基于丹麥奧爾堡大學PBL模式的應用光學設計課程教學實踐探索

甄艷坤 阮幼津

摘 ? 要：本文概述了應用光學設計課程的教學背景，介紹了丹麥奧爾堡大學PBL模式的特色和核心元素，同時以該課程中球差教學內容為例，將丹麥奧爾堡大學PBL模式融入到教學實踐中，構建以學生為中心的教學模式，發揮其在激發學生學習動力的優勢，促進學生在學習中將課程理論與設計實踐靈活結合，鍛煉學生團隊協作的能力，并通過教學反思分析在整個教學實踐過程中的得失。

關鍵詞：丹麥奧爾堡大學PBL模式 ?應用光學設計課程 ?自主 ?小組合作

中圖分類號：G421; G642.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（b）-0203-03

隨著國內外光電產業蓬勃發展，光電產業已成為國家的戰略性支柱產業，而其對光電專業人才的需求也越來越迫切。在光電專業相關課程體系中，以幾何光學為基礎的應用光學設計課程，重點體現了對高素質實踐應用型人才的培養目標。但目前該課程教學形式過于傳統化，教學方法上形式比較單一，在學習效果上出現學生實踐應用能力差等問題。丹麥奧爾堡大學PBL（Problem Based Learning基于問題的學習法）模式[1]以問題為基礎、以學生為中心、以項目形式開展學習、以解決所提出的問題為最終目的，同時強調學生學習過程以團隊協作方式進行，其在激發學生學習動力和提高教學效果方面有顯著效果，是具有一定創新性的教育模式。

本文以應用光學設計課程中的球差教學內容為例，將丹麥奧爾堡PBL模式合理融入到教學實踐中，相較以往教學效果，其在加深學生概念理解、拓展解決實際問題的能力以及培養團隊協作能力等方面具有明顯優勢。

1 ?課程教學背景

應用光學設計課程是光電、光學工程專業學生的實踐性必修專業課，旨在培養具有高素質的實踐應用型人才[2，3]。本文所涉及的應用光學設計課程主要包含以像差理論為主體的理論教學內容以及上機操作為輔的實踐教學內容。雖然近些年以加強學生實踐能力為出發點，不斷對該課程進行教學改革，但根據近些年的教學情況來看，教學過程中仍存在以下問題。

1.1 學生學習動力不足

應用光學設計課程是一門實踐性比較強的課程，但其所涉及的概念抽象、專業性強，且含有復雜幾何光路圖的分析和公式推導，無法使學生形成直觀的理解。這使得學生在后期上機實踐學習過程中，無法將實踐操作與像差理論相對應，時而久之，學生覺得課程學習難度大，學習動力不足。

1.2 學生學習習慣被動

雖然主修該課程的學生學習能力之間存在差異，但他們的基礎儲備知識幾乎相同，其學習習慣也往往趨向于簡單遵循老師的教學步驟，而不是考慮自己應該做什么以及為什么這么做。這使得學生在學習過程中，往往忽略了對光學設計技巧要實現靈活運用的目標，降低了個人設計體驗的強度。

1.3 整體課程的學習效率不高

由于上機實踐教學學時有限，老師若采用一對多、單向灌輸的傳統教學方式，不僅無法考慮到每個學生學習情況的差異性，也不能兼顧到光學設計本身所帶有的個性化和靈活性特點，整體課程學習效率不高。

1.4 評價學習效果方式缺乏動態性

光學設計過程本身是動態過程，若以傳統的靜態結果作為考核形式，不僅老師無法準確、全面了解學生對于知識實踐應用的真實情況，而且學生也無法獲得及時的反饋信息，不利于激發學生的學習動力和提高學習效果。

2 ?丹麥奧爾堡大學PBL模式

丹麥奧爾堡大學創建于1974年，其把PBL作為基本的教學理念，并在此基礎上形成了全員性、系統性、跨學科的丹麥奧爾堡大學PBL模式[4]。該模式核心元素[5，6]主要包含以下幾方面。

2.1 問題的產生

奧爾堡PBL模式強調在一般課程和項目課程的課程體系框架下，學生把問題作為學習過程的起點。而該問題的產生應是學生以團隊協作方式從現實生活和生產實踐中產生相關實際問題，并非教師預先設計。當然為了界定學習和研究的領域范圍，學生所提出的問題應具有典型示范性[7]，即問題能夠返回并運用到專業學科領域內的具體實踐環節和科學技術領域，能夠具體說明或展示與學科領域知識或學習方式相關的綜合學習效果。同時由于學生在問題的產生過程中，需要對問題進行深入探究和分析，會選擇相應學習內容和合理方法去解決問題，從而促進學生自主知識構建。

2.2 項目的開展

丹麥奧爾堡大學PBL模式以具體問題為學習過程核心，而非具體任務或學科作業，所以此模式形成了獨具特色的以問題為基礎、以項目為導向的學習模式。在項目的開展過程中，為了強調學習過程的真實性學習原則，處理的問題應來自真實的問題情境，學生具有很高的自由選擇權，來完成項目計劃目標的分析、規劃和管理，讓學生找到理論學習和生產實踐的聯系。

2.3 小組的合作

基于社會建構理論[8]，在丹麥奧爾堡大學PBL模式中，學生以小組為單位進行項目學習是整個學習過程的重要組成部分。在整個學習過程中，小組成員將圍繞所產生的問題式項目，協同完成問題分析、時間計劃安排、研究任務分配、團隊管理準則、團隊合作反思等，一定程度上模擬了真實工作情境。

結合以上核心元素，丹麥奧爾堡PBL模式經過多年的發展，已經成為PBL領域的重要典范并引起了各國教育界的廣泛關注。

3 ?應用光學設計課程教學實踐

考慮到學科培養方案和課程體系構架的實際情況，本文僅將丹麥奧爾堡大學PBL模式作為應用光學設計課程的輔助部分，合理融合到教學實踐中開展教學探索。

3.1 學習目標

為了讓學生在學習過程中真正成為自我負責的學習者，由學生主導和教師輔助進行學習目標設計，主要包括：（1）從知識框架方面，學生應在已有的像差理論知識基礎上，加深理解球差產生的原因、影響等知識點，自主學習并靈活運用多種控制球差的方法，同時通過軟件操作深入體驗光學設計過程。（2）從團隊合作方面，由學生主導開展相互分享、緊密合作的小組學習活動，培養團隊意識。

考慮到學生的學習背景和特點，在學習過程中簡化了理論推導，加強了實踐應用。因此，學習內容將涵蓋3個板塊：理論部分（球差），工具部分（光學設計軟件的基本功能介紹），實踐部分（問題的挑戰）。圖1為學習內容板塊關系圖，其中理論板塊主要介紹球差的大小、產生原因、影響后果等，工具板塊以介紹光學設計軟件基本操作功能為重點，將此兩板塊充分結合將成為實踐板塊的重要基礎，不僅有助于學生通過自主學習控制的球差方法和技巧，尋求挑戰問題的解決辦法，還有助于學生深入體驗光學設計的基本過程。

3.2 學習過程

由于本課程的教學背景強調理論知識應該在實踐中應用，所以如表1所示，整個學習過程將經過3個階段：（1）為了在下階段中學生所提問題具有典型示范性，教師將作為引導者，以傳統教學方式提供和引導學生掌握相關基礎資源，如參考文獻、視頻、術語、PPT等。（2）學生可以根據自己的學習情況，并結合第一階段知識模塊提出的初級問題。在此階段學習過程中，學生所提問題應具有一定導向性，同時面對問題會自主擴充學習資源和拓展知識視野。（3）學生會自主組建小組，并提出來自實踐領域的真實性問題。例如采用單個對稱雙凸透鏡的系統作為設計起始點，其中光源波長為632.8nm，透鏡由N-BK7制成，透鏡表面半徑為18mm，透鏡厚度為5mm，而物體空間中的數值孔徑為0.3，物距為30.2mm，像距為41mm，尋找到控制球差的最佳過程方案。如果此時小組成員之間所掌握控制球差方法越具有多樣性，意味著小組成員之間通過同伴學習和協作方式，獲得解決具體實際問題的渠道越豐富，從而實現設計最佳結果的可能性也越大。老師在此階段會鼓勵小組成員之間的合作，讓小組成員之間互動產生動態學習資源，對知識和技巧進行共享。

3.3 學習效果評估

在此學習過程中，對于學習效果的評估主要包括過程評估和最終評估兩種類型。過程評估不僅可以由教師進行，也可以由學生通過同伴評估形式系統進行。最終評估是教師在學習結束時以口頭答辯和紙質報告形式來評估學習成果。答辯過程中，每個小組成員都應該展現出解決問題的過程是自身經過深入思考并根據實踐操作做出判斷的過程，而不是簡單機械地記憶。同時老師會檢查紙質報告并將建議及時反饋給學生，并將優秀的報告放在網絡進行展示。

4 ?教學反思

雖然在此教學實踐中，并沒有完全參照PBL模式運行，但其模式關鍵要素在整個學習過程中起到了重要積極作用：（1）挑戰性問題的產生，來自于學生自主實踐體驗，不斷激勵學生尋找最佳答案。（2）小組合作建立積極學習環境，學生通過參與具有共同目標和平等協作的小組學習過程，形成點對點的同伴學習方式，這讓學生更容易從學生角度，通過交流，自主構建多層次網絡知識框架。（3）在有限的上機實踐學時內，學生可根據自身情況，有更多的機會自主學習更多設計技巧和體驗到更深層次的設計過程，大大提高整體課程的學習效率。（4）及時評估和反饋學生的學習效果，將積極促進學生在學習過程的參與度和對知識點的理解程度。

當然，在教學實踐的過程中也出現了許多問題，例如在教學過程中相關課程融合度不高;學生對問題本身的構建和分析缺少足夠的真實性;學生在處理團隊沖突時缺少合理的處理方式。這些問題也是將來本課程教學實踐改革中努力的方向。

5 ?結語

綜合以上內容，丹麥奧爾堡大學PBL模式在培養學生自我負責的能力、挖掘學生自主學習的動力、提升課堂教學效能等方面，確實對開展本課程教學實踐改革有一定的借鑒意義，但如何立足于現實教學情況，并將其運行模式與傳統教學框架和課程體系相融合，而不局限于工具層面的教學實踐實施，這對老師、學生和教育管理者來說都是巨大的教學改革挑戰和機遇。

參考文獻

[1] 李會春，杜翔云.面向未來的課程設計：奧爾堡大學PBL課程模式與教育理念探析[J].重慶高教研究，2018（3）：117-127.

[2] 李曉艷，王樂，石巖.注重素質和實踐能力的現代光學系統設計課程教學方法研究[J].科技信息，2011（2）：113.

[3] 黃幼萍，陳冬英.工程型人才培養的光學設計課程教學方法研究[J].科教導刊，2018（1）：124-125.

[4] Kolmosa，Inkfk，Kroch L.The Aalborg PBL Model[M].Aalborg： Aalborg University Press，2004：11-17.

[5] Anette K， Flemming F， Long K. The Aalborg model： Problem based and project organized learning[M].The Aalborg model， Aalborg University Press，2004：15.

[6] ANETTE K.Reflections on project work and problem-based learning[J].European journal of engineering education，1996，21（2）：141-148.

[7] 陶丹玉.奧爾堡大學PBL教育模式基本原則[J].嘉興學院學報，2015（5）：117-121.

[8] Maggis， Clairem. Foundations of problem based learning [M]. Berkshire： McGraw Hill Education，2004：23-34.