高职院校“激光原理与技术”课堂革命的实践与探索

任婷婷 黄 焰

武汉软件工程职业学院 湖北武汉 430205

课堂革命是对传统课堂教学的全面重构和创新发展,从教师能力提升、课程内容重构、教学关系转变、教学模式创新以及评价体系构建等方面,以全新视角构建的新时代课堂。“激光原理与技术”课程是智能光电技术应用专业核心课程,本文在“激光原理与技术”课程教学中积极开展课堂革命实践。在教学理念和教学内容上,贯彻“岗课赛证”综合育人要求,整合教学内容与激光设备装配工岗位相对应,与光电技术应用专业课程体系结合,与激光设备装调与加工技术技能竞赛相匹配,与激光加工技术“1+X”证书相融通,使教学过程职业化、生产化,从“知识本位”向“能力本位”转变,从“理论”向“实践”转变。在教学组织和教学设计上,通过智慧职教平台和腾讯课堂直播构建混合式教学平台,采用BOPPPS有效教学法和问题式PBL教学模式(以问题为导向的学习),借助头脑风暴、讨论区、问卷调查等形式,激发学生的学习兴趣,提高课堂活跃度,从“以教为中心”向“以学为中心”转变,从“无趣”向“有趣”转变。在教学评价上,开展校内校外、教师学生多维度评价,从“教学评价”向“学习效果评价”转变。

一、重构教学内容,打造有岗、有料课堂

“激光原理与技术”作为智能光电技术应用专业核心课程,共计72学时,授课对象是智能光电技术应用专业大二学生。分析该阶段学生特点,发现他们已经学习了高等数学、工程光学等前导课程,掌握了部分光学基本知识,但对器件的工作原理缺乏学习兴趣,工程应用能力较弱,够熟练操作网络学习平台,喜欢动手操作,但对理论性较强的知识点缺乏分析判断能力,工程应用能力不足,喜欢趣味性较强的课堂环节,不喜欢枯燥的公式,创新创造意识有待加强。

课程对应的岗位为激光设备装调工程师及激光设备操作师,岗位要求如下:

(1)进行激光器的光机部件的装配和调试,开展光束质量检测,进行激光器的整机调校。

(2)进行激光加工设备的总装和调试。

(3)操作激光设备完成激光打标、焊接、雕刻等,并依据加工效果进行工艺参数的设置。

基于以上分析,结合激光装配调试工的岗位能力要求,对照激光加工技术“1+X”技能等级证书考证内容,将讲学内容整合为基础篇和应用篇两大部分,六大项目。

教学内容从激光的基本知识出发,引导学生由浅入深地学习激光器的装配与调试、激光光路的装调与检测、激光加工工艺的应用等内容。教学中以实际生产项目为主线,融合了激光加工技术“1+X”技能等级证书内容。课程思政贯穿整门课程,激发学生的爱国情怀,倡导科技创新,弘扬工匠精神。

图1 “激光原理与技术”课程内容重构

二、创建闯关式、体验式教学,打造有趣课堂

课程通过智慧职教平台和腾讯课堂直播构建混合式教学平台。课前通过职教云平台发布预习任务,掌握学生预习效果;课中采用BOPPPS有效教学(导学、目标、前测、参与式学习、后测、总结)和问题式PBL教学模式(以问题为导向的学习),通过任务驱动,设计头脑风暴、问卷调查、分组讨论、游戏闯关等“以学生为主体”教学环节,激发学习兴趣,实现教学目标;课后利用职教云平台布置课后作业及拓展任务。

本文以任务5《激光光学谐振腔》为案例,介绍从教学方法和教学设计方面开展课堂革命的具体做法和过程。

(一)课前自主学习

教师通过职教云平台发布微课视频、课件、课前测,即通过QQ群发布课前预习通知,分析学生课前测完成情况,整理预习问题,制定教学策略。学生根据学习任务,浏览微课视频、课件、电子教材,完成课前测试,提出预习疑问。通过该环节的学习,引导学生掌握光学谐振腔的基本知识,培养学生自学能力。教师根据学生掌握情况,调整课堂教学。

(二)课中引导学习

(1)任务引入。教师组织学生开展头脑风暴,提出问题1:要想激光器产生激光,必须具备的三个条件是什么?通过回答问题1,介绍我国第一台红宝石激光器的结构及诞生历史,开展爱国主义教育,同时引入任务--光学谐振腔的工作原理。学生在职教云讨论区回复激光产生的三个条件,查看“词云”,找到正确答案。观看我国第一台红宝石激光器的研发过程网站资源,通过该环节回顾旧知引发学生思考激光的产生过程。通过20世纪60年代我国老一辈科学家在艰苦条件下克服困取得卓越的科研成果,激发学生的爱国热情和科技报国决心。

图2 课堂头脑风暴活动截图

(2)发布任务。教师发布学习任务单:光学谐振腔的概念;光学谐振腔的分类;稳定条件及应用;不同腔体的应用;氦氖激光器的谐振腔调校。并对导学任务单提出评价标准。学生明确学习任务,知晓评分标准。通过该环节罗列学习目标,让学生带着问题学习,开展自主探究式的学习过程。

(3)学前测。教师查看职教云课前测任务,提出问题2:光学谐振腔的结构是怎样的?通过分析学生答案,了解学生对谐振腔概念的理解。学生在教师的引导下掌握谐振腔的基本概念和结构,分析自己答案的错误原因,找到本次课的学习重点。通过该环节教师能充分了解学生预习情况,及时调整教学重点和教学策略。

(4)新知探究。课堂开展“连连看”小游戏:根据腔体反射镜类型、腔体的结构、稳定性,将图片上的谐振腔与名称连起来。利用动画讲解谐振腔的分类,讲授谐振腔的稳定条件、稳定图的概念,引导学生画出思维导图,梳理稳定条件的相关知识点,分析不同类型谐振腔的用途。然后提出问题4:算一算稳定图中各个区域代表何种类型的谐振腔。学生完成连连看小游戏,自主探究谐振腔的分类;观看动画演示学习谐振腔的分类;在教师的引导下绘制思维导图,总结稳定条件的定义,掌握稳定图的画法,自主分析谐振腔的用途。最后通过计算分析各种类型的谐振腔在稳定图中属于什么区域。该环节通过“连连看”小游戏,让学生自主探究谐振腔的分类方法。PBL问题式教学模式贯穿整个教学过程,通过动画讲解知识点更直观形象地帮助学生理解,通过思维导图和稳定图的绘制,使学生变被动为主动,在绘制的过程中掌握谐振腔稳定性的判断方法,分析谐振腔的用途。锻炼学生的公式计算能力,掌握常见的几种谐振腔类型,突出教学重点。

(5)工程演练。教师通过工程案例演示,提出问题5:在给定条件下如何计算稳定腔的参数范围。指导学生进行分组练习,计算光学谐振腔稳定腔的参数范围,完成问题的计算题。计算过程中,教师进行巡回指导,通过腾讯课堂讨论区解答学生疑问,对计算过程中的错误进行针对性的分析讲解。针对学生错误产生较多的地方,开展课程思政教育--“失之毫厘谬以千里”,小小的失误可能造成结果的巨大差异,计算过程中要注意认真仔细,才能保障激光器结构正确。学生学习稳定腔的参数范围计算方法,分组完成课堂练习题,在讨论区提出不理解的问题。计算练习中要注重数学运算的准确性。该环节通过实际工程案例,将理论知识与实际应用联系起来。通过分组练习,使学生牢固掌握稳定腔的设计方法,突破教学难点。通过针对性的答疑,对不同层次的学生展开教学。通过学生在计算过程中出现的失误,培养学生严谨认真的办事态度、精益求精的工匠精神。

(6)仿真实验。教师利用激光原理实验虚拟仿真系统,演示进行氦氖激光器光学谐振腔的调节,使之发出激光。学生在仿真系统上实际操作,练习对氦氖激光器光学谐振腔进行调节出光,学生练习过程中教师针对性地进行答疑解惑。通过虚拟仿真系统的实验,考查学生对光学谐振腔结构、工作原理的掌握情况,锻炼学生利用所学知识解决实际问题的能力。

(7)实践操作。使用半外腔式氦氖激光器调节平台,演示并讲解半外腔式激光器的结构、设计过程、调整方法。引导学生分组调节激光谐振腔出光,提升学习获得感。课堂上教师巡回指导学生开展实践操作,通过理论计算、仿真实验、任务实操,由浅入深、由易到难,使学生掌握激光谐振腔的设计、调整和维护方法,与实际岗位能力衔接对应。

(8)课后测验。通过腾讯课堂的答题卡,开展课堂小测验,学生完成测验答题,检测学生对光学谐振腔的作用、参数计算方法的掌握情况。

(9)梳理总结。教师回顾本次课主要内容,强调易错点。根据小组PK成绩评选“工程设计之星”。通过弹幕分享经验与不足,训练学生养成自我总结的习惯。多维评价激发学生学习兴趣,同时培养学生团队合作能力和竞争意识。

(三)课后拓展学习

教师在职教云发布课后作业:不同情况下光学谐振腔的参数取值范围。布置预习任务,激光器是如何实现粒子数反转的?学生完成课后作业,自学激光器的能级系统工作原理。通过该环节巩固激光器光学谐振腔的计算方法,培养自学能力,为新课做准备。

三、多维度评价,打造有效课堂

课程考核从知识、技能、素养、态度四个维度,从学生自评、小组互评、教师评价三个层面,对学生的学习效果进行多元化的评价。知识维度上采用线上职教云平台考查学生课前、课中、课后对理论知识的掌握情况,占总评分的30%;技能维度上在课堂开展任务实施的时候逐一对学生开展任务进行评价,占总评分的30%;素养维度上采用线上职教云平台从自评、互评、教师评价三个层面综合开展评价,占总评分的20%;态度维度上通过职教云的签到、拓展任务完成情况开展评价,占总评分的20%。

表1 课程考核分项表

四、课堂革命成效及反思

“激光原理与技术”课程的教学课堂以“职教云”为载体进行了课程的内容重构、教学设计和方法改革。通过平台数据发现,学生课前测试和课后测试成绩提升;通过课堂活动参与度看,学生的学习兴趣有所提高;通过课后问卷发现,学生的课堂满意度有所提升,自主学习能力也显著提高。

(一)开展课堂革命前后学生期末成绩对比

对比智能光电技术应用2020级学生(开展课堂革命后)和2018级学生(开展课堂革命前)期末考试成绩,分析表明:课堂革命改革后,学生期末成绩有了显著提升,平均成绩从70分提升到79.2分,最低分由52分提升到65分,及格率由92%提升到100%,80分以上的比例由40%提升到61.29%,课堂革命成效显著。

表2 智能光电技术应用专业2020级与2018级学生期末成绩对照表

(二)教学反思

在开展“激光原理与技术”课程课堂革命过程中,使用了丰富的信息化教学手段,利用原理动画和视频解决原理枯燥问题,利用虚拟仿真软件解决实践操作的安全问题,融入实际生产生活中的案例提高操作技能。课堂注重课程思政,在工科教学过程中润物无声地融入历史实事,激发学生的爱国热情,不忘初心,牢记当代年轻人的责任担当。精细化的学情分析,合理的小组划分,精彩纷呈的游戏环节,让学生在竞争与合作中快乐学习。

课堂革命过程围绕智能制造产业发展变革,契合企业岗位需求,坚持教学方法改革,开展多元化教学评价,有效推动了课堂革命进程,为职业教育课堂教学改革提供了参考。