基于CDIO的光學設計課程改革與實踐

王昱琳，易　丹，袁紅梅，孟雪琴

（電子科技大學成都學院 微電子技術系，四川　成都　611731）

基于CDIO的光學設計課程改革與實踐

王昱琳，易丹，袁紅梅，孟雪琴

（電子科技大學成都學院 微電子技術系，四川成都611731）

文章結合電子科技大學成都學院的學生特點及學科設置，基于CDID工程教學理念，按職業能力目標整合教學內容，以“任務式實踐”為教學模式，設立多方面的綜合考核方式，對光學設計課程實施了全方位的教學改革。實踐證明此次改革獲得了學生的認同及良好的教學效果，為進一步的工程教育改革積累了經驗。

CDIO；光學設計；教學模式；工程教育

光學設計是許多工科院校光電專業的主修課程，是一門將幾何光學、物理光學知識與實踐相結合的學科。該課程應用性、操作性較強，涉及的知識點較廣泛，對鞏固學生的數理基礎，培養學生的科學素質、思維能力、設計能力等方面都有著極為重要的作用［1］。在傳統的“先教授、后使用”的教學模式中，存在著學時少、理論基礎銜接不佳、學生缺乏學習動力等問題。為此，結合學生的特點，開展了基于CDIO（Conceive，Design，Implement And Operate，構思、設計、實現和運作的工程教育理念）工程教育理念的光學設計課程改革。改革按職業能力目標的層次和類型，遵循學生學習能力培養的基本規律，以虛擬工作任務及其實驗過程為依據，整合、優化教學內容，實現更緊密的“教、學、做”一體化，為學生創造一個靈活、自由、主動的學習環境。

1　課程定位及教學現狀

1.1課程定位

學校的光學設計為實驗或實訓課程，一般開設于本科三年級，是基于已學習的“幾何光學”“物理光學”“工程制圖”等課程基礎上，完成從理論教學到工程實踐的過渡［2］。通過本課程的學習，使學生較系統和全面地掌握光學設計理論和設計方法，并能完成大多數典型光學部件和系統的設計工作。該課程以光學設計為核心，理論聯系實際為立足點，以培養學生工程素質與綜合創新能力為基本目標，將學生培養為既有堅實理論基礎又有相當實踐能力的復合型實用人才［3］。

1.2教學現狀

首先，雖然光學設計中需用到的基礎知識已在前期的理論課程中教授過，但由于涉及的知識點較多，而學校的學生普遍存在對理論知識的學習缺乏熱情、對知識點的理解及掌握不夠或是容易遺忘。導致每次在實驗課中仍需花較多的學時鞏固之前學過的基本物理量及公式，在有限的實驗學時中，學生們用于實踐、鍛煉的學時不夠。

光學設計實驗課是依托計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）軟件來進行光學設計。在傳統的“先教授、后使用”的教學模式中，前期授課內容主要是介紹軟件的基本功能，學生都是跟著老師的步驟逐步操作。在實驗課后期，安排幾個設計任務讓同學們自主獨立完成，這一階段學生的問題會特別多，很多都是非常簡單或操作上的問題。由此可見，在以往的教學模式下，學生前期已學的理論知識銜接不上，缺乏學習興趣、主動性及思考，已不能滿足對人才培養的需求。應結合實際情況，對光學設計課程進行改革。

2　課程改革思路與內容

2.1基于CDIO課程體系整合基礎理論知識

要做好一個光學系統設計，囊括的知識點較多。這些知識點都在之前的其它課程中學習過，卻比較分散。例如“幾何光學”中講授的輻射度學、光度學，“工程制圖”課程中講授的制圖、標注方法等。可在前期相關的課程章節的教學中，有針對性地介紹一些關于光學設計的實例，讓整個課程體系達到CDIO的教育理念，即讓學生主動將實踐課程有機聯系起來學習。在光學設計實驗課中，基于建構主義和混合式學習理論，以就業為導向，根據光學設計技術領域和職業崗位的任職要求，參照職業資格標準，選取課程內容。

2.2以“任務式實踐”為主要教學模式

改變“先教授、后使用”的教學方法，以CDIO工程教育理念為指導思想，按能力培養目標的層次和類型，以典型項目和學習任務為主要教學模式。

由于其它相關課程中已經加入一些光學設計實例，因此在本課程初始階段，回顧理論知識的學時將大大縮短。在光學設計課程的前期階段，主要目的是讓同學們熟悉軟件的功能和使用，但不再是老師先講解再讓學生操作，而是直接以幾個簡單的仿真任務為切入點，讓同學們一邊思考一邊熟悉軟件功能。在每次上課一開始就先展示仿真結果并布置小任務，讓學生對本次任務有一個直觀的認識。通過這種方式，讓同學們帶著具體的任務來學習、操作光學設計軟件，快速地體會到設計的流程與目的。

在光學設計課程的后期階段，同學們已經掌握了光學設計的基本步驟，為了鍛煉、檢驗學生的掌握程度，培養其獨立思考及分析能力，將安排幾個大型虛擬項目讓同學們完成，教師適時對學生的設計過程進行指導。具體的方案如下：（1）充分考慮學生的現有知識和能力水平，按照適合協作學習的分組辦法對學生進行分組。（2）學生通過自主學習、小組協作學習等方式，對該項目的設計目標進行分析，確定任務所涉及的各種要素，充分應用已掌握的前序知識，確定任務的實施步驟和分工。（3）學生利用CAD光學設計軟件，按照已制定好的計劃獨立完成項目任務。教師適時對學生的設計過程及分工合作進行指導，實現教師和學生以及學生之間的交流。（4）項目完成后，采取分組討論及自由發言的形式展示自己的項目成果，讓同學們成為課堂的“主角”，老師只做適當的引導。討論結束后，老師對思考題進行講解。學生在此過程中能夠充分參與，通過自己切身的思考與表達，對比自己與其他同學的成果，查找不足。

2.3設立多項考核方式

光學設計課程以實踐為主，著重點在于軟件操作、設計步驟、設計思路和結果分析，尤其是如何得出正確的結果圖、對結果圖的正確分析以進一步調整結構參數優化設計都至關重要。因此，為了考核學生在本課程中各方面的表現，采用單一的期末考試方式顯然并不適用。同時，考慮到CDIO的工程培養理念及能力目標，課程的考核成績不僅僅是分數上的高低，應從學生的創新精神、工程能力、自學能力、交流溝通與表達能力、團隊合作等多方面對其進行綜合考核評價。

在本次光學設計的教學改革實施環節中，學生的成績由4部分組成：（1）基本操作部分。課程前期階段，每次上課的小任務都有完成情況的小任務分數，主要考查學生對軟件基本操作的掌握程度，避免有些同學上課分心、渾水摸魚。（2）設計分析部分。課程后期階段，每個虛擬項目都設置幾個考核節點及思考題，先讓每位同學自主完成并評定個人成績，主要考查學生的實際應用能力、分析及解決問題的能力。（3）小組合作部分。每個虛擬項目個人完成后再進行分組討論，根據每組的結果讓同學們自由發言，根據表現評定分數，主要考查學生的團隊合作、交流溝通與表達能力。（4）寫作報告部分。虛擬項目實施過程中，每位同學必須記錄自己的設計步驟及思路，在學期末自行整理后上交實驗報告及個人總結，根據報告內容評定分數，主要考察設計思路的寫作能力、邏輯分析能力。

3　教學效果

光學設計的課程改革已實施一個學期，針對課程內容、教學方式、教學效果等方面編寫了調查問卷，并讓所有上課的同學填寫。從已提交問卷中可以看出，同學們對于每次課程的任務及現場打分體會頗深，不僅讓他們的學習目的更明確，也是督促他們每堂課都認真對待的有效方法。配合多方位的成績考核方式，給予學生充分展示自己的機會，有效地調動了學習積極性及主動參與意識。關于虛擬項目先獨立完成、再小組討論的方式，同學們也給予高度贊同，認為這種方式讓他們先有自己的思考與結論，再相互溝通交流，不僅鍛煉了自己分析問題的能力，也大大激發了他們的學習興趣及參與性，能夠適時體會到自己的不足，這也從每次課堂討論的熱烈氛圍中有所體現。另外，光學設計需要設計者有清晰的思路及分析判斷能力，因此實驗課程中關于這一部分也有針對性的鍛煉及考核，這一點也從同學們的問卷中得到較好的反饋，大部分同學認為在光學設計實驗課中鍛煉了結果分析能力和設計過程的寫作能力。

4　結語

培養和提高學生的動手實踐能力，為企業輸送合格實用的光學設計人才，一直是高校及教育工作者值得思考的問題［4］。借鑒CDIO工程教育理念，結合本校學生及學科建設的特點，對光學設計課程進行了具體的改革實踐，獲得了良好的效果。今后，筆者將不斷完善CDIO的課程教學體系，在實踐中探索、改革、提高，培養出更多適應學科發展的綜合性工程技術人才。

［1］陳美香，劉銀春.《工程光學設計》教學方法探索［J］.中國科教創新導刊，2007（12a）：34.

［2］張繼艷，熊飛兵.以工程素質為導向的光學設計CAD教學方法探討［J］.中國電力教育，2013（31）：93-94.

［3］岑兆豐，李曉彤，劉向東. 引入科研模式的光學系統CAD課程［J］.光學技術，2007（33）：272-274.

［4］許曉賦，廖珊珊，高忠堅，等. 《光學設計》課程教學模式的探索與實踐［J］.福建教育學園學報，2014（4）：69-71.

Reform and practice in the course of optical design based on CDIO

Wang Yulin， Yi Dan， Yuan Hongmei， Meng Xueqin
（ChengDu College of University of Electronic Science and Technology of China ， Chengdu611731， China）

Combined with the characteristics of the students and the subject setting， the teaching reform in the course of optics design has been carried out. The reform a djusted the teaching content according to the vocational ability， employed “task based practice” as the teaching pattern， established a comprehensive assessment of various aspects. Experience has proved that the reform has gained the recognition of students and favorable teaching effect. It also accumulated experience for further engineering education reform.

CDIO； optical design； teaching pattern； engineering education

王昱琳（1981— ），女，江西南昌，助教，碩士；研究方向：光學設計與光電檢測技術。