基于线上线下相结合的光学CAD实验课程教学方式探索

摘  要：随着现代信息化的迅速发展，基于曾经的疫情防控影响所带来的思索，高校课程教学中的线上教学形式已成为不可缺少的一部分。该文基于线上线下相结合的教学模式，对光学CAD实验课程的教学方式进行一定的探索。介绍该课程在线上与线下的具体教学方式，并以学生为中心，由老师作为引导者，将线下进行交流讨论的互动形式应用于线上，提出进行线上分组答疑讨论的交流方式。不仅有助于老师获得更好的教学效果，为基于软件平台的实验课程教学提供一定的新思路，而且更能够锻炼学生相互学习、互帮互助和取长补短的学习能力。

关键词：实验教学；线上线下相结合；线上分组答疑讨论；Zemax软件；教学方式

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）32-0095-04

Abstract： With the rapid development of modern information technology and based on the thinking brought by the influence of prevention and control of epidemic situation in COVID-19， the online teaching forms in the course teachings of colleges and universities have become an indispensable part. Based on the online and offline teaching mode， the teaching method of optical CAD experimental course is explored in this paper. The specific online and offline teaching methods of this course are introduced. With teachers as guides and students as the center， the interactive advantages of offline communication and discussion is applied to the online teaching. The communication teaching method of online group question-and-answer discussion is proposed. This will not only help teachers to obtain better teaching effect， and provides some new ideas for the teaching of experimental courses based on software platform， but also can train students' learning ability of learning from each other， helping each other and learning from each other's strong points.

Keywords： experimental teaching; combination of online and offline; online group asking and answeringdiscussion; Zemax software; teaching methods

基金项目：国家自然科学基金项目“基于液体变焦透镜的人眼光学成像系统研究”（61905117）

作者简介：孔梅梅（1983-），女，汉族，江苏南京人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为光学设计、微流控光学与视光学。

光学CAD实验课程是南京邮电大学电子与光学工程学院光电信息科学与工程等相关本科专业的一门专业选修课，是一门重要的具有专业特色的实践性课程，课程教学内容都是基于学生前期已学习过的应用光学和物理光学专业课程的理论知识，以光学设计软件Zemax[1]作为主要平台，完成有关光学设计的理论与实践的学习[2]。该课程与先修的理论基础构成一个完整的体系，实现了由理论学习到工程实践的过渡；其相关知识和工具的使用是该专业本科生今后就业和继续深造经常需要的基本必备能力。

在已过去的新冠感染疫情防控期间，根据具体形势的变化，学校在教育部“停课不停学、疫情防控与教学两不误”的指导下[3]，对于教学形式的变化通知时而线上时而线下，所以，为了应对这种不可抗因素的影响，光学CAD实验课程的教学方式也进行了实时的规划与调整，将线上和线下相结合，圆满地完成了相应的教学任务。虽然现在已放开疫情防控，但是线上教学活动的开展带给我们的启示不仅仅是其只适用于疫情防控期间的教学形式，而是应该可以将线上与线下相结合、形成一体化教学模式的思索[4]，从而促进学生知识、能力、素质协调发展，进而显著提升教学效果[4-5]。

本文主要对基于线上线下相结合的光学CAD实验课程的教学方式进行了一定探索，以学生为中心，提出了进行线上分组答疑讨论的交流方式，可以克服学生线上的有效交流受限的困难，弥补学生无法全方位地进行线下交流与相互学习的短板，从而可以有助于获得更好的教学效果，为基于软件平台的实验课程的教学提供了新思路。

一  优势与不足

由于光学CAD实验课程主要是基于光学设计软件Zemax进行有关光学设计的教学与学习，与一般的理工科实验课程中必须应用到具体的实验器材或分析仪器不同，教师和学生都无需现场操作具体的实验器材、只需通过计算机和软件的应用即可完成相应的课程任务。所以，该实验课程在进行线上教学时，不受线下场地、时间安排和需操作實验器材等相关限制，只需网络正常，即可顺畅无阻地进行，这是基于软件平台的实验课程在进行线上教学时最突出的优势。

但是，本实验课程的线上教学也同样会存在和其他课程相似的一些不足之处[6-7]。比如，没有线下上课的课堂氛围，不利于老师实时了解学生的上课状态，也不利于学生之间互相熟悉、交流、讨论，缺乏同龄人之间更多的交流学习机会，而大学期间的教育不仅仅只是延续中学期间那种从书本、老师、实验室获取知识的学习经历，更需要学会与人交往、合作、互相取长补短等要步入社会的前期综合活动能力[6]。因此，线上教学在一定程度上限制了学生之间的沟通，使得学生们的有效交流受限，不太有利于学生们综合能力与素养的发展。而且，线上教学的学习环境独立且开放，对学习者的自律性要求很高，对于一些自律性较差的学生来说，由于缺乏线下监管，可能会有学生直接将设备挂到网上而本人一去无踪，这将大大削弱在线课堂的教学效果[7]。

二  教学方式的探索与实践

为了克服线上教学的不足之处，结合“线上+线下”的教学方式，除了平时一般的老师授课的线上直播形式以外，提出了进行线上分组答疑讨论的交流方式，在本实验课程的教学过程中添加了新的内容安排：以学生为中心，由老师提供平台并作为引导者，由学生作为主角进行具体的讨论交流，加强了线上的实时沟通，克服了学生们有效交流受限的困难，从而弥补了无法进行线下交流与相互学习的短板。

（一）  “线上+线下”相结合

在已过去的新冠感染疫情防控期间，根据具体的形势变化，本实验课程根据学校的通知要求动态调整教学形式（时而线上时而线下），采用了“线上+线下”相结合的方式，如图1所示，下面主要介绍这两个部分的具体内容安排。

新学期初，老师在开课前提前建立QQ教学群，上报给学院通知选课学生入群，并积极与辅导员联系、合作，确保所有选课学生都能够在正式开课前进群。老师在群里提前通知有关上课的事宜，比如，课程的具体上课方式会根据学校通知实时调整，课程所需软件的安装注意事项，本课程线上和线下教学时具体内容的安排计划，等等。线上教学时，每次上课前，老师提前在群里发布将要学习的内容和学生需要完成的上机实验报告，便于学生进行相关的课前预习。上课时，老师主要通过QQ群的“群课堂”功能或腾讯会议软件按照課表时间进行直播上课，期间，学生若有疑问之处，都可以通过“群课堂”里的“发言申请”或腾讯会议里的“举手”来向老师提出疑问，进行反馈。为了实时地关注学生上课的状态，老师会通过QQ群的“投票”功能和课上提问请学生当场回答的方式来提高学生上课的专注度。并且，这两种直播方式都可以通过直播“录制”，具有课程回放的功能，有助于课后学生通过观看回放复习所学内容或对某个知识点有所遗忘时的回顾。而且，对于课后有疑问的学生还可以通过QQ私信老师，老师也会一一进行具体解答。

除了直播上课以外，老师通过QQ群还会发布与本课程有关的网络资源和电子资料供学生拓展学习。比如，通过大量的资料查阅，发现中国大学MOOC网上的光学系统设计与工艺课程中有关光学设计的内容比较适合本课程，老师将其相关的网址和观看其课件时的注意事项都一一发布于群里；在进行光学系统设计过程中，我们需要参考《光学设计手册》书本中的国家标准（如GB3158—82）来完成相关的光学设计，老师也会将该书本的电子文档上传至群里便于学生查阅。同时，为了培养学生既具有独立工作能力，又具有团队协作能力，老师根据具体的选课人数，让学生可自由分组，进行2～3人一组的分工协作，从而按要求分组完成相关的实验内容；关于具体的分组人员要求以及每一组不同的具体设计任务要求，都可以通过腾讯文档软件的在线文档形式发布于群里，便于学生在线填写并查阅。

当可以进行线下教学时，除了因为疫情原因个别未返校的学生以外，其他学生都可以在学院计算机虚拟实验室进行线下上课，老师也通过采用了线上教学时的QQ群的“群课堂”或腾讯会议软件，同步直播上课内容，便于未返校的学生一起上课学习。

线下教学时，老师除了进行常规的课程内容讲授以外，会安排具体的现场软件操作时间，可以进行面对面的现场交流。对于每一组学生在利用软件进行实际设计操作过程中，若有学生出现了疑问可以进行同学间的相互讨论和向老师求助的互动活动，老师就可以进行相应的现场答疑，也便于老师及时了解学生的掌握程度。而且，老师会根据每一组上交的实验报告的批改情况，针对报告中出现的不同问题或错误，一一进行现场沟通，以确保每一组的每一位学生都能完全掌握相关的知识点。同时，基于前期线上上课时学生可能仍会存在的疑问之处，还可以在线下进行补充和解答。

综上可见，与线上教学相比，线下教学最突出的优势就是学生之间或学生与老师之间都可以进行现场的面对面的交流与讨论，使学生能够及时地解决问题、老师能够及时地了解学生的具体掌握情况。为了弥补线上教学时在交流互动这部分的缺失，在进行线上教学时，我们将线下的交流互动形式应用于线上，提出一种线上分组答疑讨论的交流方式。

（二）  线上答疑讨论的交流方式

通过利用腾讯会议软件，采用线上答疑讨论的交流方式如图2所示。具体的流程内容主要为：每一组轮流按照分组的组号进行，首先，由每个组派一位同学代表，通过共享屏幕或文档，提出各个组在设计过程中遇到的具体问题和对某个知识点存在的疑问等，也可以每一组中的每一位同学都进行不同角度的提问；然后，针对该组所提出的疑问，其他组的同学若有解决方法和对知识点已掌握并可解答的，那么就可以由其他组的同学帮忙回答，再由老师对其回答进行点评和总结；如果其他组的同学也都不清楚、没法回答，那么说明这个问题或疑问可能需要老师重视，就由老师来重点详细地进行答疑；最后，老师在线与学生进行实时交流、反馈，确定大家都听懂和听明白。除了进行答疑解惑以外，每个组的同学也可以在线分享各自在设计过程中获得的心得与经验，帮助大家一起进步、更好地掌握所学知识点。

比如，有一组同学在进行“扩束系统的设计”过程中，遇到了“单个正透镜该如何组合”的问题，图3是其在进行提问交流时的截图，而其他组的同学也暂时没有可以完全解答的。虽然这个问题在上课时老师都已进行了详细讲解，但可能因为该组合过程相对于单个结构的设计而言比较复杂，所以学生仍存在疑问也是正常的。而后在这样的线上答疑中，通过老师的解答，该组同学不仅复习了如何将透镜进行组合、加强了组合时需注意的细节方面，而且还发现了目前单个正透镜的厚度不符合设计标准，需要重新进行建立评价函数控制厚度并进行优化。后面，在其他组的同学进行交流时，不仅也解决了“单个正透镜该如何组合”的问题，而且还通过该组同学的分享，发现本组也存在与其相似的厚度问题，也需要进行相应修正。

除了答疑以外，某一位同学还分享了其学习心得。他根据目前上课中所学到的内容，对所有重要的知识点都进行了相应的归纳整理，并以思维导图的形式体现出了其已收获的主要知识。图4是其交流的针对“单个正负透镜的设计”内容而整理的思维导图截图，条理清晰、简洁明了，该学生的学习态度和方法值得称赞，而且值得其他同学多多学习。在他介绍完基于思维导图的学习心得后，老师不仅表扬了他的学习态度与方法并给予鼓励，表达了学生可以相互学习的希望，而且还对其所做的思维导图中的细节问题都一一做了相关的具体点评，使其可以更加完善内容，加强了知识点的巩固，对每一位同学而言都是受益匪浅的。

为了参与这样的线上交流方式，每一组的学生都要在课前提前进行组内沟通，一起进行课程已学内容的复习，才能整理出本课程学习过程中遇到的有关疑问和已获得的知识，提前做好答疑讨论准备。在进行线上答疑讨论的过程中，每一位学生也都会认真参与其中，因为不仅可以收获各自的疑问解答，而且还可能做其他同学的“小老师”帮助别人解答问题，体会到助人为乐的快乐。因此，这种线上分组答疑讨论的交流方式具有以学生为中心、由学生为主角的特点，能够调动起学生积极学习的主动性，能够激发学生主动参与课程学习的热情。

三  结束语

根据光学CAD实验课程的特点，基于线上线下相结合的教学方式，并将线下可相互交流讨论的形式应用于线上，提出了线上分组答疑讨论的交流教学方式，由老师提供平台并作为引导者，由学生作为主角，老师通过跟学生们一起探讨设计过程中遇到的问题，进行实时的讨论与交流，不仅可以让老师实时了解学生的具体掌握情况，而且可以让学生之间相互学习、互相帮助，取长补短，让其能够树立正确的学习理念，获取更好的学习方法，比单单掌握本课程的内容更有教育意义。

参考文献：

[1] 黄振永，卢春莲，俞建杰.基于ZEMAX的光学设计教程[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2013.

[2] 孔梅梅.关于《光学CAD》课程教学的探讨[J].科技视界，2015（25）：37，222.

[3] 蔡寶来，林强，梁广，等.在线教学环境下大学生学习方式转型研究：问题、趋势与发展路径[J].黑龙江高教研究，2020，320（12）：140-144.

[4] 刘文萍，陈上，吴贤文，等.“课堂内外、线上线下”一体化教学模式探索与实践——以物理化学课程教学为例[J].高教学刊，2023，9（5）：101-104，108.

[5] 焦红丽，冶亚平，林洁，等.后疫情时代病理学教学改革实践与探索[J].高教学刊，2022（18）：18-21.

[6] 王亚林，贾金平.“环境监测”课线上线下教学对比教学研究初探[J].高等工程教育研究，2021（S1）：97-98，136.

[7] 范晓姝，刘奥博，杨晶.趋势与变革：高校线上教学的问题与对策研究[J].通化师范学院学报，2022，43（10）：133-138.