基于系统论理念的多彩教学模式在研究型激光课程中的教学设计研究

摘 要：中国正在从工业大国向工业强国稳步迈进，教育教学迈入改革的新工科建设阶段。根据北京航空航天大学人才培养的价值观塑造、能力培养和知识传授三个方面的要求，在研究性教学中进行基于系统论的多彩教学设计，其中，红色引领包括创新理念、课程思政两个方面，绿色实践是从实践需求出发，以应用目标和核心问题为导向构建绿色版块以解决激光器和激光技术的系统应用和安全问题；将教学内容分为三个层次：通用基础阶段，器件演化，系统应用，将激光要件与激光专业基础知识点和创新、系统论和方法论有机结合构成金色基础。通过以践行创新引领和课程思政为灵魂，人文关怀为润滑，构建坚实立体的激光专业教学体系。提出的基于系统论理念的多彩教学模式除在激光专业课程中实践外，也在创新课程中的实践取得好的效果。

关键词：系统论；课程思政；创新；教学模式；研究型激光课程

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）21-0138-05

Abstract： China is making steady progress from a big industrial country to an industrial power country， and new era of education and teaching entered new engineering construction stage of reform. According to the requirements of Beihang university in three aspects of personnel training： value shaping， ability training and knowledge teaching， a colorful teaching design based on system theory is carried out in the research course， in which the red lead includes two aspects： innovative ideas and curriculum ideology and politics. The green practice starts from the practical needs， guided by the application objectives and core problems， build a green section to solve the system application and safety problems of laser and laser technology; The teaching content is divided into three levels： general basic stage， device evolution and system application. The basic knowledge points are organically combined with innovation， system theory and methodology to form the golden foundation. With the practice of innovation leadership and curriculum thinking as the soul， and humanistic care as the lubrication， to build a solid three-dimensional laser professional teaching system. The proposed colorful teaching mode based on the concept of systems theory has achieved good results in the practice of the laser professional course in addition to the practice in the innovative course. By practice， this colorful teaching mode has achieved good results in the practice of both innovative course and laser professional courses.

Keywords： system theory; ideological and political education; innovation; teaching model; aresearch-based laser course

进入新时代，中国正在从工业大国向工业强国稳步迈进。激光在为人类带来了地球上前所未有的高质量光源的同时，激光及激光技术的应用使得过去很多不能实现的事不断地演变为现实——从信息高速公路到激光雷达，包括三维全息摄影的信息高密度存取及引力波探测等，这些均离不开激光。特别是进入二十一世纪以来，激光已经成为社会生活中的常见工具，应用遍及科研、国计民生的各个领域与方面。与此同时，我国高等院校工科的人才培养已经迈入改革的新阶段——实施以应对国家新需求为根本的新工科建设阶段。为深入落实新工科建设深化教育教学改革，北京航空航天大学对人才培养提出了明确的要求，概括起来包括价值观塑造、能力培养和知识传授三个方面的内容。作为当今社会新时代的必不可少的工具，激光与互联网、创新创业教育相结合是加强学生创新意识和创新能力培养的有效手段，笔者为此进行了不断地研究和深入探索[1-2]，对激光相关课程应用基于系统论理念的多彩教学模式进行研究性教学，并在创新思维课程与激光专业课程中进行了实践，取得一定成果。

一 激光教学中的系统论理念

狭义的激光教学的系统论理念是针对激光原理与技术本身而言的。将包括工作物质、谐振、泵浦、制冷等组成要件的激光器视为一个包含以上系统的整体，以激光具体的实现和应用为目标，为满足实际参数、功能与环境要求，从激光系统与各组成要件、各要件与要件之间进行研究，通过构建涵盖激光技术的模型进行不同阶段及优化设计与分析，最终达到最优处理。从这段文字描述中不难看出，这个狭义的系统论理念主要覆盖的是知识层面。

广义的激光教学的系统论理念除针对激光系统本身外，还需要与“教”“学”两个方面相融合，即从新时代对“教”“学”双方出发，将激光系统专业知识与“教”“学”系统相结合，并且结合激光要件、功能、环境等进行再构造，形成有效的研究型激光教学系统。这样不仅瞄准专业知识，还将创新能力的培养和提高、立德树人在同一个教学过程进行，同时实现价值观塑造、能力培养和知识传授的目标。

在实践中，经过认真分析不断学习和探索，从研究当代师生的特点出发，结合笔者在教学过程中教学与教改项目（诸如“激光原理及应用系列课程的设计及建设”、创新课程教改项目“着重创新思维培养和实践环节，全方位提升学生综合素质，增强核心竞争力”等）、教学与科研（光纤激光实验平台）、教学与创新设计思维新教法的应用相结合；面向未来的“教”与“学”，“教”“学”相长，注重学生的思想道德建设。通过几年不懈地努力，激光课程已经形成独特的具有激光教学系统论理念的教学体系，达到了价值观塑造、能力培养和知识传授“三位一体”的目标。下面进行具体地介绍。

二 新时代“教”与“学”的全过程分析——双向相互作用及备学生的必要性

（一） “教”“学”主体在教学基本过程中的双向相互作用

“教”“学”主体在教学过程中涉及教师与学生两大主体；无数的教学实践已经证明，教师的任务是传道、授业、解惑，其主导地位不言而喻。教学在国家教育教学规范下以教材为媒介进行“教”与“学”而形成的一种共同活动，涉及教师和学生双方。

正确认识和处理好“教”与“学”的关系，是提高教学质量的先决条件。“教”是教师通过教学目标、内容、组织形式、教学方法和手段、作业（形式和顺序）等[3]领导整个教学活动并予以检查和评定，显而易见教师是这个过程的设计和管理主体。学生在“学”这一教学过程中居于主体地位。新时代这个学习过程不仅需要教师的组织和指导、有效地启发和正确地引导，还需要学生自觉、积极地努力，以助力学生掌握知识，能力提升和发展，人生观、价值观和世界观的形成等。将“教”与“学”二者作为一个系统，教师与学生在三个环节即学习过程、教学过程、评价/反思过程中相互作用、相辅相成，根据专业教学内容构成有机的、不可分割的课程动态调控的系统整体。因此教师首先要了解学生，把握学生的特点。除此之外，整体的教学活动还可以细分为教学过程和学习过程以及评价/反思过程。评价/反思过程及备教材在此不进行赘述。

（二） 新时代学生的学习能力需求及其现状

1 不同学历阶段的学习特点

通过对培养方案和课程教学大纲的分析，学习的核心内容：本科阶段的学习可以概括为“现象学”，包括知识、问题解答、现象解释等；硕士阶段的学习重点在研究，需要追根溯源，简称为“溯源学”；博士阶段称为“方法学”，这是因为这个阶段的学习重点在创新，需要博士研究生借助方法论作出属于博士自己的创新性研究成果[4]。

信息时代信息高速且发达，为学生学习提供便利的同时强化了自由，这里所谓的“自由”体现在，学生自身感兴趣的内容涉猎的范围广泛和可以利用多种渠道、多种媒体或者平台“付费”学两个方面。这对教师从教学内容和案例方面提出明确的与时俱进的要求。

2 新时代的学生及能力需求

当前普遍认为大学生自我觉察及自控力弱，缺乏对自己情绪和行为的自我觉察，情绪表达方式单一[5]；时间感缺失及行动力弱，较少思考未来，选择性责任偏差，对家庭、学业、工作及生活缺乏控制感，但是在游戏中表现出强烈的“团队责任意识”[6]，特别是本校的学生大多认为自己能力超强，无所不能，但是轻易不行动。无论在学习、工作、还是生活的方方面面，社会均对学生提出所谓“student”的能力要求，这种明显的情景对比直接摆在高等院校教师面前，对教师提出了服务国家战略，实施立德树人，进行课程思政的明确部署。

3 基于系统论的多彩教学模式是解决能力需求与现状问题的有效教学模式

面对学生的特点与对学生能力需求二者之间明显的差距，在激光专业和创新通识教学过程中落实人才培养的价值观塑造、能力培养的做法是以知识传授为媒介，与学生双向交流与沟通，这是整个教学过程中迫在眉睫需要解决的关键系统问题。

众所周知，人才培养是一种全方位集综合性、系统性为一体的教育过程，作为培养未来“双领”人才重要基地的高等院校，需要营造多元化育人环境，培养具有创新意识、创造能力的“双领”人才，最终落到具体的教学过程中去，需要通过具体的课程体系、教学内容和教学方法来实现。从教育的“三个面向”出发，以“打牢基础、适当拓宽、突出重点、加强实践”为原则，以创新意识、创造能力为重点，紧跟装备和学科发展的前沿，积极、科学地构建新的课程体系，提出的在研究性教学中进行基于系统论的多彩教学模式，个人认为是可能解决上面问题的行之有效的教学模式。

三 基于系统论理念的多彩教学模式

（一） 研究型激光专业课程的课程思政需求

将研究性教学与创新教育深度融合，研究型教育的核心是深度专业教育，研究型教学赋予教师的含义是需要充分挖掘社会和专业相关资源，更需要教师和学生双方发挥自身优势，深化教育和教学改革，达到教学目标；创新则是从教学模式、教学理念、教学内容等教学设计的具体内容和方面入手，是赋予教学过程活力的有力抓手。

考虑到作为工科院校的学生——未来的工程师对激光需要具备的基础知识，以及专业学生需要具备的设计能力，需要激光专业教师进行有针对性的课堂教学设计，要求引导学生思考。激光因其自身就带有热爱国家的特点以及激光发展史与科技创新的紧密联结的特色使其成为创新与课程思政的有效专业学习阵地，是众多专业课程中的“排头兵”。根据国家创新发展战略和教育部提出的立德树人的要求，激光课程教学团队以这两点为核心，将专业、通识能力的培养等紧密围绕着这两个内容，抓牢固不松懈，最终培养学生达到相关的能力需求。

（二） 践行创新引领和立德树人的教学设计目标

经过六十年发展历程，当前的激光书籍很多，其中一本封面上直接印着“不创新 我何为”几个大字的书吸引了我的目光。这也间接体现出来激光这门交叉学科的根本特点——创新。一个发展中国家必须提高科技创新能力，并且是基于为国家服务的科技创新能力才能实现激烈国际竞争中对自己命运的把控，不受制于人。当前创新是新时代的时代特色，立德树人已经成为新时代高校教育教学的中心环节，基于系统论理念的多彩教学模式研究型激光课程中的教学体系就是一种创新性的包含有思想政治教育目标的教学体系：将激光系统、创新思维与立德树人紧密结合，扎根创新通识教育以及激光专业课程教学的全过程。从激光专业内容出发，围绕各激光要件之间，激光要件与系统及其与功能、环境之间引入创新设计思维及流程进行深耕细作，系统化分析研究，将激光原理、技术与应用紧密衔接；从中国第一台激光器的诞生到钱学森为“激光”命名等，深度挖掘激光人物及事件、学习并讲授好，激发学生的学习兴趣和积极向上的学习状态，提高学生对激光的学习兴趣和学习能力，通过小组合作让学生团队责任意识落地。

（三） 多彩教学模式的内涵与设计

多彩教学模式，主要包括红色引领、绿色实践、金色基础三个版块。其中，红色引领包括创新理念、课程思政两个方面，绿色实践是从实践需求出发，以应用目标和核心问题为导向构建绿色版块以解决激光器和激光技术的系统应用和安全等问题；将教学内容分为三个层次：通用基础阶段，器件演化，系统应用，将激光要件与激光专业基础知识点和创新、系统论和方法论有机地结合构成金色基础。多彩教学模式是以践行创新引领和课程思政为灵魂，人文关怀为润滑，构建坚实立体的激光专业教学体系。经过实践，这套基于系统论理念的多彩教学模式除在激光专业课程中实践外，在创新课程中的实践亦取得了好的效果。

1 红色引领

积极打造红色版块，包括培养创新人才、服务国家两个方面，这是教学模式设计的灵魂。激光的发展史上与较多的诺贝尔奖直接或者间接相关，从负色散到粒子数反转、光学泵浦、光学谐振腔，再到半导体激光器和量子电子学、激光冷原子捕获……，涉及领域、功能、研究内容、应用范围等诸多方面。从梅曼和他的第一台红宝石激光器，到贾万和氦氖激光器，以及后续的激光器以及激光技术等的发展，可以说激光发展史就是一部科技创新简史，通过激光发展史呈现的激光前沿研究的体系和逻辑是进行技术创新必要且有效的手段。这部分内容的讲授，极大地带动了学生的学习热情和信心，并且为激光原理、技术与应用的学习和了解构筑了非常好的学习架构，推动学生愿意去付诸行动。

中国激光的发展概括地说就是中国科研工作者在党和国家的领导下不断奋进的过程，激光原理与技术在中国的发展和应用，更是体现出科学创新源于实践，源于科学知识的积累。中国人民不畏大国势力，努力奋斗、敢于摒弃旧技术采用新技术、勇攀高峰的历史，红宝石晶体、直管式氙灯、激光高反射膜以及高平行度腔镜、半球形聚光腔的设计制作，艰苦的年代科技人员从无到有，与第一台激光器的诞生相隔仅仅一年就创造了历史，激励了世人进一步研究激光器的热情。这种从身边的点滴做起的为国服务的红色精神始终激励着作为科技后备力量的学生们。从钱学森到王大珩、王之江、邓锡铭等老一辈科学家对中国激光的贡献的故事开始，一方面培养了学生的创新能力，同时也为其进行了深度的创新、爱国教育和科技为国的红色引领。

2 绿色实践

二十一世纪以来，例如光纤激光器、半导体激光器、激光放大、超快等激光技术发展迅猛，已经走出实验室迈入商业化时代，激光市场每年达到几十亿美元。激光已经成为当今社会的普遍工具，从科技前沿到日常生活，随处可见激光及其应用。为此提出以激光及技术应用为目标和核心问题为导向分析出学生需要掌握的激光基础设计和应用内容，如图1所示，从共性技术到个性单元，将激光器与激光技术的组合应用从基本理论、需求参数指标和环境需求，从设计仿真，搭建测试到操作使用，落实到激光要件和元器件，完整的系统的激光专业链条以及教学环节中的要点关联，构建绿色实践版块以解决激光器和激光技术的系统原理、技术与应用和安全问题。

从激光工作物质中最基本的能级理论出发，首先带领学生了解玻尔和卢瑟福的原子模型，跟随爱因斯坦的脚步了解受激辐射原理，将玻尔理论与爱因斯坦受激辐射理论进行对比，学生就很容易掌握爱因斯坦系数和激光产生三个主要过程之间的关系；其次从工作物质的光谱特性出发，明确线型函数、增益和损耗、激光的产生过程与激光器构成之间的关系等；接着从激光谐振腔的作用出发，让学生充分了解激光的模式特性，并进行数值仿真；然后在仿真的基础上进行激光参数及激光束特点的成因和数值分析，在从速率方程的角度进行具体激光器讲解之后，最后以LIGO引力波测量系统为例，对具体的激光器和激光技术进行技术分解。讲授的知识点之间因果逻辑明确，有利于学生通过思维导图进行知识点的梳理形成自己在激光方面的专业技术图谱，并且直接拉近了“高大上”诺贝尔奖与相关技术的直线距离。

在教学过程中强化以激光器或者激光技术的实现为目标，从激光或激光技术构成系统出发，从激光工作物质、谐振腔及泵浦源三个方面进行分析，比较器件变化的同时基本原理是否发生变化、增加激光安全常识讲解，并针对高精尖应用中激光的实际技术需求增加激光稳频、主振功率放大技术、激光输出的主要参数及其测量方法、激光抽运设计、连续激光输出特性、LIGO激光系统中应用的各种激光技术分析等内容，至此就形成了完整的激光设计、激光技术应用的多位一体的绿色目标导向的创新实践系统。

3 金色基础

提出金色版块是用来形容激光专业基础版块的学习的效果。激光技术作为高新技术，如激光测距、激光制导、电视跟踪、微光夜视、红外热像和光电火控系统等，大大提高了装备的性能，在国家信息化中起着十分重要的作用。特别是科技面向高精尖的发展趋势，对激光专业基础提出了更高的要求。经过多年的教学发现，学生对教材的信赖和依赖格外高，但是根据常规书刊出版内容的规律，教材与科学前沿相比较为滞后，这也提出了备教材的要求。滞后与前沿的专业内容如何有效关联，即如何让学生能够面向未来，适应未来的技术需求，这个问题的答案并不难解。个人认为在于打好厚实的专业基础，通过理论和技术图谱的方式构筑坚实的激光基础理论和技术基础，此外还需要学生多读多看多练。为此，在激光原理与技术、现代激光技术等课程的实践中均将教学内容细分为通用基础阶段、器件演化、系统应用三个阶段，通过课堂提问、研讨、作业等方式进行具体分析，如谐振腔的演化及激光器与放大器等，将专业理论和前沿实践需求结合起来。

同时，还加大力度更新教学内容：激光技术及激光装备发展非常迅速，积极进行教学内容的修改，增加前沿新知识和现代科学技术内容，减少记忆性知识分量，增加有助于提高分析能力、创造能力的内容。将新技术内容及时引入教学，使学生及时掌握新技术等知识，课程与课程逻辑和结构上的联系与综合，辩证地把握深度与广度的关系，做到基础要深、要扎实，技术方法则要深、要广。如在教学过程中针对同学们感兴趣的与激光专业相关的诺奖，从系统的角度进行分解，请学生对具体的单元技术进行分析和研究甚至研讨等。当学生看到法布里-珀罗干涉仪的结构有包括法布里-珀罗标准具、法布里-珀罗谐振腔、法布里-珀罗扫描干涉仪等好几种形式时，从采用不同的参数进行仿真到如何用、怎么用以及效果如何，一下子就抓住了学生的“眼球”。从简单到复杂，从单元到系统，进行具体的研讨。这也就是实现将基础知识点和创新、系统论和方法论有机地结合的过程。

（四） 人文润滑在多彩板块间助力学生“学”

基于系统论理念的多彩教学模式在激光课程中的教学设计的特质是创新与合作。以研究型教改为突破口，融入设计思维和创新设计思维的教学方法，引发学生更深层次的学术思考。笔者总结出必须始终把学生的主体地位放在第一位，这也是设计思维的一种体现。在整个过程中，师生之间教学相长，还需要润滑剂——人文关怀。如在激光课程的实践中实施了以兴趣为起点，发挥学生主体性的团队研讨环节，从意识、行为上学生能够摒弃对待知识的简单复制、呆板僵化的方式方法。通过发现学生的差异化特质，鼓励学生发现问题、多种视角解读问题、多样化方法解决问题及融媒体多方式交流、沟通和表达，培养学生创新的意识和欲望；关注学生在现实能力基础上的潜力开发，使不同层次的学生都能够获得愉悦，增强自主发展的内在动力。在教学活动中通过学生之间、师生之间相互合作和交流，培养学生探索、研究的兴趣、“重构”知识的综合能力和准备“开创未知”事物的创新科技能力。

四 沉浸式教学法和虚拟教室在教学中的应用

（一） 沉浸式教学法的教学应用

最简单的谐振腔为法布里-珀罗谐振腔。为了帮助学生更好地将之前的学习过的工程光学内容，利用教师的相对、其中一面有窗的墙壁作为谐振腔的两个面，学生和老师一样都是光场中的能量子。在理想情况下，光子碰到无窗墙壁发生反射，遇到有窗的墙壁会发生部分反射。在讲解纵模和横模时，为了让同学能够知其所以然，对工作物质进行纵向和横向剖析，很轻易地就得到了纵向的规律表现为频率，横向的规律表现为衍射效应的不断叠加导致的光场分布等等。这种深入其中的教法，简单、直接，无需额外的教具，效果直观，极易接受。

（二） 虚拟教室

为满足未来的创新教学需求，有必要将虚拟教室引入进实际的教学过程中。相比较于在传统教室式微背景下，这个利用现代信息技术以团队工作的形式助推课堂外教学组织创新，是高校教师教学学术需求日益凸显的产物。它与传统教室、传统教研不同，可以进行教法研究、教学改革先行先试、教学理念示范、基层教学组织创新等。需要注意的是在实践的过程中虚拟教室建设须加强监督，动态实时调整、除专业内容外，保障立德树人、课程思政的教学效果。这一过程是笔者在教学改革中的经验，虚拟教室是体现在学生团队工作中——学生对相关感兴趣的内容进行调研分析总结，与教师进行沟通，模拟课堂的过程。学生通过团队合作一方面学会了沟通和交流，另一方面对所学内容有了深层次的理解和掌握，同时也加深了师生之间的沟通和理解，进一步提高了教学效果。

五 结束语

以新技术、新产业、新业态和新模式为特征的新时代，要求高等教育从理念、内容、标准和方法实现全方位创新，新工科建设以创新和跨界融合为显著特征，专业课程结合课程思政、立德树人，同时注重过程教学，使得创新能力培养在教学上必然产生交叉式、融合式和创新性发展态势。对于工科学生，创新的法宝是扩大眼界，利用方法论和系统论进行学习。基于系统论理念的多彩教学模式教学设计已经在本科研究型课程创新思维、方法与实践，激光原理与技术和校级研究生精品课现代激光技术中进行了教学实践应用，取得一定的教学成果，目前也在做将方法进一步推广至其他本科、研究生课程的工作。

参考文献：

[1] 胡姝玲，杨子叶.“互联网+”背景下创新能力培养在激光系列课程中的实践[J].教育教学论坛，2020（6）：167-168.

[2] 胡姝玲.服务新工科建设的大学生创新教育的理论与实践——《激光原理与技术》课程教学中践行提高学生创新能力[J].教育现代化，2019，6（91）：37-38.

[3] 教与学是一个怎样的过程[EB/OL].https：//zhidao.baidu.com/question/620793308403863092.html.

[4] 名师领学|张伟刚教授谈大学生学业设计与成才方略[EB/OL].https：//www.sohu.com/a/440109422_120066901.

[5] 刘晏男，张家旗，韩春旭，等.大学生就业意愿影响因素分析[J].合作经济与科技，2021（5）：110-112.

[6] 冯莉萍.大学生就业压力影响因素及提升策略[J].营销界，2020（51）：64-66.