應(yīng)用光學(xué)課程探究式小班教學(xué)初探

岳慧敏　張行至　郭小偉　李琨　劉爽

摘 要：隨著教學(xué)改革的不斷深入開(kāi)展，探究式教學(xué)模式越來(lái)越受到高等院校的重視。文章介紹了電子科技大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我?！保┕怆娦畔W(xué)院應(yīng)用光學(xué)課程在探究式小班教學(xué)模式實(shí)踐中的具體措施，通過(guò)實(shí)際案例分析，指出了教師如何設(shè)計(jì)“恰到好處”的研討問(wèn)題，最后給出了課程考核的改革方法，實(shí)踐表明課程的教學(xué)效果得到顯著提升。

一、應(yīng)用光學(xué)課程背景

應(yīng)用光學(xué)課程是以幾何光學(xué)為理論基礎(chǔ)，以光學(xué)系統(tǒng)中光的傳播、成像、光度學(xué)、色度學(xué)、像差、典型光學(xué)系統(tǒng)等為主要內(nèi)容的課程。應(yīng)用光學(xué)是光學(xué)工程、儀器科學(xué)與技術(shù)、物理電子學(xué)等學(xué)科重要的技術(shù)基礎(chǔ)。我校該課程面向光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)本科生，屬于學(xué)科基礎(chǔ)課，為激光原理與技術(shù)、光電圖像處理、光電檢測(cè)技術(shù)、光電工程導(dǎo)論等專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)打好理論基礎(chǔ)。

我校光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)是國(guó)家級(jí)特色專(zhuān)業(yè)，是教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的學(xué)科專(zhuān)業(yè)，是以光通信與光電工程、信息顯示與光電技術(shù)、光電系統(tǒng)與信息處理技術(shù)等方向相互交叉滲透，以“光電信息+”為載體，以光、機(jī)、電、軟相互融合為特色的傳統(tǒng)而又新興的專(zhuān)業(yè)。我校應(yīng)用光學(xué)課程為 3學(xué)分、48課時(shí)。應(yīng)用光學(xué)課程作為學(xué)生最早接觸的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程之一，在培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)基本素養(yǎng)及基礎(chǔ)工程素質(zhì)方面具有重要作用。應(yīng)用光學(xué)課程的目標(biāo)為：①讓學(xué)生掌握光學(xué)系統(tǒng)成像的基本概念和理論，掌握光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法，了解現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的前沿應(yīng)用技術(shù)，具備光學(xué)元件及系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)能力；②在完成基本理論教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，突出該課程的工程應(yīng)用背景，將學(xué)生的眼光更多地引向工程實(shí)際，在對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析與研討中培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展的能力和創(chuàng)造性解決工程問(wèn)題的能力。

多年來(lái)，應(yīng)用光學(xué)課程的教學(xué)過(guò)程中普遍存在以下兩個(gè)問(wèn)題：①學(xué)生對(duì)如何運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題感到困惑，缺乏這方面意識(shí)與能力。②傳統(tǒng)的考核方式過(guò)于單一，只注重考查學(xué)生是否掌握了知識(shí)點(diǎn)，忽略了對(duì)學(xué)生專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)以及運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決工程問(wèn)題能力的考核。

隨著教學(xué)改革有條不紊地推進(jìn)，各種各樣的教學(xué)模式呈“百花齊放”之勢(shì)。例如，浙江大學(xué)采用研究型教學(xué)將科研與教學(xué)緊密結(jié)合，實(shí)踐環(huán)節(jié)采用了科研模式和學(xué)生自我評(píng)價(jià)機(jī)制，課程的教學(xué)效果得到顯著的提升。南京郵電大學(xué)在實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的背景下，對(duì)應(yīng)用光學(xué)課程進(jìn)行了面向工程教育的教學(xué)改革，探索從傳統(tǒng)的知識(shí)傳授型教學(xué)向結(jié)合工程教育的研究型教學(xué)轉(zhuǎn)變的途徑。針對(duì)應(yīng)用光學(xué)課程教學(xué)中教師、學(xué)生和企業(yè)三者之間不能實(shí)現(xiàn)資源有效共享的問(wèn)題，武漢理工大學(xué)將產(chǎn)學(xué)研這一創(chuàng)新模式引入教學(xué)環(huán)節(jié)中。

隨著教學(xué)改革的不斷深入開(kāi)展，探究式教學(xué)日益成為高等院校的重要教學(xué)方式。學(xué)生對(duì)于如何運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題感到困惑，我們探索著將探究式小班教學(xué)模式引入應(yīng)用光學(xué)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中。

二、應(yīng)用光學(xué)課程探究式小班教學(xué)設(shè)計(jì)

應(yīng)用光學(xué)課程內(nèi)容不僅具有理論性、專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，還具有工程應(yīng)用背景，而教學(xué)過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題是：學(xué)生基礎(chǔ)理論知識(shí)掌握得較好，對(duì)于如何運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題感到困惑。為此，我們將總課時(shí)的大約80%用于教師講授知識(shí)點(diǎn)，完成基本理論教學(xué)任務(wù)，約20%用于問(wèn)題研討，通過(guò)在教學(xué)過(guò)程中精心設(shè)計(jì)一些面向工程應(yīng)用的問(wèn)題，組織學(xué)生分組研究并在課堂上進(jìn)行研討，以培養(yǎng)學(xué)生從工程應(yīng)用角度思考問(wèn)題的意識(shí)和能力。在課程考核方式上，改變傳統(tǒng)的平時(shí)作業(yè)加期末考試的方式，強(qiáng)調(diào)過(guò)程考核，豐富考核方式，以便從知識(shí)點(diǎn)掌握、專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)以及綜合解決工程問(wèn)題能力等多方面考查學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院2015～2017連續(xù)三年開(kāi)展了應(yīng)用光學(xué)課程探究式小班教學(xué)實(shí)踐工作。

三、應(yīng)用光學(xué)課程探究式小班教學(xué)實(shí)踐

1.應(yīng)用光學(xué)課程探究式小班教學(xué)實(shí)施方法

由于探究式教學(xué)耗時(shí)比較長(zhǎng)，而應(yīng)用光學(xué)課時(shí)比較少，所以我們應(yīng)有效地選擇探究?jī)?nèi)容，保證探究活動(dòng)的有效進(jìn)行?？紤]到教學(xué)過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題是：學(xué)生基礎(chǔ)理論知識(shí)掌握得較好，對(duì)于如何運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題感到困惑，我們將總課時(shí)的約80%用于教師講授教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，約20%用于探究，即40個(gè)課時(shí)完成基本理論教學(xué)任務(wù)，8個(gè)課時(shí)用于問(wèn)題研討，在對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的分析與研討中培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展的能力和創(chuàng)造性解決工程問(wèn)題的能力?？紤]到我們?cè)O(shè)計(jì)的研討問(wèn)題綜合性較高，我們?cè)趯W(xué)期中和學(xué)期末各設(shè)置了4個(gè)課時(shí)進(jìn)行研討。

我校應(yīng)用光學(xué)探究式小班教學(xué)實(shí)施方法為：①教師會(huì)提前研討課至少兩個(gè)星期給出精心設(shè)計(jì)與挑選的工程問(wèn)題。研討問(wèn)題共分兩部分（分別對(duì)應(yīng)學(xué)期中和學(xué)期末），每組從每部分選擇一個(gè)問(wèn)題。②學(xué)生們自行分組，并選好自己感興趣的問(wèn)題，課下查閱資料，提出解決問(wèn)題的方案、方法，撰寫(xiě)報(bào)告與PPT。 ③在研討課上，教師退居幕后讓學(xué)生作為主角，學(xué)生在研討課上作報(bào)告，闡述觀點(diǎn)、方案，其他小組學(xué)生提出問(wèn)題或不同看法，通過(guò)討論、辯論的形式，加深對(duì)知識(shí)的理解。④教師對(duì)每組學(xué)生的工作做出點(diǎn)評(píng)，并針對(duì)學(xué)生的疑問(wèn)進(jìn)行解答。通過(guò)該舉措，學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變成主動(dòng)學(xué)習(xí)，從個(gè)別學(xué)習(xí)變?yōu)樾〗M學(xué)習(xí)，學(xué)生查閱資料提煉知識(shí)的能力，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析、解決工程問(wèn)題的能力，撰寫(xiě)文案闡述觀點(diǎn)的能力以及研討思辨的能力均可得到提升。

探究式教學(xué)的載體與核心是問(wèn)題，學(xué)習(xí)活動(dòng)是圍繞問(wèn)題展開(kāi)的。研討課問(wèn)題設(shè)計(jì)的好壞就非常關(guān)鍵，直接影響學(xué)生參與研討的積極性和學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。問(wèn)題若設(shè)計(jì)得巧妙、恰到好處，可以激起學(xué)生強(qiáng)烈的探究欲望。經(jīng)過(guò)三年的教學(xué)實(shí)踐，我們認(rèn)為研討問(wèn)題的設(shè)計(jì)需要特別注意以下幾點(diǎn)：

（1）問(wèn)題應(yīng)突出應(yīng)用光學(xué)課程的工程應(yīng)用特點(diǎn)?？紤]到應(yīng)用光學(xué)課程內(nèi)容不僅具有理論性、專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，還具有工程應(yīng)用背景，應(yīng)用光學(xué)研討課問(wèn)題應(yīng)和工程實(shí)際密切結(jié)合，逐漸地培養(yǎng)學(xué)生從工程與實(shí)用的角度思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的意識(shí)與能力。如 “結(jié)合本課程所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)的光學(xué)成像部分。闡述其中的光學(xué)原理；給出具體方案，并畫(huà)出結(jié)構(gòu)原理圖；計(jì)算可能涉及的元件尺寸；分析實(shí)際可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的解決方案?！?，這一問(wèn)題直接來(lái)源于實(shí)際工程。

（2）問(wèn)題應(yīng)具有一定的趣味性和可操作性，以便充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣和積極性。如問(wèn)題 “請(qǐng)分析‘貓眼的光學(xué)結(jié)構(gòu)及原理（為什么從室內(nèi)可以看清室外，而從室外看不清室內(nèi)？），如果要從室外通過(guò)貓眼看清室內(nèi)的情況，應(yīng)該采用何種措施？如果要阻止從室外通過(guò)貓眼對(duì)室內(nèi)的窺視，又應(yīng)該采用何種措施？”，“貓眼”和生活密切相關(guān)，具有一定的趣味性。

（3）問(wèn)題應(yīng)設(shè)置難度系數(shù)。問(wèn)題的難易程度總會(huì)有些區(qū)別，為鼓勵(lì)學(xué)生挑戰(zhàn)較難、較復(fù)雜問(wèn)題，設(shè)置難度系數(shù)，考核時(shí)也應(yīng)考慮難度系數(shù)得分：難度系數(shù)*總分=最后得分。如問(wèn)題 “聚光太陽(yáng)能技術(shù)依據(jù)的原理是什么？試分析聚光太陽(yáng)能電池表面的光照度和亮度”的難度系數(shù)設(shè)為1.0，而問(wèn)題“使用Zemax進(jìn)行雙高斯物鏡的設(shè)計(jì)，技術(shù)參數(shù)：焦距f '= 58 mm，相對(duì)孔徑為1∶2，視場(chǎng)為2ω = 40度 。要求物鏡本身校正球差、色差、場(chǎng)曲、像散。”的難度系數(shù)設(shè)為1.1。這是因?yàn)槔肸emax軟件進(jìn)行透鏡設(shè)計(jì)為學(xué)生自學(xué)內(nèi)容，屬于擴(kuò)展知識(shí)范疇，需要學(xué)生花費(fèi)較多的精力，因此難度更大一些。

（4）應(yīng)建立問(wèn)題庫(kù)，并持續(xù)更新。在我們的教學(xué)實(shí)踐中每年都要將研討問(wèn)題根據(jù)學(xué)生的反饋進(jìn)行修改，或增加新問(wèn)題。如我們將2016年第五屆全國(guó)大學(xué)生光電設(shè)計(jì)大賽中的題目“單透鏡構(gòu)建的最佳成像系統(tǒng)，給出方案原理并進(jìn)行理論分析。使用焦距為10～25mm 的 單個(gè)雙凸透鏡和指定型號(hào)CMOS攝像頭對(duì) ISO12233標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試卡成像。光路中可添加除透鏡外的任何其他學(xué)元件。測(cè)試卡分為左右兩部分，距離攝像頭的物前后相差 30cm，形成一定景深。測(cè)試卡到攝像頭的距離在 1～3m 之間”作為2016～2017學(xué)年的研討問(wèn)題。當(dāng)然對(duì)問(wèn)題要求做了一定簡(jiǎn)化，只是讓學(xué)生給出方案原理并進(jìn)行相關(guān)的理論分析。

在研討課上，退居幕后的教師實(shí)際上是課堂的“主導(dǎo)”，全程引導(dǎo)著作為“主體”的學(xué)生，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①密切關(guān)注學(xué)生討論的全過(guò)程，對(duì)討論中出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)引導(dǎo)和調(diào)整；②善于發(fā)現(xiàn)學(xué)生的“奇思妙想”與“火花”，并及時(shí)鼓勵(lì)；③客觀全面點(diǎn)評(píng)學(xué)生。總之，研討的目的是使學(xué)生在合作中探究，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展。

2.運(yùn)用分?jǐn)?shù)量化方法進(jìn)行研討課過(guò)程評(píng)價(jià)

運(yùn)用分?jǐn)?shù)量化方法進(jìn)行研討課過(guò)程評(píng)價(jià)可以提高學(xué)生的積極性。應(yīng)用光學(xué)課程除研討課外，增加了課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。因此，除去傳統(tǒng)的作業(yè)加考試方式以外，應(yīng)增加對(duì)研討課過(guò)程及課程設(shè)計(jì)的評(píng)分，全面考核學(xué)生的綜合能力。在我校的應(yīng)用光學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，各部分所占比例為：考勤5%+作業(yè)10%+課程設(shè)計(jì)10%+研討課15%+期末考試60%。若能請(qǐng)同課程組教師共同擔(dān)任研討課點(diǎn)評(píng)嘉賓，可更進(jìn)一步提升研討課的質(zhì)量。在我們的教學(xué)實(shí)踐中，一般至少有兩名教師擔(dān)任點(diǎn)評(píng)嘉賓。

對(duì)于研討課過(guò)程的考核采取分?jǐn)?shù)量化方法。在實(shí)踐中我們采用了教師評(píng)價(jià)加學(xué)生互評(píng)的方式，其中教師評(píng)價(jià)占90%，學(xué)生評(píng)價(jià)占10%。教師評(píng)分點(diǎn)包括：① 使用的原理是否正確？（30%）。②采用的方法是否正確？（30%）。③講述是否完整？（10%）。④講述是否流暢？（10%）。⑤ PPT制作是否美觀？（10%）教師的評(píng)價(jià)一定要客觀全面，不能打擊學(xué)生探究的積極性，同時(shí)能讓學(xué)生掌握科學(xué)有效的探究方法，為他們進(jìn)一步深入探究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

四、 結(jié)語(yǔ)

我們將總課時(shí)的80%用于教師講授知識(shí)點(diǎn)，完成基本理論教學(xué)任務(wù)，20%用于問(wèn)題研討，通過(guò)在教學(xué)過(guò)程中精心設(shè)計(jì)一些面向工程應(yīng)用的問(wèn)題，組織學(xué)生分組研究并在課堂上進(jìn)行研討。實(shí)踐表明，在完成了理論教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生從工程應(yīng)用角度思考問(wèn)題的意識(shí)，提升了學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力，課程的教學(xué)效果得到顯著的提升。

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