高職院校“激光原理與技術”課堂革命的實踐與探索

任婷婷 黃 焰

武漢軟件工程職業學院 湖北武漢 430205

課堂革命是對傳統課堂教學的全面重構和創新發展,從教師能力提升、課程內容重構、教學關系轉變、教學模式創新以及評價體系構建等方面,以全新視角構建的新時代課堂。“激光原理與技術”課程是智能光電技術應用專業核心課程,本文在“激光原理與技術”課程教學中積極開展課堂革命實踐。在教學理念和教學內容上,貫徹“崗課賽證”綜合育人要求,整合教學內容與激光設備裝配工崗位相對應,與光電技術應用專業課程體系結合,與激光設備裝調與加工技術技能競賽相匹配,與激光加工技術“1+X”證書相融通,使教學過程職業化、生產化,從“知識本位”向“能力本位”轉變,從“理論”向“實踐”轉變。在教學組織和教學設計上,通過智慧職教平臺和騰訊課堂直播構建混合式教學平臺,采用BOPPPS有效教學法和問題式PBL教學模式(以問題為導向的學習),借助頭腦風暴、討論區、問卷調查等形式,激發學生的學習興趣,提高課堂活躍度,從“以教為中心”向“以學為中心”轉變,從“無趣”向“有趣”轉變。在教學評價上,開展校內校外、教師學生多維度評價,從“教學評價”向“學習效果評價”轉變。

一、重構教學內容,打造有崗、有料課堂

“激光原理與技術”作為智能光電技術應用專業核心課程,共計72學時,授課對象是智能光電技術應用專業大二學生。分析該階段學生特點,發現他們已經學習了高等數學、工程光學等前導課程,掌握了部分光學基本知識,但對器件的工作原理缺乏學習興趣,工程應用能力較弱,夠熟練操作網絡學習平臺,喜歡動手操作,但對理論性較強的知識點缺乏分析判斷能力,工程應用能力不足,喜歡趣味性較強的課堂環節,不喜歡枯燥的公式,創新創造意識有待加強。

課程對應的崗位為激光設備裝調工程師及激光設備操作師,崗位要求如下:

(1)進行激光器的光機部件的裝配和調試,開展光束質量檢測,進行激光器的整機調校。

(2)進行激光加工設備的總裝和調試。

(3)操作激光設備完成激光打標、焊接、雕刻等,并依據加工效果進行工藝參數的設置。

基于以上分析,結合激光裝配調試工的崗位能力要求,對照激光加工技術“1+X”技能等級證書考證內容,將講學內容整合為基礎篇和應用篇兩大部分,六大項目。

教學內容從激光的基本知識出發,引導學生由淺入深地學習激光器的裝配與調試、激光光路的裝調與檢測、激光加工工藝的應用等內容。教學中以實際生產項目為主線,融合了激光加工技術“1+X”技能等級證書內容。課程思政貫穿整門課程,激發學生的愛國情懷,倡導科技創新,弘揚工匠精神。

圖1 “激光原理與技術”課程內容重構

二、創建闖關式、體驗式教學,打造有趣課堂

課程通過智慧職教平臺和騰訊課堂直播構建混合式教學平臺。課前通過職教云平臺發布預習任務,掌握學生預習效果;課中采用BOPPPS有效教學(導學、目標、前測、參與式學習、后測、總結)和問題式PBL教學模式(以問題為導向的學習),通過任務驅動,設計頭腦風暴、問卷調查、分組討論、游戲闖關等“以學生為主體”教學環節,激發學習興趣,實現教學目標;課后利用職教云平臺布置課后作業及拓展任務。

本文以任務5《激光光學諧振腔》為案例,介紹從教學方法和教學設計方面開展課堂革命的具體做法和過程。

(一)課前自主學習

教師通過職教云平臺發布微課視頻、課件、課前測,即通過QQ群發布課前預習通知,分析學生課前測完成情況,整理預習問題,制定教學策略。學生根據學習任務,瀏覽微課視頻、課件、電子教材,完成課前測試,提出預習疑問。通過該環節的學習,引導學生掌握光學諧振腔的基本知識,培養學生自學能力。教師根據學生掌握情況,調整課堂教學。

(二)課中引導學習

(1)任務引入。教師組織學生開展頭腦風暴,提出問題1:要想激光器產生激光,必須具備的三個條件是什么?通過回答問題1,介紹我國第一臺紅寶石激光器的結構及誕生歷史,開展愛國主義教育,同時引入任務--光學諧振腔的工作原理。學生在職教云討論區回復激光產生的三個條件,查看“詞云”,找到正確答案。觀看我國第一臺紅寶石激光器的研發過程網站資源,通過該環節回顧舊知引發學生思考激光的產生過程。通過20世紀60年代我國老一輩科學家在艱苦條件下克服困取得卓越的科研成果,激發學生的愛國熱情和科技報國決心。

圖2 課堂頭腦風暴活動截圖

(2)發布任務。教師發布學習任務單:光學諧振腔的概念;光學諧振腔的分類;穩定條件及應用;不同腔體的應用;氦氖激光器的諧振腔調校。并對導學任務單提出評價標準。學生明確學習任務,知曉評分標準。通過該環節羅列學習目標,讓學生帶著問題學習,開展自主探究式的學習過程。

(3)學前測。教師查看職教云課前測任務,提出問題2:光學諧振腔的結構是怎樣的?通過分析學生答案,了解學生對諧振腔概念的理解。學生在教師的引導下掌握諧振腔的基本概念和結構,分析自己答案的錯誤原因,找到本次課的學習重點。通過該環節教師能充分了解學生預習情況,及時調整教學重點和教學策略。

(4)新知探究。課堂開展“連連看”小游戲:根據腔體反射鏡類型、腔體的結構、穩定性,將圖片上的諧振腔與名稱連起來。利用動畫講解諧振腔的分類,講授諧振腔的穩定條件、穩定圖的概念,引導學生畫出思維導圖,梳理穩定條件的相關知識點,分析不同類型諧振腔的用途。然后提出問題4:算一算穩定圖中各個區域代表何種類型的諧振腔。學生完成連連看小游戲,自主探究諧振腔的分類;觀看動畫演示學習諧振腔的分類;在教師的引導下繪制思維導圖,總結穩定條件的定義,掌握穩定圖的畫法,自主分析諧振腔的用途。最后通過計算分析各種類型的諧振腔在穩定圖中屬于什么區域。該環節通過“連連看”小游戲,讓學生自主探究諧振腔的分類方法。PBL問題式教學模式貫穿整個教學過程,通過動畫講解知識點更直觀形象地幫助學生理解,通過思維導圖和穩定圖的繪制,使學生變被動為主動,在繪制的過程中掌握諧振腔穩定性的判斷方法,分析諧振腔的用途。鍛煉學生的公式計算能力,掌握常見的幾種諧振腔類型,突出教學重點。

(5)工程演練。教師通過工程案例演示,提出問題5:在給定條件下如何計算穩定腔的參數范圍。指導學生進行分組練習,計算光學諧振腔穩定腔的參數范圍,完成問題的計算題。計算過程中,教師進行巡回指導,通過騰訊課堂討論區解答學生疑問,對計算過程中的錯誤進行針對性的分析講解。針對學生錯誤產生較多的地方,開展課程思政教育--“失之毫厘謬以千里”,小小的失誤可能造成結果的巨大差異,計算過程中要注意認真仔細,才能保障激光器結構正確。學生學習穩定腔的參數范圍計算方法,分組完成課堂練習題,在討論區提出不理解的問題。計算練習中要注重數學運算的準確性。該環節通過實際工程案例,將理論知識與實際應用聯系起來。通過分組練習,使學生牢固掌握穩定腔的設計方法,突破教學難點。通過針對性的答疑,對不同層次的學生展開教學。通過學生在計算過程中出現的失誤,培養學生嚴謹認真的辦事態度、精益求精的工匠精神。

(6)仿真實驗。教師利用激光原理實驗虛擬仿真系統,演示進行氦氖激光器光學諧振腔的調節,使之發出激光。學生在仿真系統上實際操作,練習對氦氖激光器光學諧振腔進行調節出光,學生練習過程中教師針對性地進行答疑解惑。通過虛擬仿真系統的實驗,考查學生對光學諧振腔結構、工作原理的掌握情況,鍛煉學生利用所學知識解決實際問題的能力。

(7)實踐操作。使用半外腔式氦氖激光器調節平臺,演示并講解半外腔式激光器的結構、設計過程、調整方法。引導學生分組調節激光諧振腔出光,提升學習獲得感。課堂上教師巡回指導學生開展實踐操作,通過理論計算、仿真實驗、任務實操,由淺入深、由易到難,使學生掌握激光諧振腔的設計、調整和維護方法,與實際崗位能力銜接對應。

(8)課后測驗。通過騰訊課堂的答題卡,開展課堂小測驗,學生完成測驗答題,檢測學生對光學諧振腔的作用、參數計算方法的掌握情況。

(9)梳理總結。教師回顧本次課主要內容,強調易錯點。根據小組PK成績評選“工程設計之星”。通過彈幕分享經驗與不足,訓練學生養成自我總結的習慣。多維評價激發學生學習興趣,同時培養學生團隊合作能力和競爭意識。

(三)課后拓展學習

教師在職教云發布課后作業:不同情況下光學諧振腔的參數取值范圍。布置預習任務,激光器是如何實現粒子數反轉的?學生完成課后作業,自學激光器的能級系統工作原理。通過該環節鞏固激光器光學諧振腔的計算方法,培養自學能力,為新課做準備。

三、多維度評價,打造有效課堂

課程考核從知識、技能、素養、態度四個維度,從學生自評、小組互評、教師評價三個層面,對學生的學習效果進行多元化的評價。知識維度上采用線上職教云平臺考查學生課前、課中、課后對理論知識的掌握情況,占總評分的30%;技能維度上在課堂開展任務實施的時候逐一對學生開展任務進行評價,占總評分的30%;素養維度上采用線上職教云平臺從自評、互評、教師評價三個層面綜合開展評價,占總評分的20%;態度維度上通過職教云的簽到、拓展任務完成情況開展評價,占總評分的20%。

表1 課程考核分項表

四、課堂革命成效及反思

“激光原理與技術”課程的教學課堂以“職教云”為載體進行了課程的內容重構、教學設計和方法改革。通過平臺數據發現,學生課前測試和課后測試成績提升;通過課堂活動參與度看,學生的學習興趣有所提高;通過課后問卷發現,學生的課堂滿意度有所提升,自主學習能力也顯著提高。

(一)開展課堂革命前后學生期末成績對比

對比智能光電技術應用2020級學生(開展課堂革命后)和2018級學生(開展課堂革命前)期末考試成績,分析表明:課堂革命改革后,學生期末成績有了顯著提升,平均成績從70分提升到79.2分,最低分由52分提升到65分,及格率由92%提升到100%,80分以上的比例由40%提升到61.29%,課堂革命成效顯著。

表2 智能光電技術應用專業2020級與2018級學生期末成績對照表

(二)教學反思

在開展“激光原理與技術”課程課堂革命過程中,使用了豐富的信息化教學手段,利用原理動畫和視頻解決原理枯燥問題,利用虛擬仿真軟件解決實踐操作的安全問題,融入實際生產生活中的案例提高操作技能。課堂注重課程思政,在工科教學過程中潤物無聲地融入歷史實事,激發學生的愛國熱情,不忘初心,牢記當代年輕人的責任擔當。精細化的學情分析,合理的小組劃分,精彩紛呈的游戲環節,讓學生在競爭與合作中快樂學習。

課堂革命過程圍繞智能制造產業發展變革,契合企業崗位需求,堅持教學方法改革,開展多元化教學評價,有效推動了課堂革命進程,為職業教育課堂教學改革提供了參考。