光电仪器设计线下一流课程教学设计探索与实践

吴玲玲 高 明 尚小燕 纪小辉 王 谦

（西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021）

1 一流课程建设背景及意义

2019年10月，教育部发布《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号），建设适应新时代要求的一流本科课程，全面开展一流本科课程建设，树立课程建设新理念，推进课程改革创新，实施科学课程评价，严格课程管理，立起教授上课、消灭“水课”、取消“清考”等硬规矩，夯实基层教学组织，提高教师教学能力，完善以质量为导向的课程建设激励机制，形成多类型、多样化的教学内容与课程体系。经过三年左右时间，建成万门左右国家级一流本科课程和万门左右省级一流本科课程。

2 光电仪器设计一流课程建设的基础

光电仪器设计是西安工业大学光电信息科学与工程专业的一门专业课程，由精密仪器设计课程为基础发展而来。专业课精密仪器设计主要介绍光学、机械精密仪器的典型部件设计。随着精密仪器专业调整为测控技术与仪器专业，精密仪器设计已无法满足光电仪器行业对教学提出的新要求。因此，将现代设计方法、测控电路、误差理论与数据处理、传感器等知识引入课程知识体系中，设立了光电仪器设计课程。

光电仪器设计以光、机、电结合的光电仪器为着重点，讲授光电仪器设计中的共性问题。希望学生通过对本课程的学习，能够理论联系实际，综合运用所学的有关课程（仪器类专业基础课和专业课如精密仪器电路、误差理论与数据处理、传感器、精密机械零件等），将光、机、电、计算机知识相结合，具备当代测量与控制技术和光电精密仪器及系统的研究、设计能力；培养学生解决工程技术具体的实际问题的能力。

多年来光电仪器设计课程建设做了大量建设工作，取得了一系列的成果，包括：

2.1 课程建设

2007年结合教学改革项目“《光电仪器设计》试题库建设及考试方法改革”，通过考试方法改革，将期末考试与系统出题多次测验相结合，更加全面地考核学生的知识和能力。

2012年，结合学科发展和专业特色，自编教材《光电仪器设计》经国防工业出版社出版，被列为“普通高等院校光电工程系列十二五规划教材”。2013年获陕西省普通高等学校优秀教材二等奖以及第四届兵工高校优秀教材一等奖，排名第1。

2015年获批陕西省精品资源共享课程。2016年在泛雅平台建设了课程网站，教学大纲、课件、测验、试题库等资源全部上网。

2016年，光电仪器设计获批校级核心课程建设项目，在教学方法设计、教学内容更新、题库建设、立体化教学资源建设等方面开展了进一步的建设。2018年，光电仪器设计获批校级课程思政建设项目，在专业课程内容融入思政工作、课程思政教学资源建设等方面做了有益的探索。

2.2 教学团队

课程负责人先后被评为陕西省师德标兵、陕西省教学名师，并获“陕西省教书育人楷模”和“陕西省优秀教育工作者”称号。课程团队所属的测控技术与仪器专业教学团队获批省级教学团队。

3 课程与教学改革要解决的重点问题

该课程已有的建设虽然持续提升了课程质量，但距离国家级一流课程仍然有很大的差距，必须进行新的探索和实践。课程与教学改革要解决的重点问题有：

3.1 教学方法单一

因学生人数多，开展研究式、互动式教学方法难度大，目前主要结合仪器设计案例分析进行讲解，教学方法较单一。

3.2 解决复杂工程问题能力培养不足

光电仪器产品的设计是典型的复杂工程问题。授课时要从分析生产实际中的典型光电仪器设计实例入手，由浅入深地介绍设计任务分析、信号转换原理的选择、提高仪器精度的措施、结构参数和技术指标的确定以及总体方案的确定，完整地再现仪器设计的全过程，学习难度大，从课程达成分析的结果看，学生仪器设计能力培养的效果不理想。

3.3 伦理、法律等非技术因素融入不足

本课程侧重于融合光、机、电、算各类课程介绍设计方法，在工程、伦理、法律、安全等非技术因素的融入不足。

4 教学设计的基本思路与内容

针对上述问题，本课程的建设从教学设计、教学内容、教学方法、课程考核、课程资源等方面开展综合性教学改革，完成后形成体现复杂光电仪器系统设计特点的光电仪器设计一流课程。

4.1 教学设计的思路

教学设计一般包括教学目标、教学对象、教学任务、教学内容、教学方法、教学实施及评价反馈等。教学设计主要是针对一节代表性课程的完整教学设计和教学实施流程，教学设计需要从课堂教学目标出发，将教学内容（知识点）和教学活动（教学方法）结合起来，同时需要教师给出教学反思，根据教育学、教育心理学等方面进行整体考虑课堂教学设计。

4.2 教学设计实例

4.2.1 教学内容

“典型光电仪器设计之成像光谱仪”这节课是在学生已经学习了光电仪器总体设计方法、设计原理、设计原则和仪器精度理论的基础上学习的。通过本节课的学习使学生了解成像光谱仪研究的必要性以及成像光谱仪的特点，并能根据军事、民用领域的不同应用需求，提出问题、分析问题并解决问题，进行成像光谱仪的总体方案设计和方案论证。

4.2.2 教学目标

（1）知识、能力和素质。通过成像光谱仪的原理分析、参数确定和选型与设计案例分析应具有以下知识、能力和素质：

①能解释说明成像光谱仪的应用；

②成像光谱仪的分类及工作原理；

③能根据军事、民用领域的不同应用需求，结合安全、经济等因素选择合适的成像光谱仪的工作原理；

④能根据指标要求确定成像光谱仪的主要参数；

⑤能够说明不同工作原理的成像光谱仪的特点和适用范围；

⑥能够综合考虑安全、法律、经济等因素进行成像光谱仪的方案设计和方案论证。

（2）过程和方法。

①通过案例分析法让学生初步学会成像光谱仪工作原理分析；

②通过分组研讨进一步学会成像光谱仪的参数确定和选型；

③通过分组研讨能够进行成像光谱仪的方案设计和方案论证。

（3）情感态度和价值观。

①通过成像光谱仪的广泛应用体验运用光电知识解决军事、民用领域迫切需求的乐趣；

②通过了解光电行业龙头企业被技术封锁，体会光电知识与国防、军事的紧密联系，树立学习知识、为国效力的志向，感受光电仪器的价值；

③形成良好的积极向上的学习习惯。

4.2.3 学生特征分析

（1）学生是大学四年级的学生。

（2）学生对最新的光电仪器在军事和民用领域的应用有着浓厚的兴趣。

（3）学生已经掌握光电仪器总体设计方法、设计原理、设计原则和仪器精度理论。

（4）学生检索资料的能力比较强。

（5）学生光学、机械等参数计算和仪器精度估算能力有一定的基础。

（6）综合运用光机电算的知识结合仪器设计方法进行光电仪器设计的能力需要加强。

4.2.4 教学方法

以案例式教学法为主，坚持启发式教学理念，采取研究式、互动式教学，合理、有效地利用现代化教学手段，强化对学生基础知识的传授，着力培养创造性思维能力，遵循教育规律和教学原则改革现有单一的讲授的教学方法，使之符合创新人才要求。

4.2.5 教学环境

智慧教室的运用。

4.2.6 教学设计

随着教学实践的积累，教学团队的教学理念逐渐更新，即教师需要把知识传授为主的教学修正为以学生为主的学习活动，学生也需要改变传统的学习习惯，从被动变主动。充分发挥和尊重学生在学习中的主体地位，激发起学生内在的好奇心和自主学习的热情，帮助他们发现问题、分析问题和解决问题，最终让学生具有积极正确的价值观，养成自主学习、终身学习的习惯。

整个课程的教学设计中，首先明确课程思政的重要性，将社会主义核心价值观融入教育教学全过程，并将工程、伦理、法律、安全等非技术因素贯穿始终。其次教学内容方面，仪器总体设计及仪器精度分析，其实是很枯燥的，但是通过在课堂教学中引入典型案例，激发学生学习兴趣和潜力。

学生从最开始分析简单仪器的工作原理、检索资料、到分组自行设计仪器方案、绘制原理图、方案论证、计算仪器参数，直至最终确定总体设计方案并单独进行分系统设计，完整地体验了仪器设计的全过程，教学内容由浅入深分层次进行，学生工程能力培养由低到高、逐步进阶。学生也完成了从最初的“听众”到“设计者”的身份转变。

4.2.7 教学活动

（1）引言。介绍国防、军事领域揭露伪装、发现地方军事目标的作用，吸引学生的注意力，帮助学生专注课堂在即将要介绍的内容、了解本节内容的重要性。

提出问题：为什么成像光谱仪能够揭露伪装？

引导学生了解成像光谱仪的重要性和学习的必要性，以浓厚的兴趣进入成像光谱仪相关内容的学习。

（2）参与学习。

参与式学习，采取两种方式：

一种是教师与学生之间的互动，另外一种则是同学之间的讨论。在这个阶段，将学生分成小组，教师此时给出问题，让学生进行思考，然后以小组为单位讨论成像光谱仪设计中的问题，并鼓励学生自主思考、提出问题。教师引导学生一起分析问题，为学生答疑解惑，如图1所示。

图1 光电仪器设计教学设计与复杂工程问题的对应关系

因为仪器设计具备复杂工程问题的四个特征，是典型的复杂工程问题。案例式教学中带领学生体验仪器设计全过程的七个步骤：

第一，提出科研中的实际问题。

分析我国的国防和国内制造业升级对成像光谱仪等先进光电仪器产品的迫切需求，以及当前发达国家对我国光电行业龙头企业的技术垄断和封锁，激发学生的爱国之心，立志“为中华之崛起而读书”，将课程思政元素自然地融入课程，并提出国防和国内制造业升级对成像光谱仪提出的实际需求和急需解决的问题。

第二，光电仪器的设计任务分析。

以分组讨论的形式引导学生综合考虑安全性、工艺性、经济性、专利知识产权等进行设计任务分析，将工程、法律（专利）、伦理、经济等非技术因素融入仪器设计。

第三，信号转换原理的选择。

通过检索文献了解相关仪器的测量原理，培养学生自主学习、探究知识的能力。综合运用专业课知识，分析相关仪器工作原理。

第四，方案的论证和选择。

以分组讨论的形式，通过精度、可行性、合理性、经济性的分析，进行方案论证，结合非技术因素确定总体方案。最终每个小组的成员共同确定本组的仪器设计总体方案。

第五，对选定方案确定技术指标，以分组讨论的形式通过设计任务的精度要求合理确定光电仪器的各项相关技术指标。

第六，系统设计。

完成光电仪器的光学、机械结构、系统硬件、电路及软件等的设计。这部分工作分工完成，由小组内每位学生根据自己的特长和兴趣选择光学、机械结构、系统硬件电路及软件等中的一个系统进行具体设计工作，充分尊重学生的兴趣和选择，体现个性化、差异化培养，系统设计工作在课后完成。

第七，编写设计报告。

每名学生都需要总结设计成果，撰写设计报告。撰写报告在课后完成。

（3）课程考核。课程考核进行多元化设计，将学生分组讨论过程中的表现和回答问题的情况记录下来，结合课后提交的成像光谱仪设计报告，给出成绩。这样就将过程性测试与形成性测试、总结性测试整合，形成课程的多元化考核。

（4）总结。教师帮助学生总结课堂内容、整合学习要点。表扬学生的努力和学习成果，鼓励学生迎难而上，做好课后的设计报告。

5 课程建设的效果

5.1 建立与培养学生创新能力相适应的考核方法

建立全过程多元化考核体系，综合应用综述、设计报告等非标准答案考试进行多元化考核，全过程考核学生对知识的掌握和运用，注重对学生能力的评价。

5.2 优化课程资源

本课程所选用的教材光电仪器设计为“普通高等院校光电工程系列‘十二五’规划教材”，2013年获陕西省普通高等学校优秀教材二等奖以及第四届兵工高校优秀教材一等奖，排名第1。结合光电仪器设计试题库、光电仪器设计课件，已经形成立体化的教材体系，今后要根据学科发展和典型光电仪器产品的更新换代，不断充实和扩展这一立体化教材体系。在工程、伦理、法律、安全等非技术因素、课程思政和课程内容结合与渗透需要进一步做好设计，挖掘、设计非技术因素和课程思政资源与仪器设计结合的典型案例。

5.3 持续改进

本课程的目标是使毕业生能够设计针对测控技术和仪器系统工程问题的解决方案，设计满足特定需求的测控技术和仪器系统，并能够在设计环节中体现创新意识。在教学过程中，为了促进课程各项目标的达成，需要对建设效果进行评估分析，在课程质量标准、教案或演示文稿、重点难点指导、作业、教学方法等各方面的建设工作中及时发现问题并进行持续改进。

为了达到国家级线下一流课程的标准，教学团队从教学设计、教学内容、教学方法、课程考核、课程资源等方面开展综合性教学改革，形成体现复杂光电仪器系统设计特点的光电仪器设计一流课程，受到学生的广泛欢迎，效果良好。2020年11月，光电仪器设计获批教育部首批国家级线下一流本科课程。