創新人才培養視野下的“應用光學”課程實踐教學改革探索

毛 珊

（西北工業大學 物理科學與技術學院，陜西 西安 710129）

一、“應用光學”課程教學問題及探索意義

人才是一個國家、一個民族發展的核心競爭力。創新人才是具有創新精神以及創新能力的人才，是我國高等教育對人才培養的重要目標。從20世紀80年代開始，創新人才的培養一直是我國高等教育人才培養的重要目標。特別是，黨的十九大從新時代堅持和發展中國特色社會主義的戰略高度，做出了優先發展教育事業、加快教育現代化、建設教育強國的重大部署。習近平總書記在全國教育大會上指出：“教育是民族振興、社會進步的重要基石，是功在當代、利在千秋的德政工程，對提高人民綜合素質、促進人的全面發展、增強中華民族創新創造活力、實現中華民族偉大復興具有決定性意義。教育是國之大計、黨之大計。”［1］因此，如何培養創新人才是我國目前高等教育的重要任務之一。

創新能力的培養是基于并且高于課程教學內容的，“應用光學”課程涵蓋光學成像基本理論、典型光學系統成像原理以及應用ZEMAX軟件進行典型光學系統設計的基本方法等課程內容，具有較寬的專業適應性和良好的工程實踐指導性。傳統的光學設計課程主要以“教師—課堂—教材”為中心，以教師講授為主，學生參與性、主動性較差，創新思維和能力受到束縛，學生進行實踐和創新的能力不足，不利于我國高等教育創新人才培養［2-4］。因此，以創新人才培養為目標，對“應用光學”課程進行教學改革是實現學生高階能力培養的要求，是我國高等教育對人才培養的要求，更是為了適應時代和社會發展的要求，是非常必要和及時的。

此外，課程內容更是符合“大眾創業，萬眾創新”的社會背景，是光電信息科學與工程相關專業的創新實踐類課程。創新能力與專業技術的融合是當前光學工程專業教學改革的重要內容，符合當前社會對此類專業人才培養的要求。結合我校辦學特色和專業結構等優勢，本課程建設能夠服務國家重大需求和“雙一流”人才培養計劃。因此，有必要開展創新人才培養事業下的專業課建設，二者相輔相成，其融合有利于培養學生的雙創能力，落實高校實施創新驅動發展戰略，豐富改革理論，深化改革道路，更好地響應國家“雙一流”建設。

二、課程教學改革實施策略

通過學習“現代光學設計基礎”課程，學生要了解光學設計的發展歷程、應用領域及前沿課題，熟悉光學設計的基本概念和定義，掌握現代光學設計的必要基礎理論和設計方法，特別是應用光學成像基本理論、像差理論、典型光學系統優化設計方法以及使用ZEMAX軟件進行光學設計的基本方法和優化設計等內容，從現代光學工程視角出發，基于應用光學理論，以光學設計為主線，培養完整的現代光學設計思維和能力，并為學習如“光學”“信息光學”“光電子學”“高等光學”“高級光學設計”等課程奠定扎實的理論基礎。

在課程教學改革過程中，秉承以立德樹人為引領的“研究+應用”綜合型教學理念，堅持“知識+能力+素質+價值觀”一體化的全方位育人理念，培養目標如下：（1）育人目標：樹立家國情懷，激發奮斗熱情，形成工程素養，培養創新意識；（2）能力目標：加強實踐環節，提高興趣培養，初步達到光學設計工程師的能力要求；（3）知識目標：了解光學設計的發展歷程、應用領域及前沿課題，熟悉光學設計的基本概念和定義，掌握現代光學設計的必要基礎理論和設計方法。

（一）改革教學目標：創新人才培養

課程改革的根本目標是培養符合高等教育要求的創新型人才［5-6］。根據新工科建設重視創新型、綜合化的工程教育理念，高等教育培養創新型人才能夠推動行業技術與經濟社會的發展。通過深度調研光電行業發展和對高等人才的需求，對本課程的人才培養方案進行了相應調整，在課堂知識中增加了相應的創新型課題，使人才培養更加符合行業發展的需要。

（二）改革教學理念：打造新工科課堂

基于“構建性教學觀”［7-8］，開展混合式教學模式，打造面向培養和提升創新能力的新工科課堂。在光學設計課程建設中，確立并強化了“應用+創新”型教學理念，并將其貫穿于整個課程教學實踐。例如：在課堂教學中針對某些重點知識提出科學問題并展開討論，融入虛擬仿真實驗，最后引入其在實際工程中的應用，形成完整的理論、實際需求結合的過程，并培養學生的創新意識、學術興趣和專業榮譽感等。以布魯姆認知模型為基礎，構建了“識記—理解—應用—分析—評價—創造”的課程教學體系創新方法和實現思路，從記住和理解的理工人文關聯低階強化認識，過渡到應用和分析的共同構建案例中階認知強化，最終實現評價和創造的思想政治價值構建告誡認識強化。

（三）改革教學方法：多模式結合的教學方式

課程采用的混合式教學模式，在課前、課上和課后圍繞創新能力采取了相應的改革創新舉措。課前：以學生自主學習為主、教學導學為輔，教師通過制作和發送預習內容、查看預習結果，優化課程內容；課上：采用混合式教學模式，以學生為中心，采用雙向交互式學習方法；課后，教師通過發布不同培養目標題目、開設科研專題講座、創新性學術競賽等，對學生課上所學內容進行加強、拓展和創新。課程過程穿插思維導圖、問題導入、互動研討、思育智育結合模式等教學方法，集科學性、趣味性、拓展性和思想政治教育于一體，兼顧傳統教學法，理論聯系實際，注重知識遷移、理解抽象概念、創設問題情境、培養問題意識，組織探究活動，掌握科學方法，引導學生主動參與、自主探究、邏輯推理、歸納總結，構建師生學習共同體，一起開啟發現、研究、探索之旅。（1）豐富學習環境和內容：設置不同的線上課程內容，包括在線視頻、PPT、圖片、師生共創題目、論壇討論、教師雨課堂語音直播、學生“精華筆記”等，實現隨時隨地學習、無時無刻學習；（2）改變學習方式：鼓勵、培養自主學習，組織課堂學習、小組討論、外出參觀、創業實訓等，為學生的學習方式增添了樂趣；（3）多維立體協同實踐教學方法探索與應用：采用“多維立體”協同實踐教學方法，建立由教室到實驗室、由課內到課外、由基礎到進階、由進階到創新、由學校到社會、由學習到實踐、由實踐到雙創的全方位多維立體化實踐能力培養模式，擴展學生學習空間，使學習與實際工作氛圍更融洽，實現無縫對接，培養學生對專業技術的應用能力與創新能力。

（四）改革教學內容和考核方式

整合學科內容、優化教學設計、豐富教學資源，引入教師科研項目、創新競賽題目，提升學生學習主動性，提高課程高階性、挑戰度和興趣度。從現代光學工程視角出發，基于應用光學理論，以光學設計為主線，在理論知識講授的同時，有針對性地引入工程應用方面的相關內容，并使用應用光學虛擬仿真實驗平臺，在強調光學設計作為光學工程學科重要分支的同時，突出其作為現代信息科學分支的應用性，夠強化學生對專業知識的理解，增強學生的專業認同感。此外，引入部分學科競賽，例如光電設計大賽，引導和指導學生進行課外科研訓練，激發學生創新思維，真正實現對理論知識的融會貫通，形成可持續發展的人才培養模式。特別地，采用線上線下虛擬仿真實驗的結合教學方式，混合式教學能夠實現教學最優化，使用線上線下教學模式幫助學生達到最佳的學習效果；此外，由于本課程中部分內容，例如像差理論等內容較為抽象、晦澀，采用混合式教學結合虛擬仿真實驗的方法能夠有效幫助學生學習和掌握專業課知識。以本課程部分章節創新教學內容為例，從教學目標，教學體系、理念和方法等方面實現了課程教學創新，創新教學內容環節基本框架如圖1所示。

圖1 創新教學內容環節基本框架

相應地，對考核方式進行改革：強化整體性考核，構建多元化、多層次考核評價體系，融合過程與結果、定量與定性、基礎與拓展、能力與素養，實現動態教學考核。課時分配包括課堂教學學時、軟件模擬操作學時、課后學時三部分，分別為28、12和20學時?？己朔绞桨ň€上課程測驗20%、開放式大作業20%、典型光學設計20%和期末考試40%。其中，線上課程測驗包括學習過程考核，針對課前、課上、課后三部分；開放式大作業包含課程設計、雙創題目等，設計了人文素養、團隊協作、信息化技術能力等定性評價指標，評估學生的綜合素養；典型光學設計為虛擬仿真實驗部分，鍛煉學生的知識實踐能力；期末考試的設置也從基礎理論、提高拓展和設計應用等題型，多方面對學生進行考核。

三、面向創新能力培養的學科競賽實踐成果

實踐證明，與傳統教學方式相比，課堂教學效果、學生學習能力、實踐能力、創新能力均有了明顯的改善，創新人才培養視野下的“應用光學”課程實踐教學改革探索取得了一定的成果。

（一）學業成績和學生實踐、雙創能力明顯提升

學生學習積極性和主動性明顯提高，學業成績優良率大幅度提高，團隊精神、雙創精神均有明顯增強。學業成績方面，未發現不及格的學生，成績良好比例上升；科研實踐和雙創比賽獲獎方面，我校在本賽事的獲獎取得突破；另外，在“三航杯”、大學生創新創業項目、全國大學生光電設計競賽等項目中均取得很大突破。2021年，學生獲批國家級大學生創新創業項目11余項（規模同比增長近200%），2020—2022年全國大學生光電設計競賽取得持續突破性成果等。

（二）思想政治教學成效

新媒體延伸第二課堂，依托“西工大物理學院”微信平臺建設，開展了“實踐分享”“雙創‘英雄匯’”等系列活動，定制化、個性化地為學生提供課外學習課程和內容。此外，改革成效已部分服務社會，部分學生畢業后開始從事雙創工作，課程負責人也已跟部分企業、高校開展產學研項目的合作，整體效果呈良性態勢。實踐證明，與傳統教學方式相比，課堂教學效果、學生學習能力、實踐能力、“雙創”能力均有了明顯的改善。

四、總結與反思

注重創新型人才培養，與國家和社會進步息息相關。如何培養創新型人才，是新時代經濟社會發展對高等教育發展的迫切要求，也是高等學校人才培養模式改革的重要方向。學科競賽已經成為當前高校學生創新能力培養的重要載體，能有效推動課堂教學與實踐教學的有機結合，激發學生的創新意識，提高學生的動手能力，促進實踐教學改革，為培養創新型人才提供了一條有效的途徑。針對全國大學生光電設計競賽，西北工業大學著眼于全校學生創新能力的培養，從創新教學設計、重構課程內容、更新教學方法、組織教師和學生團隊等多方面做出了相應的改革和優化，既保證了競賽的健康發展，又能服務創新人才的培養。面向培養工程實踐能力、創新能力的混合式教學實踐，產生了較好的效果，并正向著更好的方向發展；然而從傳統課堂到第二課堂、第三課堂的拓展，還有很長的路要走，總結如下：（1）如何依托“互聯網+”技術，更好地提高教學效果，以及如何理順傳統教學模式和新的教學模式的關系等問題，還需在教學實踐中不斷探索。（2）實踐、“雙創”平臺的建設，課堂教學改革推進不夠深入；課程考核方式、教學案例等深入實踐工作不足。（3）人才培養更應協調統籌各方關系，運用科學方法，邊實踐，邊總結，邊探索，不斷優化。