光电专业基础课程OPBL教学模式应用探索

黄富瑜 王鹏 蒋云峰 周冰 毛少娟

摘  要  为适应信息化智能化战争对军事人才现代化的新要求，将光电专业课程教学与问题式教学理论相结合，构建基于问题导向的（OPBL， Optical-Problem Based Learn-ing）光电专业基础课程教学模式，从隐性和显性两个维度进行教学效果分析，结果表明：OPBL教学模式在提升传统课程教学质量和学生综合能力方面起到了推动作用。

关键词  光电专业；OPBL；线上学习；激光原理与技术

中图分类号：E251.3    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）11-0094-05

0  引言

近年来发生的多场现代化局部战争表明，信息化智能化战争的作战样式和武器装备的运用理念都已发生深刻变革，这对于军事人员现代化建设和新型军事人才指技融合的综合素质提出更高的要

求[1]。院校教育是培养专业化现代化新型军事人才的重要阵地，为适应新的更高的要求，相关专业培养方案中的岗位指向和培养目标不再是传统意义上的技术工程类人员，而是专业业务能力精、领导与作战指挥能力强、创新发展能力足的高素质指挥型人员[2]。因此，随着岗位指向和人才培养目标的变化，课堂教学模式也必然要及时更新，为更高、更全面素质军事人员的培养贡献力量。

对于装备技术类（光电）专业来说，其课程群分为专业基础课程和装备课程两大类。装备类课程直接对接学生的首次岗位任职，以光电装备应用与实践为教学重点，关注学生的装备运用能力；专业基础课程注重学科知识体系的构建，为装备课程提供理论、思想和方法指导，培养学生的逻辑思维能力、知识迁移能力和长远发展潜力，对指技融合综合素质的新型军事人才的培养起到基础性支撑的作用。因此，专业基础课程将对新型军事人才的培养发挥固本强基的作用。

然而，目前光电专业基础课教学中仍存在着很多问题[3-4]。

1）从教员层面方面分析，光电专业基础课程知识体系庞大，教学大纲大多参考地方大学的学历教育模式，授课教员需在课时压缩情况下讲完大纲要求内容，时间紧任务重，于是传统“填鸭”式教学在课堂中蔓延开来；教员在教学设计过程中有意识贯彻落实讨论式、探究式、问题引导式等“以学生为中心”的教学方法来实现教与学的互动，然而，讨论主题不鲜明、互动承载内容少，导致效果并不明显。

2）从学生层面分析，对于工程光学、激光原理、光电技术等光电基础课程，当教员在课上深入讲解知识点时，学生通常感到理论枯燥、内容抽象，难以快速接受教员所授知识、有效自主建构知识体系、收获发现并解决问题的喜悦感，久而久之畏学、为考而学情绪蔓延，于是课堂教学效果得不到保证，这些问题反过来又迫使教员花费更多精力帮学员理解知识，进一步激化了课时少和内容多之间的矛盾。

基于光电专业基础课程的地位和存在的问题，根据课程特点、学生情况进行光电课堂教学模式体系化改革，以更好地适应时代要求。

1  PBL教学理论的内涵与特征

PBL（Problem-Based Learning）教学亦称问题（项目）式教学，是一种基于问题驱动并“以学生为中心”的教育方式，由美国Barrows教授首创，用于解决医学教育中理论与实践难以结合的问题，后來在医学、物理学、电工电子等多种专业教学中得到普遍认可[5]。该教学方式强调在具体问题情境中获取知识以及对知识进行实践运用，在问题解决过程中激发学习者学习动力，培养自学、创新、领导和协作等能力，提升未来岗位和自身发展所需素质，具体实施步骤如图1所示。

由PBL教学理论的具体步骤可以分析其具有以下特征。

1）学习问题场景化。以问题为学习的起点，且设置的问题是基于学生可能面临的真实场景。

2）学习过程项目化。学生以自主或小组学习的方式对问题开展项目式研究，制定项目解决方案和技术实现路径。

3）教学过程协作化。在项目式研究中，教师和学生协同合作，学生作为分析问题、解决问题的主体，教师在整个过程中负责辅助引导，帮助学生在掌握知识的基础上提升自身能力。

4）总结交流分享化。在问题解决后，学生进行自我和小组间评价，交流分享心得，在反馈和交流中巩固学习效果，拓展学习深度。

2  OPBL教学模式的实践理念与运用

基于PBL教学的特征，将该教学理论与光电专业基础课相融合，构建以问题为导向的OPBL课堂教学模式，是推动光电基础课堂教学模式改革的有益探索。

OPBL课堂教学模式实施过程中，依托学科定位，以军用光电课程教学中要解决的光学问题为核心，带动整体学习过程；以依托学科定位的光学问题或任务作为教学过程的起始点，带动学生学习的参与性、能动性和创造性，以在教学活动中培养学生探究精神和实践能力作为落脚点，实现学生由被动学习、学会知识到主动学习、会学知识的转变，培养其解决问题、知识迁移和创新发展等综合能力。具体来看，OPBL教学模式将教学过程共划分为6个层次、11个阶段，如图2所示。这些过程包括：课前，教员依托学科内容提出问题，学生通过预习和资料查阅等方式尝试自主分析问题；课上，学生进行小组讨论并结合课程内容和教员共同研究问题解决方法和案例实践，归纳总结得出结论；课后，学生通过装备实践、科研实验等过程深化对问题认识，并在交流反馈中重新梳理学习过程，不断拓展提高，形成新的更高层次的光学问题，形成问题提出与解决之间的不断迭代，实现知识、能力和素质目标三者不断螺旋前进上升的良性循环。

2.1  转变教学观念，实现从“以教为主”到“以学为导”

苏霍姆林斯基说：“只有激发学生去进行自我教育的教育，才是真正的教育。”从理论上讲，学生问题解决的过程，是在原有知识经验的基础上，通过问题分析、资料查阅和自我探究的方式进行自我教育，以获得新经验积累并逐步形成新旧经验之间的融合，最终构建出更有广度和深度的知识结构体系[6]。同样，OPBL教学模式的起点是设置问题，如何通过问题引导，转变以传授知识“以教为主”的课堂为探索知识“以学为导”的课堂，实现学生自我教育意识的提高，在运用OPBL教学模式时具有提纲挈领的作用。

为运用OPBL教学模式破解传统教学过程中讲授内容多且学生对知识点难以理解的双重矛盾，教员须精心整合知识内容、设置引导问题，充分考虑问题的难易、宽窄、厚薄及与学生已学内容之间的关联，做到寓知识于问题，在大问题包含符合“最近发展区”理论的小问题。大问题钩沉探奥，给学生广阔的知识建构空间，激发其内在好奇心和自我驱动力，驱使其全身心地投入问题的解决过程中；小问题循序渐进，使学生“跳一跳，能达到”，在调动学生已储备知识的同时逐步激活学生思维，实现阶梯式前进。最终，将教学过程转化为问题解决过程，实现以教员“教为主体”到学生“学为主导”的教学观念转变。

例如，对于激光原理与技术课程中重点内容“激光调Q原理与技术”，本节分为两个部分，分别是“调Q原理”和“调Q技术”，“调Q原理”部分综合运用速率方程组、激光增益特性、激光的产生等已学重点内容，强调高峰值功率窄脉冲调Q激光的获取理念和激光器内部发生的变化过程，“调Q技术”注重在原理基础上为实现调Q脉冲，而利用不同方法对普通激光器进行改造。由于內容牵扯面广，本部分历来都是教与学的难点。而学好本节内容能帮助学生更好地理解激光器为何会在工业和军事中具有如此重要的应用，使学员对激光的认识从原理层面上升到技术层面，真正初步具备探究激光应用的基础素质。因此，根据内容的特点和重要性，可运用OPBL教学模式对传统教学进行改革。为此，在本节上课前几天，教员设置如下具有探究性和开放性的大问题“有哪些方法和装置可以在一个激光器中用来调Q？分析各种调Q装置的具体工作原理以及它们在军用激光装备上的应用。”解答此问题需要串联本节的全部内容，探究空间大，军事联系紧，同时通过分析不难发现，有下面一条与问题解决相关的问题链。

1）以前电学课程中学习过Q值的概念，那么什么是激光调Q，它和之前学习的Q有什么异同？

2）有了普通激光器为何还需要调Q激光器，调Q的目的、含义、原理和工作过程又是什么？

3）激光器调Q如何具体实现？实现方法、具体过程和所需要的器件是什么？

4）在实践中如何给激光器安装调Q器件？安装过程中应注意哪些问题？这里每个问题的展开都对应着教学内容的深化，学生通过资料查阅、师生交流、线上自学等“自我教育”方式对这些问题逐层次地分析和解决，最终将指引其对课程内容形成新的更深层次的认识。

2.2  变革教学方式，实现从“线下讲授”到“线上学习”

信息化时代下特别是疫情暴发以来，知识的获取已不再局限于线下课堂，线上学习已深入人心，各种线上学习资源如雨后春笋般大量涌现[7]。此外，众多的在线学术论文资源和学术报告也可为学生学习带来专业保证。对学生来说，只要其能够善于发现并加以利用，网络平台给其带来的学习空间将广阔无垠。面对线上学习资源的开放性、便利性及专业性，发挥OPBL教学模式的优势，带动学生从问题解决和课程内容学习两方面入手，充分利用各类线上资源，真正在教学过程中做到“线上与线下联动，线上支撑于线下”。

学生在收到问题后，他们会在原有知识的基础上理解并开启“对于此问题，我已经知道了什么？我需要再知道什么？哪些资源可以帮我解决问题？”等一系列自主探究的过程，这些过程正是理解问题、定义问题以至找准问题解决方向的关键。线上教学可为此阶段完成提供自由开放的学习空间，满足学生进行独立探究的渴求。因此，教员设置具体问题的同时，对线上教学资源也应进行整合，发布与问题解决相关的在线资源，因势利导地为学生的线上学习提供引领。使学生在提供的方向引导下，通过自我学习加以延伸，扩展对问题的研究，通过整理思路并根据自主学习深入，不断反思对问题理解的偏差、扩展对问题的认知范围以及思考引申出来的深层次问题和背后的思想方法。这种在大量线上资源中寻找与问题解决相关的内容，以及长时间对问题的推敲打磨，对于培养学生的信息选择和处理能力、自主学习和创新性精神都大有帮助。

例如，教员在“调Q原理与技术”一节课前设置问题之后，为学生及时推送中国大学MOOC等平台中激光原理与技术课程关于调Q一节的课程视频，为学生初步解决“什么是调Q？它的目的和分类？”等基础性问题，在内容结构上为学生的学习提供代入作用；教员推送调Q激光应用的相关学术论文，学生可以利用文献跟踪法检索感兴趣的参考文献进行再次阅读，在理解基础后打开视野，在科研实践体系上深化对问题的认识；教员在局域网中推送军用激光技术与装备系列微课等相关内容，从为战性、向战性方面提升基础理论课程与军事运用之间的联系，为学生架设其学习专业课与强军兴军之间的桥梁。

如此，当线上学习部分解决了学生对问题理解和初步探究后，课堂上便可留出充足时间展开学生与学生之间、学生与教员之间的讨论，并加深课堂深度，解决实践应用与案例研究等深层次问题，真正破解传统课堂中，教员虽长时间进行知识点讲授，但学员在短时间内无法深入理解知识内容的问题。

2.3  基于效果导向，实现从“知识牵引”到“需求牵引”

“读书无疑者，需教有疑，有疑者，却要无疑，至此方是长进”。在OPBL模式中，课前的问题设置和线上自主探究环节为学习过程带来了“有疑”；而课堂实施环节和课后实践环节就要通过适当的方式为学生进行“释疑”。“释疑”过程要基于知识运用的效果导向，注重学习过程中学生与学生、学生与教员之间的协作化，知识学习与案例分析之间的结合化，理论与实践之间的差异化，做到在课堂上将传统学习过程中“以知识为牵引”转变到“以需求为牵引”上来，在课后从传统对知识的“复习测验”转变到“应用分析”上来。

运用OPBL教学模式时，课堂实施环节分为以下阶段。

第一阶段为小组讨论阶段。由于每个学生的特点不同、思考问题的方式和角度亦有差别，因此，课堂中首先对学生进行分组，组内学生根据自身前期学习和调研情况与其他学生进行讨论交流，形成汇总意见并初步设想知识的实践应用。

第二阶段为知识梳理阶段。各组之间交换意见，教员结合课程内容与学生共同进行分析总结、梳理思路，研究确定课前问题的解决方案。

第三阶段为案例探究阶段。在分析、总结问题的基础上，教员采用互动式、引导式等多种教学方法带领学生进行案例研究，案例皆选取自与课程内容有关的装备和军事应用，例如“制导装备要求激光指示器脉冲重复频率高、脉冲时间精确、可连续工作等，那么需要运用哪种调Q技术满足这些需求”“当使用以染料片为调Q元件的激光测距机的实际测程达不到规定测程，当加大泵浦能量仍然无法满足需求时，需要考虑测距机中哪部分出现了问题”等，为学生解决知识从何处来、到哪里去的问题。

第四阶段为归纳总结阶段。归纳内容重难点、构建知识脉络体系并得出问题最终结论，帮助学生按照认知规律建构知识体系、内化能力素质。最终，在小组讨论中促进学生之间语言和视觉上的相互交流，在案例探究与归纳总结中提升学生知识融会贯通和迁移的能力，使学生在能力、情感和规律认知上不断成长。

在课后，教员鼓励学生利用专修室进行光电装备的实践研究，探究装备性能，或进入实验室开展光电科研仪器的科学研究，分析实验现象、整理实验数据，从实践中梳理学习过程、深化问题认识、发掘提高空间。例如，学生走进激光技术实验室，在教员或研究生指导下开展LD泵浦声光调Q全固态激光器的实验，探究脉冲重复频率对激光器输出单脉冲能量、平均功率和峰值功率的影响，近距离接触和使用激光实验中所用仪器，记录所需数据，并在实验中体验科研人员一丝不苟、精益求精的科学态度，意识到理论可以指导实践但不能完全替代实践、只有光轴一致性保持完好才能顺利完成实验等深层次问题，进而实现思政内容的自我教育。

实验完成后，教员进一步指导学生利用MATLAB等数学计算软件，通过速率方程组理论模拟仿真调Q激光器输出激光的时间和能量特性，通过仿真再现实验过程，并从理论和实践结合的角度探究各因子变化对激光的影响，为进一步提出与激光调Q有关的新的更高层次问题提供支撑。

这些实验和模拟探究过程不但能加深学员在知识应用分析方面的理解，而且对于学生在交流反馈中阐述各自想法及共同提高都具有重要意义。

3  OPBL教學模式的教学效果

综合来看，OPBL教学模式的开展对学生综合素质和能力的提高是比较有利的，具体表现在隐性和显性两个效果。

3.1  隐性效果

3.1.1  提高了学生的学习兴趣

学生通过课前问题的自主探究形成了自己的初步见解，产生了要表达观点和被认可的欲望，因此，在课堂上能够积极参与互动，在保证课堂氛围的同时也调动了学生学习的积极性和主动性。

3.1.2  解决了学生的个性需求

不同学生有不同的学习需求和习惯，OPBL教学使教员可以保证学生在相对自由的学习环境下以更适合自己的方式开展前期个性化学习，更有利于培养其独立思考的意识。

3.1.3  保证了教学的层次延展

课前的线上学习阶段，学生在问题分析和资料查阅过程中已经有效地完成了课程内容中低阶、浅层知识的学习，这为课堂开展深层次教学提供了更充分的保障，当课堂的深度和广度得到延展时，学生的创新性和批判性思维就得到进一步发展。

3.2  显性效果

3.2.1  为学生的后续学习做了铺垫

在学习装备课程涉及基础知识部分时，装备课任课教员反映学生经过简单提示即可回忆起知识体系，不需花费大量时间对基础原理进行重新梳理讲解，提高了课堂效率。

3.2.2  学生的考试成绩大有提升

以激光原理与技术课程为例，学生期末成绩优良率达到90%，且部分学生在突出知识体系和知识运用能力考查的论述题和设计类题目的作答中，已突破教员的讲解范围，形成了独到且正确的见解。

3.2.3  学生在创新发展方面大有收获

部分学生经教员指导后或在学科竞赛中崭露头角，或以科技创新项目为依托在相应学术期刊上发表相关论文，极大促进了学生的科研水平、写作和成果转化能力提升；反过来，优秀学生的显性效果也极大地鼓励了其他学生，促成你追我赶、争当先进的良性教育过程。

当然，OPBL教学模式在实施过程中也遇到了一些需要着力解决的问题，其主要表现如下。

学生课下自主学习时间不足，上网条件受限，这是在军校课前开展线上自我教育所面临的共性问题；个别学生自我约束能力差，学习内驱力和自我提升要求不高，“躺平”心理作怪，导致学习投入不足；OPBL教学模式对教员的备授课水平提出较高的要求，教学效果好同时教学压力也变大。

4  结束语

专业基础课程对学生的综合素质培养具有固本强基的作用，能够帮助学生在未来发展中行稳致远。为此，本文探讨了OPBL教学模式在光电专业基础课中的实践理念，并穿插结合在激光原理与技术课程的具体实施做法，展现了该教学模式的具体运用。教学实践表明，OPBL教学模式对于改善传统课堂弊端、提升学生综合素质等方面效果显著，为其他课程教学改革提供了参考和借鉴。

5  参考文献

[1] 黄富瑜，周冰，曾瑞，等.光电对抗背景下光电装备保障人才培养体系构建[J].教育现代化，2020（62）：41-43.

[2] 张方方，董晓明，王玉，等.为战育人背景下军队院校规范开展案例教学研究[J].中国教育技术装备，2021（4）：72-73，77.

[3] 李雪璁，郭津博，刘玲，等.基于新型翻转课堂的《激光原理与技术》教学改革探索[J].教育教学论坛，2018（26）：107-108.

[4] 王强，宋胜浩，郝利丽，等.光学案例分析创新型教学改革的设计与探索[J].物理通报，2020（3）：27-30.

[5] 班戈，贾磊.基于CDIO理念的工程思维培养实践研究：以运用PBL教学法的电路课程为例[J].中国教育技术装备，2021（7）：134-136.

[6] 龙红霞，邹娟.PBL教学法在高职院校的有效运用[J].中国电力教育，2013（25）：149-150，152.

[7] 袁媛，王丹，沈宁，等.“工程图学基础”课程的混合式教学模式[J].陆军工程大学学报，2022，1（3）：113-116.