“导波光学”在线课程建设与教学模式探索

张桂菊，崔元昊，邹文龙

（苏州大学，江苏苏州 215006）

导波光学是光信息科学与技术专业的重要学科与课程分支，其发展与光纤通信、光纤传感、全光信号传输和激光技术等学科的发展是相辅相成和相互促进的。导波光学为光波传输及应用奠定重要的理论基础，是光学工程及相关专业研究生阶段开设的重要课程[1-2]。

2017年，教育部和国务院学位委员会发布的“十三五”期间的学位与研究生教育发展规划，提出要加强研究生课程建设。研究生课程学习体系，正朝着满足个性化发展需求的在线开放等形式发展，优质的研究生网络公开课程正在不停地建设[3-5]。本文将以为什么要做在线课程为引，介绍导波光学在线课程的设计以及线上线下结合的教学模式实践。

一、课程在线教学理念

在线教学，或称在线教育，通过互联网的方式，学生与教师即使相隔万里也可以开展教学活动，而且学生在学习过程中的疑点难点也能够及时得到解决，在真正意义上突破教育在时间和空间上的限制。2012年，美国的顶尖大学陆续设立网络学习平台，并在网上提供免费课程，在线开放课程（也就是“慕课”，Massive Open Online Courses，MOOC)开始出现。2013年，国内各大高校针对在线学习进行课程设计，结合传统课堂与现代资源优势，相继推出网络课程，良好的教学效果使“慕课时代”在全球兴起。随后几年，中国大学MOOC、雨课堂、智慧树等一批适应我国本土化教学的教育教学平台相继上线，与国内各大高校进行合作，提供通识课、基础课及各种专业课程的在线课程资源[6-7]。在线教学一般有异步和同步两种模式。异步在线教学。主要是一种共享课程模式，学生在规定的时间内自主选择学习时间和完成学习任务。同步在线教学，则以在线直播的形式进行远程授课。伴随着互联网高科技和大数据信息时代的日渐成熟，线上教学不仅能够对线下教学实现大规模的模仿和替代，还将有望以智慧化赋能教学效果，大幅提升教学效率，真正实现“因材施教、有教无类”的教育理想，在线教育的意义也正是如此。

导波光学课程开设初期，受传统教育模式及学生人数限制，主要是以课堂授课模式为主，学生参与讨论和交流为辅的教学模式。近几年，在大力发展新工科的新形势下，光学工程研究生招生人数扩增，例如，上一年度，我校导波光学课程的选课人数达60人，而选课学生在本科阶段的专业基础差异较大，传统的传授教学模式已经很难让所有学生全面掌握和理解课程内容。因此，导波光学进行在线课程建设及推动线上线下混合教学模式改革显得尤为重要。导波光学将以智慧树平台为教学载体，建成一门研究生在线共享课程，发挥在线教学优势，结合传统教学元素，优化教学资源，线上线下有机融合，教学相长，提高教学质量。

二、在线课程规划与在线教程建设

导波光学主要以光的电磁理论为基础，研究光波在平板形及圆形等各种光波导结构中调制、耦合、传输、放大、色散、偏振和非线性相互作用等效应与现象；导波光学学科的发展与研究，对各种集成光子与光电子器件在信息、能源和军事等研究领域中具有巨大的推动作用。在教育部积极推进新工科建设项目的浪潮下，也为了满足研究生在校参加科研项目和毕业后的工作需求等目的，早在十多年前，苏州大学光学工程专业开设导波光学课程。通过本课程学习，学生能够掌握光波导传输的基本理论及分析不同类光波导的独特方法，并能跟踪国内外光导波器件及应用的最新发展状况，为今后从事光波导器件及应用技术方面奠定基础理论及实验技能。

在线课程设计以学生为中心，强调其学习的自主性和实践性，学习过程具有可重复性，是一种可持续发展的教育教学模式。在线课程规划一般包括课程设计、在线教程、课程资源、作业测试和考核标准等模块，其中在线教程是课程建设的重要核心模块。传统的导波光学课堂一般以教材学习为主，而教材也以理论概念和公式推导为主，学生在学习过程中可能感觉枯燥乏味，尤其本科阶段基础较为薄弱的学生，理解和掌握课程中较为抽象的理论概念和较复杂的公式推导存在一定难度。在线教程则是将课程内容重新进行合理的章节安排和讲解录制，既结合理论讲解又具有实例分析，对深度理解这一课程有着十分重要的指导意义。结合光波导科学在光学技术领域中的重要应用及光波导结构本质，总结和提炼导波光学在线教程的三句话内涵：解决有边界的光波传播问题、模式传播理论、纤维光学和集成光学；即将导波光学课程浓缩为三大知识点，采用化繁为简、由浅入深、先易后难、理论与应用结合的方法建立课程框架。图1为导波光学在线视频教程片头呈现该课程内涵的三句话提炼。

图1 导波光学课程内涵提炼

围绕课程的内涵建设，设置导波光学在线教程模块的章节内容框架，如图2所示。课程主体分为光波分析基础、光波导基础理论、转移矩阵理论及应用、金属介质复合平板波导、光波导特征参数表征、光纤波导理论及应用和科研应用7章28小节，共录制40个视频。从基础理论到科技应用，涵盖导波光学基本概念、基本理论和重要应用；内容前后连贯，框架清晰，层层推进，便于学习和记忆。讲述采用的课件图表丰富，推演过程合理，有对要点的总结及关联紧密和实用性强的实例，便于对课程理解和掌握。在线教程的每节课讲解时间一般控制在15分钟之内，学生能够高效集中利用碎片化的时间进行学习，从而提高课程学习的灵活性和主动性。在线教程的视频与参考教材相辅相成，明确课程内容和章节中的主次重点，分配相应的视频教程课时，并运用拆分重难点的方式，将晦涩难懂的部分进行多章节讲解，辅以微测试、微答疑等手段帮助学生学习和理解课程内容。

图2 导波光学在线教程模块框图

在线课程设计与建设非常重视在线资源和作业测试等模块。在线资源包括教程课件、教学成果展示和最新科技前沿论文等，帮助激发学生兴趣和及时了解科技动态。作业测试模块设置相应的章测试题、章讨论及期末考试题库。作业和考试是检验课程学习效果的重要依据，通过课后测试，加强学生对课程的理解和掌握程度。在线课程上线后，教师可在平台上创建并管理课程和课堂，分配作业、讨论和考试；教师预先设定学习计划，学生依据个人情况合理安排学习时间进行高效学习，并可随时随地通过电脑和手机等多终端进行访问；在线教学平台也为教师在后台管理和学情统计提供大量的可视化数据，为后续教学改革、教学管理和教学效果提升提供大数据支持。

三、线上线下混合教学模式实施

线上教学模式具有资源再生利用及可重复性学习等优势，但是在线教学也有其不利的一面。例如，完全独立的网络直播课堂学习氛围不足，课堂互动难以开展；而且在线开放课程缺乏对学生的有效管控，教学效果得不到保证。因此，在教学过程中有必要扬长避短，将网络线上和传统线下的教学模式有机组合，实现混合模式教学改革是非常有必要的，也将是一种趋势。融合传统课堂面授和线上教学模式的优点，弥补这两种教学模式的缺点，达到一加一大于二的效果。

研究生阶段的课程较难，仅靠线下课堂的面授不足以让学生熟练掌握知识点。导波光学的线上线下结合教学模式，教学活动被划分为在线学习、课上讲授及汇报研讨、线上测试和作业。在线学习不仅可以帮助学生在课前进行预习，也可在课后对课程的重点和难点进行温故而知新。例如，课程中的转移矩阵理论，是一种求解耦合波方程的新方法，适用性非常强，可求解包含周期结构、以准周期结构和非周期结构，及求解负折射率材料介质波导、金属薄膜波导和金属覆盖介质波导的问题；教师及时利用班级群功能，通知学生线上预习及查阅资料，如此线下授课可达到事半功倍的效果。教师根据学生线上平台的在线学习和完成试题情况，在课堂上调整知识讲解和研讨重点，更利于线下授课。针对章讨论计划和任务，查阅与课程相关的前沿论文和预备课下研讨环节，既提高课堂效率，也能挖掘学生的开放思维能力和问题探究能力，能够达到提高学生专业理论水平和科研工作水平的目的。

成绩考核是教学效果检验的必要环节。充分发挥线上线下混合教学模式的优势，必须构建科学公平的课程考核体系，引导学生积极参与线上自主学习和线下课堂学习。设置线上学习及测试和讨论成绩占比30%、在线作业占比30%和期末考试成绩占比40%，其中，前两项为平时成绩占比。提高平时成绩比重利于督促被动学习变为主动学习。导波光学是理论更是应用型课程，研究生学习阶段应侧重引导学生分析问题和解决问题。课程中大部分作业的完成，需要借助MATLAB、FDTD、COMSOL Multiphysics等仿真实验工具和软件进行。考核的最终成绩由多项子成绩综合评定，既能督促学习和激发潜能，考核结果也相对公平。

线上线下混合教学模式还应注意，避免学生在网络环境下的海量信息中陷入碎片化和浅层化的学习情境，而线下教学具有同步督促提醒功能。从近两年的教学实践和效果可知，混合教学模式具备线上教学的灵活授课优势，且教学效率要高于传统课堂的面授模式。

四、结束语

随着信息技术与教育教学的深度融合，线上课程的建设以及线上线下混合的教学模式，已经得到越来越广泛的关注和认可，这一模式也成为高等院校开展教育教学工作的主流新模式。研究生教育是高等教育人才培养的重要途径，而研究生的课程教学是教育中重要而必不可少的环节，因此这一阶段的教育教学应当更加注重“授人以渔”，而不是教师单方面地讲解和灌输，教师引导学生思考并讨论问题。随着数字化网络化时代的发展，教学本身就是一个非常丰富多彩的过程，尤其是新工科专业的教育教学发展，其教学形式和内容也会随着时间而改变。高科技尖端技术的发展，也将不断地重塑教育形态，线上线下融合、智慧教学已然成为大势所趋。