结合工程实际实施协同学习，拓展课堂空间

结合工程实际实施协同学习，拓展课堂空间——“应用光学”课程

李晓彤　岑兆丰　郑臻荣　刘向东
光电信息工程学系

一、课程简介

1.课程类别

专业课程

2.学科类别

工学—光学工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:应用光学作为学生进入本专业学习的第一门专业核心课程，不仅要求学生掌握高斯光学、光束限制与光能、典型光学系统和像差的基本原理，为学生学习光学系统设计打下基础，而且在学生的专业学习过程中起到承先启后的作用，使学生通过学习掌握良好的学习方法和养成良好的学习习惯，并培养工程素质。

（2）教学内容:本课程包括几何光学、典型光学系统和像差理论三大部分，其后继课程是光学系统课程设计。几何光学部分以高斯光学理论为核心内容，包括光线光学的基本概念与成像理论、球面和平面光学系统及其成像原理、理想光学系统原理、光能和光束限制等基础内容；典型光学系统部分包括眼睛、显微镜与照明系统、望远镜与转像系统、摄影光学系统和投影光学系统等成像原理、光束限制、放大倍率及其外形尺寸计算；像差理论详细叙述了光学系统的轴上点像差、轴外点像差和色差的形成原因、概念、现象、基本计算、典型结构的像差特征和校正像差的基本方法。

4.教学对象

信息工程（光电）专业二年级本科学生；每年开设3个教学班，每班人数控制在50～60人。

5.课程学时与教学场景

（1）课程学时:课堂教学56学时，实验教学16学时。

（2）教学场景:课堂教学在多媒体教室，实验教学在光电系教学实验中心。

二、课程教学重点解决的问题

应用光学是信息工程（光电）专业核心课程，也是学生进入本专业接触的第一门专业课程。应用光学课程涵盖了光线光学的基本理论和应用理论，再加上后继工程实践，使学生逐步实现从一个学习者到光学工程师的转变。在这个过程中，学生需要获得本专业特有的知识结构和从实际出发的工程师思维方式，具备本专业必需的基础知识和研究能力。本课程在学生的学习生涯中起到承先启后的作用，由于其本身的内在联系及与实际工程应用的紧密结合，可以为学生提供研究和技术工作的基本训练。

然而，学生在多年的学习过程中接受了一套应试教育的学习方式，这使得他们习惯于获得教育者提供的现成的知识和答案，并通过题海战术来掌握。这种学习方式常常割裂了知识之间的紧密联系，使学生孤立地学习各门课程及其知识点，并以应付考试为学习的目的，在课程学习中很容易出现一系列问题:

（1）对实际问题缺乏有准备的头脑。过于依赖题海战术，一旦没有了题海就不知道该怎样去掌握知识点，面对复杂的实际问题时常常无从下手，或者考虑了这一方面又遗漏了另一方面。

（2）学习上被动孤立，不善于交流。由于学生在以往的学习中强调独立思考更甚于合作交流，不可避免地产生了学习上的被动孤立性，被动听课，有了问题既不和同学讨论，问教师的也不多，学习虽然很努力但气氛显得沉闷。由于埋头学习缺乏交流，对问题似懂非懂，甚至到考试时才知道部分内容没有真正掌握。由此带来的一种后果已经显现，就是在工作中遇到问题也很少主动交流讨论，等到任务完成不了再去强调客观或抱怨条件不足。

（3）对基础知识掌握不系统导致后半程学习困难。应用光学是一门系统性很强的课程，虽然一些内容比较繁琐，如显微镜系统要考虑放大率、光束限制、景深、分辨率、出瞳等，还有照明系统，望远镜要考虑放大率、光束限制、主观亮度、分辨率等，还有转像系统，公式繁多，但这些内容前后联系非常紧密，一些同学前面基础没有打好，导致后半学期学到典型光学系统和像差时出现较大困难。我们在校内论坛上看到，随着学习进程的深入，同学们感到越来越困难，一个典型的帖子说:“学着学着应光，有人渐晕了，有人场曲了，有人像散了，而我畸变了。”

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

针对课程教学的目标和教学中重点解决的问题，目前课程采用的教学实施策略和方法主要有:与实践相结合的课堂教学、围绕创新能力培养的研究型教学、基于问题的讨论式协同学习以及以课程网站建设为基础的大课堂教学。

（1）与实践相结合的课堂教学。在几何光学和光学系统部分，将研究对象实物带入课堂，购买了棱镜、透镜、望远镜、显微镜、摄影物镜等多种实物，在学习到相应内容时在课堂上向学生展示，让学生边学习边研究实物。引入国际通用的光学设计软件演示光学系统组成和像差，使学生直观地看到光学系统及像差对像质的影响。

（2）围绕创新能力培养的研究型教学。以课程知识点为主线，以课程内容为主体，要求学生3～5人组成研究小组，通过查阅文献资料对本课程相关的某研究方向进行综述，并提出自己的观点，直至和SRTP相结合提出具体的方案，并获得立项。

（3）基于问题的讨论式协同学习。紧紧围绕学习内容，综合多个知识点，由基础到综合提出一些讨论题，让学生组成讨论组，每组10人左右。由于图形在几何光学中非常重要，教师为每组准备一个白板，便于在讨论时作图。

（4）以课程网站为基础的大课堂教学。网上课件尽可能发挥网上学习的特点，利用超文本、超链接的做法，使学习者可以根据自己的要求和思路来组织学习要素，很好地弥补了书本和课堂教学的不足。通过大量的图像、照片和丰富的动画，向学习者提供全方位的信息，网上测试栏目力求做到学习、测试、娱乐的统一。

2.具体实施方法举例

（1）与实践相结合的课堂教学。

将棱镜、透镜、显微镜、望远镜、照相机等光学元件和仪器带入课堂，通过带有别汉棱镜和普罗型棱镜的望远镜观察转像效果，通过观察单反相机内部结构并结合光组组合理论了解长焦距短工作距离和短焦距长工作距离所需要的光组组合方式。

使用国际通用的光学设计软件Zemax演示光学系统结构，了解光阑、渐晕等概念，通过局部放大直观地了解像差现象。Zemax软件是国际上普及程度最高的光学设计软件，功能强大，特别是图形界面设计非常形象生动，应用于课堂教学可以让学生很直观地了解一些较难想象的内容。

（2）围绕创新能力培养的研究型教学。

例如，在学习折反射系统时，将卫星上使用的长焦距卡塞格林系统作为例子，指出分辨率和成像质量的要求，外形的限制，并提出杂散光的问题，应该如何避免，让同学自己想办法。这样做使学生认识到自己的学习与最新的高科技是相关的，还有很多高技术的实际问题是要用到现在所学习的知识去解决，这就激发了学习的积极性，也吸引了不少同学同我们一起思考，并提出很多建设性意见，为我们的科研提供了很好的思路。

又例如，在学习焦距和做焦距测量的实验时，教师除了介绍原理外，还介绍应用背景，并且鼓励学生将测量实现数字化，这引起了学生们的高度兴趣，同学们纷纷想办法、查资料，并在我们组织的论证会上宣讲和讨论，还选出其中可行性好的予以实施。类似的讨论有一些在SRTP中获得立项。

（3）基于问题的讨论式协同学习。

我们提出的讨论题除了部分易错的概念问题外，特别注意提出一些前后联系紧密、有利于融会贯通的题目供学生讨论。如在期中讨论两光组组合的光焦度公式，当两光组之间介质和两边的介质不同时公式会如何变化？待学到光学系统外形尺寸计算中棱镜的等效空气平板相关计算时再拿出这个问题，找出共同规律。又如光束限制一章提出如果前后相连的两光学系统各有孔径光阑和视场光阑，应当如何匹配？待学到成像系统与照明系统的匹配时再回顾这个问题，进一步理解光学系统的光瞳匹配。在讨论时充分发挥学生的主体作用，教师成为“导演”，当学生讨论热烈时不去干扰，当有的组有些冷场时抛出一个问题，调节一下气氛。学期末要求各组报告讨论总结，上交讨论记录，给出讨论部分的评分，这个评分在总分中的比例超过了平时作业。

（4）以课程网站为基础的大课堂教学。

课程网站中的课件与上课不同，作为课堂教学的补充，充分发挥超文本语言的作用，采用超链接的形式，使学生在学到内容B时，如果有相关的概念A不懂，只要点击链接就可以显示A这部分内容，可以根据自己的情况随时跳跃到需要学习的内容。

利用动画形式在网站上演示一些棱镜的三维图形（见图1）、可变光阑动画（见图2）、像差以及典型光学系统，特别是用flash动画演示显微镜与照明系统的光路（见图3）、望远镜与转像系统的光路，通过半透明处理使学生容易看清楚各对共轭关系。学生还可以在网站上进行趣味测验（见图4）、发表意见、提出和讨论问题等。

图1　别汉棱镜三维动画

图2可变光阑动画

图3　显微镜柯拉照明系统动画

图4　随机测试题

3.教学方法特点分析

本课程是一门图形多、公式多、实践性强的工程技术基础课程，特别强调理论联系实际，前后内容融会贯通和学以致用。所选用的教学方法具有下列特点:

（1）创造理论联系实际的情境。实物教学，用光学设计软件演示光学系统和像差，研究型教学和问题讨论均以实际光学元件、光学系统、光学规律为对象，使大二学生的学习方式实现从理想假定到工程实际的转变，了解理想光学系统是完美的，实际光学系统是有光束限制、有像差等缺陷的，光学系统设计是通过反复计算实现矛盾的平衡。

（2）在研究型教学和问题讨论中培养创新思维。研究型教学使学生通过一个小的问题了解科学研究的组织方式、从查阅资料到成果总结的全过程；讨论式协同学习使学生了解课程内容的前后联系，学会深入思考，不仅要表达自己的想法，而且要了解和理解别人的想法。在一个讨论组内，成员之间需要通过交流解决问题，每个组的成绩要根据成员的贡献分配，所以同时又存在竞争。这些教学方法体现了以知识点为主线的融会贯通原则、以学生为主体的自主学习原则、一切从工程实际出发的实事求是原则和以培养创新思维为核心的全面发展原则。

以上教学方法使本课程的课堂教学从课内拓展到课外，从理论拓展到应用，学生的活动从学习拓展到研究，不仅有利于本课程的教学内容的融会贯通，而且使学生在分析问题和解决问题的能力、表达与交流能力、合作精神等方面都得到很大锻炼和收获。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

课程成绩（100分）由下面几部分组成:

（1）期中考试:占10%；

（2）课后作业:每周交一次，计10%；

（3）实验:包括光学材料的参数测量、光组组合、棱镜系统、典型光学系统、像差与像质评价共5组实验，按学分比例计入成绩，占12.5%；

（4）研究型学习和讨论式协同学习:占12.5%；每个讨论组的报告和演讲均为评分依据，组长再把小组的得分根本成员的贡献进行分配。

（5）期末考试:占55%。

2.支撑手段

（1）网络教学资源。

作为国家级精品课程，本课程网站包括了丰富的网络资源，已成为课堂学习的必要补充。除了课程简介和教学大纲以外，还包括:

①网上课件:与授课课件不同的、具有网络学习特色的、含有丰富超链接信息的页面。基本内容与授课课件一致，超链接信息使学生在学习中便于迅速找到自己需要的内容，可以实现跳跃式学习。

②网上教案:与授课课件完全相同的、PPT做成的页面，便于学生按此重温课堂上的授课内容。

③全程录像:利用一个长学期时间，由校教育技术中心录制的完整的教学录像，便于校内外学生课后学习。

④学生风采:研究型学习和实践活动的答辩等录像片断。

⑤知识要点:列出每章的知识要点，并以超链接的形式链接到相关概念所在位置，便于学生按要点梳理、学习和复习。

⑥教学动画:棱镜三维动画、透镜成像原理、典型光学系统高斯结构、光束限制及光学系统中渐晕的演变、显微镜及照明系统、望远镜及转像系统、投影物镜与照明系统以及各种像差现象。

⑦实践环节:教学实验指导、光学系统课程设计指导。

⑧试卷样张及参考答案:一张典型的期末试卷。

⑨部分习题详解:典型题和易错题的详解，在上课的学期每章作业上交以后上网，不上课的学期全部上网便于考研生复习。

○10网上测试:包括综合选择题和十余套随机测试题。

○11网上交流:本课程论坛，供学生和教师讨论问题。由于网管要求需要身份验证，仅有选课班学生和教师可以登录。

图5是本课程网站的教学动画索引页面。

（2）实验条件。

实验部分包括五个大的实验模块，分别是:

①光组的成像特性:含透镜和棱镜成像特性、光组组合。

图5　应用光学课程网站教学动画索引页面

②光组的焦距测量:焦距仪的使用，长焦距、短焦距测量方法。

③光学材料与样品的参数测量:光学材料的折射率测量、棱镜角度误差测量。

④典型光学系统实验:望远镜视场与入瞳直径的测量、显微镜视场与放大率的测量、显微镜数值孔径的测量。

⑤光学系统像差与像质检验:星点图观察和应用ISO 12233的物镜质量检验。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

以上教学方法是逐年实施的，每届都有新的改进。实物演示教学已实施12届；软件演示教学、研究型教学和以网站为基础的大课堂教学实施了8届；协同学习已实施3届。每届根据选课人数有120～170人不等。

与实践相结合的课堂教学使教师可以充分发挥其实物和软件演示的作用吸引学生的注意力，弥补了单一计算机课件多媒体教学的不足；可以利用实物、软件演示与理论比较引导学生深入的思考；学生在课堂上就会自然地将理论学习与实际联系在一起。由于几何像差数值很小，如果夸张地放大就不够真实，使用Zemax可以任意将图放大缩小很多倍，效果就比较好，在普通比例时看上去好像没有问题，可是一旦放大，各种像差对成像的影响就会明白地呈现出来，给了同学很深刻的印象。这样做也可以让学生了解现在的光学设计是如何做的，要学会使用强大的设计软件，但是软件是靠人来使用的，对人与工具的关系有了正确的认识。

研究型学习和讨论受到学生的普遍认可，两次讨论课都是安排是上午的第4至5节课，下课时间是12∶15，但两次讨论课都是到了时间大家还意犹未尽，虽然一些同学13∶15又要上课，但迟迟不愿离开，连中饭也顾不上吃。很多小组还另找课外时间继续讨论。教师也没有想到同学们在讨论中会有这么好的状态，大家都充分看教材查资料，认真做记录，对每一个问题都很认真地探寻最佳的答案。在总结中同学们对讨论课给予了充分的肯定，也提出了很多改进的意见，以下是部分讨论小组对讨论课的看法:

“这样的讨论课是非常有帮助的，希望以后还可以继续搞下去。讨论使我们对平时学习的很多不太清楚的概念、原理理解得更加透彻，掌握得更加牢固了，同时大家还提出了很多新的问题，在这些问题的启发下，大家对很多平时不太懂的问题都有种顿悟的感觉。说真的，也让大家对学习应光的兴趣和积极性更高了。每次讨论完都感觉大脑处于极度兴奋状态，想赶快去学应光，把不懂的问题都搞懂。所以真心感觉这种讨论的形式非常好！对学习帮助非常大！”（2009级李可讨论组）

“总之，刚开始的时候大家对讨论课都存在着质疑，认为讨论课的存在形式大于实用，最后还是流于形式，但是在讨论课中大家在总结的时候都觉得收获还是挺大的，虽然大家都很关心讨论成绩，但是在讨论中我发现大家都真正地把自己在课后的一些疑惑拿出来与大家分享，一起来思考讨论解决方案，当不同的思维和思想方法碰撞时，我想讨论课的目的就达到了，而且经过讨论课后大家的交流也变得更多了，平时时不时地就互相讨论一下自己对某个结论的看法，这也是讨论课带来的最大的改观。虽然讨论成绩很重要，但是有收获，有感悟，有提高，有大家思维火花的碰撞才是最重要的，我想这也是老师设立讨论课的初衷。”（2009级姜玮小组）。

“组员都认为这样的讨论非常有价值。许多问题只有讨论才能意识到。许多问题想不通，集思广益便马上得到解决，而且讨论的题目也给得很好。建议老师每年都更新讨论题的题库，反映出同学在不断学习过程中遇到的新问题或者问题的新角度。而且强烈建议增加讨论时间，可以将双周的第五节课拿出几节来做讨论时间。”（2010级肖轶群小组）

可见，讨论课是理论课教学中协同学习的好形式，它提高了学生的独立思考能力、运用学过的知识解决问题和获取新知识的能力，锻炼了表达、交流和说服别人的能力，在讨论中对于有争议的问题听取他人意见并修正自己的看法，有利于树立良好的学术态度，能够对自己和他人有个客观的评价，培养了合作精神和求是学风。

2.推广性分析

总的来说，本课程的教学方法虽然是用于工程技术类专业基础课程，所采取的方法对于其他有类似背景或条件的课程来说也具有推广意义。本课程教师每年都在有教学主题的全国性或国际会议上发表论文，包括2007年SPIE国际会议，2007—2010年教育部光电信息科学与工程教学指导分委员会全体会议，2006、2007、2010－2011中国光学学会年会，2012年全国激光学术会议等，引起了相关主题与会代表的热烈讨论和关注。

本课程教学方法的实施需要有以下条件支撑:

（1）需要教师能够更有效率地进行课堂教学并投入更多的精力。由于课程学时本来就很紧张，再要拿出一些时间来进行研究型学习和讨论就需要提高课堂授课效率，在创设问题情境、控制学习和讨论就内容的难易与节奏等方面积累更多的经验，注意学生对学习内容的反映，多关心那些不太跟得上节奏的同学。教师还需要时时留心学生上网学习的情况，参与学生的网上交流，及时回复学生提出的问题，在这一点上教师是没有“下班”概念的。

（2）需要一些便于带入课堂的实物和行业通用的软件。棱镜、透镜、显微镜、望远镜、照相机等不大的光学仪器便于带入课堂，行业通用的软件让学生直观地看到光学系统的成像效果，特别是当像差很小时可以通过局部放大观察像差现象，这一点如果不用软件演示只能在实验室借助专门的器材才能看到。同时，学生也可以较早地了解光学设计是怎么完成的。

（3）需要学生更加主动地投入学习。部分学生一开始不重视讨论，认为是走过场，听说下次有讨论课就想请假。但当进入讨论情境之后，学生就会发现讨论真的挺重要，讨论的时间不是多了而是少了，并且常常讨论一个问题又引出了另一个问题。这就要求学生在拿到讨论题后就要思考，讨论时才能有的放矢地解决问题。每个讨论组都会有一些边缘人，他们不发言只是在旁边看书。对于这样的同学，不但要用组内评分来激励，教师也要时常给予关注。

六、课程教材及实验参考书

［1］李晓彤、岑兆丰.几何光学像差光学设计（第2版）（国家“十一五”规划教材）.杭州:浙江大学出版社，2007

［2］应用光学课程组.应用光学实验指导书.自编讲义，2011