[出处] 教育教学论坛_2022年第35期

贺文俊，欧阳名钊，王 洋，郑 阳，常艳贺

（长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022）

引言

“物理光学”课程依托长春理工大学光学工程和仪器科学与技术两大学科，面向光电信息科学与工程、测控技术与仪器两个国家级一流专业建设点，作为专业基础课和必修课，是从事光学、光学工程及相关领域研究工作的基础，在学科建设及专业人才培养中具有重要作用。但是，本课程的学习需要丰富且抽象的数理知识，又涉及很多复杂的推导过程，课程理论性强，内容晦涩难懂。同时学生反映，由于课程中所涉及的光学概念难以直接简单地与生活中可以观察到的光学现象相关联，因此，对光学知识点缺乏直观性的理解。这些都导致学生学习兴趣不高，学习效果不好，课程目标达成度较低。

为了解决上述问题，在国家积极推动“双一流”建设的背景下，课程组开展了基于虚拟仿真的“物理光学”线上线下混合式教学的改革与探索。针对“物理光学”课程中公式复杂、难以理解的教学内容，基于VirtualLab Fusion光学仿真平台将其设计为虚拟仿真内容，并结合虚拟仿真结果进行教学，以降低学生对相关知识点的理解难度，从而使理论教学变得生动丰富，并能具体生动形象地展示枯燥抽象的理论知识，增强了学生的感性认知。同时，改变了传统单一的线下教学模式，采取线上线下混合式教学，能够充分利用各类教学资源，扩展学生的知识面，通过各种教学方法、教学媒体、教学策略等的优化组合，发挥了学生的主体作用，增强了学生的积极性和创造性。本文以长春理工大学“物理光学”课程为例，探讨了虚拟仿真技术与线上线下混合式教学的深度融合方法，研究了线上线下混合式教学设计，以及面向产出的多元化学习评价方法。

一、虚拟仿真可视化教学资源建设

VirtualLab Fusion是由德国LightTrans公司研发的一款基于统一化光学建模理念的光学仿真平台，其通过求解麦克斯韦方程组获得了整个光学系统空间里的光场向量信息，保证了所有模式光源和通过光学元件任意传输方法的完全兼容性，建模范围包括从几何光学到物理光学及其组合的简单或复杂的光学系统。该平台采用流程图的形式进行光学系统的建模和仿真分析，内部集成了大量常规的模块化操作，极大地简化了理论建模、光路搭建、光路对准等工作，能够方便简单地实现“物理光学”课程中光的干涉、衍射、偏振等教学内容的虚拟仿真。

课程组根据教学大纲规划了“物理光学”课程中能够进行虚拟仿真的教学内容，并依托长春理工大学与VirtualLab Fusion中国代理商上海讯稷光电联合成立的光学设计联合实验室，开展了相关教学内容的虚拟仿真可视化教学资源建设，设计开发出了与“物理光学”课程所对应的大量虚拟仿真系统，如光的色散、球面波的位相、平面波与球面波的干涉、平行平板的多光束干涉、菲涅尔衍射、夫琅禾费衍射、偏振等教学内容，如图1所示。

图1 虚拟仿真教学资源部分案例

虚拟仿真可视化教学资源的建设将教学过程中众多具有复杂、抽象概念的课堂教学，通过简单的流程图的形式进行建模，使传统课堂中不易展示的光的基本属性、干涉、衍射及偏振相关的抽象特征，通过虚拟仿真平台形象逼真地展示出来，使学生能够脱离复杂的理论公式，理解各种现象的物理本质和特征，有助于学生对教学内容的理解和感性认知。

二、线上线下混合式教学设计

“物理光学”课程秉承工程教育专业认证的OBE理念，坚持以学生为中心，以结果为导向，思政元素顶层渗透的教学设计思路，力图在教学过程中体现“物理光学”课程的高阶性、创新性和挑战性。改革课程采用的传统单一的线下教学模式，主要包括课堂讲学（64学时）和实验教学（16学时）。改革后的课程学时安排如下：线上教学16学时，占20%；线下教学48学时，占60%；实验教学16学时，占20%。

虚拟仿真教学内容有机融入各种教学模式中。（1）在线上教学过程中，虚拟仿真教学资源融入视频观看、课后巩固环节。在课后巩固环节，结合科研工作中的实际案例与“物理光学”的知识点，设计出可供学生自主学习和探索的虚拟仿真模块，使学生通过线上课程的指导，自己建模开发出较为复杂的光学系统，培养学生自主学习及解决复杂工程问题的综合能力和高级思维，提升课程的高阶性。（2）在线下教学过程中，虚拟仿真教学内容融入PPT和课堂讨论中，通过形象直观的展示将抽象的光学概念可视化，降低学生对相关知识点的理解难度。（3）在实验教学过程中，虚拟仿真教学内容融入实验指导书和实验结果讨论中。在每次实验课中，学生可将虚拟仿真实验与实物实验过程及结果相互比对，提升学生对教学内容的理解。

（一）线上教学设计

对于线上教学，主要针对课程中相对容易理解的知识点和一些补充延展的内容。其教学实施过程包括视频观看、互动、习题、答疑、测试和巩固等环节。视频观看包括课程组教师录制的教学视频、VirtualLab Fusion虚拟仿真视频，以及学堂在线及慕课等优秀线上教学视频。通过建立丰富的线上课程资源知识点讲解视频，让学生拥有相应的线上自主学习条件。此外，建立线上知识点题库，通过线上平台测试题对学生的自主学习能力进行考查，了解学生通过线上自主学习对知识点的掌握情况。

具体实施过程设计如下：在第四周周五的第3、4节课（90分钟），前15分钟在雨课堂平台上观看光的吸收、色散和散射的相关知识点视频，使学生能够归纳知识点的主要内容。其后，20分钟进行互动，引导学生共同思考；15分钟进行习题练习，加强学生对知识点的理解；20分钟讲解习题题目，答疑；15分钟测试，考核学生的学习效果；5分钟推送类似的学习内容，巩固学习效果。

（二）线下教学设计

线下课堂教学包括课堂讲学、课堂讨论、课堂测试等环节。课堂讲学为多媒体教学和板书教学相结合的方式，多媒体教学以虚拟仿真平台VirtualLab Fusion实现可视化教学为主；课堂讲学重点讲解核心和难点内容，并引导学生于课外在线学习次要、简单、补充延展的内容，并以此为脉络将整个课程知识点串联起来，形成思维导图和知识树。

此外，根据具体的教学内容，在课堂讲学中设计了多次翻转课堂环节，结合线上课程，学生通过自学对知识点有了基本了解和掌握；在线下课堂中，学生走上讲台讲解该部分知识点，有效激发了学生自主学习的主观能动性和积极性。每章结束后进行一次课堂讨论，教师根据课程核心和重点内容提前给学生提供相关的讨论题目，然后由学生收集相关资料，在课堂讨论环节中分组讨论共性问题和热点问题，并在教师的指导下进一步分析和解决问题，达成共识。每章讲完后进行一次课堂测试，从而对学生的知识掌握情况进行及时了解和评价。

（三）课程思政元素的有机融入

传统的思想政治教学多采用教师讲授灌输价值观，这使得思想政治教学与课程知识点割裂，思政元素融入生硬，容易诱发学生的反感情绪，难以在情感上引起学生的共鸣。

针对上述问题，课程组深入挖掘了课程中蕴含的思想政治教育价值，梳理了思想政治在培养学生知识、能力和素质方面的支撑点，形成了思想教育元素融入“物理光学”课程内容的知识点列表。我们将科技创新融入知识目标培养；科学发展观融入分析光学现象和解决光学工程问题的能力目标培养；以老一辈光学科学家的事迹支撑素质目标的培养。以期强化学生的使命感、责任感和家国情怀，培养学生的创新精神和工匠精神。参与式教学能让学生自主思考，实现由被动接受价值观到主动塑造价值观的转变。课程思政的教学设计思路如下。

1.线上——融入思想政治目标的导向性任务。基于VirtualLab Fusion建立的物理光学仿真数据库及雨课堂，提前发布融入思想政治目标的导向性任务，该任务在包含思政元素的时政新闻或社会热点问题中恰当地融入专业性知识点。学生在线上学习过程中，不仅学习了相关理论知识，还了解了相关思政元素的背景，为线下课程的思想政治教学奠定了情感共鸣基础。

2.线下——参与式教学方法促进思想政治教育融入。充分利用“物理光学”课程线上线下混合式教学的优势，在线下课堂中开展翻转课堂等参与式教学方法，通过教师导入问题、学生分组讨论、生讲师听、教师点评总结等多个环节，使学生的学习由被动变主动，激发学生探索学习的兴趣，同时，学生的深度参与使得思想政治教育融入得更为自然，更容易使学生产生情感共鸣，达到课程思政的教学目标。

3.思想政治教学目标的达成度评价。根据课程的知识目标、能力目标和素质目标，布置包含思政元素的启发性或开放性作业，使学生了解相关的新技术和新知识，开阔学术视野，强化自我学习能力，对其中的价值观问题进行主动思考，并根据作业完成情况和调查问卷评价思想政治教学目标的达成度。

三、面向产出的多元化学习评价机制

基于成果导向，探索了相应的多元化学习评价体系，增加了形成性考核的所占比重，通过课堂提问、分组讨论、线上测试、线下作业等对课程学习成果进行评价和考核，通过实验、期末考试等多个环节进行考核，从而由原来的单一评价变成直接和间接评价相结合、过程性与终结性评价加权累加、学生自评补充教师评价，所有环节都覆盖了知识、能力和素质这三大课程目标。每年期末形成课程目标达成情况分析报告，评价结果用于下一年度的教学改进，形成闭环。课程组对每一项评价的分数比例和支撑权重持续改进优化，力图体现课程的挑战性。

课程组在不断探索“物理光学”教学改革的过程中，获得了一些正面的反馈。调查问卷结果表明，经过两年的实践，大部分学生建立了自主学习的习惯，学习积极性得到了明显提升。每学期的课程目标达成度统计结果表明，“物理光学”课程目标的平均达成度由0.66提升为0.82，最近两学期的学生评教满意度均高于99%，反映了学生对“物理光学”教学模式改革的认可。校内督导抽查课程组教师课堂情况的评价均为优秀，反映了学校对课程改革的认可。

结语

基于VirtualLab Fusion光学仿真平台，建立了虚拟仿真可视化“物理光学”教学资源，使传统课堂中不易展示的光的基本属性、干涉、衍射及偏振相关的抽象特征，被形象逼真地展示了出来，降低了学生对相关教学内容的理解难度。“物理光学”课程有机结合了线上教学和线下教学各自的优势，形成了课内课外全时段、线上线下多维度的教学资源融合，探索了“物理光学”课程线上线下混合式教学设计方法，挖掘了课程中蕴含的思想政治教育价值，探讨了思政元素教学设计思路，开展了面向产出的多元化学习评价机制。教学实践结果表明，“物理光学”课程的改革提高了学生的自主学习能力，增强了学习效果，提高了课程目标的达成度。本文的研究结果对同类型的课程改革和一流课程建设具有一定的借鉴和推广价值。