基于CDIO的光学设计课程改革与实践

王昱琳，易　丹，袁红梅，孟雪琴

（电子科技大学成都学院 微电子技术系，四川　成都　611731）

基于CDIO的光学设计课程改革与实践

王昱琳，易丹，袁红梅，孟雪琴

（电子科技大学成都学院 微电子技术系，四川成都611731）

文章结合电子科技大学成都学院的学生特点及学科设置，基于CDID工程教学理念，按职业能力目标整合教学内容，以“任务式实践”为教学模式，设立多方面的综合考核方式，对光学设计课程实施了全方位的教学改革。实践证明此次改革获得了学生的认同及良好的教学效果，为进一步的工程教育改革积累了经验。

CDIO；光学设计；教学模式；工程教育

光学设计是许多工科院校光电专业的主修课程，是一门将几何光学、物理光学知识与实践相结合的学科。该课程应用性、操作性较强，涉及的知识点较广泛，对巩固学生的数理基础，培养学生的科学素质、思维能力、设计能力等方面都有着极为重要的作用［1］。在传统的“先教授、后使用”的教学模式中，存在着学时少、理论基础衔接不佳、学生缺乏学习动力等问题。为此，结合学生的特点，开展了基于CDIO（Conceive，Design，Implement And Operate，构思、设计、实现和运作的工程教育理念）工程教育理念的光学设计课程改革。改革按职业能力目标的层次和类型，遵循学生学习能力培养的基本规律，以虚拟工作任务及其实验过程为依据，整合、优化教学内容，实现更紧密的“教、学、做”一体化，为学生创造一个灵活、自由、主动的学习环境。

1　课程定位及教学现状

1.1课程定位

学校的光学设计为实验或实训课程，一般开设于本科三年级，是基于已学习的“几何光学”“物理光学”“工程制图”等课程基础上，完成从理论教学到工程实践的过渡［2］。通过本课程的学习，使学生较系统和全面地掌握光学设计理论和设计方法，并能完成大多数典型光学部件和系统的设计工作。该课程以光学设计为核心，理论联系实际为立足点，以培养学生工程素质与综合创新能力为基本目标，将学生培养为既有坚实理论基础又有相当实践能力的复合型实用人才［3］。

1.2教学现状

首先，虽然光学设计中需用到的基础知识已在前期的理论课程中教授过，但由于涉及的知识点较多，而学校的学生普遍存在对理论知识的学习缺乏热情、对知识点的理解及掌握不够或是容易遗忘。导致每次在实验课中仍需花较多的学时巩固之前学过的基本物理量及公式，在有限的实验学时中，学生们用于实践、锻炼的学时不够。

光学设计实验课是依托计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）软件来进行光学设计。在传统的“先教授、后使用”的教学模式中，前期授课内容主要是介绍软件的基本功能，学生都是跟着老师的步骤逐步操作。在实验课后期，安排几个设计任务让同学们自主独立完成，这一阶段学生的问题会特别多，很多都是非常简单或操作上的问题。由此可见，在以往的教学模式下，学生前期已学的理论知识衔接不上，缺乏学习兴趣、主动性及思考，已不能满足对人才培养的需求。应结合实际情况，对光学设计课程进行改革。

2　课程改革思路与内容

2.1基于CDIO课程体系整合基础理论知识

要做好一个光学系统设计，囊括的知识点较多。这些知识点都在之前的其它课程中学习过，却比较分散。例如“几何光学”中讲授的辐射度学、光度学，“工程制图”课程中讲授的制图、标注方法等。可在前期相关的课程章节的教学中，有针对性地介绍一些关于光学设计的实例，让整个课程体系达到CDIO的教育理念，即让学生主动将实践课程有机联系起来学习。在光学设计实验课中，基于建构主义和混合式学习理论，以就业为导向，根据光学设计技术领域和职业岗位的任职要求，参照职业资格标准，选取课程内容。

2.2以“任务式实践”为主要教学模式

改变“先教授、后使用”的教学方法，以CDIO工程教育理念为指导思想，按能力培养目标的层次和类型，以典型项目和学习任务为主要教学模式。

由于其它相关课程中已经加入一些光学设计实例，因此在本课程初始阶段，回顾理论知识的学时将大大缩短。在光学设计课程的前期阶段，主要目的是让同学们熟悉软件的功能和使用，但不再是老师先讲解再让学生操作，而是直接以几个简单的仿真任务为切入点，让同学们一边思考一边熟悉软件功能。在每次上课一开始就先展示仿真结果并布置小任务，让学生对本次任务有一个直观的认识。通过这种方式，让同学们带着具体的任务来学习、操作光学设计软件，快速地体会到设计的流程与目的。

在光学设计课程的后期阶段，同学们已经掌握了光学设计的基本步骤，为了锻炼、检验学生的掌握程度，培养其独立思考及分析能力，将安排几个大型虚拟项目让同学们完成，教师适时对学生的设计过程进行指导。具体的方案如下：（1）充分考虑学生的现有知识和能力水平，按照适合协作学习的分组办法对学生进行分组。（2）学生通过自主学习、小组协作学习等方式，对该项目的设计目标进行分析，确定任务所涉及的各种要素，充分应用已掌握的前序知识，确定任务的实施步骤和分工。（3）学生利用CAD光学设计软件，按照已制定好的计划独立完成项目任务。教师适时对学生的设计过程及分工合作进行指导，实现教师和学生以及学生之间的交流。（4）项目完成后，采取分组讨论及自由发言的形式展示自己的项目成果，让同学们成为课堂的“主角”，老师只做适当的引导。讨论结束后，老师对思考题进行讲解。学生在此过程中能够充分参与，通过自己切身的思考与表达，对比自己与其他同学的成果，查找不足。

2.3设立多项考核方式

光学设计课程以实践为主，着重点在于软件操作、设计步骤、设计思路和结果分析，尤其是如何得出正确的结果图、对结果图的正确分析以进一步调整结构参数优化设计都至关重要。因此，为了考核学生在本课程中各方面的表现，采用单一的期末考试方式显然并不适用。同时，考虑到CDIO的工程培养理念及能力目标，课程的考核成绩不仅仅是分数上的高低，应从学生的创新精神、工程能力、自学能力、交流沟通与表达能力、团队合作等多方面对其进行综合考核评价。

在本次光学设计的教学改革实施环节中，学生的成绩由4部分组成：（1）基本操作部分。课程前期阶段，每次上课的小任务都有完成情况的小任务分数，主要考查学生对软件基本操作的掌握程度，避免有些同学上课分心、浑水摸鱼。（2）设计分析部分。课程后期阶段，每个虚拟项目都设置几个考核节点及思考题，先让每位同学自主完成并评定个人成绩，主要考查学生的实际应用能力、分析及解决问题的能力。（3）小组合作部分。每个虚拟项目个人完成后再进行分组讨论，根据每组的结果让同学们自由发言，根据表现评定分数，主要考查学生的团队合作、交流沟通与表达能力。（4）写作报告部分。虚拟项目实施过程中，每位同学必须记录自己的设计步骤及思路，在学期末自行整理后上交实验报告及个人总结，根据报告内容评定分数，主要考察设计思路的写作能力、逻辑分析能力。

3　教学效果

光学设计的课程改革已实施一个学期，针对课程内容、教学方式、教学效果等方面编写了调查问卷，并让所有上课的同学填写。从已提交问卷中可以看出，同学们对于每次课程的任务及现场打分体会颇深，不仅让他们的学习目的更明确，也是督促他们每堂课都认真对待的有效方法。配合多方位的成绩考核方式，给予学生充分展示自己的机会，有效地调动了学习积极性及主动参与意识。关于虚拟项目先独立完成、再小组讨论的方式，同学们也给予高度赞同，认为这种方式让他们先有自己的思考与结论，再相互沟通交流，不仅锻炼了自己分析问题的能力，也大大激发了他们的学习兴趣及参与性，能够适时体会到自己的不足，这也从每次课堂讨论的热烈氛围中有所体现。另外，光学设计需要设计者有清晰的思路及分析判断能力，因此实验课程中关于这一部分也有针对性的锻炼及考核，这一点也从同学们的问卷中得到较好的反馈，大部分同学认为在光学设计实验课中锻炼了结果分析能力和设计过程的写作能力。

4　结语

培养和提高学生的动手实践能力，为企业输送合格实用的光学设计人才，一直是高校及教育工作者值得思考的问题［4］。借鉴CDIO工程教育理念，结合本校学生及学科建设的特点，对光学设计课程进行了具体的改革实践，获得了良好的效果。今后，笔者将不断完善CDIO的课程教学体系，在实践中探索、改革、提高，培养出更多适应学科发展的综合性工程技术人才。

［1］陈美香，刘银春.《工程光学设计》教学方法探索［J］.中国科教创新导刊，2007（12a）：34.

［2］张继艳，熊飞兵.以工程素质为导向的光学设计CAD教学方法探讨［J］.中国电力教育，2013（31）：93-94.

［3］岑兆丰，李晓彤，刘向东. 引入科研模式的光学系统CAD课程［J］.光学技术，2007（33）：272-274.

［4］许晓赋，廖珊珊，高忠坚，等. 《光学设计》课程教学模式的探索与实践［J］.福建教育学园学报，2014（4）：69-71.

Reform and practice in the course of optical design based on CDIO

Wang Yulin， Yi Dan， Yuan Hongmei， Meng Xueqin
（ChengDu College of University of Electronic Science and Technology of China ， Chengdu611731， China）

Combined with the characteristics of the students and the subject setting， the teaching reform in the course of optics design has been carried out. The reform a djusted the teaching content according to the vocational ability， employed “task based practice” as the teaching pattern， established a comprehensive assessment of various aspects. Experience has proved that the reform has gained the recognition of students and favorable teaching effect. It also accumulated experience for further engineering education reform.

CDIO； optical design； teaching pattern； engineering education

王昱琳（1981— ），女，江西南昌，助教，硕士；研究方向：光学设计与光电检测技术。