2023年应用光学课程探究式小班教学初探

2023年应用光学课程探究式小班教学初探摘要：随着教学改革的不断深入开展，探究式教学模式越来越受到高等院校的重视。文章介绍了电子科技大学（以下简称“我校”）光电信息学院应用光学课程在探究式小班教学模式实践中的具体措施，通过实际案例分析，指出了教师如何设计“恰到好处”的研讨问题，最后给出了课程考核的改革方法，实践表明课程的教学效果得到显著提升。

一、应用光学课程背景

应用光学课程是以几何光学为理论基础，以光学系统中光的传播、成像、光度学、色度学、像差、典型光学系统等为主要内容的课程。应用光学是光学工程、仪器科学与技术、物理电子学等学科重要的技术基础。我校该课程面向光电信息科学与工程专业本科生，属于学科基础课，为激光原理与技术、光电图像处理、光电检测技术、光电工程导论等专业课程的学习打好理论基础。

我校光电信息科学与工程专业是国家级特色专业，是教育部“卓越工程师教育培养计划”的学科专业，是以光通信与光电工程、信息显示与光电技术、光电系统与信息处理技术等方向相互交叉渗透，以“光电信息+”为载体，以光、机、电、软相互融合为特色的传统而又新兴的专业。我校应用光学课程为3学分、48课时。应用光学课程作为学生最早接触的专业基础课程之一，在培养学生专业基本素养及基础工程素质方面具有重要作用。应用光学课程的目标为：①让学生掌握光学系统成像的基本概念和理论，掌握光学系统设计的基本方法，了解现代光学系统的前沿应用技术，具备光学元件及系统的分析和设计能力；②在完成基本理论教学任务的同时，突出该课程的工程应用背景，将学生的眼光更多地引向工程实际，在对实际问题的分析与研讨中培养学生学习与发展的能力和创造性解决工程问题的能力。

多年来，应用光学课程的教学过程中普遍存在以下两个问题：①学生对如何运用专业知识解决实际工程问题感到困惑，缺乏这方面意识与能力。②传统的考核方式过于单一，只注重考查学生是否掌握了知识点，忽略了对学生专业素养以及运用所学知识解决工程问题能力的考核。

随着教学改革有条不紊地推进，各种各样的教学模式呈“百花齐放”之势。例如，浙江大学采用研究型教学将科研与教学紧密结合，实践环节采用了科研模式和学生自我评价机制，课程的教学效果得到显著的提升。南京邮电大学在实施“卓越工程师教育培养计划”的背景下，对应用光学课程进行了面向工程教育的教学改革，探索从传统的知识传授型教学向结合工程教育的研究型教学转变的途径。针对应用光学课程教学中教师、学生和企业三者之间不能实现资源有效共享的问题，武汉理工大学将产学研这一创新模式引入教学环节中。

随着教学改革的不断深入开展，探究式教学日益成为高等院校的重要教学方式。学生对于如何运用专业知识解决实际工程问题感到困惑，我们探索着将探究式小班教学模式引入应用光学课程的教学环节中。

二、应用光学课程探究式小班教学设计

应用光学课程内容不仅具有理论性、专业性较强的特点，还具有工程应用背景，而教学过程中普遍存在的问题是：学生基础理论知识掌握得较好，对于如何运用专业知识解决实际工程问题感到困惑。为此，我们将总课时的大约80%用于教师讲授知识点，完成基本理论教学任务，约20%用于问题研讨，通过在教学过程中精心设计一些面向工程应用的问题，组织学生分组研究并在课堂上进行研讨，以培养学生从工程应用角度思考问题的意识和能力。在课程考核方式上，改变传统的平时作业加期末考试的方式，强调过程考核，丰富考核方式，以便从知识点掌握、专业素养以及综合解决工程问题能力等多方面考查学生的学习成果。电子科技大学光电信息学院2023～2023连续三年开展了应用光学课程探究式小班教学实践工作。

三、应用光学课程探究式小班教学实践

1.应用光学课程探究式小班教学实施方法

由于探究式教学耗时比较长，而应用光学课时比较少，所以我们应有效地选择探究内容，保证探究活动的有效进行。考虑到教学过程中普遍存在的问题是：学生基础理论知识掌握得较好，对于如何运用专业知识解决实际工程问题感到困惑，我们将总课时的约80%用于教师讲授教学知识点，约20%用于探究，即40个课时完成基本理论教学任务，8个课时用于问题研讨，在对实际工程问题的分析与研讨中培养学生学习与发展的能力和创造性解决工程问题的能力。考虑到我们设计的研讨问题综合性较高，我们在学期中和学期末各设置了4个课时进行研讨。

我校应用光学探究式小班教学实施方法为：①教师会提前研讨课至少两个星期给出精心设计与挑选的工程问题。研讨问题共分两部分（分别对应学期中和学期末），每组从每部分选择一个问题。②学生们自行分组，并选好自己感兴趣的问题，课下查阅资料，提出解决问题的方案、方法，撰写报告与PPT。③在研讨课上，教师退居幕后讓学生作为主角，学生在研讨课上作报告，阐述观点、方案，其他小组学生提出问题或不同看法，通过讨论、辩论的形式，加深对知识的理解。④教师对每组学生的工作做出点评，并针对学生的疑问进行解答。通过该举措，学生从被动学习变成主动学习，从个别学习变为小组学习，学生查阅资料提炼知识的能力，运用所学知识分析、解决工程问题的能力，撰写文案阐述观点的能力以及研讨思辨的能力均可得到提升。

探究式教学的载体与核心是问题，学习活动是围绕问题展开的。研讨课问题设计的好坏就非常关键，直接影响学生参与研讨的积极性和学生综合能力的培养。问题若设计得巧妙、恰到好处，可以激起学生强烈的探究欲望。经过三年的教学实践，我们认为研讨问题的设计需要特别注意以下几点：

（1）问题应突出应用光学课程的工程应用特点。考虑到应用光学课程内容不仅具有理论性、专业性较强的特点，还具有工程应用背景，应用光学研讨课问题应和工程实际密切结合，逐渐地培养学生从工程与实用的角度思考问题、解决问题的意识与能力。如“结合本课程所学知识，设计一个手指静脉识别系统的光学成像部分。阐述其中的光学原理；给出具体方案，并画出结构原理图；计算可能涉及的元件尺寸；分析实际可能出现的问题，并提出相应的解决方案。”，这一问题直接来源于实际工程。

（2）问题应具有一定的趣味性和可操作性，以便充分调动学生的兴趣和积极性。如问题“请分析‘猫眼’的光学结构及原理（为什么从室内可以看清室外，而从室外看不清室内？），如果要从室外通过猫眼看清室内的情况，应该采用何种措施？如果要阻止从室外通过猫眼对室内的窥视，又应该采用何种措施？”，“猫眼”和生活密切相关，具有一定的趣味性。

（3）问题应设置难度系数。问题的难易程度总会有些区别，为鼓励学生挑战较难、较复杂问题，设置难度系数，考核时也应考虑难度系数得分：难度系数*总分=最后得分。如问题“聚光太阳能技术依据的原理是什么？试分析聚光太阳能电池表面的光照度和亮度”的难度系数设为1.0，而问题“使用Zemax进行双高斯物镜的设计，技术参数：焦距f"=58mm，相对孔径为1∶2，视场为2ω=40度。要求物镜本身校正球差、色差、场曲、像散。”的难度系数设为1.1。这是因为利用Zemax软件进行透镜设计为学生自学内容，属于扩展知识范畴，需要学生花费较多的精力，因此难度更大一些。

（4）应建立问题库，并持续更新。在我们的教学实践中每年都要将研讨问题根据学生的反馈进行修改，或增加新问题。如我们将2023年第五届全国大学生光电设计大赛中的题目“单透镜构建的最佳成像系统，给出方案原理并进行理论分析。使用焦距为10～25mm的单个双凸透镜和指定型号CMOS摄像头对ISO12233标准测试卡成像。光路中可添加除透镜外的任何其他学元件。测试卡分为左右两部分，距离摄像头的物前后相差30cm，形成一定景深。测试卡到摄像头的距离在1～3m之间”作为2023～2023学年的研讨问题。当然对问题要求做了一定简化，只是让学生给出方案原理并进行相关的理论分析。

在研讨课上，退居幕后的教師实际上是课堂的“主导”，全程引导着作为“主体”的学生，主要体现在以下几点：①密切关注学生讨论的全过程，对讨论中出现的问题及时引导和调整；②善于发现学生的“奇思妙想”与“火花”，并及时鼓励；③客观全面点评学生。总之，研讨的目的是使学生在合作中探究，促进学生创造性思维的发展。

2.运用分数量化方法进行研讨课过程评价

运用分数量化方法进行研讨课过程评价可以提高学生的积极性。应用光学课程除研讨课外，增加了课程设计环节。因此，除去传统的作业加考试方式以外，应增加对研讨课过程及课程设计的评分，全面考核学生的综合能力。在我校的应用光学教学实践中，各部分所占比例为：考勤5%+作业10%+课程设计10%+研讨课15%+期末考试60%。若能请同课程组教师共同担任研讨课点评嘉宾，可更进一步提升研讨课的质量。在我们的教学实践中，一般至少有两名教师担任点评嘉宾。

对于研讨课过程的考核采取分数量化方法。在实践中我们采用了教师评价加学生互评的方式，其中教师评价占90%，学生评价占10%。教师评分点包括：①使用的原理是否正确？（30%）。②采用的方法是否正确？（30%）。③讲述是否完整？（10%）。④讲述是否流畅？（10%）。⑤PPT制作是否美观？（10%）教师的评价一定要客观全面，不能打击学生探究的积极性，同时能让学生掌握科学有效的探究方法，为他们进一步深入探究打下坚实的基础。

四、结语

我们将总课时的80%用于教师讲授知识点，完成基本理论教学任务，20%用于问题研讨，通过在教学过程中精心设计一些面向工程应用的问题，组织学生分组研究并在课堂上进行研讨。实践表明，在完成了理论教学任务的同时，培养了学生从工程应用角度思考问题的意识，提升了学生解决工程问题的能力，课程的教学效果得到显