基于CDIO模式的光学系统课程设计的教学改革
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作者:张继艳 孟宪国 郑荣升 林海峰
摘 要：光学系统课程设计是一门实践性很强的专业课程，在创新型人才培养中有着重要的地位，针对本课程的实践性较强的特点，采用CDIO的新型教学模式，本文从课程目标、课程设计、课程考核及课程特色几个方面介绍教学改革的措施。实践证明，采用CDIO的教学模式，有利于学生的工程实践能力的提高和创新型人才的培养。
关键词：创新能力 工程实践 光学系统
中图分类号：G643.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）05（b）-0178-03
光学系统课程设计是在应用光学、光学设计等专业课程的基础上，基于光学设计的基本理论，采用光学设计软件进行光学系统的设计，使学生了解光学设计中的主要环节，掌握光学系统设计开发的基本方法及设计流程，为以后从事光学仪器设计、研发打下良好的基础。光学系统课程设计作为光信息科学技术的专业必修课，在人才培养中有着重要的作用。课程具有很强的实用性及应用性并具有行业的前瞻性，掌握了光学系统设计无疑会助力学生的职业道路的选择，同时还会对其他专业实践类课程都有着一定的启迪作用。
光学系统课程设计在光信息专业学生的大二第三学期开设，学生在做课程设计之前已经通过光学设计课程掌握了光学设计相关知识及简单的光学设计软件的应用技巧，但是尚未做过典型的完整的光学系统的设计。本门课程旨在通过光学系统课程设计使学生具备独立查阅光学设计理论和像差分析的相关文献和资料的能力，收集、加工各种信息及获得知识的能力。具备独立设计光学系统，能用Zemax软件对初级像差进行分析和校正，从而对镜头进行优化设计的能力，同时使学生具备采用计算机软件进行数值计算、仿真、绘图等能力。课程要求学生具有较强的创新意识和进行光电信息系统分析、设计、开发的初步能力。特别注重培养学生终身学习和在工程实践中学习的能力，同时体现信息产业高速发展、学科交叉的趋势。
专业实践类课程的设计与实施必须与高校的人才培养目标和模式相一致，在强化专业技能的同时，还要强调学生实践动手能力与职业素养的养成。而目前光学系统课程设计等实践类课程的内容大多与实际的工程项目相脱节，设计的内容多为重复性的，验证性的，不利于学生的工程素质的培养和锻炼，当然也不能培养出企业需要的专门性人才。
CDIO工程教育理念是在2000年由美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学的研究成果，CDIO四个英文分别对应着C（conceive）构思、D（design）设计、I（implement）实现、O（operate）运作。核心理念是基于做中学和基于项目导向的教学过程及方法[1]。
本文将CDIO的工程教育理念应用于光学系统课程设计中，突出“三重”原则，重基础、重能力、重应用。以培养光学系统设计综合应用能力为目标，选择有代表性的光学镜头设计应用的实际项目，围绕项目训练基本能力，依照认知规律构建学习模块。探索通过“做中学，以项目为导向”的教学新模式。通过项目任务的方式，整合、优化整个教学流程，实现做中学，为学生实践创新能力的提高创造了有利的条件。
1 课程目标
光学系统设计内容比较庞杂，包含成像设计，如物镜、目镜、转接中继物镜等，非成像设计，如光源、探测器、光束转换等。设计中又涉及到新材料，包含晶体、玻璃、塑料;新器件，如导光板、CCD;新工艺，如非球面系统、球面系统、二元混合表面、折衍混合系统，包含了对信息的获取、存储、传输、处理、显示等内容，光学系统设计的过程是光机电算一体化的过程。在课程的设计过程中，改变原来的“以教师为主、学生为辅”的教育理念，突出学生主体地位，以CDIO教育理念为指导，结合现代设计的特色，以分级教学的培养为目标，以项目实践为主要的教学内容[2]。在体现校企融合、工学一体的原则基础上，在教学体系的设计中实现三个转变由学科体系转变为工作体系，由学习过程转变为工作过程，由教师主体转变为学生主体。
课程设计的思路为以工作岗位定课程目标、以职业能力定课程地位、以企业工作任务定课程内容、以学生的认知规律组织课堂教学、以典型任务为载体来设计教学环节、以真实项目为参照从而强化能力训练[3]。
2 课程设计
2.1 课程内容的组织
课程设计的内容选取上，在学生学习情况分析的基础上，结合企业真实的工作项目和任务，选取合适的课程设计的内容，工作项目包含了本课程对应工作岗位所需的对应的知识、能力和素质要求。涵盖光学元件及光学系统设计的典型过程和方法[4]。设计内容包含身边典型的现代光学系统如：手机镜头、医用内窥镜、海底摄像机、车载镜头、无人机摄像头等。实践项目要尽量做到典型性和理论课较好的结合，设计内容均为面向工程、既拓宽了知识面、又强调应用的原则。设计题目即要考虑学生的能力、理论基础，又考虑分级教学的需要，设计题目有难有易，学生根据兴趣及能力水平来选择合适的题目，并适当分组，对项目题目进行任务分解，分工协作来完成整个项目。项目要依照以下几个步骤来完成，明确光学系统的使用要求，计算系统理想参数;通过专利查找或者手工計算，选择（或构造）合适的初始结构;缩放焦距、确定像面尺寸，更换玻璃;系统像差校正、系统结构优化;对成像像质进行评价、靠模，分配公差;输出加工图纸、装配图纸。设计过程中要让学生学会像工程师一样的思考问题。学生通过项目实践，可以提前掌握技术领域和职业岗位的任职要求，而且改变学习中被动思考的思维习惯，充分发挥学生的主观能动性，提高学生的创新实践能力。 2.2 教学方法的改革
在教学方法上，采用CDIO的教学模式，体现做中学的思想。结合当前学生的学情特点，目前学生的思维较活跃，喜欢新鲜有意思的具体问题，但对思考问题缺乏严密性，学习自信心不够，理论应用意识较薄弱。由于课程前期的光学设计课程，学生已经熟悉了光学设计软件的功能和使用，不再需要老师亲自讲解并示范，学生已经可以完成简单的仿真任务。所以在光学系统设计的课程中，教师可以提供几个可供选择并分层次的设计内容，让学生自主选择，并形成课题小组。教师只是在其中做一些总体的把握或关键思路上的提示。有利于增加了学生独立思考和自主动手的实践机会。前期学生要大量的查找相关的专利、文献，了解设计题目中的重点难点，及设计的步聚及要素，在确定任务的基础上进行分工协作。设计题目即不能超出学生的能力范围，学生操作起来困难，又不能过于简单，无法体现工程素质教育目标的需求。
整个教学过程中，要充分的引导学生从分析项目到项目设计实施，由学生自主，创造性的完成整个设计方案，以小组为单位题交设计方案，在设计的最后，每个项目组要进行项目答辩，对可行性及设计的效果上进行论证。教师对各项目小组的方案给出评价及指导建议，充分肯定优秀项目，并鼓励优秀项目小组的学生进一步探索，起到良好的带头示范作用。项目实践中充分发挥了学生分析问题及解决问题的能力、启发学生思维、体现了以能力为本，学生为主体的思想。
2.3 考核方式的改革
以往的考试课程，学生都是考前突击，平时作业靠抄袭，往往无法客观评价学生对课程的掌握程度，考试的考核方式尤其不适用于专业实践类课程。本门课程采用考查的考核方式。考查的要素要涵盖学生的整个学习课程，包含以下几块内容。一是课堂的出勤和平时的作业及设计报告，占比20%;二是学生自评，每个学生根据自己在项目中收获的实际经验，对照各项能力评价指标，给自己打分，自评增加了学生的参于感，学生评分的同时也是对照检查的过程，学生感到新鲜的同时及产生了极大的自我认同感，自评同样占比为20%;三是组内学生的互评，顶目组内成员根据组内其他成员对项目的贡献度及默契度，给其他组员评分，并取平均值，互评占比也为20%;四是师评，教师通过各项目组答辩情况，根据项目完成的实际效果和可行性，给出每个组的综合分数，师评占比40%，可以看出师评所占比重很大，项目组成员为了获得一个满意的成绩，就要在整个项目完成过程中很好的配合，群策群力，学生在项目实行的整个过程中也会体会到团队的重要性。每个学生的成绩由以上几项成绩加权求得。考核过程中教师要做到严格监控，做到评分客观公正。
3 课程特色
本课程具有丰富的网络资源且不断进行更新，课程网站为学生提供了课程标准、课程大纲、授课计划、学习指导、电子教材、电子教案、多媒体课件、视频录像、实训指导书、参考资料等丰富的网络教学资源。同时，课程的教学资料和学习指导等全部上网，为学生创立了自主学习平台。
我校的光电卓越班采用的是工学结合的“3+1”专业人才培养模式。校内学习3年，校外企业实习1年，用企业中岗位所需的技能置换校内课程，充分培养学生的项目开发和实际动手操作能力，校企合作共建實训基地，目前我校已经与很多企业建立了合作关系：玉晶光电、麦克奥迪光电、三眼通光电、宸鸿光电、励德光电等。学生在修完光学系统课程设计之后，可以依托企业资源来进行光学设计的科研，学生在大四阶段也可以直接进入对口的光电企业进行实习。
通过该教学实践，可为学生开拓眼界，并为企业输送优秀对口人才，达到合作办学，共建双赢的目的。再者，企业与高校的合作，可为我校的教学及科研储备资源。校企合作，课程定位准确，培养目标明确;优化、组合课程内容，教学过程工程化;共建“职场环境下，工程项目为核心”的教学体系，一切围绕以综合职业素质为基础，以能力为本位的培养思想，校企合作，共建一流专业实验、实训教学平台、为产学研提供硬件保障;适时的请企业工程师走入大学课堂，为学生开专题讲座，开拓学生的眼界，同时近距离的与企业工程师交谈，也可以使学生提早对步入职场做好思想准备。
基于CDIO教学模式的课程改革研究过程中，也取得了很多可喜的成果，学生利用该课程的理论基础与项目积累的经验积极参加各类大学生光电与电子大赛及省级校级创新训练项目，获得第四届福建省大学生光电设计大赛二等奖，第五届全国大学生光电设计大赛总决赛二等奖、三等奖、第六届全国大学生光电设计大赛总决赛一等奖。
4 结语
CDIO是一种全新的国际化工程教育模式，对于它的研究还远没结束，本文将CDIO的理念和光学系统课程设计相结合，以工程实践为载体，在教学过程中以项目实践为导向，有利于扩展学生的实践创新能力和工程素养，同时为相关企业提供了对口输送的人才，对学生的综合能力的提升起到了积极的作用，同时也为光信息专业其他实践类课程起到一定的示范作用。
参考文献
[1] 顾佩华，包能胜，康全礼，等.CDIO在中国（下）[J].高等工程教育研究，2012（5）：24-40.
[2] 王昱琳，易丹，袁红梅，等.基于CDIO的光学设计课程改革与实践[J].无线互联科技，2016（16）：94-95.
[3] 张文涛，蒋曲博，汪杰君，等.《光学设计》课程教学方法改革初探[J].科技创新导报，2011（2）：179-181.
[4] 岑兆丰，李晓彤，刘向东.引入科研模式的光学系统CAD课程[J].光学技术，2007（33）：272-274.
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