以培養(yǎng)工程創(chuàng)新能力為核心的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革與實(shí)踐

汪之國，吳素勇，毛宏軍，樊振方，譚中奇

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，湖南長沙 410073)

我國已是世界上高等工程教育規(guī)模最大的國家，但與黨和國家提出的建設(shè)創(chuàng)新型國家的目標(biāo)和走中國特色新型工業(yè)化道路的戰(zhàn)略的要求相比，工程教育質(zhì)量還有待提高［1］。在此背景下，教育部于2010年啟動(dòng)了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，其中一個(gè)重要內(nèi)容就是強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力［2］。實(shí)驗(yàn)課程作為聯(lián)系理論與實(shí)踐的橋梁，是培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的重要途徑和基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，而當(dāng)前實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)還存在不少問題，例如［3］:(1)形式上，驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)多，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)少，綜合性不夠;(2)教師缺乏工程背景和實(shí)踐能力。為了滿足我校光學(xué)工程一級(jí)學(xué)科人才培養(yǎng)的需要，針對(duì)通常實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在的各種問題，我院投入大量人力物力建設(shè)了《高等光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)》課程［4］。根據(jù)過去三年的教學(xué)實(shí)踐，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)方法、教師隊(duì)伍建設(shè)等方面進(jìn)行了改進(jìn)，使之能夠較好地適應(yīng)工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要。本文以其中的“激光陀螺技術(shù)”模塊為例進(jìn)行介紹。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

“激光陀螺技術(shù)”模塊按綜合性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，內(nèi)容涵蓋了激光陀螺原理、環(huán)形激光器搭建、信號(hào)處理、誤差分析和基本應(yīng)用。首先，利用反射鏡、氣體放電管等光學(xué)元件搭建出一臺(tái)環(huán)形激光器，然后用光電探測(cè)器、放大電路和信號(hào)處理電路來獲取環(huán)形激光器所敏感的角速度信息，完成原理樣機(jī)的搭建。最后對(duì)激光陀螺原理樣機(jī)的比例因子進(jìn)行標(biāo)定，并用來測(cè)量電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的角度［5］。針對(duì)工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要，在內(nèi)容設(shè)計(jì)上著重考慮了如下兩個(gè)方面:

1.1 注重學(xué)科交叉和知識(shí)的有機(jī)融合

工程教育的特點(diǎn)之一是綜合性［6］，即一個(gè)工程涉及到多個(gè)專業(yè)或?qū)W科，因此在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)也盡量將相關(guān)學(xué)科的知識(shí)有機(jī)地、符合邏輯地融合在一起?！凹す馔勇菁夹g(shù)”模塊涉及到力學(xué)中的角動(dòng)量守恒定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律，電子線路基礎(chǔ)中的三極管和滯回比較器，激光原理中自再現(xiàn)、激光模式、激光器實(shí)現(xiàn)條件、注入鎖定，數(shù)字信號(hào)處理中采樣、放大、濾波，光學(xué)測(cè)量中干涉，傳感器的輸入輸出特性等多個(gè)專業(yè)的原理和概念。通過將這些原理和概念有機(jī)地穿插在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的深入理解和綜合把握。

2 設(shè)置創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

一般實(shí)驗(yàn)課為演示型或驗(yàn)證型，觀察到與理論預(yù)期一致的現(xiàn)象即可完成實(shí)驗(yàn)，這盡管對(duì)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解以及鍛煉動(dòng)手能力已經(jīng)足夠，但體現(xiàn)不出創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為此，在實(shí)驗(yàn)中增加了若干“關(guān)卡”，增大了對(duì)工程能力和創(chuàng)新性的要求，如果學(xué)生不能夠提出創(chuàng)造性的解決方案將無法獲得正確的數(shù)據(jù)，因而也就無法完成實(shí)驗(yàn)。

例如在信號(hào)中特意混入了幅度非常大的共模噪聲，使信噪比大大降低，導(dǎo)致用常規(guī)方法無法得到正確的信息和數(shù)據(jù)。為了解決該問題，學(xué)生首先應(yīng)掌握信噪比的概念，并在光束合光時(shí)盡可能使光能得到充分利用以使信號(hào)幅度調(diào)到最大。然后一步一步探究噪聲源、分析噪聲的特征，找到共模噪聲的特點(diǎn)，然后采用差分的方法抑制共模噪聲。最后利用滯回比較器將正弦波轉(zhuǎn)換為方波來進(jìn)一步減小噪聲的干擾。增大信號(hào)幅度、抑制共模噪聲和滯回比較必須同時(shí)采用才能夠獲得正確的數(shù)據(jù)，這3點(diǎn)既考察了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度，也鍛煉了創(chuàng)造性解決實(shí)際問題的能力。

3 教學(xué)方法與手段

3.1 研究式和啟發(fā)式教學(xué)

對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，每2～3個(gè)學(xué)生為一組并配一個(gè)指導(dǎo)教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這就提供了非常好的互動(dòng)機(jī)會(huì)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)課本身也特別適合進(jìn)行研究式和啟發(fā)式教學(xué)。因此，的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)是以研究式為主導(dǎo)，在中間的關(guān)鍵點(diǎn)上穿插啟發(fā)式提問，并重視學(xué)生的獨(dú)立性和主動(dòng)性，強(qiáng)調(diào)師生之間的互動(dòng)。

研究式教學(xué)是提高學(xué)生創(chuàng)新能力的重要方法。通過實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改進(jìn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K相當(dāng)于一個(gè)小型科研項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)給學(xué)生提供各個(gè)光學(xué)元器件和測(cè)試儀器，由學(xué)生自己研究怎么搭建一臺(tái)激光陀螺樣機(jī)，并利用它測(cè)出載體任意的轉(zhuǎn)角，其中轉(zhuǎn)角大小由教師任意給定以便考核樣機(jī)的測(cè)量精度。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理獨(dú)立地開展實(shí)驗(yàn)，并解決若干小問題。在關(guān)鍵步驟或涉及關(guān)鍵概念處，教師會(huì)進(jìn)行啟發(fā)式提問，來進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)基本知識(shí)或原理的掌握。例如激光諧振腔調(diào)整時(shí)，就會(huì)對(duì)激光自再現(xiàn)原理和激光器三大基本構(gòu)成進(jìn)行提問;在光合束干涉時(shí)，會(huì)對(duì)雙光束干涉的條件進(jìn)行提問，并讓學(xué)生去分析兩束任意光束合束至少所需的反射鏡和分束鏡的調(diào)節(jié)維度。

3.2 實(shí)驗(yàn)習(xí)慣的培養(yǎng)

良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣在科研和工程實(shí)踐中非常重要，在這方面加強(qiáng)了規(guī)范和教育。實(shí)驗(yàn)習(xí)慣涉及到安全性、實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)記錄規(guī)范性。在實(shí)驗(yàn)開始前，首先進(jìn)行安全教育，對(duì)用電安全、激光防護(hù)、儀器儀表愛護(hù)、化學(xué)試劑安全等進(jìn)行詳細(xì)的講解，使學(xué)生建立安全意識(shí)并在實(shí)踐中嚴(yán)格遵守。在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)操作不規(guī)范之處及時(shí)指出，例如激光反射鏡是激光器的核心器件，如果發(fā)現(xiàn)學(xué)生拿紙片緊貼在激光反射鏡前判斷光束方向，這時(shí)就要及時(shí)制止并就激光反射鏡的重要性以及保護(hù)知識(shí)進(jìn)行啟發(fā)式提問。對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象或數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)科學(xué)規(guī)范來及時(shí)記錄。

3.3 考核手段

實(shí)驗(yàn)課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力，因此采用如下三個(gè)手段:考核手段一是在實(shí)驗(yàn)過程中涉及到關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)時(shí)進(jìn)行口試，即問即答完全體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握和對(duì)問題的認(rèn)識(shí)，這部分成績占15%;考核手段二針對(duì)操作能力和解決問題的實(shí)踐能力，這部分成績占45%;考核手段三是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，主要考察對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋的能力，占40%。

4 結(jié)合本學(xué)院的工程研究優(yōu)勢(shì)

本學(xué)院激光陀螺研究所是國內(nèi)領(lǐng)先的激光陀螺研制和生產(chǎn)單位，在工程研究方面具有深厚的歷史積淀，可為“激光陀螺技術(shù)”實(shí)驗(yàn)?zāi)K的建設(shè)提供良好的支持，主要體現(xiàn)在培養(yǎng)授課教師的工程實(shí)踐能力和建設(shè)開放式的教學(xué)體系。

4.1 提高教師的工程實(shí)踐背景

為了培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)，教師應(yīng)首先保證自己具備良好的工程素質(zhì)和實(shí)踐能力。只有這樣，教師才能在教學(xué)中發(fā)揮主導(dǎo)作用，才能更好地將學(xué)生引導(dǎo)到工程實(shí)踐中去。但實(shí)際上，教師學(xué)歷高但缺乏工程背景和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是我國高等工程教育的一大問題，因此提高教師隊(duì)伍的工程實(shí)踐能力是高等工程教育改革的一項(xiàng)重要內(nèi)容［7］。為此，非常關(guān)注教師的工程背景和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并依托本單位的激光陀螺研制和生產(chǎn)基地，安排教師親自參與到激光陀螺科研和生產(chǎn)第一線去學(xué)習(xí)，從而提高了教師自身的工程實(shí)踐能力。《高等光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)》實(shí)驗(yàn)?zāi)K共有9個(gè)，其中絕大部分教師都有豐富的工程實(shí)踐能力，曾經(jīng)或正在參與到激光陀螺或慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的研制和生產(chǎn)。

4.2 構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

讓學(xué)生真正進(jìn)入到工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境是提升學(xué)生工程實(shí)踐效能的重要環(huán)節(jié)［8］，因此依托本院激光陀螺研究所的“學(xué)生創(chuàng)新研究基地”，將“激光陀螺技術(shù)”模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)一步擴(kuò)展到工業(yè)生產(chǎn)和科研中?！皩W(xué)生創(chuàng)新研究基地”提供了多種激光陀螺以及基于激光陀螺的慣導(dǎo)系統(tǒng)等裝置，學(xué)生在這里可以對(duì)激光陀螺涉及的多種技術(shù)和激光陀螺典型應(yīng)用等開展深入研究。這種開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系可以達(dá)到增加學(xué)生的興趣、拓展學(xué)生的知識(shí)面的目的:通過了解激光陀螺在多種領(lǐng)域的重要應(yīng)用，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)熱情將會(huì)大大激發(fā);通過了解激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)的原理，對(duì)激光陀螺本身也會(huì)具有更深入的認(rèn)識(shí)。進(jìn)一步地，有興趣的學(xué)生還可在“學(xué)生創(chuàng)新研究基地”中對(duì)激光陀螺工程研制和生產(chǎn)中涉及的問題進(jìn)行研究，從而更好地進(jìn)行工程創(chuàng)新能力的訓(xùn)練。

5 結(jié) 論

針對(duì)我國工程教育中普遍存在的自主創(chuàng)新環(huán)節(jié)不多、學(xué)生實(shí)踐能力偏弱、教師工程背景不足、教學(xué)偏學(xué)術(shù)化等問題，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了改革。實(shí)踐表明，經(jīng)過本實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，學(xué)生既掌握了基本原理、又鍛煉了動(dòng)手操作能力，還培養(yǎng)了綜合利用所學(xué)知識(shí)去創(chuàng)造性地解決問題的科研素養(yǎng)，基本達(dá)到了通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)工程創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

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