如图1所示，首先在分析学生的基础上，确定教学目标，学生需要掌握激光器的基本概念、基本原理和相关技术，理解并掌握激光技术在相关行业的应用，结合实际运用所学知识分析和处理一些激光技术相关问题。第二步，设计教学内容和教学任务，构建合理的教学课程体系，对于激光调制技术、激光脉冲技术、激光偏转技术、激光加工和激光精密測量中的应用等教学内容，由于其与生产生活联系更为紧密，在教学中可以有所偏重，让学生对激光技术的发展和应用有更加深入的理解。第三步制定教学策略，针对不同的教学内容可以选择和开发不同的教学方法，例如采用探究式学习的方法、任务驱动教学法、MOOC教学法、或者是翻转课堂的方式等，以学生更容易接受的方式来实现好的教学效果。第四步教学活动实施环节，教师要充分发挥主导和促进作用，提供学习资源、创设学习情境、提供学习支持、激发学习兴趣，保障学习过程的顺利实施。最后制定多元化的评价体系，客观地反映学习成果的优劣，为教学活动提供正确的引导。

3.2 课程内容设计

OBE教学理念下“激光原理与技术”课程教学内容可以进行模块化的设计。根据学校专业人才培养目标的定位和课程教学目标，在制定课程教学大纲和知识体系结构的基础上，将课程划分为六个模块。

模块一受激辐射理论，主要介绍光和物质相互作用，要求学生掌握自发辐射和受激辐射等问题。

模块二激光输出特性，主要介绍光谱线、线型、光谱线宽度的概念，要求学生掌握自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽的原因、展宽线型、增宽大小及其影响因素。

模块三激光器工作原理，主要讲解激光器三能级系统和四能级系统的工作方式，要求学生掌握速率方程组的建立、推导和粒子数密度反转分布的条件，掌握均匀增宽型介质中的增益系数和增益饱和。

模块四激光脉冲技术，主要讲解激光器所存在的各种损耗和起因，要求学生理解激光谐振腔的品质因数的含义，掌握调Q的原理和常见调Q的方法，掌握激光锁模技术的含义，掌握锁模的原理和锁模的常见途径等。

模块五典型激光器，主要介绍固体YAG：Nd激光器、氦氖激光器、染料激光器、半导体激光器的特点和机理，了解激光器的泵浦系统和输出特性。

模块六激光技术应用，主要结合激光技术的发展讲述激光在精密测量、光通信、激光加工等方面的应用。

3.3 教学方法和手段改革

教学方法和手段是教学过程重要的组成部分，运用富有成效的教学方法与手段，对实现教学目的和任务能起到事半功倍的效果。基于OBE教学理念，融合现代教育教学技术，实现各种教学方法和手段的互补。教师在课堂上以启发和引导的方式提出问题，采用多媒体教学对复杂公式的推导过程和结果进行分解显现，使问题简单化、条理化。利用大量的教学资源，包括自制的视频、演示动画、电视插播片等进行讲授，将所描述的现象或过程展现出来，提高学生对知识的掌握水平。例如在受激辐射模块，可以通过动画演示受激吸收、自发辐射、受激辐射过程，不仅可以直观地展示激光产生的物理机理，而且可以增强学生对激光产生过程的感性认知。在讲授高斯光束空间分布时，可以开发仿真软件，让学生在学习理论公式的同时，直接观察到高斯光束基模和高阶模的空间分布。在激光技术应用模块，可以通过视频展示常见的激光应用案例，如激光加工中的激光金属切割视频、激光美容中的激光祛斑视频、激光信息传输中的音频加载视频等。此外，教师可以结合自己在激光应用领域的研究进展，给学生提出若干问题，让学生去思考解决问题的方案，激发学生求知和创新的欲望。

3.4 实验教学改革

“激光原理与技术”课程开设实验的目的是使学生理解激光谐振原理和激光传播特性，掌握激光模式、光斑形状、能量分布和其他主要参数的测量方法等，除了实验室开设的必做项目外，可以进行实验模块的拓展。

（1）开放型实验模块：为了有效地利用现有的实验设备，同时激发学生的学习兴趣，学校可以在规定的时间段开放不同的实验项目。例如：光纤音频信号传输实验、液晶电光效应实验、激光超声光栅实验等，这些实验紧密联系生产生活实际，对激发学生的求知欲具有积极作用。

（2）研究型实验模块：通过对一些实验项目进行扩展或改进创新，对学生开展探究式学习，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，这在基于OBE教学理念下培养应用型光电人才非常重要。例如在激光电光调制实验中，可以让学生进一步分析输出光偏振态的变化、调制晶体对光信号强度的影响、倍频电压测量方法改进、信号的倍频失真等，这样以激光调制内容作为研究型教学的载体，在教学过程中教师加以适当的引导，努力贯彻研究式学习的意识和态度，鼓励学生对相关项目做深入的研究，可以充分训练学生的研究性思维和创新能力。

3.5 评价体系改革

建立合理的考核评价体系是基于OBE教育理念的教学过程的最后一个环节，考核的目的是通过考核判断学生的学习成果是否通过教育教学活动达到预期的学习目标，依据考核来客观地反映学习成果的优劣，并通过反馈机制，修正教学环节中的不合理因素，进一步提高教学质量。基于OBE教育理念“激光原理与技术”课程学习成果的多元化考核评价体系不再以考试为主，而是将考核评价贯穿于整个教学过程。将教师授课、学生阶段测验、考试等有机结合，对于学习成果的考查内容不仅包括考试成绩、平时考勤和作业情况，还包括学生平时学习讨论的表现和实验实践情况。其中，阶段测验可以依据“激光原理与技术”课的重难点进行选择，比如在完成激光脉冲技术、选模技术、稳频技术后，设置一些开放性的题目进行阶段测试，旨在提高学生对相关激光技术的理解深度。期末考试则注重基础性考查，偏重于学生对激光原理与技术基本知识的理解和运用。探究式学习和讨论部分按照探究学习小组划分，每5人一组，实行组内相互监督，相互评价。平时成绩考勤部分和作业情况由教师完成。

结语

在“激光原理与技术”课程教学过程中融入OBE教学理念，坚持以学生学习为主体，以学生能力培养为根本出发点，通过教学模式改革、课程内容设计、教学方法和手段改革、实验教学改革和建立多元化评价体系，不断寻求精品开放课程的建设路径，克服传统教学方法中单调、理论不能联系实际、教学评价方式片面等弊端，激发学生学习的主观能动性和创新思维，培养学生思维分析能力和工程实践能力，实现课程预期的人才培养目标，为地方应用型本科精品开放课程建设和高校光电人才培养提供一些新的经验。

参考文献：

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[8]张亚峰.基于OBE理念的應用型高校创新创业“金课”建设研究[J].高教学刊，2021（4）：3235.

[9]陶莎，薛清，王素芹，等.OBE教学理念在《激光原理》课程中的探索实践[J].科技经济导刊，2020（29）：144145.

基金项目：安徽省高等学校教学研究项目（2018 jyxm0679）;安徽省精品开放课程项目（2017kfk076）;校级精品线下开放课程项目（XJ201919）;国家级大学生创新创业项目（202010879089）

作者简介：郭明磊（1980— ），男，山东临沂人，博士，副教授，从事激光与光电信息工程技术及应用研究。