賀文俊，歐陽名釗，王 洋，鄭 陽，常艷賀

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

引言

“物理光學(xué)”課程依托長(zhǎng)春理工大學(xué)光學(xué)工程和儀器科學(xué)與技術(shù)兩大學(xué)科，面向光電信息科學(xué)與工程、測(cè)控技術(shù)與儀器兩個(gè)國(guó)家級(jí)一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，作為專業(yè)基礎(chǔ)課和必修課，是從事光學(xué)、光學(xué)工程及相關(guān)領(lǐng)域研究工作的基礎(chǔ)，在學(xué)科建設(shè)及專業(yè)人才培養(yǎng)中具有重要作用。但是，本課程的學(xué)習(xí)需要豐富且抽象的數(shù)理知識(shí)，又涉及很多復(fù)雜的推導(dǎo)過程，課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容晦澀難懂。同時(shí)學(xué)生反映，由于課程中所涉及的光學(xué)概念難以直接簡(jiǎn)單地與生活中可以觀察到的光學(xué)現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)，因此，對(duì)光學(xué)知識(shí)點(diǎn)缺乏直觀性的理解。這些都導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)效果不好，課程目標(biāo)達(dá)成度較低。

為了解決上述問題，在國(guó)家積極推動(dòng)“雙一流”建設(shè)的背景下，課程組開展了基于虛擬仿真的“物理光學(xué)”線上線下混合式教學(xué)的改革與探索。針對(duì)“物理光學(xué)”課程中公式復(fù)雜、難以理解的教學(xué)內(nèi)容，基于VirtualLab Fusion光學(xué)仿真平臺(tái)將其設(shè)計(jì)為虛擬仿真內(nèi)容，并結(jié)合虛擬仿真結(jié)果進(jìn)行教學(xué)，以降低學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解難度，從而使理論教學(xué)變得生動(dòng)豐富，并能具體生動(dòng)形象地展示枯燥抽象的理論知識(shí)，增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)知。同時(shí)，改變了傳統(tǒng)單一的線下教學(xué)模式，采取線上線下混合式教學(xué)，能夠充分利用各類教學(xué)資源，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，通過各種教學(xué)方法、教學(xué)媒體、教學(xué)策略等的優(yōu)化組合，發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，增強(qiáng)了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。本文以長(zhǎng)春理工大學(xué)“物理光學(xué)”課程為例，探討了虛擬仿真技術(shù)與線上線下混合式教學(xué)的深度融合方法，研究了線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，以及面向產(chǎn)出的多元化學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)方法。

一、虛擬仿真可視化教學(xué)資源建設(shè)

VirtualLab Fusion是由德國(guó)LightTrans公司研發(fā)的一款基于統(tǒng)一化光學(xué)建模理念的光學(xué)仿真平臺(tái)，其通過求解麥克斯韋方程組獲得了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)空間里的光場(chǎng)向量信息，保證了所有模式光源和通過光學(xué)元件任意傳輸方法的完全兼容性，建模范圍包括從幾何光學(xué)到物理光學(xué)及其組合的簡(jiǎn)單或復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。該平臺(tái)采用流程圖的形式進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的建模和仿真分析，內(nèi)部集成了大量常規(guī)的模塊化操作，極大地簡(jiǎn)化了理論建模、光路搭建、光路對(duì)準(zhǔn)等工作，能夠方便簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)“物理光學(xué)”課程中光的干涉、衍射、偏振等教學(xué)內(nèi)容的虛擬仿真。

課程組根據(jù)教學(xué)大綱規(guī)劃了“物理光學(xué)”課程中能夠進(jìn)行虛擬仿真的教學(xué)內(nèi)容，并依托長(zhǎng)春理工大學(xué)與VirtualLab Fusion中國(guó)代理商上海訊稷光電聯(lián)合成立的光學(xué)設(shè)計(jì)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，開展了相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的虛擬仿真可視化教學(xué)資源建設(shè)，設(shè)計(jì)開發(fā)出了與“物理光學(xué)”課程所對(duì)應(yīng)的大量虛擬仿真系統(tǒng)，如光的色散、球面波的位相、平面波與球面波的干涉、平行平板的多光束干涉、菲涅爾衍射、夫瑯禾費(fèi)衍射、偏振等教學(xué)內(nèi)容，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真教學(xué)資源部分案例

虛擬仿真可視化教學(xué)資源的建設(shè)將教學(xué)過程中眾多具有復(fù)雜、抽象概念的課堂教學(xué)，通過簡(jiǎn)單的流程圖的形式進(jìn)行建模，使傳統(tǒng)課堂中不易展示的光的基本屬性、干涉、衍射及偏振相關(guān)的抽象特征，通過虛擬仿真平臺(tái)形象逼真地展示出來，使學(xué)生能夠脫離復(fù)雜的理論公式，理解各種現(xiàn)象的物理本質(zhì)和特征，有助于學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解和感性認(rèn)知。

二、線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

“物理光學(xué)”課程秉承工程教育專業(yè)認(rèn)證的OBE理念，堅(jiān)持以學(xué)生為中心，以結(jié)果為導(dǎo)向，思政元素頂層滲透的教學(xué)設(shè)計(jì)思路，力圖在教學(xué)過程中體現(xiàn)“物理光學(xué)”課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。改革課程采用的傳統(tǒng)單一的線下教學(xué)模式，主要包括課堂講學(xué)（64學(xué)時(shí)）和實(shí)驗(yàn)教學(xué)（16學(xué)時(shí)）。改革后的課程學(xué)時(shí)安排如下：線上教學(xué)16學(xué)時(shí)，占20%；線下教學(xué)48學(xué)時(shí)，占60%；實(shí)驗(yàn)教學(xué)16學(xué)時(shí)，占20%。

虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融入各種教學(xué)模式中。（1）在線上教學(xué)過程中，虛擬仿真教學(xué)資源融入視頻觀看、課后鞏固環(huán)節(jié)。在課后鞏固環(huán)節(jié)，結(jié)合科研工作中的實(shí)際案例與“物理光學(xué)”的知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出可供學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索的虛擬仿真模塊，使學(xué)生通過線上課程的指導(dǎo)，自己建模開發(fā)出較為復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)及解決復(fù)雜工程問題的綜合能力和高級(jí)思維，提升課程的高階性。（2）在線下教學(xué)過程中，虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容融入PPT和課堂討論中，通過形象直觀的展示將抽象的光學(xué)概念可視化，降低學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解難度。（3）在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容融入實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論中。在每次實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)生可將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果相互比對(duì)，提升學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。

（一）線上教學(xué)設(shè)計(jì)

對(duì)于線上教學(xué)，主要針對(duì)課程中相對(duì)容易理解的知識(shí)點(diǎn)和一些補(bǔ)充延展的內(nèi)容。其教學(xué)實(shí)施過程包括視頻觀看、互動(dòng)、習(xí)題、答疑、測(cè)試和鞏固等環(huán)節(jié)。視頻觀看包括課程組教師錄制的教學(xué)視頻、VirtualLab Fusion虛擬仿真視頻，以及學(xué)堂在線及慕課等優(yōu)秀線上教學(xué)視頻。通過建立豐富的線上課程資源知識(shí)點(diǎn)講解視頻，讓學(xué)生擁有相應(yīng)的線上自主學(xué)習(xí)條件。此外，建立線上知識(shí)點(diǎn)題庫，通過線上平臺(tái)測(cè)試題對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力進(jìn)行考查，了解學(xué)生通過線上自主學(xué)習(xí)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。

具體實(shí)施過程設(shè)計(jì)如下：在第四周周五的第3、4節(jié)課（90分鐘），前15分鐘在雨課堂平臺(tái)上觀看光的吸收、色散和散射的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)視頻，使學(xué)生能夠歸納知識(shí)點(diǎn)的主要內(nèi)容。其后，20分鐘進(jìn)行互動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生共同思考；15分鐘進(jìn)行習(xí)題練習(xí)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解；20分鐘講解習(xí)題題目，答疑；15分鐘測(cè)試，考核學(xué)生的學(xué)習(xí)效果；5分鐘推送類似的學(xué)習(xí)內(nèi)容，鞏固學(xué)習(xí)效果。

（二）線下教學(xué)設(shè)計(jì)

線下課堂教學(xué)包括課堂講學(xué)、課堂討論、課堂測(cè)試等環(huán)節(jié)。課堂講學(xué)為多媒體教學(xué)和板書教學(xué)相結(jié)合的方式，多媒體教學(xué)以虛擬仿真平臺(tái)VirtualLab Fusion實(shí)現(xiàn)可視化教學(xué)為主；課堂講學(xué)重點(diǎn)講解核心和難點(diǎn)內(nèi)容，并引導(dǎo)學(xué)生于課外在線學(xué)習(xí)次要、簡(jiǎn)單、補(bǔ)充延展的內(nèi)容，并以此為脈絡(luò)將整個(gè)課程知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，形成思維導(dǎo)圖和知識(shí)樹。

此外，根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容，在課堂講學(xué)中設(shè)計(jì)了多次翻轉(zhuǎn)課堂環(huán)節(jié)，結(jié)合線上課程，學(xué)生通過自學(xué)對(duì)知識(shí)點(diǎn)有了基本了解和掌握；在線下課堂中，學(xué)生走上講臺(tái)講解該部分知識(shí)點(diǎn)，有效激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性和積極性。每章結(jié)束后進(jìn)行一次課堂討論，教師根據(jù)課程核心和重點(diǎn)內(nèi)容提前給學(xué)生提供相關(guān)的討論題目，然后由學(xué)生收集相關(guān)資料，在課堂討論環(huán)節(jié)中分組討論共性問題和熱點(diǎn)問題，并在教師的指導(dǎo)下進(jìn)一步分析和解決問題，達(dá)成共識(shí)。每章講完后進(jìn)行一次課堂測(cè)試，從而對(duì)學(xué)生的知識(shí)掌握情況進(jìn)行及時(shí)了解和評(píng)價(jià)。

（三）課程思政元素的有機(jī)融入

傳統(tǒng)的思想政治教學(xué)多采用教師講授灌輸價(jià)值觀，這使得思想政治教學(xué)與課程知識(shí)點(diǎn)割裂，思政元素融入生硬，容易誘發(fā)學(xué)生的反感情緒，難以在情感上引起學(xué)生的共鳴。

針對(duì)上述問題，課程組深入挖掘了課程中蘊(yùn)含的思想政治教育價(jià)值，梳理了思想政治在培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)方面的支撐點(diǎn)，形成了思想教育元素融入“物理光學(xué)”課程內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)列表。我們將科技創(chuàng)新融入知識(shí)目標(biāo)培養(yǎng)；科學(xué)發(fā)展觀融入分析光學(xué)現(xiàn)象和解決光學(xué)工程問題的能力目標(biāo)培養(yǎng)；以老一輩光學(xué)科學(xué)家的事跡支撐素質(zhì)目標(biāo)的培養(yǎng)。以期強(qiáng)化學(xué)生的使命感、責(zé)任感和家國(guó)情懷，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和工匠精神。參與式教學(xué)能讓學(xué)生自主思考，實(shí)現(xiàn)由被動(dòng)接受價(jià)值觀到主動(dòng)塑造價(jià)值觀的轉(zhuǎn)變。課程思政的教學(xué)設(shè)計(jì)思路如下。

1.線上——融入思想政治目標(biāo)的導(dǎo)向性任務(wù)?；赩irtualLab Fusion建立的物理光學(xué)仿真數(shù)據(jù)庫及雨課堂，提前發(fā)布融入思想政治目標(biāo)的導(dǎo)向性任務(wù)，該任務(wù)在包含思政元素的時(shí)政新聞或社會(huì)熱點(diǎn)問題中恰當(dāng)?shù)厝谌雽I(yè)性知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生在線上學(xué)習(xí)過程中，不僅學(xué)習(xí)了相關(guān)理論知識(shí)，還了解了相關(guān)思政元素的背景，為線下課程的思想政治教學(xué)奠定了情感共鳴基礎(chǔ)。

2.線下——參與式教學(xué)方法促進(jìn)思想政治教育融入。充分利用“物理光學(xué)”課程線上線下混合式教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，在線下課堂中開展翻轉(zhuǎn)課堂等參與式教學(xué)方法，通過教師導(dǎo)入問題、學(xué)生分組討論、生講師聽、教師點(diǎn)評(píng)總結(jié)等多個(gè)環(huán)節(jié)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)由被動(dòng)變主動(dòng)，激發(fā)學(xué)生探索學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)，學(xué)生的深度參與使得思想政治教育融入得更為自然，更容易使學(xué)生產(chǎn)生情感共鳴，達(dá)到課程思政的教學(xué)目標(biāo)。

3.思想政治教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度評(píng)價(jià)。根據(jù)課程的知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)，布置包含思政元素的啟發(fā)性或開放性作業(yè)，使學(xué)生了解相關(guān)的新技術(shù)和新知識(shí)，開闊學(xué)術(shù)視野，強(qiáng)化自我學(xué)習(xí)能力，對(duì)其中的價(jià)值觀問題進(jìn)行主動(dòng)思考，并根據(jù)作業(yè)完成情況和調(diào)查問卷評(píng)價(jià)思想政治教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度。

三、面向產(chǎn)出的多元化學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)制

基于成果導(dǎo)向，探索了相應(yīng)的多元化學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)體系，增加了形成性考核的所占比重，通過課堂提問、分組討論、線上測(cè)試、線下作業(yè)等對(duì)課程學(xué)習(xí)成果進(jìn)行評(píng)價(jià)和考核，通過實(shí)驗(yàn)、期末考試等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行考核，從而由原來的單一評(píng)價(jià)變成直接和間接評(píng)價(jià)相結(jié)合、過程性與終結(jié)性評(píng)價(jià)加權(quán)累加、學(xué)生自評(píng)補(bǔ)充教師評(píng)價(jià)，所有環(huán)節(jié)都覆蓋了知識(shí)、能力和素質(zhì)這三大課程目標(biāo)。每年期末形成課程目標(biāo)達(dá)成情況分析報(bào)告，評(píng)價(jià)結(jié)果用于下一年度的教學(xué)改進(jìn)，形成閉環(huán)。課程組對(duì)每一項(xiàng)評(píng)價(jià)的分?jǐn)?shù)比例和支撐權(quán)重持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化，力圖體現(xiàn)課程的挑戰(zhàn)性。

課程組在不斷探索“物理光學(xué)”教學(xué)改革的過程中，獲得了一些正面的反饋。調(diào)查問卷結(jié)果表明，經(jīng)過兩年的實(shí)踐，大部分學(xué)生建立了自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，學(xué)習(xí)積極性得到了明顯提升。每學(xué)期的課程目標(biāo)達(dá)成度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，“物理光學(xué)”課程目標(biāo)的平均達(dá)成度由0.66提升為0.82，最近兩學(xué)期的學(xué)生評(píng)教滿意度均高于99%，反映了學(xué)生對(duì)“物理光學(xué)”教學(xué)模式改革的認(rèn)可。校內(nèi)督導(dǎo)抽查課程組教師課堂情況的評(píng)價(jià)均為優(yōu)秀，反映了學(xué)校對(duì)課程改革的認(rèn)可。

結(jié)語

基于VirtualLab Fusion光學(xué)仿真平臺(tái)，建立了虛擬仿真可視化“物理光學(xué)”教學(xué)資源，使傳統(tǒng)課堂中不易展示的光的基本屬性、干涉、衍射及偏振相關(guān)的抽象特征，被形象逼真地展示了出來，降低了學(xué)生對(duì)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的理解難度?！拔锢砉鈱W(xué)”課程有機(jī)結(jié)合了線上教學(xué)和線下教學(xué)各自的優(yōu)勢(shì)，形成了課內(nèi)課外全時(shí)段、線上線下多維度的教學(xué)資源融合，探索了“物理光學(xué)”課程線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)方法，挖掘了課程中蘊(yùn)含的思想政治教育價(jià)值，探討了思政元素教學(xué)設(shè)計(jì)思路，開展了面向產(chǎn)出的多元化學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)制。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，“物理光學(xué)”課程的改革提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果，提高了課程目標(biāo)的達(dá)成度。本文的研究結(jié)果對(duì)同類型的課程改革和一流課程建設(shè)具有一定的借鑒和推廣價(jià)值。