借鉴先进经验推进我校《应用光学》课程建设

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  [摘要]《应用光学》课程以培养学生创造力和解决工程技术问题能力为目标,是光学工程专业军事人才掌握和研发现代武器装备,走向高科技战场的一座桥梁。本文调研了国内外光学领域知名大学《应用光学》课程的建设情况,概括总结了他们先进的教学经验,结合军队人才培养目标,为该课程在我校的建设提出合理化建议。
  [关键词]应用光学 课程建设 教学经验
  
  一、引言
  《应用光学》课程是光学工程及相近专业开展光学理论和光学技术教育的专业技术基础,讲授运用基本光学原理分析典型光学系统的成像特性,介绍像差评价方法等内容,对学生学习光学设计、光信息理论等后续课程和从事光学研究具有十分重要的作用。它不仅是我国创建光学仪器和仪器仪表类相关专业时就诞生的传统课程,也是美国等具有悠久光学工程教育历史的国际一流大学共同拥有的一门经典课程[1-5]。
  我校的《应用光学》课程是作为专业基础课面向本科高年级学员开设的,授课内容包括几何光学基本定律与成像概念、光线的光路计算及像差理论、典型光学系统和像质评价方法等。近年来,随着国防现代化进程的快速推进,我校作为一所军队综合性大学,不仅担负着为我国国防事业培养和输送高科技军事人才的历史使命,也越来越成为高精尖国防科技项目的研究基地。新的时代,对学校的教学方式和教育质量都提出了更高的要求,也促使我们重新思考传统课程的定位,对课程体系和课程内容进行必要的调整。
  本文立足于《应用光学》课程,研究了该课程在国内外知名高校的建设情况,对我校《应用光学》课程的重新定位和内容调整提出合理化建议。
  二、国内外知名大学《应用光学》课程开设概况
  自2010年起,依据国内外知名高校在光学工程领域的科研地位,及其《应用光学》课程的开设情况,我们选取国外2所(亚利桑那大学和罗彻斯特大学)和国内5所(浙江大学、天津大学、北京理工大学、华中科技大学、中国科技大学)大学作为研究对象,采用网络查询和问卷调查相结合的方式,从官方宣传和听课对象体验评价两个角度,调研了该课程的建设情况。调研目标是开拓视野、启迪思路,通过借鉴知名高校先进的教学经验,再结合我校的实际情况,建立一个符合军队现代化要求的《应用光学》教学平台。调研主要从以下几个方面展开:
  (1) 课程内容、课程定位及与相关课程的关系;
  (2) 教学方法;
  (3) 教学实践环节及习题课;
  (4) 考核方式;
  (5) 特色教学。
  概况起来,上述大学的特色主要体现在以下几个方面:
  (一)与其他光学相关课程衔接紧凑,定位明确
  以亚利桑那大学为例,其光科学学院开设了20多门光学相关课程,涵盖了从经典光学理论到前沿光学新技术应用的众多领域,由浅及深,门类齐全。其中,本科阶段开设的《Geometrical & Instrumental Optics》是光学专业的必修课程,从如何清洁光学元件等基础知识讲起,介绍基本光学原理、理想光学系统、光学材料特性、像差测量计算等内容,旨在使学生掌握广泛的光学知识,为日后实际应用奠定坚实基础。与《应用光学》课程相对应的《Fundamentals of Applied Optics Laboratory》和《Practical Optics》均被列为研究生课程,分两个学期讲授。《Fundamentals of Applied Optics Laboratory》介绍光学系统、高斯光学、像差理论、光源、探测技术和光学工程技术等内容。课程定位在使学生掌握搭建光学实验平台的基本技巧,熟悉光学测量常用的仪器设备;《Practical Optics》以科研实践为主体内容,从日常生活和科研中常见的光学仪器入手,讲解基础光学知识是如何被实际运用的。课程还组织学生到周边的光学企业参观学习,鼓励学生组建科研团队与企业合作开展光学技术应用研究,为学生毕业后走上科研岗位提供实战平台;此外,该学院在本科和研究生阶段都开设了《Physical Optics》课程,讲授波动光学、经典电磁场理论等内容。该课程与几何光学相辅相成,帮助学生理解光学仪器的工作原理和复杂的物理现象。
  通过相关课程的系统安排和精心设计,学生在接触《应用光学》课程时就掌握了充足的预备知识,这将大大提升该课程的授课效果,使学生能够理解和消化更多内容,达到课程设置的真正目的。
  (二)开展研究型教学,将科研模式引入课堂[6]
  研究型教学,是指在教学过程中除了讲授基本原理,还将与课程内容有关的实际问题带入课堂,鼓励学生运用课堂学到的知识提出解决方案。
  2004年,浙江大学在《应用光学》课程中的CAD设计环节引入了科研模式,这一举措将其研究型教学思想推进到实际演练阶段。他们的具体做法是,每3名学生组成一个课程小组,按照开发合同文本格式编写设计任务书,并作为研发方与作为委托人的教师签订任务书, 明确设计指标和双方的权利义务、需要完成的软件、设计文档和图纸、设计计算说明书等, 还包括技术保密、知识产权、违约等条款;课题的实施采用课题负责人负责制的分工合作方式,课题负责人要合理地分配任务, 并协调好组内成员之间的工作关系;课程设计采用答辩式考核方式, 课题组设计的所有资料经教师审阅, 达到基本要求方可参加答辩。答辩委员会由各课题组代表组成, 听取各组报告后每位委员都给其他课题组打分。一旦课题组成绩确定以后, 成员的成绩由课题负责人根据成员的贡献进行分配。
  研究型教学可以强化学生“学以致用”的思想意识,培养他们运用书本知识解决实际问题的能力,激发学生的学习热情和创造力;科研模式培养学生重合同、守信用的意识和知识产权意识,增强他们的竞争合作意识和团队协作精神。
  (三)课前充分准备,课后及时总结
  国外高校的做法是,在用来讲授既定内容的正课时间之外,《应用光学》课程穿插了几乎等量时间的习题课。习题课要求所有学生参加,辅导老师一般由助教担任。课上及时巩固上一节课的内容,并不定期地安排小测验进行考核;如果课程内容以实验为主,修课学生每3~4人为一个实验小组,在习题课上以口头报告或书面论文形式对上次实验结果进行分析总结。此外,辅导老师将讲授下节实验课的预备知识,学生以小组为单位在课后制定具体方案,并在进行实验之前与助教预约时间,讨论实验方案的可行性。
  通過大量习题课的设置,使授课教师能够及时了解学生对每一次课程内容的掌握情况,及时答疑解惑;上课学生也不再一味被动地等待下一次课程的到来,而是开动脑筋,积极地为之准备,确保了课程取得良好效果。
  (四)考核标准务实、全面
  各高校的课程考核方式归纳如下表。综合来看,国外高校的课程考核呈现出应用为主,理论为辅;平时为主,终考为辅;解惑为主,考核为辅的特点。此外,考核非常注重学生的科研养成,例如实验报告要求手写,要清晰、完整地记录每次实验课程的内容。学期内定期核查实验记录本,根据记录实验内容的清晰度、完整性和回答问题的正确性评分;终述报告要求学生选取本学期实验课程中的任意一个实验题目,详细阐述自己对实验的理解,分析得到的实验结果,分享获得的实验思想和理念。此外,终述报告的一项重要功能,是学生指出自己在课程学习过程中理解有困难的概念或问题,反馈给授课教师。
  告别单一的试卷考核方式,全面考察学生的实际动手能力和工程素质,注重学生的反馈意见,是《应用光学》课程教学宗旨的根本体现。
  
  
  
  (五)以听课对象为主体,立足现在,着眼未来
  以亚利桑那大学的《Practical Optics》课程为例,教师在组织学生到研发和销售光学产品的公司考察之前,要求学生对该公司的基本情况和销售业绩展开调研;在考察结束后,要求学生记述参观企业后的感触和技术发现,如公司的产品和顾客群是哪些?产品的原材料是什么,从哪里购进的?产品是怎样依靠技术优势立足于市场的?甚至包括你对公司的企业文化怎么理解等一系列问题。
  课程内容的设置不仅考虑了课程自身知识体系的完整性,还以学生为主体,为学生未来可能面临的问题和困难作技术储备。教师引导学生思考的是学生在走出校门,即将开始职业生涯时必须面对的问题。学生从课堂上收获的,不仅是有限的知识,还包括观察问题的正确视角,以及对问题的全局分析能力和判断力。
  三、关于我校《应用光学》课程的几点思考
  我校培养的本科学员分技术类和指挥类两种,无论所学的是什么专业,都将肩负科技强军、保家卫国的重任。当前,国际形势纷繁复杂,战争走向瞬息万变,能够作为作战双方较量的筹码、决定战争成败的两个关键性因素就是人才和装备。随着光电产业的日益兴起,以光科学和电子技术为支撑的光电武器成为现代战争的杀手锏,比如海湾战争中美军使用的微光夜视仪,比如破坏力极强、来去无踪的高能激光武器。要想熟练掌握这些高科技光电武器,在战场上发挥它们的最佳打击效能,只掌握基本光学原理是远远不够的。我校光电学院开设的《应用光学》课程,不但讲授基本的光学理论,还遵循强化学生工程素质这一导向,以培养学生创造力和解决实际工程技术问题能力为目标,是军事人才掌握和研发现代武器装备,走向高科技战场的一座桥梁。
  经过多年教学实践,该课程较开设之初进行了多次调整和改革[7,8],内容包括调整教学侧重点、开展研讨型教学、依托学科优势资源培养人才等举措。通过参照和对比各高校的教学经验,我们在以下几个方面还需要进一步明确认识,大胆实践:
  (一)明确定位,寓教于用
  有别于基础《光学》和《物理光学》,《应用光学》课程应该着重介绍与实际光学仪器和光学系统相关的知识理论,并为学生创造锻炼解决实际问题能力的机会。但是目前该门课程的学时偏少,如何把握好理论学习与教学实践所占的比重是一个关键问题。如果完全按照参考教材设置的内容讲授,留给学生实验的时间就很少;如果过多的偏重实验部分,学生的知识体系又缺乏完整性。
  解决这一问题需要从光学相关课程的设置上整体考虑,统筹安排,以培养高科技实用型军事人才为目标,构建知识体系完整、内容相辅相成的光学教育平台。尽量避免相关课程之间的内容重复,也不能使学生在知识体系上出现明显缺口。这样,学生在接触这门课程之时就可以具备相应的理论基础,而课堂上的知识讲解将成为理论联系实际的纽带,目的是引导学生深入思考,使其对实际工程问题产生浓厚兴趣。
  (二)深入开展研究型教学
  目前,我们在该课程中开展的研讨式教学主要依托光电学院学科优势资源,向学生展示光学工程前沿领域取得的研究成果。但是受限于学时较少,还要避开涉及军事机密的敏感内容,大多数时候学生只能被动地了解和观看,缺少亲自动手练习的机会。
  在今后的教学过程中,应该将与课程内容有关的、适合本科学生研究的小题目从大的应用背景下分离出来,模拟科研项目的运作模式,在开课之初就布置给学生。这个小课题可以是一个成像镜头的设计,也可以是激光扫描仪的原理研究。在课程结束的时候,采取论文答辩的方式验收课题研究成果。
  (三)普及装备知识,激发学习兴趣
  我校专门为本科学员开设了军事题材课程,但大多数都立足于讲授军事思想、介绍国际战争形势,内容比较抽象,理论性较强。而相当一部分学员将在毕业后走向基层部队,需要接触实际的高科技军事装备,要想用好这些装备,只有军事理论是不行的。因此,非常需要一个展示先进仪器仪表或武器装备,并阐述工作原理的平台,让学员们为未来岗位做好准备。
  结合本课程理论联系实际的特点,可以在讲授理论知识的过程中穿插一些与高科技武器装备相关的应用实例,简述这些装备的特性参数和打击效能,让学生体会抽象的理论知识可以转化为战场上克敌制胜的战斗力,激发他们对本课程的学习兴趣。
  (四)灵活考核标准
  我校的本科教学体系具有非常严格的考评制度,这对任课教师既是鞭策,也限制了他们自由发挥的空间。尤其对于《应用光学》这样与实际应用联系紧密的课程,需要考核的不仅是学生对书本知识的掌握程度,还包括他们的实际动手能力、数据分析能力和与他人团结协作解决问题的能力。如何为这些抽象的能力制定量化的评价标准是授课教师必须解决的问题。
  建议采用国外高校应用为主、理论为辅;平时为主、终考为辅;解惑为主、考核为辅的原则,全面考核学生的工程素质,使他们成为能分析实际问题、解决实际问题的实用型人才。
  四、结束语
  《应用光学》课程是光学工程专业理论联系实际的纽带,也是培养实用型高科技军事人才的重要平台。建设好这个平台,我们还有很多工作要做。借鉴知名高校的先进教学经验,结合具体的人才培养目标,对我校《应用光学》课程进行必要的调整和改革,是提高该课程教学质量的有效途径。
  资助项目:国防科学技术大学教育教学研究课题(项目编号U2011107)
  [参考文献]
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  [2]梁佩莹,陈立冰,曹辉.《波动光学与应用光学》双语教学实践[J],《 科技信息 》,2009年30期,p10;
  [3]徐春梅,李莉,沈洪斌,杨捍东.逆向思维教学法在“应用光学”课程教学中的应用[J],《 中国电力教育:上 》,2009年7期,p64;
  [4]劉浩.基于问题式学习法理论的《应用光学》教学实践[J],《陕西教育:高教版》,2009年2期,p54;
  [5]郭仁慧,高志山.谈《应用光学》教学的改进方法[J],《 高教论坛 》,2009年.卷1期,p90
  [6]岑兆丰,李晓彤,刘向东.浙江大学应用光学课程的发展和改革[J],光学技术,2007年1期,p65;
  [7]王泽锋,耿美华.以科技竞赛为依托推进本科学员创新教育[J],《高等教育研究学报》,2010年.33卷 3期,p10;
  [8]程湘爱,王睿,王泽锋,侯静,关于习题课教学的探讨[J],高等理科教育,2011年教育教学研究专辑,p58
  (作者单位:国防科学技术大学 光电科学与工程学院 湖南长沙)
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