创新人才培养视野下的“应用光学”课程实践教学改革探索

毛 珊

（西北工业大学 物理科学与技术学院，陕西 西安 710129）

一、“应用光学”课程教学问题及探索意义

人才是一个国家、一个民族发展的核心竞争力。创新人才是具有创新精神以及创新能力的人才，是我国高等教育对人才培养的重要目标。从20世纪80年代开始，创新人才的培养一直是我国高等教育人才培养的重要目标。特别是，党的十九大从新时代坚持和发展中国特色社会主义的战略高度，做出了优先发展教育事业、加快教育现代化、建设教育强国的重大部署。习近平总书记在全国教育大会上指出：“教育是民族振兴、社会进步的重要基石，是功在当代、利在千秋的德政工程，对提高人民综合素质、促进人的全面发展、增强中华民族创新创造活力、实现中华民族伟大复兴具有决定性意义。教育是国之大计、党之大计。”［1］因此，如何培养创新人才是我国目前高等教育的重要任务之一。

创新能力的培养是基于并且高于课程教学内容的，“应用光学”课程涵盖光学成像基本理论、典型光学系统成像原理以及应用ZEMAX软件进行典型光学系统设计的基本方法等课程内容，具有较宽的专业适应性和良好的工程实践指导性。传统的光学设计课程主要以“教师—课堂—教材”为中心，以教师讲授为主，学生参与性、主动性较差，创新思维和能力受到束缚，学生进行实践和创新的能力不足，不利于我国高等教育创新人才培养［2-4］。因此，以创新人才培养为目标，对“应用光学”课程进行教学改革是实现学生高阶能力培养的要求，是我国高等教育对人才培养的要求，更是为了适应时代和社会发展的要求，是非常必要和及时的。

此外，课程内容更是符合“大众创业，万众创新”的社会背景，是光电信息科学与工程相关专业的创新实践类课程。创新能力与专业技术的融合是当前光学工程专业教学改革的重要内容，符合当前社会对此类专业人才培养的要求。结合我校办学特色和专业结构等优势，本课程建设能够服务国家重大需求和“双一流”人才培养计划。因此，有必要开展创新人才培养事业下的专业课建设，二者相辅相成，其融合有利于培养学生的双创能力，落实高校实施创新驱动发展战略，丰富改革理论，深化改革道路，更好地响应国家“双一流”建设。

二、课程教学改革实施策略

通过学习“现代光学设计基础”课程，学生要了解光学设计的发展历程、应用领域及前沿课题，熟悉光学设计的基本概念和定义，掌握现代光学设计的必要基础理论和设计方法，特别是应用光学成像基本理论、像差理论、典型光学系统优化设计方法以及使用ZEMAX软件进行光学设计的基本方法和优化设计等内容，从现代光学工程视角出发，基于应用光学理论，以光学设计为主线，培养完整的现代光学设计思维和能力，并为学习如“光学”“信息光学”“光电子学”“高等光学”“高级光学设计”等课程奠定扎实的理论基础。

在课程教学改革过程中，秉承以立德树人为引领的“研究+应用”综合型教学理念，坚持“知识+能力+素质+价值观”一体化的全方位育人理念，培养目标如下：（1）育人目标：树立家国情怀，激发奋斗热情，形成工程素养，培养创新意识；（2）能力目标：加强实践环节，提高兴趣培养，初步达到光学设计工程师的能力要求；（3）知识目标：了解光学设计的发展历程、应用领域及前沿课题，熟悉光学设计的基本概念和定义，掌握现代光学设计的必要基础理论和设计方法。

（一）改革教学目标：创新人才培养

课程改革的根本目标是培养符合高等教育要求的创新型人才［5-6］。根据新工科建设重视创新型、综合化的工程教育理念，高等教育培养创新型人才能够推动行业技术与经济社会的发展。通过深度调研光电行业发展和对高等人才的需求，对本课程的人才培养方案进行了相应调整，在课堂知识中增加了相应的创新型课题，使人才培养更加符合行业发展的需要。

（二）改革教学理念：打造新工科课堂

基于“构建性教学观”［7-8］，开展混合式教学模式，打造面向培养和提升创新能力的新工科课堂。在光学设计课程建设中，确立并强化了“应用+创新”型教学理念，并将其贯穿于整个课程教学实践。例如：在课堂教学中针对某些重点知识提出科学问题并展开讨论，融入虚拟仿真实验，最后引入其在实际工程中的应用，形成完整的理论、实际需求结合的过程，并培养学生的创新意识、学术兴趣和专业荣誉感等。以布鲁姆认知模型为基础，构建了“识记—理解—应用—分析—评价—创造”的课程教学体系创新方法和实现思路，从记住和理解的理工人文关联低阶强化认识，过渡到应用和分析的共同构建案例中阶认知强化，最终实现评价和创造的思想政治价值构建告诫认识强化。

（三）改革教学方法：多模式结合的教学方式

课程采用的混合式教学模式，在课前、课上和课后围绕创新能力采取了相应的改革创新举措。课前：以学生自主学习为主、教学导学为辅，教师通过制作和发送预习内容、查看预习结果，优化课程内容；课上：采用混合式教学模式，以学生为中心，采用双向交互式学习方法；课后，教师通过发布不同培养目标题目、开设科研专题讲座、创新性学术竞赛等，对学生课上所学内容进行加强、拓展和创新。课程过程穿插思维导图、问题导入、互动研讨、思育智育结合模式等教学方法，集科学性、趣味性、拓展性和思想政治教育于一体，兼顾传统教学法，理论联系实际，注重知识迁移、理解抽象概念、创设问题情境、培养问题意识，组织探究活动，掌握科学方法，引导学生主动参与、自主探究、逻辑推理、归纳总结，构建师生学习共同体，一起开启发现、研究、探索之旅。（1）丰富学习环境和内容：设置不同的线上课程内容，包括在线视频、PPT、图片、师生共创题目、论坛讨论、教师雨课堂语音直播、学生“精华笔记”等，实现随时随地学习、无时无刻学习；（2）改变学习方式：鼓励、培养自主学习，组织课堂学习、小组讨论、外出参观、创业实训等，为学生的学习方式增添了乐趣；（3）多维立体协同实践教学方法探索与应用：采用“多维立体”协同实践教学方法，建立由教室到实验室、由课内到课外、由基础到进阶、由进阶到创新、由学校到社会、由学习到实践、由实践到双创的全方位多维立体化实践能力培养模式，扩展学生学习空间，使学习与实际工作氛围更融洽，实现无缝对接，培养学生对专业技术的应用能力与创新能力。

（四）改革教学内容和考核方式

整合学科内容、优化教学设计、丰富教学资源，引入教师科研项目、创新竞赛题目，提升学生学习主动性，提高课程高阶性、挑战度和兴趣度。从现代光学工程视角出发，基于应用光学理论，以光学设计为主线，在理论知识讲授的同时，有针对性地引入工程应用方面的相关内容，并使用应用光学虚拟仿真实验平台，在强调光学设计作为光学工程学科重要分支的同时，突出其作为现代信息科学分支的应用性，够强化学生对专业知识的理解，增强学生的专业认同感。此外，引入部分学科竞赛，例如光电设计大赛，引导和指导学生进行课外科研训练，激发学生创新思维，真正实现对理论知识的融会贯通，形成可持续发展的人才培养模式。特别地，采用线上线下虚拟仿真实验的结合教学方式，混合式教学能够实现教学最优化，使用线上线下教学模式帮助学生达到最佳的学习效果；此外，由于本课程中部分内容，例如像差理论等内容较为抽象、晦涩，采用混合式教学结合虚拟仿真实验的方法能够有效帮助学生学习和掌握专业课知识。以本课程部分章节创新教学内容为例，从教学目标，教学体系、理念和方法等方面实现了课程教学创新，创新教学内容环节基本框架如图1所示。

图1 创新教学内容环节基本框架

相应地，对考核方式进行改革：强化整体性考核，构建多元化、多层次考核评价体系，融合过程与结果、定量与定性、基础与拓展、能力与素养，实现动态教学考核。课时分配包括课堂教学学时、软件模拟操作学时、课后学时三部分，分别为28、12和20学时。考核方式包括线上课程测验20%、开放式大作业20%、典型光学设计20%和期末考试40%。其中，线上课程测验包括学习过程考核，针对课前、课上、课后三部分；开放式大作业包含课程设计、双创题目等，设计了人文素养、团队协作、信息化技术能力等定性评价指标，评估学生的综合素养；典型光学设计为虚拟仿真实验部分，锻炼学生的知识实践能力；期末考试的设置也从基础理论、提高拓展和设计应用等题型，多方面对学生进行考核。

三、面向创新能力培养的学科竞赛实践成果

实践证明，与传统教学方式相比，课堂教学效果、学生学习能力、实践能力、创新能力均有了明显的改善，创新人才培养视野下的“应用光学”课程实践教学改革探索取得了一定的成果。

（一）学业成绩和学生实践、双创能力明显提升

学生学习积极性和主动性明显提高，学业成绩优良率大幅度提高，团队精神、双创精神均有明显增强。学业成绩方面，未发现不及格的学生，成绩良好比例上升；科研实践和双创比赛获奖方面，我校在本赛事的获奖取得突破；另外，在“三航杯”、大学生创新创业项目、全国大学生光电设计竞赛等项目中均取得很大突破。2021年，学生获批国家级大学生创新创业项目11余项（规模同比增长近200%），2020—2022年全国大学生光电设计竞赛取得持续突破性成果等。

（二）思想政治教学成效

新媒体延伸第二课堂，依托“西工大物理学院”微信平台建设，开展了“实践分享”“双创‘英雄汇’”等系列活动，定制化、个性化地为学生提供课外学习课程和内容。此外，改革成效已部分服务社会，部分学生毕业后开始从事双创工作，课程负责人也已跟部分企业、高校开展产学研项目的合作，整体效果呈良性态势。实践证明，与传统教学方式相比，课堂教学效果、学生学习能力、实践能力、“双创”能力均有了明显的改善。

四、总结与反思

注重创新型人才培养，与国家和社会进步息息相关。如何培养创新型人才，是新时代经济社会发展对高等教育发展的迫切要求，也是高等学校人才培养模式改革的重要方向。学科竞赛已经成为当前高校学生创新能力培养的重要载体，能有效推动课堂教学与实践教学的有机结合，激发学生的创新意识，提高学生的动手能力，促进实践教学改革，为培养创新型人才提供了一条有效的途径。针对全国大学生光电设计竞赛，西北工业大学着眼于全校学生创新能力的培养，从创新教学设计、重构课程内容、更新教学方法、组织教师和学生团队等多方面做出了相应的改革和优化，既保证了竞赛的健康发展，又能服务创新人才的培养。面向培养工程实践能力、创新能力的混合式教学实践，产生了较好的效果，并正向着更好的方向发展；然而从传统课堂到第二课堂、第三课堂的拓展，还有很长的路要走，总结如下：（1）如何依托“互联网+”技术，更好地提高教学效果，以及如何理顺传统教学模式和新的教学模式的关系等问题，还需在教学实践中不断探索。（2）实践、“双创”平台的建设，课堂教学改革推进不够深入；课程考核方式、教学案例等深入实践工作不足。（3）人才培养更应协调统筹各方关系，运用科学方法，边实践，边总结，边探索，不断优化。