基于线上线下混合模式的工程光学综合实验平台的建设研究

李小燕 任洪亮 张奚宁 刘永欣 陈子阳

摘 要：在“新工科”课程建设需求下，基于华侨大学侨生背景的学情，以培养“应用型”人才为目的，文章针对工程光学实验中存在的问题，对现有的实验内容，教学方式及考核方式方面进行了改革探索。将实验内容分成不同层次的学习任务，以虚拟仿真实验平台为辅，实际操作实验为主，基于虚拟实际相结合的混合式教学方式，构建一个可以根据学生的实际学习情况进行个性教学的综合实验平台。该综合实验平台有助于培养学生解决问题、科研动手能力，团队协作能力、自主式学习及研讨式学习的能力。

关键词：仿真平台;工程光学实验;个性化教学;自主学习

电子科学与技术专业是一门多学科交叉专业，工程光学实验课程作为电子科学与技术专业独立设置的必修专业课实验课程，对于提高学生的专业技能和素养具有重要的作用。而未来的人才不仅在于其具有扎实的专业知识和技能，更在于其创新意识和创造能力的发挥。要使学生适应社会发展的需要，工程光学实验实验是一种有效的方法，是通过综合训练来培养学生的研究能力和综合素质，主要是自主学习能力和创新能力。

一、工程光学实验教学中存在的问题：

根据多年来的教学情况来看，以往的工程光学实验教学存在很多的问题：实验方法落后，实验种类基本都为验证性实验，其实验方法以及实验结论都比较固定，导致学生思维受限，无法做到理论联系实际，更不用说自主创新了;教学方式简单，仅靠学生根据讲义和教师演示进行学习操作，而学生一般基础理论不足，学生在没有接触过任何实验仪器的情况下进行操作，对实验器材十分陌生，经验缺乏，动手能力不足，导致学习效果不佳，学生的实践能力得不到提高;受实验课时、实验室开放时间、学生做实验时间及师生交流互动所限，学生的学习效果也不理想。同时工程光学实验考核较为单一，成绩判定缺乏科学性。

为了解决这些教学中存在的问题，华侨大学工程光学教研组对教学模式、考核方式和实验内容进行了改革，建立了一个基于线上线下混合教学模式，渐近式实验课程体系下新的工程光学实验平台。

二、工程光学实验平台的建设与实践：

（一）优化实验项目

为了解决实验项目固化、方法落后，无法培养学生的创新能力的问题，将验证型实验进行归类合并，减少必修实验中验证型实验的数量，同时增加应用型和开放式实验，加强对学生解决问题能力的培养。

针对学生光学实验经验缺乏，动手能力不足的问题，教研组在实验内容中增加对实际操作能力的培养，由浅入深逐步提升，不同实验侧重点不同。

由于实验时间有限，太复杂的实验学生往往无法在限定的时间内完成实验任务，教研组设计了新的实验光路，简化复杂枯燥的调试过程，删除重复的学习内容，避免挫伤学生的积极性的同时提高实验效率。

比如以往的工程光学实验中圆孔的菲涅耳衍射及单缝的夫琅和费衍射分成两个实验，这两个实验属于验证型实验，光路相对简单且雷同。将两个衍射实验进行合并，实验中只需要变换目标板，改变投影屏的距离就可以完成实验项目的变换，不用重复调试光路。将两者合并成一个实验项目既减少了实验数量，又简化了枯燥的调试过程，在不降低实验效果的同时提高了实验效率。

（二）建立渐近式的实验课程体系

华侨大学侨生比较多，来自世界各地的侨生与国内的在校大学生知识背景差别比较大，每个学生的学习能力水平各有不同，对一部分同学来说简单的实验对另一部分学生来说相对比较困难。一刀切的课程学习体系无法应对华侨大学学生知识背景相对复杂的学情。

针对学生知识背景及学习能力差别的问题，实验平台将学习任务分为三个逐渐提升的层次：必修实验，扩展实验，开放式实验。必修实验中包含十个工程光学基本实验，涵盖了工程光学的基本内容，可以帮助学生更好地理解工程光学的基本原理和概念。每个实验对学生科研操作能力的培养侧重点不同。这是每个学生都必须要完成的实验项目，相对比较简单，适合学习能力不足的学生。

学有余力的学生可以选择扩展实验和开放式实验做为进一步的学习内容。扩展实验任务包含更多不同类型的实验，这些实验可以帮助学生进一步理解工程光学的扩展原理和概念。

开放式实验针对想要创新的学生。可以根据实验问题情境，按照自己的想法搭建光学实验。开放式实验的增设可以提高学生解决问题的能力和科研创新能力。

（三）以虚拟仿真实验平台作为教学辅助，采用虚拟实际相结合的混合式教学方式，教师根据学生的实际学习情况进行个性教学

工程光学实验的物理光学部分选用中国科学院软件所自主研发的seelight光学系统虚拟仿真实验平台。该平台基于麦克斯韦方程组、菲涅耳-基尔霍夫衍射、阿贝成像、光线追迹等理论，结合云计算、并行计算等技术实现了模块化的物理建模仿真。

应用光学及光学设计部分选用同样是软件所研发的seeod光学系统优化设计软件进行。该软件以光的直线传播、数学几何原理、光线追迹等为基础，对光学系统的几何像差和波动像差进行多角度分析，重点突破光学系统的多变量、多目标的自动优化和公差分析，可以对几何光学系统进行虚拟仿真模拟。

综合实验平台将学生的学习过程分为：课前预习、课中操作和课后复习三个阶段。课前学生根据教师布置的任务目标，在虚拟实验平台上提前演练将要操作的实验项目，可以更好地理解实验原理，掌握实验方法和步骤，节省时间，提高效率。学生完成仿真训练任务后，将仿真结果和问题及时反馈给教师，相关问题将作为实验教学环节的教学重点。课中教学环节，学生在实验室中分组进行实验操作，学习实际光路搭建的方法，验证仿真的结果。教师在旁结合课程内容阐释相关概念和光学原理进行指导，强化学生对课程知识的理解。课后跟进提升环节，学生基于在线平台完成相關实验原理的复习练习，教师跟进辅导，扫除学生的知识盲区。

教师根据每个学生的学习情况，针对学生的强项、弱项给出个性化的学习建议，并根据整体学生对课程知识点的掌握情况，及时调整实验内容和教学重点。

（四）增加考核内容，完善考核体系，对全体学生的学习情况进行综合测评

将预习成绩、知识点测评成绩及实验报告做为基本考核内容，考查学生对基本原理概念的掌握程度及基本实验操作水平;扩展实验、开放式实验的学习情况作为附加考核内容，考查学生学习的广度深度及学生的科研创新水平。

三、工程光学综合实验平台的特色

（一）分段式学习过程

实验平台将学生的学习过程分为：课前预习、课中操作和课后复习三个阶段。通过课前预习，学生在做实验时可以做到心里有数，提高实验效率，课后复习则可以帮助学习巩固所学知识。

（二）渐进式的学习任务包

实验平台将学习任务分为三个逐渐提升的层次：必修实验，扩展实验，开放式实验。不同学生可以根据自身的水平选择不同层次的学习任务。渐进式的学习任务包可以满足不同学生不同层次的学习需求。

（三）个性化教学

结合学生的预习成绩、知识点测试的正确率、在实际操作中的表现及实验报告，教师能够随时掌握每个学生实时的学习情况及实际能力水平，及时调整教学内容和重点，针对学生的薄弱环节进行辅导，并根据整体学生对课程知识点的掌握情况，及时调整实验内容和教学重点。

（四）自主式学习和研讨式学习

学生可以在课前或课后在虚拟仿真平台上进行自主学习，也可以根据自身水平来选择不同层次的学习任务包。学生基于仿真实验平台形成的仿真模型及计算结果可实时在线共享，便于小组成员之间针对仿真案例进行深入交流和讨论。学生也可通过团队协作形式，进行分工合作共建仿真工程、数据分析和撰写实验报告，培养学生的团队协作意识。

四、结语

为了解决工程实验教学中存在的诸多问题，华侨大学工程光学教研建设了一个基于线上线下混合教学模式的，拥有渐近式课程体系的综合性实验平台。该平台的分段式学习过程可以将学生的学习分为不同的阶段，提高学生的学习效率;渐进式的学习任务包，方便学生根据自身的时间安排和学习水平来选择不同的学习时段和学习任务，可以提高学生的学习兴趣;虚拟实验平台方便小组成员之间针对仿真案例进行深入交流和讨论，可以培养学生的团队协作能力。同时通过该实验系统教师可以实时掌握学生的学习情况和现有水平进行个性化教学。综上所述该综合实验平台可以培养学生解决问题和科研动手能力、自主学习能力、创新能力及组织协作能力，培养出国家需求的“应用型”人才。

参考文献：

[1]张大良.因时而动，返本开新，建设发展新工科[J].中国大学教学，2017（4）：4-9.

[2]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[3]姜晓坤，朱泓，李志义，等.面向新工业革命的新工科人才素质结构及培养[J].中国大学教学，2017（12）：13-23.

[4]黄志永.工程光学实验课程教学改革探究——以黄山学院为例[J].黄山学院学报，2020，22（03）：93-95.

[5]江旻珊.工程光学实验教学的研究与探讨[J].教育教学论坛，2016（03）：219-220.

[6]张瑾，童悦.工程光学实验课程的设计与学生创新能力的培养——以淮南师范学院工程光学实验课程为例[J].淮南师范学院学报，2015，17（03）：128-132.

[7]邓荣标.工程光学实验项目的优化研究[J].实验技术与管理，2015，32（04）：220-222.

[8]肖梅.在光学实验教学中实现设计与创新能力培养[J].潍坊学院学报，2020，20（02）：77-79.

[9]蒋志龙，俞琳，叶恩钾，孔艳，刘诚.光学实验立体化教学研究与实践[J].教育教学论坛，2019（33）：149-150.

[10]张聿全，蔡博渊.分析大学光学实验教学中的问题与建议[J].科教文汇（中旬刊），2019（01）：75-76.

[11]贺泽龙，智清双.光学实验课程在培养创新型人才方面的研究与实践[J].电脑知识与技术，2019，15（01）：154-155.

[12]俞琳.高校光学实验课程教学方式的多元化探索[J].科教文汇（上旬刊），2018（12）：42-44.

[13]贺泽龙，智清双，夏琦，李亚东，张万里，隆小江.光学实验平台应用于创新型人才培养的研究与实践[J].电脑知识与技术，2018，14（32）：142-143.

[14]陶蕊，章韦芳，董萍.光学实验教学改革与探索[J].合肥师范学院学报，2018，36（03）：54-55.

[15]张勃，刘波，刘海锋，刘晓颀，宋丽培.光学工程专业研究生“现代光学实验”的教学改革[J].实验室科学，2017，20（05）：145-147.

[16]王雁冰.关于光学实验教学改革的探索[J].科技资讯，2016，14（29）：27-28.

[17]高宝玉.光学实验中学生创新能力的培养[J].黑龙江科技信息，2016（32）：51.

[18]郑虹，孙腊珍，张增明，朱玲，王中平，张权.光学实验创新平台的构建与实践[J].大学物理，2016，35（08）：48-51+60.

[19]江旻珊.工程光学实验教学的研究与探讨[J].教育教学论坛，2016（03）：219-220.

[20]张瑾，童悦.工程光学实验课程的设计与学生创新能力的培养——以淮南师范学院工程光学实验课程为例[J].淮南师范学院学报，2015，17（03）：128-132.

[21]邓荣标.工程光学实验项目的优化研究[J].实验技术与管理，2015，32（04）：220-222.

[22]王吉明，刘友文，赫崇君，杨雁南，张广斌，李香莲，丁冰.现代光学实验教学体系的研究与实践[J].实验科学与技术，2014，12（01）：114-116+132.

课题项目：2020年华侨大学新工科示范课程项目-工程光学;2021年华侨大学项目-第三批校一流课程，线下课程;2019年福建省本科高校重大教育教学改革研究项目“电磁场数值计算方法精品課程建设探索与实践研究”（项目编号：FBJG20190124）

作者简介：李小燕（1979— ），女，汉族，广西崇左人，博士，华侨大学信息科学与工程学院电子科学与技术系讲师，研究方向：光学设计、光束传输。