信息光電子學(xué)課程仿真案例教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐

羅朝明,唐 鵬,劉碩卿,宋益飛,程望斌,劉 靖

(湖南理工學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

0 引言

案例教學(xué)是指借用經(jīng)典性和針對(duì)性的案例指導(dǎo)教學(xué)的一種開放互動(dòng)的教學(xué)方式[1～4],它主要以學(xué)生為主體,通過“思考創(chuàng)見”的方式來提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力.這種案例教學(xué)方式注重師生雙向交流,能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性,易于學(xué)習(xí)和理解,已被許多高校列入教學(xué)改革計(jì)劃.隨著虛擬仿真技術(shù)的迅猛發(fā)展,仿真案例教學(xué)也應(yīng)運(yùn)而生.仿真案例教學(xué)是將虛擬仿真技術(shù)引入案例教學(xué)中的一種教學(xué)模式[5～6].相比于傳統(tǒng)的案例教學(xué),仿真案例教學(xué)不僅內(nèi)容豐富靈活,更重要的是它解決了實(shí)驗(yàn)受硬件設(shè)備條件和場(chǎng)地限制的問題,彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)的空白.同時(shí),仿真案例教學(xué)將抽象的理論知識(shí)與可視的圖形相結(jié)合,也便于學(xué)生理解理論知識(shí).近年來,很多高校提出對(duì)仿真案例教學(xué)進(jìn)行改革,如中國(guó)石油大學(xué)對(duì)“滲流物理實(shí)驗(yàn)”的仿真案例教學(xué)模式進(jìn)行探索[7],安徽理工大學(xué)對(duì)單片機(jī)原理及接口技術(shù)的仿真案例教學(xué)模式進(jìn)行研究實(shí)踐[8].本課題組也開展了信號(hào)與系統(tǒng)的仿真案例教學(xué)研究應(yīng)用[9～10],突出對(duì)學(xué)生理論和實(shí)踐的培養(yǎng),強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的相互聯(lián)系,在教學(xué)方面取得了顯著成效.目前,仿真案例教學(xué)的改革與實(shí)踐在本科生課程中進(jìn)行得比較多,在研究生課程中的探索較少,但仿真案例教學(xué)對(duì)改革理論性較強(qiáng)的研究生課程教學(xué)有著至關(guān)重要的作用,故需對(duì)此進(jìn)行研究.

信息光電子學(xué)是一門在研究光與物質(zhì)相互作用的過程中發(fā)展起來的新興課程,具有基礎(chǔ)理論與前沿研究相結(jié)合的特點(diǎn),是信息與通信工程學(xué)科“光通信與信息器件方向”研究生從事研究和開發(fā)工作所必須掌握的專業(yè)基礎(chǔ)課程.信息光電子學(xué)課程包含許多復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo),具有“較強(qiáng)的理論性”;只有理論授課環(huán)節(jié),從而導(dǎo)致“理論與實(shí)踐脫節(jié)”;教學(xué)模式也是以教師在課堂上傳授知識(shí)、學(xué)生被動(dòng)接收知識(shí)為主,導(dǎo)致“教學(xué)方式比較單一”.這些問題阻礙了研究生在本課程學(xué)習(xí)中主觀能動(dòng)性的發(fā)揮.為了改變信息光電子學(xué)的“教難學(xué)更難”的教學(xué)現(xiàn)狀,本文擬基于虛擬仿真軟件設(shè)計(jì)教學(xué)案例微課,建立理論與實(shí)踐一體化的信息光電子學(xué)仿真案例教學(xué)平臺(tái),并在此基礎(chǔ)上開展翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)實(shí)踐,充分強(qiáng)化學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位,促進(jìn)教學(xué)過程中理論、實(shí)踐與科研的有機(jī)融合.

1 建設(shè)仿真案例教學(xué)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的交融

信息光電子學(xué)課程全面介紹了光電子系統(tǒng)信息傳遞與處理各個(gè)環(huán)節(jié)的基本概念、基本原理與基礎(chǔ)應(yīng)用.這門課程知識(shí)點(diǎn)眾多,內(nèi)容復(fù)雜抽象.為了使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)這門課程,首先對(duì)信息光電子學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)行研究和拆分,確定每個(gè)章節(jié)的重點(diǎn)和框架,具體如圖1所示.按照信息的傳輸處理環(huán)節(jié)將信息光電子學(xué)分為“光源”、“信息加載”、“光信息傳輸”、“光信號(hào)接收”、“光信息處理儲(chǔ)存”五個(gè)部分.“光源”部分主要包括“激光原理與技術(shù)”,講述光源的種類和激光的產(chǎn)生.“信息加載”部分主要包括“光信息系統(tǒng)的信號(hào)加載與控制”,講述光的調(diào)制,為學(xué)習(xí)光傳輸打下基礎(chǔ).“光信號(hào)傳輸”包括“光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與光場(chǎng)傳播規(guī)律”和“光波導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ)”兩部分,主要講解光信號(hào)的傳輸規(guī)律和傳輸通道.“光信號(hào)接收”部分包括“光電探測(cè)技術(shù)”和“光電顯示技術(shù)”兩部分,詳細(xì)描述提取以及轉(zhuǎn)換電信號(hào)的各環(huán)節(jié).“光信號(hào)處理儲(chǔ)存”部分包括“光盤與光儲(chǔ)存技術(shù)”,講述對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行記錄與儲(chǔ)存的過程.

圖1 信息光電子學(xué)課程框架

在對(duì)信息光電子學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)行研究和拆解分析之后,針對(duì)本課程教學(xué)存在“理論與公式較多”、“缺乏實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)”等問題,構(gòu)建如圖2所示仿真案例教學(xué)平臺(tái)方案,加強(qiáng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中理論與實(shí)踐的聯(lián)系.該仿真案例教學(xué)平臺(tái)主要思想是,針對(duì)拆解知識(shí)點(diǎn)利用仿真技術(shù)設(shè)計(jì)出虛擬實(shí)驗(yàn)微課,模糊理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的界限,將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)真正融為一體.通過認(rèn)真研究教材,挖掘光電方向的實(shí)驗(yàn)室資源,同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外信息光電子學(xué)的最新研究動(dòng)態(tài),基于Matlab 和Mathematica 等仿真軟件設(shè)計(jì)出包括“麥克斯韋方程組”、“高斯光束”、“偏振光學(xué)”、“平面光波導(dǎo)”、“光纖”、“光子自旋霍爾效應(yīng)”等核心內(nèi)容的虛擬實(shí)驗(yàn)微課及其配套內(nèi)容.這些仿真案例教學(xué)既利用虛擬實(shí)驗(yàn)加深了對(duì)課程重難點(diǎn)內(nèi)容的理解,又借助學(xué)科實(shí)驗(yàn)室資源開發(fā)了實(shí)物實(shí)驗(yàn),彌補(bǔ)了實(shí)物實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的空白,將教與學(xué)融為一體.因此應(yīng)用這種仿真案例教學(xué)平臺(tái),很好地解決了教學(xué)模式單一的問題,又使得理論與實(shí)踐相結(jié)合,提高了學(xué)生的科研能力.

圖2 仿真案例教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方案

接下來,以“麥克斯韋方程組”教學(xué)為例,簡(jiǎn)要說明仿真案例教學(xué)平臺(tái)微課資源的開發(fā)思路.“麥克斯韋方程組”是理解宏觀電磁現(xiàn)象的核心內(nèi)容,在信息光電子學(xué)課程中屬于重難點(diǎn),學(xué)生僅從方程組的形式上難以將麥克斯韋方程組的理論與實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系.從理論知識(shí)出發(fā),我們?cè)O(shè)計(jì)了電磁場(chǎng)在均勻介質(zhì)中傳輸?shù)姆抡鎸?shí)驗(yàn),并在仿真軟件Matlab 中利用時(shí)域有限差分算法對(duì)均勻介質(zhì)中的麥克斯韋方程組進(jìn)行求解,不同時(shí)刻的場(chǎng)強(qiáng)分布如圖3所示.圖3 動(dòng)態(tài)描述出點(diǎn)光源在這種介質(zhì)中的傳輸情況,也可以形象地反映介質(zhì)參數(shù)和光源設(shè)置改變后的傳輸特性,結(jié)合國(guó)內(nèi)外“麥克斯韋方程組”的最新研究動(dòng)態(tài),將其制作成仿真案例教學(xué)微課.這樣使得研究生可以更全面更形象地理解麥克斯韋方程組,更好地將課程與科研結(jié)合,提升自身的主觀能動(dòng)性.

圖3 電磁場(chǎng)在均勻介質(zhì)傳輸過程中不同時(shí)刻的場(chǎng)強(qiáng)分布

2 借助翻轉(zhuǎn)課堂模式,培養(yǎng)學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性

仿真案例教學(xué)平臺(tái)一定程度上模糊了實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)的界限,但鑒于研究生學(xué)習(xí)目的性強(qiáng)的特點(diǎn),它的實(shí)踐模式還有待改進(jìn),因此本課題組引入了翻轉(zhuǎn)課堂對(duì)仿真案例教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐.翻轉(zhuǎn)課堂是重新劃分或者組織課內(nèi)以及課外的應(yīng)用實(shí)踐,讓學(xué)生在教學(xué)中能夠掌握主動(dòng)權(quán)的一種課程教學(xué)模式[11～15],其流程如圖4所示.課前,教師在仿真案例教學(xué)平臺(tái)發(fā)布線上微課,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和思考,從而達(dá)到知識(shí)傳遞的效果;課堂上,通過寫作討論的形式對(duì)課前預(yù)習(xí)過程中產(chǎn)生的疑慮進(jìn)行解答,以達(dá)到知識(shí)內(nèi)化;課后,教師通過線上平臺(tái)進(jìn)行考核,從而達(dá)到知識(shí)鞏固的效果,并根據(jù)考核結(jié)果進(jìn)行個(gè)性化教學(xué),對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力進(jìn)行拓展提高.同樣以“麥克斯韋方程組”為例,對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式進(jìn)行講解.課前,教師將“麥克斯韋方程組”的相關(guān)微課上傳到仿真案例教學(xué)平臺(tái);學(xué)生根據(jù)自己的時(shí)間對(duì)麥克斯方程組相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí),仿真電磁場(chǎng)在均勻介質(zhì)中的傳輸過程,同時(shí)對(duì)疑難問題進(jìn)行自主思考以及探索.課上,教師與學(xué)生以寫作討論的形式對(duì)仿真電磁場(chǎng)在均勻介質(zhì)傳輸過程中遇到的問題進(jìn)行探討.課后,教師根據(jù)探討結(jié)果在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)置專屬問題,例如“談?wù)勀銓?duì)麥克斯韋方程組的理解”,以掌握學(xué)生對(duì)麥克斯韋方程組的學(xué)習(xí)效果,并且及時(shí)調(diào)整教學(xué)計(jì)劃,培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力.通過翻轉(zhuǎn)課堂對(duì)仿真案例教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐,學(xué)生可以在線上有選擇地自主學(xué)習(xí),線下與教師對(duì)疑難問題進(jìn)行討論,從而可以充分體現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位,完成教學(xué)中理論、實(shí)踐與科研的有機(jī)結(jié)合.

圖4 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式框架

3 結(jié)束語

根據(jù)學(xué)校在信息光電子學(xué)課程方面對(duì)研究生的培養(yǎng)要求,秉持以學(xué)生為本、以現(xiàn)代教育理念為先導(dǎo)的思想,通過引入仿真案例教學(xué)對(duì)該課程進(jìn)行改革與實(shí)踐.借助虛擬仿真技術(shù)開發(fā)微課資源,建立仿真案例教學(xué)平臺(tái),并引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式,對(duì)建立起的仿真案例教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用,強(qiáng)化理論與實(shí)踐結(jié)合,提高學(xué)生動(dòng)手科研能力.這種教學(xué)改革方案有效地改善了“實(shí)踐環(huán)節(jié)缺乏”、“教學(xué)模式單一”的問題,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高了學(xué)生的主觀能動(dòng)性.自教學(xué)改革以來,本課題組指導(dǎo)學(xué)生公開發(fā)表高水平SCI 論文11 篇;獲研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目省級(jí)立項(xiàng)4 項(xiàng),校級(jí)項(xiàng)目3 項(xiàng);畢業(yè)的研究生中,獲省級(jí)優(yōu)秀碩士論文1篇,校級(jí)優(yōu)秀碩士論文1 篇并被推薦參評(píng)省級(jí)優(yōu)秀論文;獲“華為杯”全國(guó)數(shù)學(xué)建模大賽二等獎(jiǎng)3 次,湖南省數(shù)學(xué)建模大賽三等獎(jiǎng)2 次.