光電專業(yè)綜合課程設計的實踐教學改革

聶亮 張維光 吳慎將

[摘 要] 專業(yè)綜合課程設計作為光電信息科學與工程專業(yè)的主干課程，在教學過程中貫徹以學生為中心的教育理念，重在培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力。結(jié)果表明，通過教學改革，設計內(nèi)容的復雜性和系統(tǒng)性得到提升，教學方法上更注重對學生創(chuàng)新意識和團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)，并提高了課程目標達成度，為教學工作的持續(xù)改進提供了重要參考。

[關(guān)鍵詞] 綜合課程設計;復雜工程問題;創(chuàng)新能力培養(yǎng)

[基金項目] 2017年度西安工業(yè)大學教學改革研究項目“光電專業(yè)綜合課程設計的實踐教學模式構(gòu)建與實施”（17JGY02）

[作者簡介] 聶 亮（1978—），男，山東泰安人，工學博士，碩士研究生導師，西安工業(yè)大學光電工程學院副教授（通信作者），主要從事光信息科學與工程專業(yè)的理論與教學研究;張維光（1973—），男，陜西彬縣人，工學博士，碩士研究生導師，西安工業(yè)大學光電工程學院光信息系主任，副教授，主要從事光信息科學與工程專業(yè)的理論與教學研究;吳慎將（1979—），男，安徽合肥人，工學博士，碩士研究生導師，西安工業(yè)大學光電工程學院教授，主要從事測控技術(shù)與儀器專業(yè)的理論與教學研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）40-0150-02? ? [收稿日期] 2020-04-01

為培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力，“光電專業(yè)綜合課程設計”不斷凝練專業(yè)特色，充分體現(xiàn)綜合性和創(chuàng)新性，并注重學生綜合能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。該課程安排在四年制本科第七學期，時間為三周，是本科階段的大型綜合教學環(huán)節(jié)之一。在上一學年的實踐教學中暴露出課程建設中的不足之處，如設計內(nèi)容不能充分體現(xiàn)復雜工程問題的特征，且以學生為中心的教育理念貫徹不深入等[1]，因此在教學內(nèi)容和方法上需持續(xù)改進。

一、專業(yè)綜合課程設計存在的問題分析

（一）設計內(nèi)容的復雜性和系統(tǒng)性有待加強

為體現(xiàn)設計內(nèi)容的綜合性，原設計題目選擇“基于CCD的微小尺寸測量系統(tǒng)”，設計內(nèi)容包括系統(tǒng)總體設計、光學設計、光電信號探測、光電信息處理等內(nèi)容。在設計內(nèi)容安排上，由于側(cè)重于知識點覆蓋的全面性，而設計內(nèi)容的復雜性有所欠缺。復雜工程問題的第一個特征是“必須運用深入的工程原理經(jīng)過分析才可能得到解決”[2]，而該題目采用了基本的光學原理測量物體的尺寸，在數(shù)學模型和工程原理方面相對簡單，難題體現(xiàn)出“深入的工程原理”。

在設計內(nèi)容的系統(tǒng)性上也有不足，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，光學系統(tǒng)與測量方案的設計內(nèi)容相關(guān)性較小，因此光學系統(tǒng)設計在設計內(nèi)容中相對獨立，整個設計內(nèi)容的知識體系比較分散，設計內(nèi)容的復雜性和系統(tǒng)性有待加強。

（二）培養(yǎng)創(chuàng)新意識和團隊協(xié)作能力的重視程度不足

按照最新創(chuàng)新性實踐教學的要求，應該貫徹以學生為中心教學理念，教師只作為輔助，學生應該通過自主學習，充分利用教材、圖書館、實驗室、網(wǎng)絡等教學科研資源，獨立完成綜合課程設計的工作。目前，基于現(xiàn)有實驗條件和學生的實踐基礎(chǔ)，為了使學生明確設計目的和設計過程，教學方式采用定時定點的教學模式，教師在教學中起主導作用，學生只需按照指導書內(nèi)容，按部就班完成設計和實驗工作，不能充分調(diào)動學生的積極性和自主創(chuàng)新意識。

此外，對學生團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)不夠。專業(yè)綜合課程設計的組織工作相對復雜，工作量較大，是一個運用多種專門知識的過程，需要小組成員同心協(xié)力、分工合作解決眾多富于挑戰(zhàn)的難題和技術(shù)細節(jié)，鍛煉學生的團隊合作能力。但目前的實踐教學考核中，主要注重每個學生的對各項內(nèi)容的完成情況，卻沒有考慮小組成員的團隊協(xié)作情況，因此組織形式和考核方法需要進一步改革。

二、教學內(nèi)容和方法的改進方案分析

（一）加強設計內(nèi)容的復雜性和系統(tǒng)性

針對現(xiàn)有設計內(nèi)容較分散的問題，應該根據(jù)光電信息類專業(yè)本科培養(yǎng)計劃，圍繞如何培養(yǎng)學生全面設計“光電信息系統(tǒng)”的能力目標，梳理專業(yè)的知識點，形成知識拓撲和能力拓撲圖，研究并凝練出綜合性和邏輯性強的設計內(nèi)容。

經(jīng)過分析論證，確定以“雙目立體視覺測量系統(tǒng)設計”作為題目，能夠體現(xiàn)復雜工程問題的典型特征。

首先，設計內(nèi)容必須運用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決。雙目立體視覺測量系統(tǒng)是典型的復雜工程系統(tǒng)：相機成像模型涉及了世界坐標系、攝像機坐標系、圖像坐標系以及像素坐標系的轉(zhuǎn)換;系統(tǒng)標定原理采用雙目標定方法，得到左右攝像機的相對位置關(guān)系;信息處理采用三維輪廓測量和重建原理。要求學生從系統(tǒng)角度出發(fā)，經(jīng)過深入的工程原理分析，建立整個系統(tǒng)的模型，完成整個測量系統(tǒng)的仿真分析。

其次，設計內(nèi)容具有較高的綜合性和系統(tǒng)性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。設計內(nèi)容包括了光學設計、精密機械設計、三維測量技術(shù)、圖像處理技術(shù)等方面專業(yè)知識。子系統(tǒng)包括了成像子系統(tǒng)、投影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、標定子系統(tǒng)等，這些子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，具有綜合性和系統(tǒng)性。

再次，系統(tǒng)設計存在綜合性和沖突性兩方面，沖突性體現(xiàn)在某些技術(shù)方面，比如光學系統(tǒng)設計中，測量范圍增加和三維輪廓測量精度下降之間的矛盾。為獲取精確的三維信息，需要針對不同的測試對象設計相應的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，光學投影可采用不同形式的結(jié)構(gòu)光，輪廓解算可采用移相法、單幅圖解包裹或特征點匹配等方法，系統(tǒng)標定也由多種方案可選。可見，由于測試對象的不同和測試系統(tǒng)的復雜性，不同分組的學生得到的系統(tǒng)模型未必一致，因此要求各組學生獨立分析、建模和實現(xiàn)，有利于培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力。

（二）注重培養(yǎng)創(chuàng)新意識和團隊協(xié)作能力

針對以往設計指導書中設計內(nèi)容固定，容易出現(xiàn)的設計雷同現(xiàn)象，教師只講設計思想，給出設計指標要求，讓學生自己查找資料、確定方案。在方案設計上給學生提供了更大的自主權(quán)，使學生相對獨立地進行實踐，有利于發(fā)揮學生的主觀能動性。按照設計課題分組集中輔導，指導教師進行集體和個別答疑，增強教學的互動性，對學生提出的問題，教師提出建議，供學生參考，引導他們積極思考與探索，以便獨立解決實際問題。

此外，探索提升學生團隊協(xié)作能力的教學方法。實施過程中，課程設計組織以課程組為單位，學生按設計課題內(nèi)容和興趣編組。如一個教學班可以分成7個設計組，每組4人，分別完成系統(tǒng)建模、光學系統(tǒng)設計、實驗系統(tǒng)設計和圖像處理軟件4個方向的內(nèi)容，相互協(xié)調(diào)、共同推進設計工作。而且7個設計組之間則自然形成競爭關(guān)系。以上措施有利于鍛煉學生的競爭意識和團隊協(xié)作能力。

三、改進方案實施與效果

根據(jù)以上改進方案，優(yōu)化并制定了詳細的綜合課程設計內(nèi)容和步驟，并形成了設計指導書。教學過程組織實施過程分為分析、設計和實施三個階段，具體教學安排如下。第一，總體設計內(nèi)容分析，集中授課4學時;第二，系統(tǒng)參數(shù)設計分組輔導;第三，開展實驗，集中授課2學時，分組輔導與驗收。

選取了2015級的一個班作為試點，采用新的設計內(nèi)容和教學方法，從實施效果來看，學生能夠在團隊中承擔相應的職責，完成相應的設計任務。課程結(jié)束后，對試點班的28個學生進行了一次問卷調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，學生對專業(yè)綜合課程設計的內(nèi)容普遍感興趣，認為能夠體現(xiàn)專業(yè)特色，而且提升了創(chuàng)新意識和團隊協(xié)作能力，對畢業(yè)后就業(yè)有很大幫助。

在期末專業(yè)綜合課程設計課程目標達成度評價中，課程目標總體達成度0.752，高于上一學年的0.743，說明通過教學改革，促進了課程目標的達成，提升了教學質(zhì)量。

四、結(jié)語

通過專業(yè)綜合課程設計的教學改革，分析了當前存在的問題，重新制定了設計內(nèi)容，并改進了教學方法。結(jié)果表明，改進后的設計內(nèi)容更能體現(xiàn)專業(yè)綜合課程設計的復雜性和系統(tǒng)性，且有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和團隊協(xié)作意識，有助于培養(yǎng)學生解決光電信息技術(shù)領(lǐng)域復雜工程問題的能力。

參考文獻

[1]張夢冉，王雪艷，申永康.基于OBE理念構(gòu)建基礎(chǔ)工程課程教學模式探索與實踐[J].教育教學論壇，2020（8）：264-265.

[2]李睿，曹榮敏，于鏑.培養(yǎng)解決復雜工程問題能力的新工科實踐教學研究[J].教育教學論壇，2020（13）：84-85.