李小燕 任洪亮 張奚寧 劉永欣 陳子陽

摘?要：在“新工科”課程建設(shè)需求下，基于華僑大學(xué)僑生背景的學(xué)情，以培養(yǎng)“應(yīng)用型”人才為目的，文章針對(duì)工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)中存在的問題，對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教學(xué)方式及考核方式方面進(jìn)行了改革探索。將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分成不同層次的學(xué)習(xí)任務(wù)，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為輔，實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)為主，基于虛擬實(shí)際相結(jié)合的混合式教學(xué)方式，構(gòu)建一個(gè)可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況進(jìn)行個(gè)性教學(xué)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有助于培養(yǎng)學(xué)生解決問題、科研動(dòng)手能力，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、自主式學(xué)習(xí)及研討式學(xué)習(xí)的能力。

關(guān)鍵詞：仿真平臺(tái);工程光學(xué)實(shí)驗(yàn);個(gè)性化教學(xué);自主學(xué)習(xí)

電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是一門多學(xué)科交叉專業(yè)，工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程作為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)獨(dú)立設(shè)置的必修專業(yè)課實(shí)驗(yàn)課程，對(duì)于提高學(xué)生的專業(yè)技能和素養(yǎng)具有重要的作用。而未來的人才不僅在于其具有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)和技能，更在于其創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造能力的發(fā)揮。要使學(xué)生適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)是一種有效的方法，是通過綜合訓(xùn)練來培養(yǎng)學(xué)生的研究能力和綜合素質(zhì)，主要是自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

一、工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題：

根據(jù)多年來的教學(xué)情況來看，以往的工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在很多的問題：實(shí)驗(yàn)方法落后，實(shí)驗(yàn)種類基本都為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)方法以及實(shí)驗(yàn)結(jié)論都比較固定，導(dǎo)致學(xué)生思維受限，無法做到理論聯(lián)系實(shí)際，更不用說自主創(chuàng)新了;教學(xué)方式簡(jiǎn)單，僅靠學(xué)生根據(jù)講義和教師演示進(jìn)行學(xué)習(xí)操作，而學(xué)生一般基礎(chǔ)理論不足，學(xué)生在沒有接觸過任何實(shí)驗(yàn)儀器的情況下進(jìn)行操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)器材十分陌生，經(jīng)驗(yàn)缺乏，動(dòng)手能力不足，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳，學(xué)生的實(shí)踐能力得不到提高;受實(shí)驗(yàn)課時(shí)、實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間、學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)間及師生交流互動(dòng)所限，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果也不理想。同時(shí)工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)考核較為單一，成績(jī)判定缺乏科學(xué)性。

為了解決這些教學(xué)中存在的問題，華僑大學(xué)工程光學(xué)教研組對(duì)教學(xué)模式、考核方式和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了改革，建立了一個(gè)基于線上線下混合教學(xué)模式，漸近式實(shí)驗(yàn)課程體系下新的工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

二、工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐：

（一）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

為了解決實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目固化、方法落后，無法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力的問題，將驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行歸類合并，減少必修實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的數(shù)量，同時(shí)增加應(yīng)用型和開放式實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生解決問題能力的培養(yǎng)。

針對(duì)學(xué)生光學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)缺乏，動(dòng)手能力不足的問題，教研組在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中增加對(duì)實(shí)際操作能力的培養(yǎng)，由淺入深逐步提升，不同實(shí)驗(yàn)側(cè)重點(diǎn)不同。

由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限，太復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)學(xué)生往往無法在限定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，教研組設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)光路，簡(jiǎn)化復(fù)雜枯燥的調(diào)試過程，刪除重復(fù)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，避免挫傷學(xué)生的積極性的同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)效率。

比如以往的工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)中圓孔的菲涅耳衍射及單縫的夫瑯和費(fèi)衍射分成兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，光路相對(duì)簡(jiǎn)單且雷同。將兩個(gè)衍射實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合并，實(shí)驗(yàn)中只需要變換目標(biāo)板，改變投影屏的距離就可以完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的變換，不用重復(fù)調(diào)試光路。將兩者合并成一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目既減少了實(shí)驗(yàn)數(shù)量，又簡(jiǎn)化了枯燥的調(diào)試過程，在不降低實(shí)驗(yàn)效果的同時(shí)提高了實(shí)驗(yàn)效率。

（二）建立漸近式的實(shí)驗(yàn)課程體系

華僑大學(xué)僑生比較多，來自世界各地的僑生與國內(nèi)的在校大學(xué)生知識(shí)背景差別比較大，每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力水平各有不同，對(duì)一部分同學(xué)來說簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)對(duì)另一部分學(xué)生來說相對(duì)比較困難。一刀切的課程學(xué)習(xí)體系無法應(yīng)對(duì)華僑大學(xué)學(xué)生知識(shí)背景相對(duì)復(fù)雜的學(xué)情。

針對(duì)學(xué)生知識(shí)背景及學(xué)習(xí)能力差別的問題，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將學(xué)習(xí)任務(wù)分為三個(gè)逐漸提升的層次：必修實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，開放式實(shí)驗(yàn)。必修實(shí)驗(yàn)中包含十個(gè)工程光學(xué)基本實(shí)驗(yàn)，涵蓋了工程光學(xué)的基本內(nèi)容，可以幫助學(xué)生更好地理解工程光學(xué)的基本原理和概念。每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生科研操作能力的培養(yǎng)側(cè)重點(diǎn)不同。這是每個(gè)學(xué)生都必須要完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，相對(duì)比較簡(jiǎn)單，適合學(xué)習(xí)能力不足的學(xué)生。

學(xué)有余力的學(xué)生可以選擇擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)和開放式實(shí)驗(yàn)做為進(jìn)一步的學(xué)習(xí)內(nèi)容。擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)任務(wù)包含更多不同類型的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生進(jìn)一步理解工程光學(xué)的擴(kuò)展原理和概念。

開放式實(shí)驗(yàn)針對(duì)想要?jiǎng)?chuàng)新的學(xué)生?？梢愿鶕?jù)實(shí)驗(yàn)問題情境，按照自己的想法搭建光學(xué)實(shí)驗(yàn)。開放式實(shí)驗(yàn)的增設(shè)可以提高學(xué)生解決問題的能力和科研創(chuàng)新能力。

（三）以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為教學(xué)輔助，采用虛擬實(shí)際相結(jié)合的混合式教學(xué)方式，教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況進(jìn)行個(gè)性教學(xué)

工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)的物理光學(xué)部分選用中國科學(xué)院軟件所自主研發(fā)的seelight光學(xué)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)基于麥克斯韋方程組、菲涅耳-基爾霍夫衍射、阿貝成像、光線追跡等理論，結(jié)合云計(jì)算、并行計(jì)算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了模塊化的物理建模仿真。

應(yīng)用光學(xué)及光學(xué)設(shè)計(jì)部分選用同樣是軟件所研發(fā)的seeod光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行。該軟件以光的直線傳播、數(shù)學(xué)幾何原理、光線追跡等為基礎(chǔ)，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的幾何像差和波動(dòng)像差進(jìn)行多角度分析，重點(diǎn)突破光學(xué)系統(tǒng)的多變量、多目標(biāo)的自動(dòng)優(yōu)化和公差分析，可以對(duì)幾何光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真模擬。

綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將學(xué)生的學(xué)習(xí)過程分為：課前預(yù)習(xí)、課中操作和課后復(fù)習(xí)三個(gè)階段。課前學(xué)生根據(jù)教師布置的任務(wù)目標(biāo)，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上提前演練將要操作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以更好地理解實(shí)驗(yàn)原理，掌握實(shí)驗(yàn)方法和步驟，節(jié)省時(shí)間，提高效率。學(xué)生完成仿真訓(xùn)練任務(wù)后，將仿真結(jié)果和問題及時(shí)反饋給教師，相關(guān)問題將作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)。課中教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)習(xí)實(shí)際光路搭建的方法，驗(yàn)證仿真的結(jié)果。教師在旁結(jié)合課程內(nèi)容闡釋相關(guān)概念和光學(xué)原理進(jìn)行指導(dǎo)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解。課后跟進(jìn)提升環(huán)節(jié)，學(xué)生基于在線平臺(tái)完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理的復(fù)習(xí)練習(xí)，教師跟進(jìn)輔導(dǎo)，掃除學(xué)生的知識(shí)盲區(qū)。

教師根據(jù)每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，針對(duì)學(xué)生的強(qiáng)項(xiàng)、弱項(xiàng)給出個(gè)性化的學(xué)習(xí)建議，并根據(jù)整體學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)重點(diǎn)。

（四）增加考核內(nèi)容，完善考核體系，對(duì)全體學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)

將預(yù)習(xí)成績(jī)、知識(shí)點(diǎn)測(cè)評(píng)成績(jī)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告做為基本考核內(nèi)容，考查學(xué)生對(duì)基本原理概念的掌握程度及基本實(shí)驗(yàn)操作水平;擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)、開放式實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)情況作為附加考核內(nèi)容，考查學(xué)生學(xué)習(xí)的廣度深度及學(xué)生的科研創(chuàng)新水平。

三、工程光學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特色

（一）分段式學(xué)習(xí)過程

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將學(xué)生的學(xué)習(xí)過程分為：課前預(yù)習(xí)、課中操作和課后復(fù)習(xí)三個(gè)階段。通過課前預(yù)習(xí)，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)可以做到心里有數(shù)，提高實(shí)驗(yàn)效率，課后復(fù)習(xí)則可以幫助學(xué)習(xí)鞏固所學(xué)知識(shí)。

（二）漸進(jìn)式的學(xué)習(xí)任務(wù)包

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將學(xué)習(xí)任務(wù)分為三個(gè)逐漸提升的層次：必修實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，開放式實(shí)驗(yàn)。不同學(xué)生可以根據(jù)自身的水平選擇不同層次的學(xué)習(xí)任務(wù)。漸進(jìn)式的學(xué)習(xí)任務(wù)包可以滿足不同學(xué)生不同層次的學(xué)習(xí)需求。

（三）個(gè)性化教學(xué)

結(jié)合學(xué)生的預(yù)習(xí)成績(jī)、知識(shí)點(diǎn)測(cè)試的正確率、在實(shí)際操作中的表現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師能夠隨時(shí)掌握每個(gè)學(xué)生實(shí)時(shí)的學(xué)習(xí)情況及實(shí)際能力水平，及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和重點(diǎn)，針對(duì)學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行輔導(dǎo)，并根據(jù)整體學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)重點(diǎn)。

（四）自主式學(xué)習(xí)和研討式學(xué)習(xí)

學(xué)生可以在課前或課后在虛擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，也可以根據(jù)自身水平來選擇不同層次的學(xué)習(xí)任務(wù)包。學(xué)生基于仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)形成的仿真模型及計(jì)算結(jié)果可實(shí)時(shí)在線共享，便于小組成員之間針對(duì)仿真案例進(jìn)行深入交流和討論。學(xué)生也可通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作形式，進(jìn)行分工合作共建仿真工程、數(shù)據(jù)分析和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。

四、結(jié)語

為了解決工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的諸多問題，華僑大學(xué)工程光學(xué)教研建設(shè)了一個(gè)基于線上線下混合教學(xué)模式的，擁有漸近式課程體系的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)的分段式學(xué)習(xí)過程可以將學(xué)生的學(xué)習(xí)分為不同的階段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率;漸進(jìn)式的學(xué)習(xí)任務(wù)包，方便學(xué)生根據(jù)自身的時(shí)間安排和學(xué)習(xí)水平來選擇不同的學(xué)習(xí)時(shí)段和學(xué)習(xí)任務(wù)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方便小組成員之間針對(duì)仿真案例進(jìn)行深入交流和討論，可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。同時(shí)通過該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教師可以實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和現(xiàn)有水平進(jìn)行個(gè)性化教學(xué)。綜上所述該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以培養(yǎng)學(xué)生解決問題和科研動(dòng)手能力、自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力及組織協(xié)作能力，培養(yǎng)出國家需求的“應(yīng)用型”人才。

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課題項(xiàng)目：2020年華僑大學(xué)新工科示范課程項(xiàng)目-工程光學(xué);2021年華僑大學(xué)項(xiàng)目-第三批校一流課程，線下課程;2019年福建省本科高校重大教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法精品課程建設(shè)探索與實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號(hào)：FBJG20190124）

作者簡(jiǎn)介：李小燕（1979—?），女，漢族，廣西崇左人，博士，華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系講師，研究方向：光學(xué)設(shè)計(jì)、光束傳輸。