基于丹麦奥尔堡大学PBL模式的应用光学设计课程教学实践探索

甄艳坤 阮幼津

摘   要：本文概述了应用光学设计课程的教学背景，介绍了丹麦奥尔堡大学PBL模式的特色和核心元素，同时以该课程中球差教学内容为例，将丹麦奥尔堡大学PBL模式融入到教学实践中，构建以学生为中心的教学模式，发挥其在激发学生学习动力的优势，促进学生在学习中将课程理论与设计实践灵活结合，锻炼学生团队协作的能力，并通过教学反思分析在整个教学实践过程中的得失。

关键词：丹麦奥尔堡大学PBL模式  应用光学设计课程  自主  小组合作

中图分类号：G421; G642.1                     文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（b）-0203-03

随着国内外光电产业蓬勃发展，光电产业已成为国家的战略性支柱产业，而其对光电专业人才的需求也越来越迫切。在光电专业相关课程体系中，以几何光学为基础的应用光学设计课程，重点体现了对高素质实践应用型人才的培养目标。但目前该课程教学形式过于传统化，教学方法上形式比较单一，在学习效果上出现学生实践应用能力差等问题。丹麦奥尔堡大学PBL（Problem Based Learning基于问题的学习法）模式[1]以问题为基础、以学生为中心、以项目形式开展学习、以解决所提出的问题为最终目的，同时强调学生学习过程以团队协作方式进行，其在激发学生学习动力和提高教学效果方面有显著效果，是具有一定创新性的教育模式。

本文以应用光学设计课程中的球差教学内容为例，将丹麦奥尔堡PBL模式合理融入到教学实践中，相较以往教学效果，其在加深学生概念理解、拓展解决实际问题的能力以及培养团队协作能力等方面具有明显优势。

1  课程教学背景

应用光学设计课程是光电、光学工程专业学生的实践性必修专业课，旨在培养具有高素质的实践应用型人才[2，3]。本文所涉及的应用光学设计课程主要包含以像差理论为主体的理论教学内容以及上机操作为辅的实践教学内容。虽然近些年以加强学生实践能力为出发点，不断对该课程进行教学改革，但根据近些年的教学情况来看，教学过程中仍存在以下问题。

1.1 学生学习动力不足

应用光学设计课程是一门实践性比较强的课程，但其所涉及的概念抽象、專业性强，且含有复杂几何光路图的分析和公式推导，无法使学生形成直观的理解。这使得学生在后期上机实践学习过程中，无法将实践操作与像差理论相对应，时而久之，学生觉得课程学习难度大，学习动力不足。

1.2 学生学习习惯被动

虽然主修该课程的学生学习能力之间存在差异，但他们的基础储备知识几乎相同，其学习习惯也往往趋向于简单遵循老师的教学步骤，而不是考虑自己应该做什么以及为什么这么做。这使得学生在学习过程中，往往忽略了对光学设计技巧要实现灵活运用的目标，降低了个人设计体验的强度。

1.3 整体课程的学习效率不高

由于上机实践教学学时有限，老师若采用一对多、单向灌输的传统教学方式，不仅无法考虑到每个学生学习情况的差异性，也不能兼顾到光学设计本身所带有的个性化和灵活性特点，整体课程学习效率不高。

1.4 评价学习效果方式缺乏动态性

光学设计过程本身是动态过程，若以传统的静态结果作为考核形式，不仅老师无法准确、全面了解学生对于知识实践应用的真实情况，而且学生也无法获得及时的反馈信息，不利于激发学生的学习动力和提高学习效果。

2  丹麦奥尔堡大学PBL模式

丹麦奥尔堡大学创建于1974年，其把PBL作为基本的教学理念，并在此基础上形成了全员性、系统性、跨学科的丹麦奥尔堡大学PBL模式[4]。该模式核心元素[5，6]主要包含以下几方面。

2.1 问题的产生

奥尔堡PBL模式强调在一般课程和项目课程的课程体系框架下，学生把问题作为学习过程的起点。而该问题的产生应是学生以团队协作方式从现实生活和生产实践中产生相关实际问题，并非教师预先设计。当然为了界定学习和研究的领域范围，学生所提出的问题应具有典型示范性[7]，即问题能够返回并运用到专业学科领域内的具体实践环节和科学技术领域，能够具体说明或展示与学科领域知识或学习方式相关的综合学习效果。同时由于学生在问题的产生过程中，需要对问题进行深入探究和分析，会选择相应学习内容和合理方法去解决问题，从而促进学生自主知识构建。

2.2 项目的开展

丹麦奥尔堡大学PBL模式以具体问题为学习过程核心，而非具体任务或学科作业，所以此模式形成了独具特色的以问题为基础、以项目为导向的学习模式。在项目的开展过程中，为了强调学习过程的真实性学习原则，处理的问题应来自真实的问题情境，学生具有很高的自由选择权，来完成项目计划目标的分析、规划和管理，让学生找到理论学习和生产实践的联系。

2.3 小组的合作

基于社会建构理论[8]，在丹麦奥尔堡大学PBL模式中，学生以小组为单位进行项目学习是整个学习过程的重要组成部分。在整个学习过程中，小组成员将围绕所产生的问题式项目，协同完成问题分析、时间计划安排、研究任务分配、团队管理准则、团队合作反思等，一定程度上模拟了真实工作情境。

结合以上核心元素，丹麦奥尔堡PBL模式经过多年的发展，已经成为PBL领域的重要典范并引起了各国教育界的广泛关注。

3  应用光学设计课程教学实践

考虑到学科培养方案和课程体系构架的实际情况，本文仅将丹麦奥尔堡大学PBL模式作为应用光学设计课程的辅助部分，合理融合到教学实践中开展教学探索。

3.1 学习目标

为了让学生在学习过程中真正成为自我负责的学习者，由学生主导和教师辅助进行学习目标设计，主要包括：（1）从知识框架方面，学生应在已有的像差理论知识基础上，加深理解球差产生的原因、影响等知识点，自主学习并灵活运用多种控制球差的方法，同时通过软件操作深入体验光学设计过程。（2）从团队合作方面，由学生主导开展相互分享、紧密合作的小组学习活动，培养团队意识。

考虑到学生的学习背景和特点，在学习过程中简化了理论推导，加强了实践应用。因此，学习内容将涵盖3个板块：理论部分（球差），工具部分（光学设计软件的基本功能介绍），实践部分（问题的挑战）。图1为学习内容板块关系图，其中理论板块主要介绍球差的大小、产生原因、影响后果等，工具板块以介绍光学设计软件基本操作功能为重点，将此两板块充分结合将成为实践板块的重要基础，不仅有助于学生通过自主学习控制的球差方法和技巧，寻求挑战问题的解决办法，还有助于学生深入体验光学设计的基本过程。

3.2 学习过程

由于本课程的教学背景强调理论知识应该在实践中应用，所以如表1所示，整个学习过程将经过3个阶段：（1）为了在下阶段中学生所提问题具有典型示范性，教师将作为引导者，以传统教学方式提供和引导学生掌握相关基础资源，如参考文献、视频、术语、PPT等。（2）学生可以根据自己的学习情况，并结合第一阶段知识模块提出的初级问题。在此阶段学习过程中，学生所提问题应具有一定导向性，同时面对问题会自主扩充学习资源和拓展知识视野。（3）学生会自主组建小组，并提出来自实践领域的真实性问题。例如采用单个对称双凸透镜的系统作为设计起始点，其中光源波长为632.8nm，透镜由N-BK7制成，透镜表面半径为18mm，透镜厚度为5mm，而物体空间中的数值孔径为0.3，物距为30.2mm，像距为41mm，寻找到控制球差的最佳过程方案。如果此时小组成员之间所掌握控制球差方法越具有多样性，意味着小组成员之间通过同伴学习和协作方式，获得解决具体实际问题的渠道越丰富，从而实现设计最佳结果的可能性也越大。老师在此阶段会鼓励小组成员之间的合作，让小组成员之间互动产生动态学习资源，对知识和技巧进行共享。

3.3 学习效果评估

在此学习过程中，对于学习效果的评估主要包括过程评估和最终评估两种类型。过程评估不仅可以由教师进行，也可以由学生通过同伴评估形式系统进行。最终评估是教师在学习结束时以口头答辩和纸质报告形式来评估学习成果。答辩过程中，每个小组成员都应该展现出解决问题的过程是自身经过深入思考并根据实践操作做出判断的过程，而不是简单机械地记忆。同时老师会检查纸质报告并将建议及时反馈给学生，并将优秀的报告放在网络进行展示。

4  教学反思

虽然在此教学实践中，并没有完全参照PBL模式运行，但其模式关键要素在整个学习过程中起到了重要积极作用：（1）挑战性问题的产生，来自于学生自主实践体验，不断激励学生寻找最佳答案。（2）小组合作建立积极学习环境，学生通过参与具有共同目标和平等协作的小组学习过程，形成点对点的同伴学习方式，这让学生更容易从学生角度，通过交流，自主构建多层次网络知识框架。（3）在有限的上机实践学时内，学生可根据自身情况，有更多的机会自主学习更多设计技巧和体验到更深层次的设计过程，大大提高整体课程的学习效率。（4）及时评估和反馈学生的学习效果，将积极促进学生在学习过程的参与度和对知识点的理解程度。

当然，在教学实践的过程中也出现了许多问题，例如在教学过程中相关课程融合度不高;学生对问题本身的构建和分析缺少足够的真实性;学生在处理团队冲突时缺少合理的处理方式。这些问题也是将来本课程教学实践改革中努力的方向。

5  结语

综合以上内容，丹麦奥尔堡大学PBL模式在培养学生自我负责的能力、挖掘学生自主学习的动力、提升课堂教学效能等方面，确实对开展本课程教学实践改革有一定的借鉴意义，但如何立足于现实教学情况，并将其运行模式与传统教学框架和课程体系相融合，而不局限于工具层面的教学实践实施，这对老师、学生和教育管理者来说都是巨大的教学改革挑战和机遇。

参考文献

[1] 李会春，杜翔云.面向未来的课程设计：奥尔堡大学PBL课程模式与教育理念探析[J].重庆高教研究，2018（3）：117-127.

[2] 李晓艳，王乐，石岩.注重素质和实践能力的现代光学系统设计课程教学方法研究[J].科技信息，2011（2）：113.

[3] 黄幼萍，陈冬英.工程型人才培养的光学设计课程教学方法研究[J].科教导刊，2018（1）：124-125.

[4] Kolmosa，Inkfk，Kroch L.The Aalborg PBL Model[M].Aalborg： Aalborg University Press，2004：11-17.

[5] Anette K， Flemming F， Long K. The Aalborg model： Problem based and project organized learning[M].The Aalborg model， Aalborg University Press，2004：15.

[6] ANETTE K.Reflections on project work and problem-based learning[J].European journal of engineering education，1996，21（2）：141-148.

[7] 陶丹玉.奧尔堡大学PBL教育模式基本原则[J].嘉兴学院学报，2015（5）：117-121.

[8] Maggis， Clairem. Foundations of problem based learning [M]. Berkshire： McGraw Hill Education，2004：23-34.