基于计算机仿真技术的光电信息类课程教学改革初探

尚 亮

曲阜师范大学物理工程学院 山东曲阜 273165

在以光通信、光电传感与检测、激光加工制造和光电显示与存储等高新技术为核心的光电信息技术发展推动下，光电信息产业迅速崛起，已在世界范围内被公认为战略新兴产业[1]。为满足国家对光电信息产业发展的需求，通过整合原有的光信息科学与技术、光电子技术和光电信息工程等多个相关专业，教育部于2012年统一设置了光电信息科学与工程专业，旨在培养具有深厚光电信息理论知识和较强实践创新能力的高素质光电信息技术专门人才，为光电信息产业可持续发展提供技术支持和人才保障。因此，如何从创新教学模式、完善课程体系、优化教学内容，以及丰富课程教学资源等方面进行教学改革，从而有效地提高学生的专业素养和创新实践能力，对于高校专业教师来说，既是机遇也是挑战。

2012年，教育部发布了《教育信息化十年发展规划(2011～2020年)》，标志着教育信息化将成为带动我国教育现代化发展的重要推手。利用基于多媒体、数据库、并行计算、虚拟现实和通信网络的计算机技术进行教育教学模式创新和优质教育教学资源开发已逐渐成为我国高等教育改革发展的主流趋势，有力地推动了以MOOC、网络共享课程、微课程和虚拟仿真实验室为典型代表的数字化和网络化教学资源建设。受此影响，不少任课教师开始将计算机仿真技术应用于光电专业课程教学中，并取得了较为满意的效果[2,3]。然而，当前的这些应用实践大多还处于探索阶段，人们对于计算机仿真技术在光电信息类课程教学中所起作用的认识还不系统和完整，这严重阻碍了基于计算机仿真技术的课程教学改革实践的进一步发展。

本文将系统地厘清计算机仿真技术在光电信息类课程教学改革中的积极作用和意义，并且在深入分析光电信息类课程教学中存在问题的基础上，有针对性地提出基于计算机仿真技术的课程教学改革措施与对策，以期为以专业素养提升和创新实践能力培养为目标的光电信息类课程教学改革与实践提供有价值的参考。

1 作用与意义

建构主义学习理论认为，学习过程应该以学生为中心，是在教师指导下的主动建构行为，而不是被动的接收[4]。该理论既强调了学生的主动性对促进学习的重要性，同时也指出了教师在学生学习过程中应该承担帮助者和引导者的责任。因此，如何创设恰当的学习环境，激发学生的学习兴趣，引导学生培养主动发现问题和解决问题的能力，成为摆在专业教师面前的首要问题。实践证明，计算机仿真技术的出现，对于践行和发展建构主义学习理论起到了举足轻重的作用。

计算机仿真技术利用计算机强大的数值计算和数据分析能力，不仅易于以低成本和低消耗完成真实环境中较难实现的教学任务，而且通过网络共享，可以让学生便捷地使用数字化教学资源，有利于反复操练和举一反三，为项目或任务驱动教学法以及翻转课堂教学模式的实施提供有利条件[5]。尤其是结合了多媒体技术和虚拟现实技术的虚拟仿真技术，更是因为能够逼真地再现真实场景，为学习者提供身临其境的学习实践环境，而在实验教学中备受青睐[6]。因此，在建构主义学习理论指导下，发挥计算机仿真技术的独特优势，对于提升光电信息技术专业人才培养质量必将起到积极的推动作用。

2 存在的问题

目前，从专业课程体系构建、教学内容设置、教学方法采用以及教学资源开发等人才培养的几个关键环节来看，制约光电信息技术专业人才培养质量提高的突出问题，主要体现在以下三个方面：

首先，专业课程与教学内容的设置存在重理论而轻实践、重知识而轻能力的现象，尤其是在培养学生对光电器件和系统的设计与分析能力以及综合运用所学知识解决光电技术实际问题的能力方面存在短板，这显然不利于提高学生的光电信息技术综合应用和创新实践能力。

其次，理论课程教学方法单一，主要以传统的课堂讲授为主，在培养学生学习兴趣和调动学习积极性和主动性方面存在不足，尤其是对于部分理论性强且内容抽象晦涩的光电信息类基础课程，采用这种单一的教学方法，非常不利于学生深入理解和巩固所学理论知识。

最后，大多光电实验、实训设备属于精密仪器，价格昂贵，并且运行和维护成本高，尤其是涉及大功率激光输出的实验还存在高危因素，故采用传统的实验教学方法在满足学生实验、实训的基本要求方面表现乏力，显然更无法为学生提供足够的开放实验和创新实验机会，不利于培养学生的创新实践能力。

2013年，教育部下发了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，标志着国家对虚拟仿真实验教学的重视程度达到了一个新高度。然而，在目前经教育部批准建设的三百个国家级虚拟仿真实验教学中心中，涉及光电信息技术的不足十个，远不能满足光电信息类实践教学需要。与在实践教学中的应用相比，计算机仿真技术在辅助理论课程教学中的应用则明显重视不足。特别是，虽有少数教师在培养学生利用专业仿真软件进行光学系统和光电器件设计与分析，以及通过自行建模和编程计算解决实际光电技术问题的能力方面进行过有益探索，但是内容分散，不成系统，并未纳入到光电信息技术专业人才培养体系中综合考虑。

3 改革措施与对策

3.1 加强以创新和实践能力培养为目标的专业课程建设

以光电器件和系统的设计与分析能力培养为导向，完善光电信息类专业课程体系建设，可以从以下两方面着手。一方面，在专业课程体系中的基础课程模块，增设与光电器件与系统建模和数值计算相关的课程，结合高等数学类课程的教学内容，主要讲授常用的数学建模与数值计算方法，以及利用科学计算语言(例如MATLAB或Mathematica)编程实现的技能，以培养学生能够主动地独立运用建模和仿真技术去设计和分析光电器件与系统的创新实践能力。另一方面，将各类专业仿真软件的使用引入到相对应的光电信息类专业课程教学中，作为教材基础知识的有益补充和延伸，然后采用项目任务教学法培养学生运用专业仿真软件设计与分析光电器件和系统的实践能力。具体来说，在保证课程知识结构系统性和完整性的前提下，通过整合重组，适当压缩理论性过强和与关联课程重复性高的教学内容，给开展仿真项目实践预留课时。这样，既可以优化理论和实践教学内容与学时的比例，又能够发挥项目任务教学法在培养学生独立思考和创新能力方面的优势。表1所示为目前适合进行上述课程内容改革的部分典型光电信息类课程及其相对应的专业仿真软件。

表1　典型专业课程及其相应的专业仿真软件

3.2 发挥计算机仿真技术在辅助理论课程教学中的优势

在光电信息科学与工程专业课程体系中，部分基础课程客观存在理论性强、内容抽象和晦涩难懂的问题，例如物理光学、信息光学、激光原理和电磁场与电磁波等。这类课程采用传统的课堂讲授模式，已很难取得令师生都满意的教学效果，因此亟须采用新的教学模式。近年来备受青睐的翻转课堂教学模式无疑是首选，并且为充分发挥计算机仿真技术在辅助理论课程教学中的优势提供了用武之地。例如，在归纳总结典型的重点和难点知识基础上，任课教师可以利用Visual C++，MATLAB等可视化编程语言自行开发用户界面友好的交互式计算仿真程序，将抽象的理论结果转化成形象直观的图像结果，作为教学资源供学生反复学习和操练，为学生理解知识重点和难点创设建构主义学习环境，有利于提高学习兴趣和加深理解知识点。进一步地，根据学生的学习深入程度，在学生已经接受过计算机仿真技能培训的基础上，可以采用项目教学法，通过给学生布置任务的形式，让其利用仿真软件自行调整计算参数和条件，以得到不同情况下的结果，或者对仿真软件进行二次开发，扩展仿真功能。这一方面可使学生能够真正理解和巩固所学知识点，另一方面又培养了学生运用计算机仿真技术解决光电实际问题的创新实践能力。

3.3 开发特色鲜明的光电信息类实践课程虚拟仿真教学资源

根据现有的实验、实训条件，结合专业课程体系中的光电信息类实践教学内容，按照“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，通过整合和优化原有项目、开发新项目等多种形式，遴选和挖掘一批能够符合学科发展方向、体现专业培养特色和具有较高推广应用价值的光电信息类实验、实训项目。在此基础上，通过自主设计或者与企业合作开发等多种形式，开发能够逼真再现真实实验和实训的环境，可以满足学生自主学习要求的光电信息类虚拟仿真实验系统，从而丰富实践课程教学资源。值得注意的是，在当前网络共享主义盛行的大环境下，开发虚拟仿真教学资源必须要体现出本单位的培养特色，尽可能避免重复建设，力争做到“人无我有，人有我优”。例如，我校建有山东省激光偏光与信息技术重点实验室和山东省激光偏光工程技术研究中心，在光学元器件(尤其是偏振光学器件)设计加工方面具有得天独厚的优势，最能体现依托其建设的光电信息科学与工程专业的培养特色。为此，我们开发了一系列关于光学元器件加工制作工艺和光波偏振态调制变换技术的虚拟仿真实验系统，取得了良好的实践教学效果。

4 结语

光电信息技术与产业的蓬勃发展为光电信息科学与工程专业建设带来了史无前例的机遇与挑战。以创新能力和应用实践能力培养为目标，切实提高光电信息技术专业人才培养质量更显得尤为迫切。在当前教育信息化建设方兴未艾之际，以计算机仿真技术在光电信息类理论和实践课程教学中的应用为抓手，围绕基于建构主义学习理论的教学模式创新实践，从完善专业课程体系、革新教学内容和丰富教学资源等方面探索有效的教学改革之路，必将对提高光电信息技术人才的专业综合素养产生积极的推动作用。