基于CDIO模式的《光電探測與信號處理》課程教學改革

左緒忠，何恩節(jié)，秦炎福，官邦貴，高海濤

（安徽科技學院電氣與電子工程學院，鳳陽 233100）

0 引言

隨著國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略的提出，目前國家和企業(yè)對創(chuàng)新型技能人才的需求日益增長，因此高等本科院校的人才培養(yǎng)也應該逐漸由基礎理論知識教育向理論知識傳授為基礎，創(chuàng)新和實踐能力培養(yǎng)為重點的教育方式轉變，具體的人才培養(yǎng)目標就是要強調(diào)學生的綜合素質和專業(yè)核心能力的培養(yǎng)[1]。所以，針對本科生的專業(yè)課和專業(yè)核心課的教學就需要著重在教學內(nèi)容、教學模式以及評價體系等方面進行優(yōu)化與創(chuàng)新，切實從社會對人才的需求類型為出發(fā)點，最終培養(yǎng)出具有創(chuàng)新和實踐能力的人才。

CDIO工程教育模式最初于2000年被倡議，經(jīng)過四年的探索，在2004年被提出的國際工程教育改革的結果，其中CDIO中的四個字母分別代表了構思（Conceive）、設計（Design）、實現(xiàn)（Implement）以及運作（Operate），它是以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動、實踐、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程。CDIO培養(yǎng)大綱主要將工程類畢業(yè)生的能力劃分為四個層面，即工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力以及工程系統(tǒng)能力。大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學生在這四個層面達到預定目標[2]。

《光電探測與信號處理》是我校光電信息科學與工程與電子科學與技術專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，其重要性不言而喻。該課程的教學內(nèi)容主要分為五部分，第一章簡單地介紹光電探測基礎，為學習后面的章節(jié)內(nèi)容提供最為基礎和必要的教學內(nèi)容；第二章主要介紹點探測器的工作原理與負載電路的設計思路和方案，其中點探測器主要涵蓋了光子和光熱兩大類型的探測器；第三章介紹了直接探測和間接探測的原理以及這兩種探測體制的系統(tǒng)性能與最佳信號的處理方法；第四章主要講授光電成像的一些特點和CCD等像探測器的功能；第五章簡要地概述了最佳接收機和理想接收機信號檢測理論。

1 《光電探測與信號處理》教學過程中存在的問題

1.1 理論教學存在的問題

根據(jù)學院指定的人才培養(yǎng)方案，我們課程組編寫了較為詳細的理論教學大綱，其中電子科學與技術專業(yè)的理論學時為42學時。目前，國內(nèi)的很多高等院校對于該類課程的教學主要還是把更多的精力集中在課堂的理論教學上，教學內(nèi)容一般是側重理論知識點的推導和講解，這樣不僅不能調(diào)動教師在課堂上的積極性，也導致了學生在課堂上很為被動。在實施該課程的教學改革之前，理論教學主要存在以下幾點問題：

（1）理論知識講解過多。由于太過于注重教學內(nèi)容的完整性，沒有把具體實例中所用到的基本原理、思想、方法和項目經(jīng)驗講解透徹，這樣不僅忽視了理論知識在工程實踐中的運用，也失去了該課程教學內(nèi)容的實用性和趣味性，不利于培養(yǎng)學生的工程應用能力。

（2）教學計劃陳舊。課堂上的理論教學內(nèi)容與科技發(fā)展以及社會需求脫節(jié)現(xiàn)象較為嚴重，學生對《光電探測與信號處理》中知識點的學習局限于課本，很難深刻理解和熟練掌握知識的精髓與本質，學生不能熟練地對出現(xiàn)的問題用所學的知識進行解釋，導致了學生所學的知識點無法與技術企業(yè)的需求契合。（3）考核方式單一。通常情況下，我們制定的考核方式為閉卷考試和平時成績分別占理論最終成績的80%和20%，這樣就會導致部分學生雖然上課沒有缺勤，但課后學習主動性不強，不能積極調(diào)動學生學習的自覺性，同時這種考核方式也不能準確地反映學生的學習水平。

1.2 實踐教學存在的問題

光電探測與信號處理課程的實踐學習主要包含課程實驗和課程設計兩個模塊，其中課程實驗有18個學時，課程實踐有20個學時。教學改革之前，課程實驗主要存在的問題有：（1）實驗數(shù)量較多。在有限的18個學時里開展了接近20個實驗，部分實驗原理具有重疊性。（2）側重實驗現(xiàn)象的觀察，忽視對現(xiàn)象本質的理解。同樣，課程設計主要存在的問題有：（1）題目靈活性不強。通常都是老師布置題目，學生按照4人一組進行分組，部分學生在完成課程設計任務時表現(xiàn)出慵懶的狀態(tài)。（2）與社會脫節(jié)顯現(xiàn)嚴重。盡管課程設計的題目都來源于現(xiàn)實生活中的實例，但是由于側重點不同，導致課程設計的內(nèi)容與目前社會以及技術性企業(yè)對創(chuàng)新型人才的需求方向還存在較大的差距。

總而言之，現(xiàn)階段的傳統(tǒng)教學已經(jīng)遠遠不能迅速地適應社會與企業(yè)對創(chuàng)新型技術性人才的需求。針對上述存在的情況，我們基于CDIO現(xiàn)代工程教育理念對《光電探測與信號處理》課程進行了系統(tǒng)的教學內(nèi)容優(yōu)化和教學模式創(chuàng)新。

2 基于CDIO模式的《光電探測與信號處理》理論教學內(nèi)容優(yōu)化

2.1 傳統(tǒng)教學與多媒體教學有機結合

《光電探測與信號處理》課程中理論推導較多，知識面廣泛，抽象性較強，我們把傳統(tǒng)教學與多媒體課件教學有機融合起來，可以把理論知識點、圖像、聲音、動畫、視頻以及程序等信息穿插在教學活動中，通過實際案例的講解，把知識點更加生動逼真地穿透到整個案例的設計與運行中，這樣不僅能加深學生對知識點的理解與吸收，也有助于培養(yǎng)學生對工程項目整個流程的興趣。同時，利用多媒體教學可以節(jié)省由于板書、公式推導以及作圖而消耗的時間，從而增加單位學時時間內(nèi)的授課信息量，一方面可以更加詳盡地闡述知識點，另一方面解決了該課程普遍存在的教學內(nèi)容多與學時少之間的矛盾[3]。

2.2 有機融入教師科研成果

《光電探測與信號處理》課程中講到的諸多知識點都是在多功能薄膜器件中實現(xiàn)運用，而器件的制備與合成手段對器件的性能有著很大的影響。我們通過把自身在科研活動中制備的多功能器件分享給學生，重點講解器件的制備條件、制備細節(jié)、制備過程、性能調(diào)試等，這樣可以提高課堂教學的多樣性，也讓學生對科研活動產(chǎn)生濃厚的興趣，科研本身就是以構思、設計、實現(xiàn)與運作為流程的一類活動，這樣不僅能加深學生對知識點在器件中運用的理解，更能培養(yǎng)學生的CDIO工程思維。

3 基于CDIO模式的《光電探測與信號處理》實踐教學內(nèi)容優(yōu)化

3.1 課程實驗教學內(nèi)容優(yōu)化

壓縮實驗數(shù)量，重組實驗項目，加大設計性實驗的比例。實驗教學內(nèi)容優(yōu)化之前，《光電探測與信號處理》課程實驗含有21個小實驗，現(xiàn)將部分原理重疊的實驗進行系統(tǒng)化整理，保留部分具有代表性的10個實驗，同時引入了三維攝像與顯示綜合實驗、超快激光特性研究綜合實驗與LED封裝、測試與設計綜合實驗，這樣既喚起了學生對實驗的興趣，也為學生提供了構思、設計、實現(xiàn)與運行實驗項目的平臺，有利于學生對生產(chǎn)實踐的理解，縮小學生對企業(yè)需求之間的差距。同時，淡化實驗現(xiàn)象觀察，側重理論解釋。我們要求學生在實驗報告中不但要寫出觀察到的實驗現(xiàn)象，更要求學生對觀察到的實驗現(xiàn)象進行理論解釋。

3.2 課程設計教學內(nèi)容優(yōu)化

針對課程設計過程所存在的問題，我們在教學過程中增加了項目設計與運行的演示環(huán)節(jié)。在課程設計教學內(nèi)容優(yōu)化之前，我們通常直接將題目分配給學生，然后學生分組自行討論、研究與設計。這樣存在一定的弊端，由于前期的教學都是在課堂中進行的，很多學生在課余時間沒有自行地對軟件進行操作，因此部分學生對軟件還較為陌生。為此，在開展課程設計之前，教師先選取一個具有代表性的題目，與學生一起分析、討論與研究并制定一個科學合理的解決方案，然后帶著學生一起操作軟件，這樣可以讓學生熟悉軟件的操作也達到對項目預鍛煉的目的[4]。同時，我們創(chuàng)建了符合CDIO模式的課程設計題目數(shù)據(jù)庫以提高學生的設計興趣。由于課程設計題目多樣化，現(xiàn)在由原來的四人一組改為二人一組，而且每兩人中均含有一個學習成績較好和一個學習成績較差的學生，讓自我效能感發(fā)揮最大價值，防止成績較差的學生在完成項目過程中消極怠慢，從而讓學生能真正地參與到課程設計中去，培養(yǎng)和提高學生在完成項目過程中構思、設計、實現(xiàn)與運行的意識和能力。

4 基于CDIO模式的《光電探測與信號處理》教學模式創(chuàng)新

4.1 建立校企合作平臺

我校的光電信息科學與工程專業(yè)目前在京東方、美菱以及創(chuàng)維等多家技術類企業(yè)取得了實習基地，企業(yè)對項目的要求通常很高，因此對學生提出的要求就很高，我們以此為契機，將企業(yè)中資深的工程師引入到教學中，使學生在學習理論知識的過程中掌握原理應用、理解知識的重要性以加強學生學習的緊迫性；同時，我們將企業(yè)的實際項目也引入到教學中，讓專業(yè)工程師對一個具體的案例進行剖析分解，詳細講解一個工程項目完成所需要經(jīng)歷的流程，培養(yǎng)學生對工程項目的構思、設計與運行意識[5]。從而體現(xiàn)了CDIO模式下“學以致用”和“基于項目的教育與學習”的精髓。

4.2 設計翻轉課堂

傳統(tǒng)的教學模式下，都是教師在講臺上講解，學生在下面被動地接受，這樣很難調(diào)動學生的學習積極性。為此，我們在教學過程中設計了翻轉課堂，在完成每章節(jié)的學習結束后，我們隨機抽取2個學生對講過的知識點和實踐案例分別進行歸納總結和剖析，并要求學生完成相應的PPT設計，翻轉角色，教師扮演學生的角色，學生扮演教師的角色?！胺D課堂”對學生的學習過程進行了重構?！靶畔鬟f”是學生在課前進行的，教師不僅提供了視頻，還可以提供專業(yè)輔導；“吸收內(nèi)化”是在課堂上通過互動來完成的，教師能夠提前了解學生的學習困難，在課堂上給予有效的輔導，同學之間的相互交流更有助于促進學生知識的吸收內(nèi)化過程。翻轉課堂本質上就是要求學生具備構思、設計、實現(xiàn)與運行的實踐能力，因此這一教學模式的改革符合CDIO工程教育模式。

4.3 積極改革各類考核方式

考核是檢驗教學效果以及評價教學質量的一個重要指標，科學合理的考核方式與方法也是CDIO模式的標準之一，因此考核方式必須涵蓋對學生的構思、設計、實現(xiàn)與運行產(chǎn)品的能力有機結合起來[5]。為此，我們做了如下幾點改革：（1）課程教學的全程考核。在傳統(tǒng)的考核方式背景下，很多學生平時學習動力不足、課后復習不及時、考試之前突擊復習等現(xiàn)象明顯，針對上述現(xiàn)象，我們在每章內(nèi)容講解完以后以布置論文和小項目的形式讓學生進行鞏固學習，并對上交材料的考核成績納入到最終成績里面去。（2）加大項目教學與實踐環(huán)節(jié)的考核力度。課堂上增加項目教學的權重，培養(yǎng)學生項目意識。根據(jù)課程學習的內(nèi)容，分階段布置相關項目，讓學生在實驗室完成項目的編寫和調(diào)試，著重考察編寫原理所對應的知識點，現(xiàn)場對學生的項目進行逐個驗收，指出項目設計的不足并要求改進，這樣不僅讓學生學會把理論知識和實踐應用緊密聯(lián)系起來，也提高了學生分析問題、發(fā)現(xiàn)問題以及解決問題的能力，也滿足了CDIO模式下對《光電探測與信號處理》工程教學的要求。（3）綜合性設計實驗實行答辯考核。邀請相關學科的教師一起參與答辯，教師在考核過程中對學生所做的產(chǎn)品項目的整體思路、設計原理和關鍵技術進行詳細的講解，取代過去單獨以實驗操作和實驗報告考核的方式，這樣激發(fā)學生對實驗的興趣也加深了對知識點的理解，也為學生創(chuàng)建了協(xié)同、創(chuàng)新與合作的學習平臺。

5 結語

本文針對我校在《光電探測與信號處理》課程教學中存在的部分問題，同時分析了當前教學內(nèi)容和教學模式與社會對創(chuàng)新型技術人才需求之間的差距，并借鑒了國內(nèi)很多高校在CDIO模式下的教學改革經(jīng)驗，我們探索了基于CDIO模式下的《光電探測與信號處理》課程教學改革。改革后的實踐證明：優(yōu)化后的教學內(nèi)容進一步激發(fā)了學生的學習興趣，創(chuàng)新后的教學模式進一步提高了學生的工程能力?？傊ㄟ^上述優(yōu)化與創(chuàng)新，能讓學生真正地融入到課堂教學與課程實踐中去，從而該課程的教學質量也有了顯著的改善。

[1]張國斌，張樹軍，劉春城，劉悅，徐增梅，基于CDIO模式的學生實踐能力的培養(yǎng)[J].實驗室科學，2014（1）:126-127.

[2]田海梅，朱保平，陳愛萍，基于CDIO模式的綜合項目改革的實踐[J].實驗技術與管理，2011（4）:130-132.

[3]陳文杰，任立軍，張林，楊鋒，新加坡理工學院基于CDIO模式的項目教學改革[J].職業(yè)技術教育，2009（35）:91-93.

[4]馬睿，張玉英，邵蘭潔，莫德舉，基于CDIO模式的軟件工程專業(yè)培養(yǎng)模式的探索[J].學科建設，2011（8）:134-135.

[5]才智，趙春剛，顧澤元，基于CDIO模式的軟件工程課程教學改革[J].內(nèi)蒙古師范大學學報，2013（9）:83-85.