新工科背景下光電檢測技術(shù)教學(xué)方法研究

周正仙，阮麗麗，余瑞蘭，杜友武，張法保

（1.安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖 241002；2.光電材料科學(xué)與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖 241002）

在新工科背景下，各高校圍繞工科教育的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系開展了課程改革和實(shí)踐工作[1-2]?！肮怆姍z測技術(shù)”課程是高校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的一門重要專業(yè)課程[3-4]。我國光電檢測技術(shù)課程的教學(xué)工作仍存在著重教不重學(xué)的問題，教師教授方法單一，沒有調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，結(jié)果造成教學(xué)質(zhì)量普遍不高。傳統(tǒng)的教學(xué)理念、教學(xué)方法和知識(shí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前新工科理念下的人才培養(yǎng)模式。針對(duì)光電檢測技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀，高等教育工作者做了一些有益的探索，也積累了一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)。通過改變教學(xué)方法，采用案例教學(xué)來實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，這些理論探討在一定程度上提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、增強(qiáng)了教學(xué)過程的互動(dòng)性、培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造力。但是，由于光電檢測技術(shù)是一門偏應(yīng)用的專業(yè)課程，若教學(xué)方式不能將理論與實(shí)踐相結(jié)合，將教與學(xué)充分融合，將很難達(dá)到好的效果。

1 教學(xué)方法研究

根據(jù)我校及國內(nèi)同類院校光電檢測技術(shù)課程的現(xiàn)狀，以新工科理念為指導(dǎo)思想，從教學(xué)模式、教學(xué)方法、考核體系等方面對(duì)光電檢測技術(shù)課程教學(xué)進(jìn)行研究，并以具體的知識(shí)點(diǎn)教學(xué)為案列，將理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法貫穿于整個(gè)教學(xué)過程。

（1）教學(xué)模式研究。結(jié)合新工科理念，研究以學(xué)生學(xué)為主導(dǎo)和教師指導(dǎo)為輔的教學(xué)模式，以應(yīng)用案例為驅(qū)動(dòng)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，逆向驅(qū)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)光電檢測技術(shù)課程相關(guān)內(nèi)容。教學(xué)過程中，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目，講解理論知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用，從而進(jìn)一步加固學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，形成以學(xué)生為中心的講授、學(xué)習(xí)、思考多維一體化教學(xué)模式。

（2）教學(xué)方法研究。采用理論知識(shí)講解、案例講解、討論思考相結(jié)合的新教學(xué)方法。對(duì)基礎(chǔ)的技術(shù)內(nèi)容采用課堂講解的方法，并結(jié)合實(shí)際案例講解，讓學(xué)生明白所學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)設(shè)置光電檢測項(xiàng)目設(shè)計(jì)，逆向驅(qū)動(dòng)學(xué)生對(duì)光電檢測技術(shù)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，提升課程教學(xué)質(zhì)量。項(xiàng)目設(shè)置是雙向的，可以由教師設(shè)置題目，也可以由學(xué)生主動(dòng)提出設(shè)計(jì)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力。

（3）考核體系研究。總體思路是以課程考核為杠桿，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。最終成績的計(jì)算包括方案設(shè)計(jì)、案例討論、期中考試、平時(shí)成績、期末考試等幾個(gè)部分。此外，我們計(jì)劃將平時(shí)成績分成作業(yè)成績和提問成績。對(duì)于學(xué)生主動(dòng)提出好的案例或好的設(shè)計(jì)題目給予肯定（加分），并將這些好的案例和設(shè)計(jì)題目加入到期中和期末考試的命題庫中，以此來激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考。

2 教學(xué)實(shí)踐

以光電檢測信號(hào)處理為例，采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的思路來實(shí)施教學(xué)，將教學(xué)模式、教學(xué)方法和考核方法充分融合到具體的教學(xué)過程中。教學(xué)流程是：先講理論，再安排學(xué)生實(shí)踐，讓學(xué)生思考提出問題以鞏固理論。

首先，講授滑動(dòng)平均[5]和滑動(dòng)相減[6]處理算法，讓學(xué)生掌握信號(hào)降噪和信號(hào)提取的理論知識(shí)。

（1）滑動(dòng)平均理論。信號(hào)會(huì)攜帶噪聲，噪聲信號(hào)波動(dòng)大連續(xù)性差，通過滑動(dòng)平均的方法濾除高頻噪聲來增加信號(hào)的連續(xù)性。假設(shè)有N條信號(hào)曲線，每條信號(hào)曲線有Q個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，則可以表示為r={r1,r2,r3,…,ri,…,rN}，這里ri表示第i條信號(hào)曲線。若滑動(dòng)平均的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為M，則滑動(dòng)平均曲線可表示為

（2）滑動(dòng)相減理論。通常信號(hào)集合中相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)都非常接近，無法用相鄰差分法提取有用信號(hào)，因此需要采用一定間隔的曲線相減提取有用信號(hào)。先計(jì)算滑動(dòng)相減間隔r，再利用相減間隔得到差值曲線。計(jì)算r時(shí)需要考慮到脈沖持續(xù)時(shí)間和振動(dòng)的衰減時(shí)間，選擇Rr=Rint(i/2M)×M+1作為滑動(dòng)相減間隔計(jì)算公式，通過ΔRi=Ri-Rr得到差值曲線集ΔR={ΔR1,ΔR2,ΔR3,…,ΔRi,…,ΔRN-M}。這種方法即使在平均數(shù)M很大的情況下，曲線條數(shù)從N減少到N-M，可測量的最大頻率與分離平均法相比變化也不大。

其次，給合本實(shí)驗(yàn)科研項(xiàng)目，讓學(xué)生利用所學(xué)的滑動(dòng)平均和滑動(dòng)相減理論對(duì)光纖傳感器采集到的原始后向散射數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取有效的振動(dòng)信號(hào)，使其充分理解滑動(dòng)平均和滑動(dòng)相減理論在實(shí)際中是如何應(yīng)用的，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

圖1為原始光纖后向散射信號(hào)，從圖1可以看出，末端位置為振動(dòng)信號(hào)位置，如紅框所示。原始的后向散射曲線含有高頻噪聲，整條曲線波動(dòng)性大、連續(xù)性差。通過對(duì)原始后向散射曲線振動(dòng)位置信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理，過濾高頻噪聲，提高信號(hào)的連續(xù)性，處理后的信號(hào)如圖2所示。

圖1 原始后向散射信號(hào)

圖2 振動(dòng)位置的后向散射信號(hào)

對(duì)后向散射原始信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，提取有效振動(dòng)信號(hào)。由于相鄰原始曲線間的數(shù)值變化非常小，很難通過相鄰曲線來解調(diào)振動(dòng)信號(hào)，因此采用滑動(dòng)相減理論方法對(duì)原始后向散射數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取有效的振動(dòng)信號(hào)。根據(jù)振動(dòng)信號(hào)特征，調(diào)整滑動(dòng)相減算法參數(shù)，優(yōu)化振動(dòng)信號(hào)的提取效果。經(jīng)過滑動(dòng)相減處理后提取的振動(dòng)信號(hào)如圖3所示。

圖3 滑動(dòng)相減處理后的信號(hào)

最后，在實(shí)踐教學(xué)過程中融入問題討論和互動(dòng)提問，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深入的思考。根據(jù)光纖振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，提出問題讓學(xué)生思考：1）進(jìn)行滑動(dòng)平均處理后會(huì)降低信號(hào)的哪個(gè)參數(shù)，哪些信號(hào)不能使用滑動(dòng)平均算法；2）如何調(diào)整參數(shù)提高振動(dòng)信號(hào)的提取質(zhì)量和信噪比。同時(shí)，舉一反三，調(diào)動(dòng)學(xué)生思考滑動(dòng)平均和滑動(dòng)相減方法還可以用在哪些信號(hào)的處理中，問題討論和互動(dòng)提問結(jié)果記入考核體系中。

3 結(jié)論

本文分析了國內(nèi)光電檢測技術(shù)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，對(duì)光電檢測技術(shù)課程中的教學(xué)模式、教學(xué)方法和考核體系進(jìn)行了研究。以光電檢測課程中信號(hào)處理知識(shí)點(diǎn)作為教學(xué)案例，理論與實(shí)踐相結(jié)合充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)學(xué)習(xí)的興趣，促進(jìn)了學(xué)生主動(dòng)對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的思考，培養(yǎng)了學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力，有效提升了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。