光電專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)改革

聶亮 張維光 吳慎將

[摘 要] 專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)作為光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的主干課程，在教學(xué)過(guò)程中貫徹以學(xué)生為中心的教育理念，重在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。結(jié)果表明，通過(guò)教學(xué)改革，設(shè)計(jì)內(nèi)容的復(fù)雜性和系統(tǒng)性得到提升，教學(xué)方法上更注重對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)，并提高了課程目標(biāo)達(dá)成度，為教學(xué)工作的持續(xù)改進(jìn)提供了重要參考。

[關(guān)鍵詞] 綜合課程設(shè)計(jì);復(fù)雜工程問(wèn)題;創(chuàng)新能力培養(yǎng)

[基金項(xiàng)目] 2017年度西安工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“光電專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)模式構(gòu)建與實(shí)施”（17JGY02）

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

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）40-0150-02? ? [收稿日期] 2020-04-01

為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，“光電專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)”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(xué)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(xué)期，時(shí)間為三周，是本科階段的大型綜合教學(xué)環(huán)節(jié)之一。在上一學(xué)年的實(shí)踐教學(xué)中暴露出課程建設(shè)中的不足之處，如設(shè)計(jì)內(nèi)容不能充分體現(xiàn)復(fù)雜工程問(wèn)題的特征，且以學(xué)生為中心的教育理念貫徹不深入等[1]，因此在教學(xué)內(nèi)容和方法上需持續(xù)改進(jìn)。

一、專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題分析

（一）設(shè)計(jì)內(nèi)容的復(fù)雜性和系統(tǒng)性有待加強(qiáng)

為體現(xiàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容的綜合性，原設(shè)計(jì)題目選擇“基于CCD的微小尺寸測(cè)量系統(tǒng)”，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、光學(xué)設(shè)計(jì)、光電信號(hào)探測(cè)、光電信息處理等內(nèi)容。在設(shè)計(jì)內(nèi)容安排上，由于側(cè)重于知識(shí)點(diǎn)覆蓋的全面性，而設(shè)計(jì)內(nèi)容的復(fù)雜性有所欠缺。復(fù)雜工程問(wèn)題的第一個(gè)特征是“必須運(yùn)用深入的工程原理經(jīng)過(guò)分析才可能得到解決”[2]，而該題目采用了基本的光學(xué)原理測(cè)量物體的尺寸，在數(shù)學(xué)模型和工程原理方面相對(duì)簡(jiǎn)單，難題體現(xiàn)出“深入的工程原理”。

在設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，光學(xué)系統(tǒng)與測(cè)量方案的設(shè)計(jì)內(nèi)容相關(guān)性較小，因此光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)內(nèi)容中相對(duì)獨(dú)立，整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容的知識(shí)體系比較分散，設(shè)計(jì)內(nèi)容的復(fù)雜性和系統(tǒng)性有待加強(qiáng)。

（二）培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的重視程度不足

按照最新創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)的要求，應(yīng)該貫徹以學(xué)生為中心教學(xué)理念，教師只作為輔助，學(xué)生應(yīng)該通過(guò)自主學(xué)習(xí)，充分利用教材、圖書館、實(shí)驗(yàn)室、網(wǎng)絡(luò)等教學(xué)科研資源，獨(dú)立完成綜合課程設(shè)計(jì)的工作。目前，基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件和學(xué)生的實(shí)踐基礎(chǔ)，為了使學(xué)生明確設(shè)計(jì)目的和設(shè)計(jì)過(guò)程，教學(xué)方式采用定時(shí)定點(diǎn)的教學(xué)模式，教師在教學(xué)中起主導(dǎo)作用，學(xué)生只需按照指導(dǎo)書內(nèi)容，按部就班完成設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)工作，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和自主創(chuàng)新意識(shí)。

此外，對(duì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)不夠。專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)的組織工作相對(duì)復(fù)雜，工作量較大，是一個(gè)運(yùn)用多種專門知識(shí)的過(guò)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(xì)節(jié)，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。但目前的實(shí)踐教學(xué)考核中，主要注重每個(gè)學(xué)生的對(duì)各項(xiàng)內(nèi)容的完成情況，卻沒(méi)有考慮小組成員的團(tuán)隊(duì)協(xié)作情況，因此組織形式和考核方法需要進(jìn)一步改革。

二、教學(xué)內(nèi)容和方法的改進(jìn)方案分析

（一）加強(qiáng)設(shè)計(jì)內(nèi)容的復(fù)雜性和系統(tǒng)性

針對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)內(nèi)容較分散的問(wèn)題，應(yīng)該根據(jù)光電信息類專業(yè)本科培養(yǎng)計(jì)劃，圍繞如何培養(yǎng)學(xué)生全面設(shè)計(jì)“光電信息系統(tǒng)”的能力目標(biāo)，梳理專業(yè)的知識(shí)點(diǎn)，形成知識(shí)拓?fù)浜湍芰ν負(fù)鋱D，研究并凝練出綜合性和邏輯性強(qiáng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

經(jīng)過(guò)分析論證，確定以“雙目立體視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)”作為題目，能夠體現(xiàn)復(fù)雜工程問(wèn)題的典型特征。

首先，設(shè)計(jì)內(nèi)容必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過(guò)分析才可能得到解決。雙目立體視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)是典型的復(fù)雜工程系統(tǒng)：相機(jī)成像模型涉及了世界坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系以及像素坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換;系統(tǒng)標(biāo)定原理采用雙目標(biāo)定方法，得到左右攝像機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系;信息處理采用三維輪廓測(cè)量和重建原理。要求學(xué)生從系統(tǒng)角度出發(fā)，經(jīng)過(guò)深入的工程原理分析，建立整個(gè)系統(tǒng)的模型，完成整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的仿真分析。

其次，設(shè)計(jì)內(nèi)容具有較高的綜合性和系統(tǒng)性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問(wèn)題。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括了光學(xué)設(shè)計(jì)、精密機(jī)械設(shè)計(jì)、三維測(cè)量技術(shù)、圖像處理技術(shù)等方面專業(yè)知識(shí)。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(biāo)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(shè)計(jì)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，測(cè)量范圍增加和三維輪廓測(cè)量精度下降之間的矛盾。為獲取精確的三維信息，需要針對(duì)不同的測(cè)試對(duì)象設(shè)計(jì)相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，光學(xué)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(diǎn)匹配等方法，系統(tǒng)標(biāo)定也由多種方案可選。可見(jiàn)，由于測(cè)試對(duì)象的不同和測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜性，不同分組的學(xué)生得到的系統(tǒng)模型未必一致，因此要求各組學(xué)生獨(dú)立分析、建模和實(shí)現(xiàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。

（二）注重培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力

針對(duì)以往設(shè)計(jì)指導(dǎo)書中設(shè)計(jì)內(nèi)容固定，容易出現(xiàn)的設(shè)計(jì)雷同現(xiàn)象，教師只講設(shè)計(jì)思想，給出設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，讓學(xué)生自己查找資料、確定方案。在方案設(shè)計(jì)上給學(xué)生提供了更大的自主權(quán)，使學(xué)生相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行實(shí)踐，有利于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。按照設(shè)計(jì)課題分組集中輔導(dǎo)，指導(dǎo)教師進(jìn)行集體和個(gè)別答疑，增強(qiáng)教學(xué)的互動(dòng)性，對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題，教師提出建議，供學(xué)生參考，引導(dǎo)他們積極思考與探索，以便獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題。

此外，探索提升學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的教學(xué)方法。實(shí)施過(guò)程中，課程設(shè)計(jì)組織以課程組為單位，學(xué)生按設(shè)計(jì)課題內(nèi)容和興趣編組。如一個(gè)教學(xué)班可以分成7個(gè)設(shè)計(jì)組，每組4人，分別完成系統(tǒng)建模、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和圖像處理軟件4個(gè)方向的內(nèi)容，相互協(xié)調(diào)、共同推進(jìn)設(shè)計(jì)工作。而且7個(gè)設(shè)計(jì)組之間則自然形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。以上措施有利于鍛煉學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

三、改進(jìn)方案實(shí)施與效果

根據(jù)以上改進(jìn)方案，優(yōu)化并制定了詳細(xì)的綜合課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟，并形成了設(shè)計(jì)指導(dǎo)書。教學(xué)過(guò)程組織實(shí)施過(guò)程分為分析、設(shè)計(jì)和實(shí)施三個(gè)階段，具體教學(xué)安排如下。第一，總體設(shè)計(jì)內(nèi)容分析，集中授課4學(xué)時(shí);第二，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)分組輔導(dǎo);第三，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，集中授課2學(xué)時(shí)，分組輔導(dǎo)與驗(yàn)收。

選取了2015級(jí)的一個(gè)班作為試點(diǎn)，采用新的設(shè)計(jì)內(nèi)容和教學(xué)方法，從實(shí)施效果來(lái)看，學(xué)生能夠在團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)相應(yīng)的職責(zé)，完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。課程結(jié)束后，對(duì)試點(diǎn)班的28個(gè)學(xué)生進(jìn)行了一次問(wèn)卷調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容普遍感興趣，認(rèn)為能夠體現(xiàn)專業(yè)特色，而且提升了創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，對(duì)畢業(yè)后就業(yè)有很大幫助。

在期末專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)中，課程目標(biāo)總體達(dá)成度0.752，高于上一學(xué)年的0.743，說(shuō)明通過(guò)教學(xué)改革，促進(jìn)了課程目標(biāo)的達(dá)成，提升了教學(xué)質(zhì)量。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革，分析了當(dāng)前存在的問(wèn)題，重新制定了設(shè)計(jì)內(nèi)容，并改進(jìn)了教學(xué)方法。結(jié)果表明，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)內(nèi)容更能體現(xiàn)專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和系統(tǒng)性，且有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，有助于培養(yǎng)學(xué)生解決光電信息技術(shù)領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)

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

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