基于系統論理念的多彩教學模式在研究型激光課程中的教學設計研究

摘 要：中國正在從工業大國向工業強國穩步邁進，教育教學邁入改革的新工科建設階段。根據北京航空航天大學人才培養的價值觀塑造、能力培養和知識傳授三個方面的要求，在研究性教學中進行基于系統論的多彩教學設計，其中，紅色引領包括創新理念、課程思政兩個方面，綠色實踐是從實踐需求出發，以應用目標和核心問題為導向構建綠色版塊以解決激光器和激光技術的系統應用和安全問題；將教學內容分為三個層次：通用基礎階段，器件演化，系統應用，將激光要件與激光專業基礎知識點和創新、系統論和方法論有機結合構成金色基礎。通過以踐行創新引領和課程思政為靈魂，人文關懷為潤滑，構建堅實立體的激光專業教學體系。提出的基于系統論理念的多彩教學模式除在激光專業課程中實踐外，也在創新課程中的實踐取得好的效果。

關鍵詞：系統論；課程思政；創新；教學模式；研究型激光課程

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）21-0138-05

Abstract： China is making steady progress from a big industrial country to an industrial power country， and new era of education and teaching entered new engineering construction stage of reform. According to the requirements of Beihang university in three aspects of personnel training： value shaping， ability training and knowledge teaching， a colorful teaching design based on system theory is carried out in the research course， in which the red lead includes two aspects： innovative ideas and curriculum ideology and politics. The green practice starts from the practical needs， guided by the application objectives and core problems， build a green section to solve the system application and safety problems of laser and laser technology; The teaching content is divided into three levels： general basic stage， device evolution and system application. The basic knowledge points are organically combined with innovation， system theory and methodology to form the golden foundation. With the practice of innovation leadership and curriculum thinking as the soul， and humanistic care as the lubrication， to build a solid three-dimensional laser professional teaching system. The proposed colorful teaching mode based on the concept of systems theory has achieved good results in the practice of the laser professional course in addition to the practice in the innovative course. By practice， this colorful teaching mode has achieved good results in the practice of both innovative course and laser professional courses.

Keywords： system theory; ideological and political education; innovation; teaching model; aresearch-based laser course

進入新時代，中國正在從工業大國向工業強國穩步邁進。激光在為人類帶來了地球上前所未有的高質量光源的同時，激光及激光技術的應用使得過去很多不能實現的事不斷地演變為現實——從信息高速公路到激光雷達，包括三維全息攝影的信息高密度存取及引力波探測等，這些均離不開激光。特別是進入二十一世紀以來，激光已經成為社會生活中的常見工具，應用遍及科研、國計民生的各個領域與方面。與此同時，我國高等院校工科的人才培養已經邁入改革的新階段——實施以應對國家新需求為根本的新工科建設階段。為深入落實新工科建設深化教育教學改革，北京航空航天大學對人才培養提出了明確的要求，概括起來包括價值觀塑造、能力培養和知識傳授三個方面的內容。作為當今社會新時代的必不可少的工具，激光與互聯網、創新創業教育相結合是加強學生創新意識和創新能力培養的有效手段，筆者為此進行了不斷地研究和深入探索[1-2]，對激光相關課程應用基于系統論理念的多彩教學模式進行研究性教學，并在創新思維課程與激光專業課程中進行了實踐，取得一定成果。

一 激光教學中的系統論理念

狹義的激光教學的系統論理念是針對激光原理與技術本身而言的。將包括工作物質、諧振、泵浦、制冷等組成要件的激光器視為一個包含以上系統的整體，以激光具體的實現和應用為目標，為滿足實際參數、功能與環境要求，從激光系統與各組成要件、各要件與要件之間進行研究，通過構建涵蓋激光技術的模型進行不同階段及優化設計與分析，最終達到最優處理。從這段文字描述中不難看出，這個狹義的系統論理念主要覆蓋的是知識層面。

廣義的激光教學的系統論理念除針對激光系統本身外，還需要與“教”“學”兩個方面相融合，即從新時代對“教”“學”雙方出發，將激光系統專業知識與“教”“學”系統相結合，并且結合激光要件、功能、環境等進行再構造，形成有效的研究型激光教學系統。這樣不僅瞄準專業知識，還將創新能力的培養和提高、立德樹人在同一個教學過程進行，同時實現價值觀塑造、能力培養和知識傳授的目標。

在實踐中，經過認真分析不斷學習和探索，從研究當代師生的特點出發，結合筆者在教學過程中教學與教改項目（諸如“激光原理及應用系列課程的設計及建設”、創新課程教改項目“著重創新思維培養和實踐環節，全方位提升學生綜合素質，增強核心競爭力”等）、教學與科研（光纖激光實驗平臺）、教學與創新設計思維新教法的應用相結合；面向未來的“教”與“學”，“教”“學”相長，注重學生的思想道德建設。通過幾年不懈地努力，激光課程已經形成獨特的具有激光教學系統論理念的教學體系，達到了價值觀塑造、能力培養和知識傳授“三位一體”的目標。下面進行具體地介紹。

二 新時代“教”與“學”的全過程分析——雙向相互作用及備學生的必要性

（一） “教”“學”主體在教學基本過程中的雙向相互作用

“教”“學”主體在教學過程中涉及教師與學生兩大主體；無數的教學實踐已經證明，教師的任務是傳道、授業、解惑，其主導地位不言而喻。教學在國家教育教學規范下以教材為媒介進行“教”與“學”而形成的一種共同活動，涉及教師和學生雙方。

正確認識和處理好“教”與“學”的關系，是提高教學質量的先決條件。“教”是教師通過教學目標、內容、組織形式、教學方法和手段、作業（形式和順序）等[3]領導整個教學活動并予以檢查和評定，顯而易見教師是這個過程的設計和管理主體。學生在“學”這一教學過程中居于主體地位。新時代這個學習過程不僅需要教師的組織和指導、有效地啟發和正確地引導，還需要學生自覺、積極地努力，以助力學生掌握知識，能力提升和發展，人生觀、價值觀和世界觀的形成等。將“教”與“學”二者作為一個系統，教師與學生在三個環節即學習過程、教學過程、評價/反思過程中相互作用、相輔相成，根據專業教學內容構成有機的、不可分割的課程動態調控的系統整體。因此教師首先要了解學生，把握學生的特點。除此之外，整體的教學活動還可以細分為教學過程和學習過程以及評價/反思過程。評價/反思過程及備教材在此不進行贅述。

（二） 新時代學生的學習能力需求及其現狀

1 不同學歷階段的學習特點

通過對培養方案和課程教學大綱的分析，學習的核心內容：本科階段的學習可以概括為“現象學”，包括知識、問題解答、現象解釋等；碩士階段的學習重點在研究，需要追根溯源，簡稱為“溯源學”；博士階段稱為“方法學”，這是因為這個階段的學習重點在創新，需要博士研究生借助方法論作出屬于博士自己的創新性研究成果[4]。

信息時代信息高速且發達，為學生學習提供便利的同時強化了自由，這里所謂的“自由”體現在，學生自身感興趣的內容涉獵的范圍廣泛和可以利用多種渠道、多種媒體或者平臺“付費”學兩個方面。這對教師從教學內容和案例方面提出明確的與時俱進的要求。

2 新時代的學生及能力需求

當前普遍認為大學生自我覺察及自控力弱，缺乏對自己情緒和行為的自我覺察，情緒表達方式單一[5]；時間感缺失及行動力弱，較少思考未來，選擇性責任偏差，對家庭、學業、工作及生活缺乏控制感，但是在游戲中表現出強烈的“團隊責任意識”[6]，特別是本校的學生大多認為自己能力超強，無所不能，但是輕易不行動。無論在學習、工作、還是生活的方方面面，社會均對學生提出所謂“student”的能力要求，這種明顯的情景對比直接擺在高等院校教師面前，對教師提出了服務國家戰略，實施立德樹人，進行課程思政的明確部署。

3 基于系統論的多彩教學模式是解決能力需求與現狀問題的有效教學模式

面對學生的特點與對學生能力需求二者之間明顯的差距，在激光專業和創新通識教學過程中落實人才培養的價值觀塑造、能力培養的做法是以知識傳授為媒介，與學生雙向交流與溝通，這是整個教學過程中迫在眉睫需要解決的關鍵系統問題。

眾所周知，人才培養是一種全方位集綜合性、系統性為一體的教育過程，作為培養未來“雙領”人才重要基地的高等院校，需要營造多元化育人環境，培養具有創新意識、創造能力的“雙領”人才，最終落到具體的教學過程中去，需要通過具體的課程體系、教學內容和教學方法來實現。從教育的“三個面向”出發，以“打牢基礎、適當拓寬、突出重點、加強實踐”為原則，以創新意識、創造能力為重點，緊跟裝備和學科發展的前沿，積極、科學地構建新的課程體系，提出的在研究性教學中進行基于系統論的多彩教學模式，個人認為是可能解決上面問題的行之有效的教學模式。

三 基于系統論理念的多彩教學模式

（一） 研究型激光專業課程的課程思政需求

將研究性教學與創新教育深度融合，研究型教育的核心是深度專業教育，研究型教學賦予教師的含義是需要充分挖掘社會和專業相關資源，更需要教師和學生雙方發揮自身優勢，深化教育和教學改革，達到教學目標；創新則是從教學模式、教學理念、教學內容等教學設計的具體內容和方面入手，是賦予教學過程活力的有力抓手。

考慮到作為工科院校的學生——未來的工程師對激光需要具備的基礎知識，以及專業學生需要具備的設計能力，需要激光專業教師進行有針對性的課堂教學設計，要求引導學生思考。激光因其自身就帶有熱愛國家的特點以及激光發展史與科技創新的緊密聯結的特色使其成為創新與課程思政的有效專業學習陣地，是眾多專業課程中的“排頭兵”。根據國家創新發展戰略和教育部提出的立德樹人的要求，激光課程教學團隊以這兩點為核心，將專業、通識能力的培養等緊密圍繞著這兩個內容，抓牢固不松懈，最終培養學生達到相關的能力需求。

（二） 踐行創新引領和立德樹人的教學設計目標

經過六十年發展歷程，當前的激光書籍很多，其中一本封面上直接印著“不創新 我何為”幾個大字的書吸引了我的目光。這也間接體現出來激光這門交叉學科的根本特點——創新。一個發展中國家必須提高科技創新能力，并且是基于為國家服務的科技創新能力才能實現激烈國際競爭中對自己命運的把控，不受制于人。當前創新是新時代的時代特色，立德樹人已經成為新時代高校教育教學的中心環節，基于系統論理念的多彩教學模式研究型激光課程中的教學體系就是一種創新性的包含有思想政治教育目標的教學體系：將激光系統、創新思維與立德樹人緊密結合，扎根創新通識教育以及激光專業課程教學的全過程。從激光專業內容出發，圍繞各激光要件之間，激光要件與系統及其與功能、環境之間引入創新設計思維及流程進行深耕細作，系統化分析研究，將激光原理、技術與應用緊密銜接；從中國第一臺激光器的誕生到錢學森為“激光”命名等，深度挖掘激光人物及事件、學習并講授好，激發學生的學習興趣和積極向上的學習狀態，提高學生對激光的學習興趣和學習能力，通過小組合作讓學生團隊責任意識落地。

（三） 多彩教學模式的內涵與設計

多彩教學模式，主要包括紅色引領、綠色實踐、金色基礎三個版塊。其中，紅色引領包括創新理念、課程思政兩個方面，綠色實踐是從實踐需求出發，以應用目標和核心問題為導向構建綠色版塊以解決激光器和激光技術的系統應用和安全等問題；將教學內容分為三個層次：通用基礎階段，器件演化，系統應用，將激光要件與激光專業基礎知識點和創新、系統論和方法論有機地結合構成金色基礎。多彩教學模式是以踐行創新引領和課程思政為靈魂，人文關懷為潤滑，構建堅實立體的激光專業教學體系。經過實踐，這套基于系統論理念的多彩教學模式除在激光專業課程中實踐外，在創新課程中的實踐亦取得了好的效果。

1 紅色引領

積極打造紅色版塊，包括培養創新人才、服務國家兩個方面，這是教學模式設計的靈魂。激光的發展史上與較多的諾貝爾獎直接或者間接相關，從負色散到粒子數反轉、光學泵浦、光學諧振腔，再到半導體激光器和量子電子學、激光冷原子捕獲……，涉及領域、功能、研究內容、應用范圍等諸多方面。從梅曼和他的第一臺紅寶石激光器，到賈萬和氦氖激光器，以及后續的激光器以及激光技術等的發展，可以說激光發展史就是一部科技創新簡史，通過激光發展史呈現的激光前沿研究的體系和邏輯是進行技術創新必要且有效的手段。這部分內容的講授，極大地帶動了學生的學習熱情和信心，并且為激光原理、技術與應用的學習和了解構筑了非常好的學習架構，推動學生愿意去付諸行動。

中國激光的發展概括地說就是中國科研工作者在黨和國家的領導下不斷奮進的過程，激光原理與技術在中國的發展和應用，更是體現出科學創新源于實踐，源于科學知識的積累。中國人民不畏大國勢力，努力奮斗、敢于摒棄舊技術采用新技術、勇攀高峰的歷史，紅寶石晶體、直管式氙燈、激光高反射膜以及高平行度腔鏡、半球形聚光腔的設計制作，艱苦的年代科技人員從無到有，與第一臺激光器的誕生相隔僅僅一年就創造了歷史，激勵了世人進一步研究激光器的熱情。這種從身邊的點滴做起的為國服務的紅色精神始終激勵著作為科技后備力量的學生們。從錢學森到王大珩、王之江、鄧錫銘等老一輩科學家對中國激光的貢獻的故事開始，一方面培養了學生的創新能力，同時也為其進行了深度的創新、愛國教育和科技為國的紅色引領。

2 綠色實踐

二十一世紀以來，例如光纖激光器、半導體激光器、激光放大、超快等激光技術發展迅猛，已經走出實驗室邁入商業化時代，激光市場每年達到幾十億美元。激光已經成為當今社會的普遍工具，從科技前沿到日常生活，隨處可見激光及其應用。為此提出以激光及技術應用為目標和核心問題為導向分析出學生需要掌握的激光基礎設計和應用內容，如圖1所示，從共性技術到個性單元，將激光器與激光技術的組合應用從基本理論、需求參數指標和環境需求，從設計仿真，搭建測試到操作使用，落實到激光要件和元器件，完整的系統的激光專業鏈條以及教學環節中的要點關聯，構建綠色實踐版塊以解決激光器和激光技術的系統原理、技術與應用和安全問題。

從激光工作物質中最基本的能級理論出發，首先帶領學生了解玻爾和盧瑟福的原子模型，跟隨愛因斯坦的腳步了解受激輻射原理，將玻爾理論與愛因斯坦受激輻射理論進行對比，學生就很容易掌握愛因斯坦系數和激光產生三個主要過程之間的關系；其次從工作物質的光譜特性出發，明確線型函數、增益和損耗、激光的產生過程與激光器構成之間的關系等；接著從激光諧振腔的作用出發，讓學生充分了解激光的模式特性，并進行數值仿真；然后在仿真的基礎上進行激光參數及激光束特點的成因和數值分析，在從速率方程的角度進行具體激光器講解之后，最后以LIGO引力波測量系統為例，對具體的激光器和激光技術進行技術分解。講授的知識點之間因果邏輯明確，有利于學生通過思維導圖進行知識點的梳理形成自己在激光方面的專業技術圖譜，并且直接拉近了“高大上”諾貝爾獎與相關技術的直線距離。

在教學過程中強化以激光器或者激光技術的實現為目標，從激光或激光技術構成系統出發，從激光工作物質、諧振腔及泵浦源三個方面進行分析，比較器件變化的同時基本原理是否發生變化、增加激光安全常識講解，并針對高精尖應用中激光的實際技術需求增加激光穩頻、主振功率放大技術、激光輸出的主要參數及其測量方法、激光抽運設計、連續激光輸出特性、LIGO激光系統中應用的各種激光技術分析等內容，至此就形成了完整的激光設計、激光技術應用的多位一體的綠色目標導向的創新實踐系統。

3 金色基礎

提出金色版塊是用來形容激光專業基礎版塊的學習的效果。激光技術作為高新技術，如激光測距、激光制導、電視跟蹤、微光夜視、紅外熱像和光電火控系統等，大大提高了裝備的性能，在國家信息化中起著十分重要的作用。特別是科技面向高精尖的發展趨勢，對激光專業基礎提出了更高的要求。經過多年的教學發現，學生對教材的信賴和依賴格外高，但是根據常規書刊出版內容的規律，教材與科學前沿相比較為滯后，這也提出了備教材的要求。滯后與前沿的專業內容如何有效關聯，即如何讓學生能夠面向未來，適應未來的技術需求，這個問題的答案并不難解。個人認為在于打好厚實的專業基礎，通過理論和技術圖譜的方式構筑堅實的激光基礎理論和技術基礎，此外還需要學生多讀多看多練。為此，在激光原理與技術、現代激光技術等課程的實踐中均將教學內容細分為通用基礎階段、器件演化、系統應用三個階段，通過課堂提問、研討、作業等方式進行具體分析，如諧振腔的演化及激光器與放大器等，將專業理論和前沿實踐需求結合起來。

同時，還加大力度更新教學內容：激光技術及激光裝備發展非常迅速，積極進行教學內容的修改，增加前沿新知識和現代科學技術內容，減少記憶性知識分量，增加有助于提高分析能力、創造能力的內容。將新技術內容及時引入教學，使學生及時掌握新技術等知識，課程與課程邏輯和結構上的聯系與綜合，辯證地把握深度與廣度的關系，做到基礎要深、要扎實，技術方法則要深、要廣。如在教學過程中針對同學們感興趣的與激光專業相關的諾獎，從系統的角度進行分解，請學生對具體的單元技術進行分析和研究甚至研討等。當學生看到法布里-珀羅干涉儀的結構有包括法布里-珀羅標準具、法布里-珀羅諧振腔、法布里-珀羅掃描干涉儀等好幾種形式時，從采用不同的參數進行仿真到如何用、怎么用以及效果如何，一下子就抓住了學生的“眼球”。從簡單到復雜，從單元到系統，進行具體的研討。這也就是實現將基礎知識點和創新、系統論和方法論有機地結合的過程。

（四） 人文潤滑在多彩板塊間助力學生“學”

基于系統論理念的多彩教學模式在激光課程中的教學設計的特質是創新與合作。以研究型教改為突破口，融入設計思維和創新設計思維的教學方法，引發學生更深層次的學術思考。筆者總結出必須始終把學生的主體地位放在第一位，這也是設計思維的一種體現。在整個過程中，師生之間教學相長，還需要潤滑劑——人文關懷。如在激光課程的實踐中實施了以興趣為起點，發揮學生主體性的團隊研討環節，從意識、行為上學生能夠摒棄對待知識的簡單復制、呆板僵化的方式方法。通過發現學生的差異化特質，鼓勵學生發現問題、多種視角解讀問題、多樣化方法解決問題及融媒體多方式交流、溝通和表達，培養學生創新的意識和欲望；關注學生在現實能力基礎上的潛力開發，使不同層次的學生都能夠獲得愉悅，增強自主發展的內在動力。在教學活動中通過學生之間、師生之間相互合作和交流，培養學生探索、研究的興趣、“重構”知識的綜合能力和準備“開創未知”事物的創新科技能力。

四 沉浸式教學法和虛擬教室在教學中的應用

（一） 沉浸式教學法的教學應用

最簡單的諧振腔為法布里-珀羅諧振腔。為了幫助學生更好地將之前的學習過的工程光學內容，利用教師的相對、其中一面有窗的墻壁作為諧振腔的兩個面，學生和老師一樣都是光場中的能量子。在理想情況下，光子碰到無窗墻壁發生反射，遇到有窗的墻壁會發生部分反射。在講解縱模和橫模時，為了讓同學能夠知其所以然，對工作物質進行縱向和橫向剖析，很輕易地就得到了縱向的規律表現為頻率，橫向的規律表現為衍射效應的不斷疊加導致的光場分布等等。這種深入其中的教法，簡單、直接，無需額外的教具，效果直觀，極易接受。

（二） 虛擬教室

為滿足未來的創新教學需求，有必要將虛擬教室引入進實際的教學過程中。相比較于在傳統教室式微背景下，這個利用現代信息技術以團隊工作的形式助推課堂外教學組織創新，是高校教師教學學術需求日益凸顯的產物。它與傳統教室、傳統教研不同，可以進行教法研究、教學改革先行先試、教學理念示范、基層教學組織創新等。需要注意的是在實踐的過程中虛擬教室建設須加強監督，動態實時調整、除專業內容外，保障立德樹人、課程思政的教學效果。這一過程是筆者在教學改革中的經驗，虛擬教室是體現在學生團隊工作中——學生對相關感興趣的內容進行調研分析總結，與教師進行溝通，模擬課堂的過程。學生通過團隊合作一方面學會了溝通和交流，另一方面對所學內容有了深層次的理解和掌握，同時也加深了師生之間的溝通和理解，進一步提高了教學效果。

五 結束語

以新技術、新產業、新業態和新模式為特征的新時代，要求高等教育從理念、內容、標準和方法實現全方位創新，新工科建設以創新和跨界融合為顯著特征，專業課程結合課程思政、立德樹人，同時注重過程教學，使得創新能力培養在教學上必然產生交叉式、融合式和創新性發展態勢。對于工科學生，創新的法寶是擴大眼界，利用方法論和系統論進行學習。基于系統論理念的多彩教學模式教學設計已經在本科研究型課程創新思維、方法與實踐，激光原理與技術和校級研究生精品課現代激光技術中進行了教學實踐應用，取得一定的教學成果，目前也在做將方法進一步推廣至其他本科、研究生課程的工作。

參考文獻：

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