基于光电设计大赛的《激光原理及应用》教学方法探讨论文

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摘  要：全国高校光电设计大赛对激发学生专业课的学习兴趣、提升以学生为本的创新能力和专业素养培养、促进光电专业教学改革与建设及推动青年教师成长等意义重大。针对目前高校本科光学工程等工科专业的学生，对理论基础要求较高的专业必修课兴趣不高、教学效果差的问题，结合《激光原理及应用》课程，以光电大赛为启示， 针对教学方法及教学效果的现状，给出如何激发学生兴趣、提高专业必修课教学效果的改革措施。

关键词：专业必修课；教学效果；学习兴趣

本文引用格式： 陈启梦 , 闫钰锋 . 基于光电设计大赛的《激光原理及应用》教学方法探讨 [J]. 教育现代化 ,2020,7(99):93-97.

Teaching Method Discussion Of “Laser Principle And Application” Based On Optoelectronic Design Competition
CHEN Qimeng, YAN Yufeng(School Of Optoelectronic Engineering, Changchun University Of Science And Technology, Changchun Jilin)

Abstract: National Optoelectronics Design Competition of colleges and universities is of great significance to stimulate students' interest in professional courses, enhance student-oriented innovation and professional quality training, promote reform and construction of optoelectronic professional teaching, and promote growth of young teachers.

Aiming at problems of undergraduate engineering majors of optical engineering and other engineering majors not interested in required professional courses with higher theoretical foundations and poor teaching effects, combined with “laser principle and application” course,   with inspiration of photoelectric competition, targeting teaching methods and current situation of teaching effect, the paper gives reform measures on how to stimulate interest of students and improve teaching effect of major required courses.

Key words: professional required courses; teaching effect; learning interest

一 引言

全国高校光电设计类大赛就是基于光电仪器设计要求来设置比赛环节，依托于专业必修课知识环节，与要求学生掌握以设计、仿真、试验等全面工程设计与实践为目的。以大赛为指导，积极进行高校专业课建设及课程改革是改变学生理论与实践脱节的突破口。把大赛的技术要求转化为教学内容， 融入课堂是提高学生综合学习能力、增加工程素养的重要手段 [1]。

二 大赛对专业必修课教学改革的意义

实践证明，通过光电设计大赛学生可以收获甚多。竞赛中获奖学生在各方面能力都有很大提高， 在同等条件下会被用人单位优先录用，极大提高了学生参与竞赛的热情。不少学校把学生竞赛成绩当作衡量教学质量的重要指标，为了在竞赛中获得好名次，会在学生中选拔出少数“尖子生”，进行针对性地强化训练这部分，学生对所应用到的具体专业课程的理论内容理解深刻，能够将书本上的“死” 知识转化成实践中的“活”装置。

但既然是比赛， 就只有少数学生能够获得机会。而其余学生并没有真正参与到竞赛活动中，竞赛受益面狭窄。加之， 传统的以课堂讲授为形式、以卷面考核为目标、较为封闭的人才培养模式，难以适应工程教育的要求。为了让所有学生都能通过竞赛意识收益，就需要将大赛的内容融入在教学中，由精英培养转变为集体培养。

《激光原理及应用》课程是光电信息科学与工程、测控技术与仪器等专业学生的重要专业必修课， 随着工程教育专业认证的不断推进，对学生工程实践能力的要求越来越突出，如何利用光电设计大赛对课程进行改革，全面有效提高高等院校学生的工程素养，培养创新型人才是亟需解决的问题 [2]。

（一） 以赛促学，以赛促教

高等院校《激光原理及应用》课程对学生以物理学为基础的理论知识要求比较高，这就导致了大部分学生从开始就对学习信心不足，学习兴趣不高。如何提高学生的学习积极性、深入浅出是课程教学改革要达到的一项基本效果之一。

对教材内容基于光电设计大赛进行整合，要编写符合教学改革需求的《激光原理及应用》校内教材，教材编写按照项目化教学的章节分配，并遵循理论知识逻辑严谨的原则。教材中每一项目都与实际操作、与设计目标相结合，然后把这些项目融入到日常的课程理论基础实验教学中，采用分组考核的实践流程来考查教学目标以及实验项目的完成情况，实现“众人参与” 而不是培养精英忽略众人。

真正做到“教、学、做、赛” 一体化的“以赛促学，以赛促教”的教学模式，培养学生的创新能力和工程应用能力，达到“以赛促学、以赛促教”的效果。体现新的教学方法受众面广、可以让更多学生受益的教学改革目的。

（二） 以参与大赛为契机，突出工程能力培养

工程认证是针对学生毕业从事专业岗位、以能力培养为主要目标，而光电设计赛是工程实践能力培养的重要途径之一。不仅如此，光电设计大赛的理论设计、模型仿真、实验验证等都需要专业必修课的理论知识来支撑，大赛具有规范的参赛流程、严格的技术要求、完善的评价标准等特点，顺利完成基于光电设计大赛的师生互动教学过程必然为学好一门专业课奠定坚实的基础。

三 本科生《激光原理及应用》教学方法现状

《激光原理及应用》是光电信息科学与工程、测控技术与仪器等专业课程体系中的一门重要的专业必修核心课程，主要介绍激光产生的基本原理、典型激光器、基本激光技术等。这些理论知识对于一般高校来说，都是理学学士的专业基础课，对于未来取得工学学士的在校生，都以公共基础课的形式开设课程，因此，对于光电信息科学与工程、测控技术与仪器等专业的学生来说，《激光原理及应用》这门课的理论部分在学习过程中就有一些吃力，加之理论物理的抽象性，导致物理学基础比较薄弱的同学从课程学习之初就很难保持积极的兴趣，随着课程延续，学习效果可能越来越差。

另外，现有课程的教学内容、教学方法和考核方式仍然是传统的专业必修课模式，没有针对课程制定的相应办法， 使得《激光原理及应用》课程成为了专业“公认” 的教师讲起来难、学生听起来更难的“老大难课程”[3]。具体教学方法现状如下。

（一） 教学内容未突出工科特色

目前执行的教学内容按照选用教材的课程体系来安排课程计划，教材的课程体系尊重理论，以理论体系为基础，接续按照实际应用编排相应章节， 实验部分依照基础实验条件开设。这样的逻辑使学生无法将抽象的理论知识与激光器的实物相联系， 到了后续章节前序课程的积累又变换成了模糊记忆， 导致学生从开始学习就缺少兴趣和积极性，没有打下扎实的理论基础，到了实验课堂只好奇于实验现象而不是将理论结合到实际中，从工科学生的培养目标看，学生无法将学到的知识积极转化、无法指导即将面临的课程设计、毕业设计等，到了工作岗位， 难以从事光电仪器的设计、开发等专业性工作。

（二） 教学手段未结合实践需求

《激光原理及应用》课程分为理论教学与实验教学两部分。其中理论教学安排在多媒体教室进行， 教师使用幻灯片及板书形式进行授课，对于激光的物理学基础等内容借助动画可以帮助学生理解激光产生的过程，但是对于光学谐振腔、典型激光器等内容脱离了实物，学生对激光器基本构成结构无法形成直观认识。虽然理论教学之后会利用 4 个实验完成实验教学，但是实验教学的光路基本被搭建完成、学生做实验时没有对比实验作为支撑，无法真正理解工作物质、谐振腔类型、光束变换光学系统的作用过程，也就变成了典型激光器的认知课 [4]。

（三） 评价指标未反应工程能力

《激光原理及应用》课程的考试为闭卷考试，卷面 100 分，占总成绩的 70%，作业占总成绩的 10%， 实验课成绩根据实验课表现、实验报告完成及数据处理情况占 20%。闭卷考试的知识点 80% 来源于教材的概念、原理、方法、技术等，20% 为灵活应用问题，这样，虽然平时上课时学生没有学习积极性， 只有少数学生能对知识融会贯通，但是大部分学生最后还是通过突击复习通过考试。作业完成情况对学生的区分度不大，实验课分小组完成，最后同一小组的学生获得相同的实验结果，依照试验表现给出的成绩区分度也不明显。表面上看学生都通过了考试，而实际上教师对学生所学的知识掌握程度和应用能力无法考量，无法客观评价学生的综合能力， 最终学生无法将所学知识运用到实践中，更难以参与到相关大赛中去。

四 针对光电设计大赛的《激光原理及应用》教学方法改革

结合搜集和整理的学院近年来参加各级各类竞赛的培训、参赛和获奖等方面资料，以及省级、国家级光电信息、仪器仪表及相关专业的学科竞赛和创新创业竞赛资料。从中精心挑选一批符合学生整体水平的竞赛项目，建立各级各类专业竞赛与《激光原理及应用》专业课的融通机制。主要遵循原则为“工程教育人才培养 + 以赛促教、以赛促学课程设置”与校级竞赛、技能竞赛相融通，“工程教育人才培养 + 以赛促教、以赛促学课程设置”与省级、国家级专业竞赛相融通。基于以上原则和方法，主要从教学内容和评分考察两个主要方面进行改革。

在保持专业特色的提前下，完成测控技术与仪器专业在工程人才培养上的一门重要专业必修课培养方案布局，探索一条基于光电类大赛的理论课程、实践课程与工程需求相结合的有效方法 [5]。课程改革的研究思路如图 1 所示。
 

 

从行业需求、调查问卷、参赛生座谈、大赛指南四个方面进行问题汇总及知识体系建立，对课程进行教学内容安排、教学环节实施、教学结果达成度三个教学环节的改革设计。

（一） 教学内容安排改革《激光原理及应用》课程从就业角度，是为学生将来成为光电方面的管理、开发和设计的高级人才打下必要且扎实的专业理论基础的重要课程。通过调研和座谈，建立符合《激光原理及应用》课程的复杂工程问题汇总和大赛储备知识体系，进而制定教学内容，落实到教学实施环节，通过大赛实践， 最终落实到教学效果达程度。达成度反馈教学内容安排的合理性，其中教学内容要落实到理论课堂和实验教学中，如图 2 所示。
 

 

每个理论知识章节和实验环节还需明确到大赛考察重点和依照工程教育专业制定的培养方案考核指标点，如图 3 所示。

基于光电设计大赛的《激光原理及应用》教学方法改革就是以立德树人为根本任务、以学生为主体、以大赛设置为基础、以工程教育为导向，结合教材理论体系进行任务分解，突出课程的重点难点， 确定教学内容。以光电设计大赛激光器光纤耦合与光束质量项目为例，主要章节分布如下表 1 所示：
 

光电设计大赛通过重要专业必修课的核心章节考察学生对理论知识的理解及灵活运用能力。根据高校学生的就业需求及工程设计与实践能力来设置比赛项目。《激光原理及应用》课程的就业方向为光电仪器设计、光电测控设计及激光技术等领域，因而根据大赛作业项目来进行理论课堂教学任务分解， 并对知识体系进行碎片化、具体化处理，以激光产生的物理学基础为指针，靶向到应用激光器构成、高斯光束及其变换、激光技术等具体章节，最终确定以激光谐振腔分析、高斯光束及光束质量分析、激光技术、激光的应用为重点、难点的结合，工科本科生工程认证任务为导向的知识体系 [6]。

依据大赛模式，实验教学环节打破按班级、按学号等统一的分组模式，鼓励学生自主分组，每组成员人数依据一般大赛的成员数决定。实验课授课也打破教师讲授的模式，而是以学生为主体，结合竞赛需求，按照理论教学部分的知识基础首先进行方案设计，然后根据每个小组的方案设计结果利用课余时间完成仿真，再回到实验课堂进行实验验证等操作。不但完成了依据工程需要的仪器设计等环节，还能提高学生的合作精神、沟通能力、职业素养、创新意识和危机处理能力等；从社会广泛需求角度， 也锻炼了学生对办公软件的熟练操作，提高的办公软件使用能力，从而让学生更加符合未来岗位对人才需求的基本标准。

基于光电设计大赛的专业必修课教学改革是以学生为主体、以专业为基础、以任务为导向，课程实现途径以线下与线上学习相结合、理论与实践相结合。每一堂理论课以基本原理为指导，将教材的理论体系进行知识点分解，并按照任务需求重新整合，直接延伸到激光器、激光技术、激光应用的章节中，讲解完成大赛环节设置所需的理论知识， 学生以实验分组为单位，利用课下时间完成方案设计，教师利用课下时间对个性问题予以指导，还要利用 1 学时共性问题进行强调。从而调动学生积极思考、主动创新的工程意识，促进和激发学生潜力， 不但能够提高专业课的学习效果，还能为参赛做充分准备 [7]。

（二） 考察评分办法改革

考核与成绩评定是教学环节中不可缺少的一环， 也是对学生学习效果进行综合评价的重要环节，全面合理的考核方式至关重要。基于大赛对学生的考核是综合性的，从方案设计可行性反映出的理论基础、实验结果反映出的实践操作能力及对偏差结果分析处理反映的知识迁移联想能力等，实质是对学生进行全方位地考量，能够体现以往考核方式包含的出勤、作业、实验等评定细节。

进行教学改革后的考察评分办法，不仅不能脱离客观、全面、合理的评判原则，还应该突出反映学生的工程问题解决能力。因此，参考光电设计大赛评委的评判打分标准，制定《激光原理及应用》课程考核标准。理论内容仍然采用闭卷考试的办法，考察学生必须能够清楚掌握并详细阐释基本概念、基本原理等内容；实验考核以在实验课堂的方案设计、实践实验等的综合性表现为计分依据。最终的学习效果评价为 50% 理论成绩 +50% 实验成绩（20%
方案设计成绩 +20% 系统搭建等实验成绩 +10% 工程实践素养成绩）。

这种考核方式，不仅从理论上评判了学生对理论知识的理解掌握程度，也从实践上评价了学生承担具体项目的设计实施能力，更符合专业必修课的课程培养目标 [8]。

（三） 线上课程建设的探索

《激光原理及应用》作为光电信息科学工程专业的基础理论课程，虽然理论知识较多，但仍然具有显著的实践性特征。为了能够提升《激光原理及应用》课程教学成效，高校可以加强线上课程建设。作为信息技术快速发展环境下高校课程改革的重要举措， 线上课程可以在合理的教学目标与定位要求下，充分发挥教学资源和教学方式的优势所在，合理调整教学时间、空间，使学生更加便捷地参与课程教学， 这对于学生能力提升作用显著。

目前，高校已经在线上课程建设方面进行了有益的探索，建立了相应的工作机制，通过网络教学平台设置了相应的功能模块，模块当中包含了课程所需要的所有资源。这里以“清华教育在线”为例， 高校可以将《激光原理及应用》课程的资源和基础数据纳入其中，学生可以直接了解到课程基本信息、教学大纲、教学进度和电子课件内容等。

在一些重、难点环节，如实验教学方面，线上课程优势更加显著， 以开放式双频激光干涉实验为例，教师可以直接通过网络课程的演示优势来显示出测量镜移动时光电二极管与激光光源之间的距离变化情况，学生可以了解接收到的激光频率产生多普勒平移的具体特征， 同时，通过网络课程，学生可以反复地对重点、难点知识进行回顾，不断地提升光路调整能力，了解干涉的产生条件、光电技术与偏振器件的知识等。此外，教师也能发挥网络实验课程的开放式优势，增加更多自主设计环节（例如光电二极管接收电路设计）。

五 结语

“光电设计类大赛”“挑战杯”“互联网 +”等大赛的举办，已经使高校教师意识到以参与大赛为契机对专业课改革的推动作用，基于大赛的教学改革， 可以体现以学生学习兴趣激发为核心，工程能力培养为目标的教改方向的重要性。教好高等院校本科生的专业必修课并非易事，但是，在《激光原理及应用》的教学过程中，基于光电设计大赛和工程需求的课程体系重建，合理设计教学内容、创新教学方式、采用适当的考核形式，能提高学生学习理论知识的积极性，应用理论知识的主动性，适应光电产业相应的岗位，培养理论思维能力和工程实践素养。从而一定可以完成好专业必修课的教学目的， 提高专业必修课的教学效果。

参考文献

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[4]杜戈果 . 激光原理课程教学方法的探讨与实践 [J]. 教育教学论坛 ,2016(40):199-201.
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[6]胡金兵 , 郭汉明 . 课程思政在理工科教学模式中的应用研究—— 以“激光原理”课程设计为例 [J]. 教育现代化,2020,7(13):194-196.
[7]郎晓萍 , 牛春晖 , 孟浩 .《激光原理及应用》课程实验教学改革与探索 [J]. 科技资讯 ,2017,15(33):147-149.
[8]涂兴华 . 任务教学法在《激光原理》课程教学中的应用探析 [J]. 江苏教育学院学报 ( 自然科学版 ),2009,26(1):74-77+103.

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