光電技術(shù)課程教學(xué)改革研究與探討

張慧穎

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 130022)

近年來，隨著激光器的誕生及微電子技術(shù)的發(fā)展，推動了光電子技術(shù)的飛速發(fā)展，作為光學(xué)與電子學(xué)的交叉學(xué)科，光電技術(shù)的應(yīng)用成為現(xiàn)代工科大學(xué)生必須掌握的知識。目前為止，全國已有近50所高校開設(shè)光電專業(yè)，光電檢測方向是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的特色方向。作為光電檢測方向的主要課程，光電檢測技術(shù)對以往所學(xué)的光學(xué)、傳感器原理、電子測量等課程內(nèi)容起到銜接的作用，對擴(kuò)展光電交叉知識應(yīng)用具有重要的意義[1,2]。

針對《光電技術(shù)》課程在理論和實(shí)踐教學(xué)中的重要作用及學(xué)生在該門課中的所存在的困難，華南師范大學(xué)信息光電子科技學(xué)院的張準(zhǔn)老師提出將CDIO理念融入光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐中，以期提高將理論和實(shí)踐相結(jié)合激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為培養(yǎng)適合現(xiàn)代企業(yè)需求的專業(yè)技術(shù)人才奠定基礎(chǔ)。國防科技大學(xué)的江文杰副教授進(jìn)行了為期四年的《光電技術(shù)》精品課程建設(shè)的探索與實(shí)踐，構(gòu)建以現(xiàn)代光電信息技術(shù)為主的課程結(jié)構(gòu)體系。國內(nèi)外的專家學(xué)者致力于光電技術(shù)課程改革的研究和探索[3]。因此，如何構(gòu)建光電技術(shù)課程體系，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，符合時(shí)代要求，成為測控專業(yè)課程建設(shè)上重要的研究課題。

一、光電技術(shù)課程改革的價(jià)值

光電技術(shù)是我院測控技術(shù)與儀器專業(yè)開設(shè)在第六學(xué)期的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。課程內(nèi)容包括光輻射度量、光譜輻射度量、光度量、光電效應(yīng)、光電檢測器件、熱電檢測器件、光電成像檢測器件、發(fā)光與耦合器件、光電信號檢測電路設(shè)計(jì)、光電信號的數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)接口、光電信號的變換和檢測技術(shù)及光電檢測技術(shù)的典型應(yīng)用[4，5]。該課程理論學(xué)時(shí)32學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)8學(xué)時(shí)，課程內(nèi)容覆蓋面廣，需要掌握知識點(diǎn)和內(nèi)容繁雜、零散，經(jīng)過筆者近幾年學(xué)生教學(xué)反饋可知，學(xué)生對該門課的一致反映內(nèi)容多、學(xué)習(xí)困難，抓不住重點(diǎn)，考試及格率低。隨著光電技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)階段書本上的知識內(nèi)容已不能滿足社會對學(xué)生的要求，新型技術(shù)沒有貫穿到教材中，很多光電儀器、精密儀器的研發(fā)和使用對專業(yè)人才提出了更高的新要求；而且課程內(nèi)容過于強(qiáng)調(diào)光電器件的工作原理等基礎(chǔ)知識，光電檢測技術(shù)和檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容不足，新型光電檢測技術(shù)并未被提及，課程設(shè)置與培養(yǎng)目標(biāo)存在很大的差距，與才培養(yǎng)目標(biāo)吻合度相差較大?，F(xiàn)階段光電技術(shù)教學(xué)方法主要以教師講授為主，尤其是實(shí)驗(yàn)過程中教師逐步演示學(xué)生觀摩模仿為主要手段，以少量的互動為輔助，這樣的教學(xué)方式?jīng)]有發(fā)揮出學(xué)生主觀能動性，學(xué)生缺少感性認(rèn)識。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，被動接受老師講授的知識點(diǎn)和演示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，很少獨(dú)立思考，學(xué)生的積極性也得不到很好的調(diào)動。

本文研究與實(shí)踐活動從培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力出發(fā)，探索創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的新模式，建立以學(xué)生為主體的人才培養(yǎng)模式，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生掌握思考問題、解決問題的方法，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力。使學(xué)生能牢固掌握以及充分理解其所學(xué)習(xí)的知識，提升學(xué)生實(shí)踐動手能力和學(xué)習(xí)技巧，有助于實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量的提高，更好地推動卓越工程師的培養(yǎng)，對我院電子信息類專業(yè)“三三式”現(xiàn)代工程師省級人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)的理論與實(shí)踐體系有效支撐；對我校電子信息類兩個省級特色專業(yè)和一個省級人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)及一個省級實(shí)驗(yàn)示范中心的辦學(xué)優(yōu)勢有利鞏固。

二、光電技術(shù)課程改革的指導(dǎo)思想

鑒于光電技術(shù)課程的難點(diǎn)，按照“注重基礎(chǔ)、趨向前沿”的內(nèi)容體系優(yōu)化課程內(nèi)容，將課程發(fā)展的最新技術(shù)及成果引入課堂，保證課程內(nèi)容的先進(jìn)性。采用CDIO(Conceive、Design、Implement和Operate)先進(jìn)教學(xué)理念指導(dǎo)教學(xué)活動，以典型工程案例充實(shí)課堂教學(xué)，融合糾正錯誤的教學(xué)方式與學(xué)生進(jìn)行互動，使學(xué)生充分參與到教學(xué)過程中，積極融入到課堂教學(xué)，摒棄填鴨式教學(xué)模式，發(fā)揮學(xué)生自主性[6]。在這種理念和互動教學(xué)過程中，學(xué)生通過獨(dú)立思考，提出自己的觀點(diǎn)踴躍找出錯誤所在并解決錯誤問題，有效地培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、發(fā)現(xiàn)問題、探究問題、創(chuàng)造性解決問題的能力。經(jīng)過教師和學(xué)生的糾錯式互動可以加深學(xué)生對此類問題的理解，提高教學(xué)效率，真正做到在“學(xué)中做，做中學(xué)，學(xué)就會”，達(dá)到事半功倍的效果，有助于學(xué)生工程能力的培養(yǎng)。

三、光電技術(shù)課程改革措施

(一) 立足技術(shù)前沿，優(yōu)化課程內(nèi)容

由于課程教學(xué)內(nèi)容較為陳舊，使用教材注重光學(xué)理論基礎(chǔ)知識和公式的推導(dǎo)，缺少工程實(shí)際應(yīng)用案例；而且課程屬于交叉學(xué)科，涉及內(nèi)容較多，理論授課僅為32學(xué)時(shí)，不能做到面面俱到。在有限學(xué)時(shí)內(nèi)，合理的處理好內(nèi)容的“廣度”和“深度”是首要任務(wù)。因此，教師在制作授課大綱和授課計(jì)劃時(shí)，應(yīng)該抓住“光電技術(shù)”的課程主線，逐步細(xì)化原則。通過調(diào)研國內(nèi)外知名大學(xué)光電技術(shù)課程內(nèi)容和教學(xué)大綱，并結(jié)合我系學(xué)生的實(shí)際情況，提出以光電信息系統(tǒng)作為課程的主線，對課程內(nèi)容進(jìn)行前展后延。提出以輻射度量與光度量、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)、光電器件、熱電器件、光電成像檢測器件、發(fā)光與耦合器件及光電效應(yīng)等知識模塊為理論基礎(chǔ)教學(xué)層；以光電信號檢測電路、數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)接口電路及光電信號的變換為主體教學(xué)結(jié)構(gòu)層；以光電檢測電路的應(yīng)用與設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容層；以實(shí)驗(yàn)小組的課外實(shí)踐活動作為課程的提升層，完成課程內(nèi)容 “結(jié)構(gòu)塔”的設(shè)計(jì)。理論和實(shí)踐相結(jié)合，對于培養(yǎng)學(xué)生光電信息技術(shù)的基礎(chǔ)知識、基本方法和基本能力起到了重要作用，實(shí)現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容層和提升層時(shí)，將前沿技術(shù)和熱點(diǎn)技術(shù)問題引入課堂，可以通過工程師講座等途徑將先進(jìn)的科研成果講解給學(xué)生，補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生了解光電技術(shù)的最新研究動態(tài)，引起學(xué)生的興趣，增加學(xué)生的感性認(rèn)識，拓寬學(xué)生知識面，提升教學(xué)質(zhì)量。

(二) 合理設(shè)置課程單元結(jié)構(gòu)

課程內(nèi)容從各個單元上配合主線結(jié)構(gòu)，按照主線結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和修改。在授課計(jì)劃制定時(shí)，教學(xué)根據(jù)授課學(xué)時(shí)有計(jì)劃、有側(cè)重點(diǎn)的進(jìn)行知識點(diǎn)學(xué)時(shí)的分配。緒論章節(jié)按照光電檢測系統(tǒng)的組成、應(yīng)用及發(fā)展進(jìn)行講解，圍繞光電系統(tǒng)典型的應(yīng)用、新型光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開討論；輻射度量與光度量、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)、光電器件、熱電器件、光電成像檢測器件、發(fā)光與耦合器件及光電效應(yīng)等知識模塊為理論基礎(chǔ)教學(xué)層主要講解理論基礎(chǔ)知識及器件的應(yīng)用，對于純數(shù)學(xué)的理論推導(dǎo)予以忽略，只給出推導(dǎo)結(jié)果，重點(diǎn)講述器件的應(yīng)用；光電檢測電路的應(yīng)用與設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容層，圍繞工程應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行講解，重點(diǎn)分析檢測電路的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思路；以實(shí)驗(yàn)小組的課外實(shí)踐活動由教師或?qū)W生布置小課題題目，以學(xué)生為主體課下學(xué)生查閱資料，進(jìn)行光電創(chuàng)新項(xiàng)目方案論證，課程組老師對方案進(jìn)行指導(dǎo)，完成課題設(shè)計(jì)。

(三) 基于CDIO理念的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

根據(jù)光電技術(shù)課程體系的塔型結(jié)構(gòu)，按照實(shí)用性、工程型思想設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目小課題。每個工程課題要求學(xué)生從基本知識、檢測器件應(yīng)用、實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)幾個過程學(xué)習(xí)，通過工程項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過程學(xué)生能從扎實(shí)掌握每種光電器件的基本特性及應(yīng)用，真正培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力[7]。根據(jù)課程內(nèi)容，我們設(shè)計(jì)出10個常用的光電檢測小項(xiàng)目，如自動路燈控制電路設(shè)計(jì)、照相機(jī)自動曝光電路設(shè)計(jì)、照度計(jì)的設(shè)計(jì)、火災(zāi)報(bào)警電路設(shè)計(jì)、物體寬度測量電路設(shè)計(jì)、基于光通信的音頻信號傳輸電路設(shè)計(jì)、紅外光電報(bào)警電路設(shè)計(jì)、PSD位移測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)數(shù)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光電定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

當(dāng)在講解光敏電阻時(shí)，我們圍繞項(xiàng)目自動路燈控制電路設(shè)計(jì)展開教學(xué)。首先要求學(xué)生學(xué)習(xí)光敏電阻的基本知識和特性，尤其掌握光敏電阻的阻值隨著光照強(qiáng)度的變化的關(guān)系曲線，掌握光敏電阻的光譜特性。在具備了這些基礎(chǔ)知識后，指導(dǎo)學(xué)生采用光敏電阻自行設(shè)計(jì)光控路燈的電路，要求路燈的開啟隨著環(huán)境光照強(qiáng)度的變化而完成。項(xiàng)目的電路設(shè)計(jì)由學(xué)生分組完成，不同組別的學(xué)生間可以討論相互學(xué)習(xí)，加深對知識的理解。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)可以在課下進(jìn)行，課堂上教師對項(xiàng)目的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行評價(jià)和指導(dǎo)。課下可以進(jìn)入科技小組對設(shè)計(jì)內(nèi)容完成最終的實(shí)際工程制作，在制作中培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。將課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)成工程項(xiàng)目以驅(qū)動教學(xué)，通過教學(xué)反饋發(fā)現(xiàn)，采用CDIO理念的光電教學(xué)方案提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的提高，在學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)知識的同時(shí)得到了課程實(shí)踐技能訓(xùn)練，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力并適合現(xiàn)代企業(yè)需求。

(四) “糾錯式”互動教學(xué)法

糾錯式教學(xué)是基于美國心理學(xué)家桑代克的“刺激反應(yīng)聯(lián)結(jié)”和“試誤”理論基礎(chǔ)提出的。通常，“出錯過程”被看作一種反面“強(qiáng)化”行為[8]。糾錯式教學(xué)采取拋出錯誤觀點(diǎn)—判斷觀點(diǎn)的正確性—找出錯誤原因—糾正錯誤，表明上看是糾正錯誤，實(shí)質(zhì)上是從反面加深對知識的掌握。糾錯式教學(xué)使教學(xué)方式由強(qiáng)制性教學(xué)向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。首先，教師根據(jù)以往教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，凝練出學(xué)生易疏忽的細(xì)節(jié)或易出錯的問題，授課時(shí)教師將其拋出，學(xué)生采取獨(dú)自或分小組形式進(jìn)行分析討論，討論其正確性、尋找錯誤原因并求解正確答案。該環(huán)節(jié)是課堂的中心環(huán)節(jié)。教師要做到把控全局，把握好課堂的節(jié)奏，防止學(xué)生在討論過程中出現(xiàn)偏離議題、學(xué)生由于心理膽怯不敢發(fā)言、有些學(xué)生不愿參與討論等現(xiàn)象。在這個環(huán)節(jié)，教師應(yīng)給與每個學(xué)生鼓舞，幫助學(xué)生樹立信心，必要時(shí)可以制定獎勵機(jī)制，比如平時(shí)課堂表現(xiàn)有加分等，確保糾錯環(huán)節(jié)的順利進(jìn)行，完成錯誤內(nèi)容的糾正。糾錯環(huán)節(jié)實(shí)施后，學(xué)生根據(jù)糾錯環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題，及時(shí)向教師反饋，教師及時(shí)調(diào)整，并給予詳細(xì)講解；反饋環(huán)節(jié)教師還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生反思產(chǎn)生錯誤的原因，避免在今后的學(xué)習(xí)生活中出現(xiàn)，同時(shí)也加深對知識點(diǎn)的理解。糾錯式的教學(xué)法改變了以往的單一教學(xué)模式，也不在是單純的知識點(diǎn)講解，而是以學(xué)生為中心完成對重要知識點(diǎn)的掌握和使用，最終實(shí)現(xiàn)舉一反三[9，10]。

四、改革取得成效

自從立項(xiàng)以來，在同組教師的通力協(xié)作和學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下，本課題研究的各項(xiàng)工作按照課題實(shí)施計(jì)劃有序推進(jìn)，取得了預(yù)期的效果。

(一) 教師的理論水平得到大幅提升

為了保持教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性，參與課題研究的老師查閱大量文獻(xiàn)資料，將前沿技術(shù)和熱點(diǎn)技術(shù)問題引入課堂，使學(xué)生了解光電技術(shù)的最新研究動態(tài)，促使教師將教研和科研有效結(jié)合，教師理論教學(xué)水平大大提高。

(二) 教學(xué)方式有了新的轉(zhuǎn)變

通過課題研究，教師們掌握了探究學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，吃透課程理念，落實(shí)課堂教學(xué)以生為本，把學(xué)生的主體作用和過程教學(xué)真正落到實(shí)處。

(三) 師生互動，課堂效率極大提高

授課過程中，教師拋出錯誤點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生分小組交流討論，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，教師成為課堂的組織者引導(dǎo)者，整個課堂氣氛活躍，學(xué)生都能積極主動參與到學(xué)習(xí)過程，探究知識，形成長久記憶，不同的學(xué)生在不同程度上都能得到不同的發(fā)展，大大提高課堂學(xué)習(xí)的效率。

(四) 培養(yǎng)了學(xué)生自主思考能力

科技小組留給學(xué)生更多的自由發(fā)揮的空間，不再受限于課堂45分鐘，學(xué)生開始變得善于主動搜集資料，學(xué)生學(xué)會主動涉獵課本以外知識，擴(kuò)展了知識面，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。近兩年，學(xué)生參與競賽獲獎也大幅度提升。

五、結(jié) 語

針對“光電技術(shù)”課程中存在的問題，對吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院2015級測控專業(yè)的光電技術(shù)課程教學(xué)理念和教學(xué)方法進(jìn)行改革。通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，以CDIO工程理念為指導(dǎo)，采用糾錯式互動教學(xué)方法完成課程教學(xué)工作，充分發(fā)揮了學(xué)生主體作用，活躍了課堂氣氛，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，改善了人才培養(yǎng)質(zhì)量，具有廣泛的推廣價(jià)值。

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