新工科背景下应用光学课程教学改革探究

孙苗，胡丽，傅强，王燕飞，赵晓虎，蒋杉,王宇

（合肥师范学院，安徽合肥 230601）

新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[1]。2021 年4 月，习近平总书记在清华大学考察时强调：“要用好学科交叉融合的‘催化剂’，加强基础学科培养能力，打破学科专业壁垒，对现有学科专业体系进行调整升级，瞄准科技前沿和关键领域，推进新工科、新医科、新农科、新文科建设，加快培养紧缺人才。”[2]光电信息科学与工程专业是典型的新工科专业之一，是电子、光学、通信、计算机等多学科交叉融合的工科专业。应用光学是光电信息科学与工程专业的必修课程，主要目标是让学生掌握光学的基本概念、原理及典型的光学系统，利用光学设计软件进行光学系统设计和像质优化，培养学生利用理论知识分析和解决工程技术上常见光学问题的能力，并为学习光电子技术、信息光学等后续应用性强的课程打下坚实的基础[3]。该课程理论知识点较多，学习难度相对较大，在一定程度上影响了学习效果。基于应用光学课程工程性较强、重要程度高及学习难度大等特点，本文对应用光学课程的教学现状进行分析，探索在新工科背景下对应用光学课程教学进行改革，以期适应时代和行业发展的需要，为增强学生工程实践能力和创新能力、提高光电信息科学与工程专业人才的培养质量提供课程教学保障。

1 应用光学课程教学存在的主要问题

1.1 教学目标比较单一

传统的应用光学课程教学注重知识的传授，忽视了对学生动手操作能力的培养。应用光学课程作为光电信息科学与工程专业的核心课程，通过对安徽省高校应用光学课程教师的调查，发现90%的教师在教学过程中重点讲授几何光学的基础知识、光学系统成像的基本理论以及典型光学系统的基本原理，对学生基本理论的分析运用及解决实际问题能力的培养较少，且难以做到理论知识与实践知识的有机融合，无法实现知识传授、能力培养和价值塑造有机结合的课程目标。此外，通过对应用光学课程标准的研究，发现在教学目标设定、理论知识传授与学生能力培养之间缺乏平衡，重理论、轻应用，教学目标相对单一[4]。

1.2 教学内容理论性强

通过研读应用光学的教学大纲，分析日常实际教学的内容，发现应用光学主要讲授几何光学的基本定律与成像概念、理想光学系统、平面与平面系统、光学系统中的光束限制、光线的光路计算及像差理论、典型光学系统、光学系统的像质评价等，上述内容基础知识点理论性较强，且概念较抽象，缺乏可以参考的实物，学生掌握相关知识点的难度较大。应用光学的教学内容更新缓慢，目前采用的教材为2016 年8 月出版的《工程光学》第四版教材，教材相对较旧；此外，该课程的实验教学内容多为基础性实验，缺乏创新性、综合性和设计性实验，对知识点的应用性和工程性的关注度不高，不利于学生实践能力、动手操作能力及创新能力的培养。

1.3 教学方法单一

教学方法是影响学生学习兴趣和决定教学质量的关键因素。近几年，虽然慕课、学习通、雨课堂等线上教学模式已经广泛运用到大学课程教学过程中，但由于应用光学课程理论知识多、公式推导多、系统光路图多，因此，多数教师授课仍以“讲授+多媒体演示”为主，教学方法相对单一，属于典型的教师主导式教学，学生被动接收理论知识[5]。另外，部分应用光学课程教师采用学习通或腾讯会议等线上教学平台进行授课，但由于线上教学的课堂信息量大、教学节奏快等特点，压缩了学生理解知识时间，这要求学生必须注意力高度集中，快速理解知识点并加以运用，增加了学生的学习压力，教学效果不理想[6]。

1.4 考核方式固化

考核方式是提高学生学习积极性、衡量学生学习效果以及为学校提供评估服务的重要手段。当前，应用光学课程考核多采用平时成绩与期末成绩相结合的方式，两者权重比为4∶6。平时成绩主要包括课堂出勤、课堂表现和课后作业，忽略了对课堂学习及课后复习质量的考核评价，并且课堂表现打分教师的主观性较强；此外，教师难以通过课后作业了解学生的真实学习情况[7]。期末成绩主要以期末考试结果为主，注重应试能力，考核目标单一，考核偏重结果，重课本轻实践，重知识轻能力，重结果轻过程，这样既不利于学生自主学习习惯的养成和分析综合能力的培养，又不利于学生创新能力及动手能力的提高，最终影响新工科人才的培养质量。

1.5 课程思政融入不足

大学作为人才培养的重要基地，要坚持以德为先，课程是培养大学生品德的具体抓手，而思政教育则是品德培养的具体体现。当前，应用光学课程的思政教育存在以下问题：（1）教师课程思政教学能力不足。多数教师难以有效地将应用光学课程与思政教育进行紧密且生动地融合，致使学生兴趣不高。（2）思政教育方法缺乏创新性与互动性。教师由于缺乏课程思政的教学能力，对课程思政所采取的教育方法仍是说教式的教育，缺乏创新性和互动性[8-9]。

2 应用光学课程教学改革的对策

2.1 完善顶层教学目标设计，突出立德树人目标

光电信息科学与工程专业是国家首批新工科建设的专业之一，应将科技素养有机融入应用型人才培养目标中。构建应用光学课程的教学目标，要突出课程的应用性，解决教学内容与实际应用融合欠佳、学生实践能力匮乏、立德树人培养目标不明确等问题，改变当前传统课堂教学“重知识传授、轻能力培养、弱课程思政”的现状。基于上述思路，设计课程目标为：（1）知识目标：理解几何光学的基本原理和定律、掌握光学系统成像的基本理论、典型光学系统的结构和原理，熟悉光学系统成像质量评价方法。（2）能力目标：具备理论知识指导实验设计的思维方式、动手操作创新的能力，以及利用理论知识分析和解决工程技术上常见光学问题的能力。（3）素质目标：树立社会主义核心价值观，具备光电专业人才应有的创新意识、独立自主意识、社会责任感及使命感[10]。

2.2 优化教学内容，注重理论与实践相结合

应用光学课程的教学内容主要为传统的几何光学，地方应用型本科院校的光电信息科学与工程专业，在教学过程中应突出应用光学课程技术应用性的特点，对教学内容进行优化，既要注意传授传统的基础知识，又要突出应用光学课程的应用性，将课程的理论部分与光电信息工程的科研成果、工程应用紧密结合，以工程实际问题出发探讨基本的光学原理，实现基础理论知识与具体实践应用的有机结合，以契合应用型人才培养的要求。实验教学方面，在教学过程中应增加由物像放大率测目镜焦距、测自组显微镜的放大率等实验教学内容，以此来培养学生理论联系实际及动手操作的能力。在更新应用光学新知识方面，应通过引入最新的科研成果，向学生介绍国内外的科技前沿，增加教学内容的前沿性、先进性和应用性；通过介绍和分析工程案例，加深学生对所学理论知识的理解和掌握，培养解决实际工程问题的能力。

2.3 搭建线上线下相结合的教学模式

在教学过程中，应该发挥教师的主导作用，逐渐形成以学生为中心，教师引导学生主动学习的线上线下相结合的教学模式[11]。线上学习阶段，将课程的重点和难点内容录制为短视频，在学生学习该部分内容时，督促学生观看短视频；线下传授阶段，教师采用讲授、探究式、案例分析等教学方法结合的方式进行教学；结合具体理论知识，从光电信息工程的最新动态和工程应用角度提出问题，引导和启发学生，让学生边看、边听、边思考、边讨论，并且增加小组讨论、创新专题设计、翻转课堂、课后专题答疑等教学形式；通过对学生分组、发布不同的课题内容，各小组成员利用课堂时间和课下时间进行材料收集、知识点整理、小组讨论、总结并推选代表上台讲解及答疑；在整个过程中，教师仅在必要的时候对学生进行指导和引导，帮助学生理清思路，加深理解。线上提升阶段，教师课后布置应用性及拓展性作业，提升学生自主探究、合作学习的能力。该教学模式有助于教师从理论知识教学转变为引导学生学习，激发了学生学习的主动性，提高了学生发现问题、解决问题的能力。

2.4 健全考核评价方式，注重过程及实践考核，降低期末考核比重

依据过程及实践考核与结果考核同等重要的原则，结合学生线上线下学习情况，采用线上、线下混合的全过程考核方式，总成绩由平时成绩（占40%）、实验成绩（占15%）和期末成绩（占45%）三部分构成。其中，平时成绩由课堂出勤（占10%）、课后作业（占15%）、单元测试（占30%）、分组讨论（占20%）和创新专题设计（占25%）五部分构成，平时成绩中增加了章节的单元测试，以及分组讨论和创新专题设计，以此来提升学生自主探究及合作学习的能力。通过单元测试，可以帮助教师了解学生学习情况，也可以有效地促使学生注重平时的学习和积累，及时复习每章的知识点，发现自己学习的薄弱环节，查缺补漏，避免了期末考试突击学习的现象。课程突出实践考核的重要性（比重为15%），重点考核学生仪器操作的正确性、团队协作能力和数据处理的准确性，培养学生动手操作解决实际问题的能力。降低期末考核的比重是健全应用光学考核评价方式的重要一环，期末考核主要以期末试卷考试的方式进行，占比45%。多样化的考核方评价式能在一定程度上调动学生学习的积极性以及激发学生的学习潜能，更有利于课程教学质量的提高。

2.5 推动课程与思政教育深度融合

2020 年5 月，教育部印发《高等学校课程思政建设指导纲要》，提出：“全面推进课程思政建设是落实立德树人根本任务的战略举措。”[12]因此，推动专业课程与思政教育深度融合已迫在眉睫。一方面，在应用光学课程的教学过程中，教师结合课程特点和教学目标，挖掘思政元素，传授专业知识的同时融入思政内容，实现知识传授、能力培养和价值塑造的有机结合，达到立德树人的目标。另一方面，应用光学课程可以从家国情怀、协同合作等方面出发将课程思政融入专业知识点的教学中[13-14]，提升学生发现问题、解决问题的能力，帮助学生树立正确的人生观、世界观和价值观。例如，讲授望远镜系统时介绍我国近年来在太空观测领域取得的成就，分享中国工程院院士潘君骅的科研历程，讲述中国天眼的观测成就。

3 结语

光电信息科学与工程专业是新工科建设的专业之一，培养与社会、企业需求接轨的应用型人才，应用光学作为光电信息科学与工程专业的学生接触的第一门专业课，具有非常重要的作用。本文针对应用光学课程的教学现状及应用型人才培养的目标导向，对课程从教学目标、教学内容、教学方法、考核模式、课程思政融合等方面进行了改革探索和研究。完善顶层教学目标设计，突出人才培养立德树人的目标；通过优化教学内容，提高实践教学的比重，实现理论知识与实践能力的有机结合；搭建线上线下相结合的教学模式来激发学生学习的主观能动性；健全考核评价方式，注重过程及实践考核，降低期末考核比重，减轻考试压力；将课程思政融入专业知识点讲解中，实现知识传授、能力培养和价值塑造的有机结合，实现应用型人才培养和立德树人的目标。