基于专业认证理念的光学原理课程教学改革

沈常宇 沈为民 李晨霞 张艳 楼俊

[摘 要]在专业课程改革和建设中如何满足专业认证的以学生为中心、成果导向、持续改进理念，是当前一流专业和课程建设的重点。文章详细阐述了符合专业认证要求的光电信息科学与工程专业核心课程光学原理的改革和建设情况，分别从支撑相应毕业要求指标点的课程目标、多形成性评价、教学方法以及课后辅导方式等方面，详细阐述了该课程的改革和建设思路，介绍了改革重点解决的问题和成效。

[关键词]工程教育认证;课程建设;光学原理;多形成性评价

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）01-0013-04

随着国家一流专业计划及工程教育专业认证的有序推进，课程教学和设计作为最基本的教学单元，是培养学生的最主要阵地，是支撑“一流”专业建设的骨干，亦是践行“以学生为中心、产出为导向和持续改进”的认证核心理念的核心单元。专业认证强调以学生为中心、成果导向教育（OBE）、持续改进等理念，重视培养学生解决复杂工程问题的能力[1-2]，其包括七大部分：学生、培养目标、毕业要求、持续改进、课程体系、师资队伍、支撑条件。这其中，师资队伍和支持条件用来支撑课程体系，课程体系支撑毕业要求，毕业要求支撑培养目标，在这些支撑过程中持续改进，最终实现对学生的培养。可以看出，课程体系在这其中起到非常重要的作用。只有课程体系实现完美达成，才能够实现其进一步地往上支撑。因此，高质量的课程建设显得非常重要，是提升整个高等教育质量的核心和关键所在。2019年10月31日，教育部发布《关于一流本科课程建设的实施意见》[3]，全面开展一流本科课程建设，树立课程建设新理念，推进课程改革创新，实施科学课程评价，严格课程管理，立起教授上课、消灭“水课”、取消“清考”等硬规矩，夯实基层教学组织，提高教师教学能力，完善以质量为导向的课程建设激励机制，形成多类型、多样化的教学内容与课程体系[4]。

从教育部的发文可以看出：一方面，国家层面已经认识到课程建设的重要性;另一方面，这也可以看出当前我们的课程建设还很薄弱，还存在诸多“水课”或者是不适应当前以学生为中心、为核心理念的课程。目前，很多课程的教学方式还是关注教师教得怎么样，教学内容也不是基于学生培养目标和相应的支撑毕业要求来确定的。与此同时，当前一些高校的学生沉迷于智能手机推送的海量信息，旨在提高学生学习兴趣的种种措施难以奏效;如何在课程建设上实现由“评课”转变为“评学”，如何实时关注学生的学习过程，及时发现学生学习中的需要，帮助学生提升能力，激发学生的学习动力;对未达到要求的学生及时发现问题，并实施有效的矫正措施，对已经达标的学生进行强化和鼓励，从而实现全体学生的学习成果，是目前课堂教学亟待解决的问题。

基于此，我们针对国家一流专业光电信息科学与工程的核心课程光学原理，提出了以学生为中心、以成果为导向的多形成性评价教学改革，力图实现以下两方面主要目标：一是开展多形成性课程目标评价设计，全面实现本课程对于毕业要求和培养目标的支撑，实现以学生为中心和以产出为导向的课程教学;二是基于多形成性评价课程考核，达到关注学生的学习过程，及时发现学生学习中的需要，帮助学生提升能力和激发学习动力的效果。

一、光学原理课程具体改革措施

（一）课程目标的梳理和设计

基于工程专业认证标准，光学原理课程在光电信息科学与工程专业的课程体系中处于核心专业课的地位，其所支撑的专业毕业要求指标点如下。

1.具有物理光学、应用光学、光电子技术、光电检测技术等专业知识，并能够用于解决光电信息及检测领域的复杂工程问题。

2.能够对光电信息及检测领域复杂工程问题建立数据分析模型或进行知识表达;能够运用数学方法进行数据分析和处理，通过信息综合得到合理有效的结论。

3.能够使用恰当的工具软件和光电信息及检测领域的工程设计软件进行设计、开发、模拟和分析工程问题等操作。

4.能够利用团队协作，清晰表述技术内容，并能正确答辩或解答相关问题。

（二）基于课程目标的多形成性评价设计

针对上述课程目标进行形成性评价的设计。当前的课程评价模式较为单一，除了点名、作业，就是考試。一方面，这种评价模式不能全面地评价学生的学习成果，很好地体现产出导向。因为单凭点名和作业不能评价学生的团队协作或者其他非技术因素;单凭考试成绩也不能很好地体现学生对知识的掌握程度。与此同时，这样对学生也不公平，因为学生能力是多样性的，在满足课程目标的前提下，我们应该给学生提供多样性的形成性评价，在课程设计、教学及评价时要充分考虑每个学生的个体差异，要在时间和资源上保障每个学生都有达成学习成果的机会。基于此，如图1所示，我们针对课程目标，设计了期中考试、期末考试和过程考核的多形成性评价。

1.对于课程目标1（光学知识及其应用），以期中考试（20分）和期末（40分）考试来评价，采用完全教考分离模式，考试试卷由课程组非授课教师根据考试大纲出题，课程组流水线批改。

2.对于课程目标2、目标3和目标4，以过程考核进行评价。

◆ 作业和课堂表现等（10分）;

◆ 以翻转课堂或专题问题讨论（10分）评价学生团队协作能力等非技术因素;

◆ 以训练大作业（10分）评价学生解决复杂光学问题的能力;

◆ 以光学设计实验（10分）评价学生对现代工具（Zemax等）的掌握程度及光学设计能力。       

（三）课程教学方法的改革

上述两点解决的是光学原理课程教学过程中头部（课程目标）和结果（产出评价）的问题。实际上，要实现以学生为中心的产出，不是改变评价方式即可，也不是不管教师教学的好坏，而是对教师的教学提出了更高的要求：在教学过程中，不仅每时每刻要知道教学内容对毕业要求的支撑，也需要知道将来考核学生时要采取哪些评价方式;还要注意教学方法，以培养学生能力为中心，提升教学质量。如图2所示，我们从以下几个方面进行了改革。

1.小班化分层教学。全面开展小班化分层分类教学改革，培养学生学前思考、学中思考、学后反思，提高其创新能力，具体做法如下。（1）组班办法：教师提出有层次、有类别、有区分的教学方案、课程成绩考核办法、特色等，学生报名选择，引导学生按水平、兴趣分流。重点是实现教师的教学特色、教学层次与学生学习诉求、学习兴趣之间的匹配和协调（学前思）。（2）发挥小班优势，加强师生互动和讨论，提高学生的参与度（学中思）。（3）完全教考分离，包括教师评价与公共评价，主讲教师对所在班级学生的评价侧重过程评价和能力评价;公共评价由非任课教师出题评价。（4）评价办法包括对学生成绩评价和教师教学评价;建立形成性评价与终结性评价有机结合的办法;对教师的教学评价既要考虑生评教成绩，也要考虑教师在学生能力培养中所做的工作以及学生考试成绩（学后思）。

2.现代教育技术应用。除了常规的网络课堂和多媒体应用，大力开展计算机辅助教学，让简明扼要的公式推导与精确实用的数据分析法形成互补。（1）重组知识体系，构建核心问题：因为当前光学原理课程涉及的数学问题仍以公式推导即符号演算为主，而计算机处理则以数值运算为主，所以应对知识结构进行调整，对于每个重要结论都需要将相关物理量集合在一起，形成可数值求解的一类问题。（2）建立算法模型：简单情况只要按一定顺序直接用公式求解即可，但许多情况需要应用较复杂的算法才能完成数值计算。（3）选择适当的应用软件：既要能完成数值计算，又要能产生多媒体素材;以计算结果为依据制作曲线、图形、动画等多媒体素材，插入PPT文档中，形成上课用的新课件。（4）编制新型实验作业：至少完成一种解法的程序或电子文档的设计;课程组汇总各位教师分工制作的课件、实验作业等，讨论连续性、合理性，形成一致意见后进行教学试验。（5）建立师生互动平台：通过课程网站、通信群等及时交流，适当采用翻转课堂这种新的教学形式。

3.能力导向教育。随着本专业学生国际交流的日益增多以及我国加入《华盛顿协议》、成为该协议签约成员，专业认证是学生能力培养和提升国际化办学水平的必由之路。我们将在课堂教学中将坚持以学生为中心，以专业认证为契机，全面开展能力导向教育。（1）聚焦内外需求与培养目标的对应关系，实现培养目标的精准定位。结合学校的办学思想、本专业的人才定位和用人单位的用人需求，特别是浙江省的中小企业对创新人才的需要，优化本课程目标。（2）利用小班教学的互动优势，提升学生的分析、表达、沟通能力和团队协作能力。（3）教师在大力推进现代教育技术应用的同时，促进学生充分利用现代工具以及本专业的各种专业软件，培养其应用工具来解决本专业的复杂工程问题的能力。

（四）课后辅导方式的改革

辅导答疑是课程教学必不可少的环节。师生之间是否形成良好的互动是评价教学的一个重要指标。而师生互动并不是越热闹就越好。实际上，盲目热闹不利于形成有条理的逻辑思维，没有准备的讨论一般不会取得好的教学效果。理工科学习需要的是严密的逻辑推理而不是一时涌现（难以捕捉）的灵感火花，因为一种想法是否可行在课堂上是很难判断的，需要时间分析证明。所以理工科教学上的师生互动应更多体现在课堂内教师的教与课堂外学生的学之间的互动，也就是学生课后对教师讲的内容能够响应，并通过做习题、答疑等途径反馈给教师，与教师进行交流沟通。我们设想开展以下两种辅导方式。

1.设计一种基于Excel的新型课后辅导作业（基础训练和大作业），作业的内容通常以手写形式难以表达，主要有数据表格、曲线、图形、动画等。这种实验作业与教师上课时所用课件是紧密相关的，可让学生进一步体会教师的教学意图，消化课堂内容。改作业由电脑自动产生作业题，学生如果有解题思路，则可直接解题，输入结果。如果没有解题思路，则通过参数设定、约束条件表达、相关公式选择等，熟悉、理解题意，形成解题思路。该系统设置两个界面：（1）预习界面，可以查得分、对答案、看提示，再重做;（2）做题界面，也可查得分但次数有限（一般设置1～3次），最后点击“保存文档”，则自动保存题目、解答、得分以及为防止抄袭设置的辅助信息。该系统的特点是自动出题、自动批改，每一类型题目含100多種变化，每个学生题目都不同，学生提交文档即可，不满意还可以重复做题，这大大提升了学生的主动性，减轻了教师的工作负担。

2.无论是教学课件还是学生基础训练作业都会涉及许多问题，而课程教学学时有限，课堂上不可能全部讲解。我们通过微课录像的形式进行辅导，用10分钟左右的时间讲解1个知识点（重点或难点），或1种工具应用，或1种解题技巧，或一种实验设计等。

二、本课程改革解决的重点问题

（一）改变课程建设的重点

各级在线课程、资源共享课很多，但大都以“教”为重点，如要求有全程录像、上课课件、知识点解释等，但很少有学生主动愿意利用这些课程网站学习。新工科建设和专业认证都要求培养学生解决复杂工程问题的能力，教学改革应聚焦学生的能力提升。本课程建设重点围绕学生的学习成果展开：开发基础及能力提升训练系统、翻转课题、专题问题探讨等，以提升学生能力和“学”为重点。

（二）目标明确，清楚聚焦

不管是老教师还是新教师都能够在课程教学设计时清楚地聚焦在学生在完成学习过程后能达成的最终学习成果（即课程目标），并让学生将他们的学习目标聚焦在这些学习成果上。始终记着要考什么（掌握哪些知识、达成哪些能力），不要等到期末才考虑如何考试。

（三）增加机会，关注学习困难学生

目前高校管理中较多采用指标化管理，完成指标的有效方法是抓亮点，主要依赖于少数优秀生、特长生的表现。我们认为，要改进学风，学习困难学生的表现更加关键。本课程通过期中考试、期末考试、基础训练系统、翻转课堂、专题问题探讨等多形成性评价增加机会，给全体学生以达成学习成果的机会。这既可以解决他们的学习困难，又堵住作业抄袭的渠道，而且还能让他们看到希望，加把劲就能达成目标，不需要另想歪门邪道。

（四）形成性评价与成果导向教育有机结合

基于成果导向对学生在整个学习过程中的表现进行跟踪与评估：基础训练每次练习都有评分，还可进行单元测试;能力提升训练可对学生处理复杂问题的能力做出评价，结合学生的课堂表現、期中考试和期末考试、翻转课堂等构成完整的形成性评价。

三、课程评价及改革成效情况

首先，经过多年的教学改革，我们的光学原理教学得到了众多知名教育专家对我们的高度评价。2014年11月，在中山大学举行的全国高等学校光学教学研讨会决定，由中国计量大学牵头组织光学教学改革方面的校际合作。首要工作是建立国内高校光学课程试卷库，目前我们综合了北大、南大、复旦、西安交大等20多所高校的光学试卷，并与同行进行了交流，受到各校欢迎。2018年8月在吉林大学举行的全国高等学校光学教学研讨会上，我们又进行了教学课件校际交流。2019年7月和12月，负责人又分别在全国光学大会（中科大、合肥）和光电专业教指分委会上（江苏师范、徐州）上，应邀作了报告，全面阐述了光学原理课程建设和课程形成性评价在认证中的作用和设计，引起了与会专家的强烈反响。教学改革成果特别是新型计算机辅助教学的课件在国内产生较大影响，已在福建师范大学、安徽工业大学、深圳大学等许多高校得到应用，提供证明的有15所。随着专业认证影响的扩大，近几年不断有高校与我们联系，要求参观交流，已经来过的有河北工业大学、哈尔滨理工大学、山东师范大学、太原科技大学等20多所高校。浙江省教育厅网站及《杭州日报》《钱江晚报》《中国科学报》等主流媒体多次报道我们教学改革、学生科技等方面的成果[5-7]。

其次，课程建设可持续。许多教学建设或改革项目结题后就不再继续做了，原因是这些改革措施需要学生、教师花费太多的时间和精力，因而难以持续。而本课程针对课程目标的多形成性评价的基本要求，如基础训练，一般问题学生能够通过电脑自己解决，训练时产生的记录文档、单元测试的成绩表等使教师可随时掌握每个学生的学习情况。这样的教学改革使教学效率大大提高，既不会显著增加学生负担，也不需要教师超额工作，能够长期坚持。

再次，课程组成员获得国家教学成果二等奖，省教学成果一等奖、二等奖，校教学成果一等奖各1项。

最后，在学生学习成效方面，纵向比较来看，如图3所示，相比2016级，2017级的课程目标达成度有了较好的改善。课程目标1—5达成度均有所提升。特别是针对2016级结束时提出来的关于课程目标1、目标2达成度不高的问题，即物理光学相关知识学习运用及能力提升问题，本轮教学有了较好的提升。同时，我们也研究了学生个体的达成情况，如图4所示，从2016级到2017级，学生个体的全部课程目标达成情况良好。

四、结语

专业认证及新工科教育要求在教学过程中以学生为中心，关注学生学习成果。专业教育最终的落脚点必定是课程。本文以光学原理课程建设与改革为例，详细阐述了课程建设过程中如何体现专业认证的理念，围绕课程目标建立了体现学生中心、成果为导向的多形成性评价以及教学改革，希望能够为新形势下专业课程的建设和改革提供一些思路。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 中国工程教育专业认证协会.工程教育认证标准（2017版）[EB/OL].（2017-11-01）[2020-05-25].http：//xhjwc.xhu.edu.cn/41/2c/c6439a147756/page.htm.

[2] 孙春玲，钱明明，吴绍艳.基于专业认证与双证书联动的应用型本科专业人才培养机制研究[J].高教探索，2014（3）：91-95.

[3] 中华人民共和国教育部.实施一流本科课程“双万计划” 让本科课程优起来：教育部印发《关于一流本科课程建设的实施意见》[EB/OL].（2019-10-31）[2020-05-20].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/xw_fbh/moe_2606/2019/tqh20191031/sfcl/201910/t20191031_406261.html.

[4] 吴岩.建设中国“金课”[J]. 中国大学教学，2018（9）：5.

[5] 浙江省教育厅网站.中国计量学院积极推进专业基础课小班化教学工作[EB/OL].（ 2015-12-02）[2020-05-21].http：//www.zjedu.gov.cn/news/144904916003375220.html

[6] 杭州日报.专家共商光学教学[EB/OL].（2014-11-17）[2020-05-21].http：//hzdaily.hangzhou.com.cn/hzrb/html/2014-11/17/content_1839711.htm

[7] 钱江晚报.专家共探讨光学教学改革[EB/OL].（ 2014-11-27）[2020-05-21]. http：//qjwb.zjol.com.cn/html/2014-11/27/content_2896601.htm？div=-1

[责任编辑：刘凤华]

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