基于OBE理念“激光原理與技術”課程的教學改革探討

郭明磊 王郭 呂躍鳳 官邦貴

摘?要：針對“激光原理與技術”課程，基于以學習成果為導向的OBE理念，結合高水平應用型大學的辦學思路以及精品開放課程的建設，通過逆向設計教學模式、教學內容、教學方法和實踐教學各個教學環節，培養學生思維能力、分析能力和實踐能力，提高教師教學水平。

關鍵詞：光電信息;激光原理;OBE理念

中圖分類號：G642.0??文獻標識碼：A

Abstract：Based?on?the?OBE?concept?oriented?by?students'?learning?achievements，combined?with?the?idea?of?running?a?highlevel?applicationoriented?university?and?the?construction?of?excellent?open?courses，the?teaching?practice?and?teaching?reforms?of?laser?principle?and?technology?course?have?been?carried?out，through?the?reverse?design?of?teaching?mode，teaching?content，teaching?method?and?practice?teaching，to?cultivate?students'?thinking?ability，analytical?ability?and?practical?ability，so?as?to?improve?teachers'?teaching?level.

Keywords：optoelectronic?information;laser?principle;OBE?idea

1?概述

隨著光電信息科學與技術的發展和新工科背景下高素質人才培養的需求，對高水平應用型本科高校的辦學思路和人才培養提出了新的要求。“激光原理與技術”課程是作為光電信息類專業的一門重要的基礎課程，在專業建設和人才培養中具有承上啟下的課程地位[1]。由于該課程公式復雜，理論性強，學生不容易接受，如何讓學生更好地理解激光原理與技術的基本知識，并把相應的激光技術成果滲透到課程教學當中，這是值得當前從事該課程教學的教師共同思考的問題[24]。OBE作為一種以學習成果為導向的教育理念，自1981年由Spady等人提出后，被公認為是追求卓越教育的有效方法，受到各國著名大學的重視[5]。將OBE理念引入高等工程教育，可以有效地提高教學質量，實現預期的教學目標[69]。“激光原理與技術”課程的核心目標是使學生了解和掌握激光器的基本原理和技術，培養學生分析解決激光問題的能力，同時能理解并掌握激光技術在相關行業的應用，具有分析和處理一些激光技術相關問題的能力。基于OBE理念，通過教學目標的確立和學習者的分析，可以逆向設計教學模式、教學內容、教學方法和實踐教學各個教學環節，并應用于實踐教學，從而培養學生能力素養，提高教師教學水平。

2?教學現狀

“激光原理與技術”教學采用傳統的教學方法難以取得理想的教學效果，難以滿足時代發展對光電專業高素質人才培養的要求。目前主要存在以下幾個方面的問題：一是教學過程以全程講授的教學方式進行授課，教學方法單調，學生在教學活動中只是一個被動的接受者，學生缺乏對知識的深入理解和思考，特別是對激光增益、激光展寬、激光腔輸出模式、品質因數、脈沖功率等問題，不能靈活地運用所學知識去分析，遇到一些綜合性的問題更是束手無策;二是理論不能聯系實際，學生接觸的只是教材中的一些例子和簡單的應用，與實際結合的內容較少，缺乏生動直觀的激光原理模型，導致學生感覺到自己所學的激光原理知識與實際生產生活相距很遠;三是教學評價方式片面，課程考核注重的是學生對知識點的記憶，忽略了學生平時學習的過程和科學思維的鍛煉，不能很好地反映學生學習的效果。

3?教學改革

OBE教學理念強調的是將學生作為教學的主體，它改變了傳統的教學理念，教學不再以傳授知識為主，而是以培養學生能力、解決實際問題為核心，注重學生內在學習動機的誘導，強調學生思維和技能訓練[67]。將OBE理念引入高等工程教育，以學生的學習成果為導向，依據所確定的教學目標，設計各個教學環節，可以有效保障學習過程的實施，從而最終實現預期的學習目標。

3.1?教學模式改革

基于OBE教學理念，“激光原理與技術”課程教學模式可以大致分為五個部分，即分析（Analysis）、設計（Design）、開發（Develop）、實施（Implement）、評價（Evaluate）的ADDIE模式。如圖1所示，首先在分析學生的基礎上，確定教學目標，學生需要掌握激光器的基本概念、基本原理和相關技術，理解并掌握激光技術在相關行業的應用，結合實際運用所學知識分析和處理一些激光技術相關問題。第二步，設計教學內容和教學任務，構建合理的教學課程體系，對于激光調制技術、激光脈沖技術、激光偏轉技術、激光加工和激光精密測量中的應用等教學內容，由于其與生產生活聯系更為緊密，在教學中可以有所偏重，讓學生對激光技術的發展和應用有更加深入的理解。第三步制定教學策略，針對不同的教學內容可以選擇和開發不同的教學方法，例如采用探究式學習的方法、任務驅動教學法、MOOC教學法、或者是翻轉課堂的方式等，以學生更容易接受的方式來實現好的教學效果。第四步教學活動實施環節，教師要充分發揮主導和促進作用，提供學習資源、創設學習情境、提供學習支持、激發學習興趣，保障學習過程的順利實施。最后制定多元化的評價體系，客觀地反映學習成果的優劣，為教學活動提供正確的引導。

3.2?課程內容設計

OBE教學理念下“激光原理與技術”課程教學內容可以進行模塊化的設計。根據學校專業人才培養目標的定位和課程教學目標，在制定課程教學大綱和知識體系結構的基礎上，將課程劃分為六個模塊。

模塊一受激輻射理論，主要介紹光和物質相互作用，要求學生掌握自發輻射和受激輻射等問題。

模塊二激光輸出特性，主要介紹光譜線、線型、光譜線寬度的概念，要求學生掌握自然增寬、碰撞增寬、多普勒增寬的原因、展寬線型、增寬大小及其影響因素。

模塊三激光器工作原理，主要講解激光器三能級系統和四能級系統的工作方式，要求學生掌握速率方程組的建立、推導和粒子數密度反轉分布的條件，掌握均勻增寬型介質中的增益系數和增益飽和。

模塊四激光脈沖技術，主要講解激光器所存在的各種損耗和起因，要求學生理解激光諧振腔的品質因數的含義，掌握調Q的原理和常見調Q的方法，掌握激光鎖模技術的含義，掌握鎖模的原理和鎖模的常見途徑等。

模塊五典型激光器，主要介紹固體YAG：Nd激光器、氦氖激光器、染料激光器、半導體激光器的特點和機理，了解激光器的泵浦系統和輸出特性。

模塊六激光技術應用，主要結合激光技術的發展講述激光在精密測量、光通信、激光加工等方面的應用。

3.3?教學方法和手段改革

教學方法和手段是教學過程重要的組成部分，運用富有成效的教學方法與手段，對實現教學目的和任務能起到事半功倍的效果。基于OBE教學理念，融合現代教育教學技術，實現各種教學方法和手段的互補。教師在課堂上以啟發和引導的方式提出問題，采用多媒體教學對復雜公式的推導過程和結果進行分解顯現，使問題簡單化、條理化。利用大量的教學資源，包括自制的視頻、演示動畫、電視插播片等進行講授，將所描述的現象或過程展現出來，提高學生對知識的掌握水平。例如在受激輻射模塊，可以通過動畫演示受激吸收、自發輻射、受激輻射過程，不僅可以直觀地展示激光產生的物理機理，而且可以增強學生對激光產生過程的感性認知。在講授高斯光束空間分布時，可以開發仿真軟件，讓學生在學習理論公式的同時，直接觀察到高斯光束基模和高階模的空間分布。在激光技術應用模塊，可以通過視頻展示常見的激光應用案例，如激光加工中的激光金屬切割視頻、激光美容中的激光祛斑視頻、激光信息傳輸中的音頻加載視頻等。此外，教師可以結合自己在激光應用領域的研究進展，給學生提出若干問題，讓學生去思考解決問題的方案，激發學生求知和創新的欲望。

3.4?實驗教學改革

“激光原理與技術”課程開設實驗的目的是使學生理解激光諧振原理和激光傳播特性，掌握激光模式、光斑形狀、能量分布和其他主要參數的測量方法等，除了實驗室開設的必做項目外，可以進行實驗模塊的拓展。

（1）開放型實驗模塊：為了有效地利用現有的實驗設備，同時激發學生的學習興趣，學校可以在規定的時間段開放不同的實驗項目。例如：光纖音頻信號傳輸實驗、液晶電光效應實驗、激光超聲光柵實驗等，這些實驗緊密聯系生產生活實際，對激發學生的求知欲具有積極作用。

（2）研究型實驗模塊：通過對一些實驗項目進行擴展或改進創新，對學生開展探究式學習，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，這在基于OBE教學理念下培養應用型光電人才非常重要。例如在激光電光調制實驗中，可以讓學生進一步分析輸出光偏振態的變化、調制晶體對光信號強度的影響、倍頻電壓測量方法改進、信號的倍頻失真等，這樣以激光調制內容作為研究型教學的載體，在教學過程中教師加以適當的引導，努力貫徹研究式學習的意識和態度，鼓勵學生對相關項目做深入的研究，可以充分訓練學生的研究性思維和創新能力。

3.5?評價體系改革

建立合理的考核評價體系是基于OBE教育理念的教學過程的最后一個環節，考核的目的是通過考核判斷學生的學習成果是否通過教育教學活動達到預期的學習目標，依據考核來客觀地反映學習成果的優劣，并通過反饋機制，修正教學環節中的不合理因素，進一步提高教學質量。基于OBE教育理念“激光原理與技術”課程學習成果的多元化考核評價體系不再以考試為主，而是將考核評價貫穿于整個教學過程。將教師授課、學生階段測驗、考試等有機結合，對于學習成果的考查內容不僅包括考試成績、平時考勤和作業情況，還包括學生平時學習討論的表現和實驗實踐情況。其中，階段測驗可以依據“激光原理與技術”課的重難點進行選擇，比如在完成激光脈沖技術、選模技術、穩頻技術后，設置一些開放性的題目進行階段測試，旨在提高學生對相關激光技術的理解深度。期末考試則注重基礎性考查，偏重于學生對激光原理與技術基本知識的理解和運用。探究式學習和討論部分按照探究學習小組劃分，每5人一組，實行組內相互監督，相互評價。平時成績考勤部分和作業情況由教師完成。

結語

在“激光原理與技術”課程教學過程中融入OBE教學理念，堅持以學生學習為主體，以學生能力培養為根本出發點，通過教學模式改革、課程內容設計、教學方法和手段改革、實驗教學改革和建立多元化評價體系，不斷尋求精品開放課程的建設路徑，克服傳統教學方法中單調、理論不能聯系實際、教學評價方式片面等弊端，激發學生學習的主觀能動性和創新思維，培養學生思維分析能力和工程實踐能力，實現課程預期的人才培養目標，為地方應用型本科精品開放課程建設和高校光電人才培養提供一些新的經驗。

參考文獻：

[1]郭杰，張美鳳，劉珂琴，等.課程模塊化教學探索與實踐——以《激光原理與技術》課程為例[J].軟件導刊，2019，18（9）：4345.

[2]王忠全，張科，李蘭蘭，等.激光原理與技術實驗教學方法研究[J].教育觀察，2018，7（3）：111112.

[3]邢俊紅，焦明星，劉蕓，等.激光原理與技術精品資源共享課建設與實踐[J].教育教學論壇，2020（4）：176179.

[4]鐘先瓊，胡曉飛，羅莉，等.《激光原理與激光技術》課程建設與教學改革的實踐探索[J].成都信息工程學院學報，2019，24（4）：422426.

[5]黃艷麗.探究成果導向教育在高等工程教育中的實踐[J].理論觀察，2016（2）：153154.

[6]曹玉東，王冬霞，周城旭，等.基于工程教育認證和OBE理念的教學大綱設計[J].大學教育，2021（3）：8890.

[7]李雪艷，戴路，劉文財.以OBE理念和翻轉課堂為導向的應用型課程建設——以“電子技能訓練”課程為例[J].工業和信息化教育，2021（02）：2329.

[8]張亞峰.基于OBE理念的應用型高校創新創業“金課”建設研究[J].高教學刊，2021（4）：3235.

[9]陶莎，薛清，王素芹，等.OBE教學理念在《激光原理》課程中的探索實踐[J].科技經濟導刊，2020（29）：144145.

基金項目：安徽省高等學校教學研究項目（2018?jyxm0679）;安徽省精品開放課程項目（2017kfk076）;校級精品線下開放課程項目（XJ201919）;國家級大學生創新創業項目（202010879089）

作者簡介：郭明磊（1980—?），男，山東臨沂人，博士，副教授，從事激光與光電信息工程技術及應用研究。