《光電信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)》金課建設(shè)實(shí)踐

盛宇柯，李 海，楊初平

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院（人工智能學(xué)院），廣東廣州 510642）

2018 年6 月，教育部在新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議上提出打造“金課”，表明國(guó)家高度重視課堂教學(xué)在人才培養(yǎng)中的重要作用，標(biāo)志著我國(guó)高等教育的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了提高質(zhì)量、提升內(nèi)涵的發(fā)展新時(shí)代。其根據(jù)課程的不同特點(diǎn)，對(duì)“金課”分類建設(shè)提出指導(dǎo)意見(jiàn)，提出建設(shè)“線下金課、線上金課、線上線下混合金課、虛擬仿真金課和社會(huì)實(shí)踐金課”等五類金課。如何建設(shè)金課并提高課程教學(xué)質(zhì)量，是現(xiàn)階段擺在每位教師面前的一項(xiàng)重要任務(wù)，也激發(fā)了廣大教師的建設(shè)熱情，促使其積極開(kāi)展金課建設(shè)實(shí)踐探索。

一、金課建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)

金課建設(shè)需要一個(gè)目標(biāo)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于“金課”建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，教育部提出了“金課”的標(biāo)準(zhǔn)為“兩性一度”，即“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”。

（一）高階性

高階性要求課堂教育不僅要傳授知識(shí)，還要實(shí)現(xiàn)傳授知識(shí)、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維。通常的課堂教學(xué)，對(duì)于理論課程，傳授知識(shí)是主要任務(wù)，通過(guò)課堂講解對(duì)相關(guān)理論的基本原理和性質(zhì)給予剖析，課后通過(guò)章節(jié)配套的思考題增進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的充分理解，也通過(guò)配套習(xí)題實(shí)現(xiàn)對(duì)基本計(jì)算的掌握；對(duì)于實(shí)驗(yàn)課程，通過(guò)教師課堂上講解，學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)原理的理解，通過(guò)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)、功能的講解演示，學(xué)生掌握儀器的使用要領(lǐng)，然后學(xué)生小組通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟和測(cè)量要求的理解，獨(dú)立完成基本實(shí)驗(yàn)操作，課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。金課建設(shè)提出一定要重視能力培養(yǎng)和素質(zhì)提高。因此，高階性指明了課程建設(shè)的方向。

（二）創(chuàng)新性

創(chuàng)新性要求每門課程內(nèi)容不僅要具有所在學(xué)科的基本原理，也要有反映相關(guān)科學(xué)和技術(shù)的前沿性和時(shí)代性的知識(shí)窗口，使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上通過(guò)這扇窗口了解相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的前沿發(fā)展。教學(xué)形式要呈現(xiàn)先進(jìn)性和互動(dòng)性，學(xué)習(xí)過(guò)程不僅有基本操作，學(xué)習(xí)過(guò)程和結(jié)果也要具有探索性和個(gè)性化。

（三）挑戰(zhàn)度

挑戰(zhàn)度指課程要有一定難度，需要跳一跳才能夠得著。教師要認(rèn)真把課程相關(guān)資料準(zhǔn)備好，使備課內(nèi)容、課程作業(yè)要求具有挑戰(zhàn)度，對(duì)學(xué)生課下學(xué)習(xí)有較高要求；學(xué)生要按照教師的要求，通過(guò)自己跳一跳、加把勁把每次課程作業(yè)完成好，并在完成的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力和素質(zhì)的提升。如此，通過(guò)完整課程的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)金課的培養(yǎng)目標(biāo)。

從以上對(duì)金課“兩性一度”的內(nèi)涵的理解，可以看出高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度三者是相輔相成的；高階性是金課的目標(biāo)，高階性的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)對(duì)教學(xué)過(guò)程的精心設(shè)計(jì)和安排，把創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度貫穿到課程的教學(xué)過(guò)程中；創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的實(shí)現(xiàn)需要教師發(fā)揮積極性，更需要發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

金課建設(shè)目標(biāo)雖然相同，但金課建設(shè)沒(méi)有現(xiàn)成、固定的模式可供參考。金課建設(shè)貴在實(shí)踐，貴在探索，貴在百花齊放，貴在教材建設(shè)、課堂講授、課后作業(yè)的高要求。只要有利于實(shí)現(xiàn)金課的“兩性一度”目標(biāo)，教學(xué)實(shí)踐上的任何嘗試均值得支持。由于專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程在學(xué)生專業(yè)能力培養(yǎng)中具有理論聯(lián)系實(shí)際的作用，利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，因此，我們結(jié)合實(shí)際情況在專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展金課建設(shè)試點(diǎn)，為其他專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的金課建設(shè)積累有益經(jīng)驗(yàn)。

二、金課建設(shè)實(shí)踐

（一）課程特點(diǎn)

《光電信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)》是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課，包含10 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，分別是：“阿貝成像與空間濾波實(shí)驗(yàn)”“θ 調(diào)制實(shí)驗(yàn)”“利用光柵濾波實(shí)現(xiàn)圖像相加”“利用復(fù)合光柵實(shí)現(xiàn)光學(xué)微分”“馬曾干涉儀實(shí)驗(yàn)”“數(shù)字全息及實(shí)時(shí)光學(xué)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)”“2D 激光位移傳感實(shí)驗(yàn)”“光學(xué)三維形貌測(cè)量實(shí)驗(yàn)”“數(shù)字式光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量與像質(zhì)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)”“電子散斑干涉測(cè)量離面位移實(shí)驗(yàn)”。實(shí)驗(yàn)理論涉及《物理光學(xué)》《信息光學(xué)》《工程光學(xué)》《光電子技術(shù)》等專業(yè)課程的內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的構(gòu)成包括光路設(shè)計(jì)、光電信息轉(zhuǎn)換采集、機(jī)械電動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理軟件應(yīng)用等，每套實(shí)驗(yàn)設(shè)備就是一個(gè)小型的光、電、計(jì)算機(jī)軟件一體的系統(tǒng)。這些是實(shí)現(xiàn)金課建設(shè)的基礎(chǔ)。

（二）傳統(tǒng)實(shí)踐課程教學(xué)

過(guò)去，實(shí)驗(yàn)講義是按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟等結(jié)構(gòu)組織起來(lái)的；實(shí)驗(yàn)過(guò)程就是學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)相關(guān)的測(cè)量?jī)?nèi)容；實(shí)驗(yàn)報(bào)告就是按通常報(bào)告的撰寫規(guī)范完成。在實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生理解了實(shí)驗(yàn)原理，掌握了實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)、功能和使用方法，同時(shí)對(duì)知識(shí)的認(rèn)知實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐的聯(lián)系，但教學(xué)過(guò)程比較平淡，創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。

（三）金課建設(shè)的實(shí)踐

按照金課建設(shè)的“兩性一度”要求，教學(xué)團(tuán)隊(duì)重新思考分析專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行細(xì)致的剖析，認(rèn)為可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的著力點(diǎn)很多：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綜合性強(qiáng)，有硬件——光路設(shè)計(jì)、光電信息轉(zhuǎn)換，有軟件——光電系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)采集處理；光路設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程光信號(hào)有效傳遞的基礎(chǔ)，不僅涉及對(duì)光信號(hào)光路傳播的認(rèn)識(shí)，也涉及對(duì)各個(gè)光學(xué)元件功能的認(rèn)識(shí)以及光路結(jié)構(gòu)布置；光電信息轉(zhuǎn)換需要掌握各種光電信號(hào)探測(cè)的性能和特點(diǎn)；作為光電檢測(cè)系統(tǒng)的核心——系統(tǒng)軟件，無(wú)論是軟件功能的模仿設(shè)計(jì)還是有創(chuàng)意和有特色的設(shè)計(jì)，創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的落腳點(diǎn)均可以有效設(shè)計(jì)。因此，教師可以結(jié)合本實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)開(kāi)展金課建設(shè)。筆者通過(guò)兩年的教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)如下實(shí)現(xiàn)金課標(biāo)準(zhǔn)的做法。

1.關(guān)于高階性的體現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的不再局限于傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程，即按實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟以及測(cè)量要求，操作實(shí)驗(yàn)儀器，完成數(shù)據(jù)的記錄和處理、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告就算完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程和教學(xué)目標(biāo)。高階性的目標(biāo)確定為通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握光電計(jì)算機(jī)一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專業(yè)能力，特別是系統(tǒng)的核心部分——軟件的編寫。于是本實(shí)驗(yàn)課程的金課建設(shè)實(shí)踐要突出光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集和處理軟件的編寫訓(xùn)練；教材編寫上以突出上述三點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)講義重新組織，重視光路結(jié)構(gòu)和光路功能的描述；教學(xué)過(guò)程中從系統(tǒng)融合角度即硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能一體化角度講解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2.關(guān)于創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的體現(xiàn)。課程引入幾點(diǎn)具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的安排：教學(xué)團(tuán)隊(duì)挑選了三個(gè)典型的光機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：“2D 激光位移傳感實(shí)驗(yàn)”“光學(xué)三維形貌測(cè)量實(shí)驗(yàn)”“數(shù)字式光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量與像質(zhì)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)”；學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告需要從光信號(hào)傳遞和測(cè)量角度比較詳細(xì)地講解光路設(shè)計(jì)的依據(jù)，可以查閱文獻(xiàn)，可以與教師討論；學(xué)生需要比較完整地理解實(shí)驗(yàn)上所用的光電信號(hào)傳感器的特點(diǎn)，它是光電檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量的基礎(chǔ)；布置具有挑戰(zhàn)度的實(shí)驗(yàn)作業(yè)的做法——結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件的功能，編寫類似功能的軟件，原因就是光電計(jì)算機(jī)一體化系統(tǒng)中光電信號(hào)采集和處理是核心部分，系統(tǒng)軟件是系統(tǒng)的靈魂。這樣安排能夠使實(shí)驗(yàn)課后作業(yè)突出挑戰(zhàn)性要求：學(xué)生不僅要完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，還需要在教師提供的基本功能軟件基礎(chǔ)上結(jié)合對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解和討論，以小組為單位完善與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)且具有一定特色功能的軟件，也就是學(xué)生必須自己設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理軟件。

3.助力實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的教學(xué)基礎(chǔ)建設(shè)。學(xué)生雖然已經(jīng)學(xué)習(xí)了若干專業(yè)基礎(chǔ)課，有電子信號(hào)處理基礎(chǔ)，有光電信號(hào)轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)，有初步編程能力，但從系統(tǒng)的角度來(lái)理解并設(shè)計(jì)一個(gè)光電系統(tǒng)，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是一片空白的。因此，學(xué)生一下子進(jìn)入到開(kāi)發(fā)光電檢測(cè)系統(tǒng)軟件的階段，其難度可想而知，這時(shí)需要給學(xué)生提供一些幫助，使其跳一跳夠得著，課程的培養(yǎng)效果才更加明顯。這也是教學(xué)團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)金課目標(biāo)過(guò)程需要著力對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行精心設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)。如果這個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)安排合理，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)系列有的放矢地進(jìn)行訓(xùn)練，學(xué)生將具備良好的光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思維、良好的光電計(jì)算機(jī)一體化意識(shí)，對(duì)于后續(xù)面向?qū)W生實(shí)踐能力培養(yǎng)的課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練具有良好的教學(xué)示范和引導(dǎo)作用。基于這個(gè)目的，在《光電信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)過(guò)程重視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能關(guān)聯(lián)，重視光、電、光電轉(zhuǎn)換和與數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)的融合。為了助力實(shí)現(xiàn)課程的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，教學(xué)團(tuán)隊(duì)編制出分層次系列光電系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件框架，錄制了軟件設(shè)計(jì)的教學(xué)視頻，演示光電檢測(cè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)流程。學(xué)生可以從零基礎(chǔ)開(kāi)始分階段學(xué)習(xí)訓(xùn)練，首先理解三個(gè)典型光電系統(tǒng)的控制要求、數(shù)據(jù)采集和處理要求；接著演示系統(tǒng)軟件界面的設(shè)計(jì)，界面是人機(jī)交互的窗口，是學(xué)生可以發(fā)揮個(gè)人聰明才智的環(huán)節(jié)；最后是界面上各個(gè)功能的算法實(shí)現(xiàn)。系列軟件框架把光電系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分解，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的算法冗余到算法優(yōu)化，可以有效鍛煉學(xué)生的編程能力。學(xué)生在這個(gè)基礎(chǔ)上可以完善軟件信息處理功能，可以優(yōu)化軟件功能結(jié)構(gòu)。

4.為了檢驗(yàn)金課建設(shè)效果，實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束時(shí)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)專門安排一個(gè)光電檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)，讓每組學(xué)生上臺(tái)展示并講解所設(shè)計(jì)的光電檢測(cè)系統(tǒng)軟件的界面、功能結(jié)構(gòu)安排、數(shù)據(jù)處理算法實(shí)現(xiàn)，學(xué)生間相互比較切磋，相互啟發(fā)；教師分別對(duì)各個(gè)作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)；最后學(xué)生投票選出優(yōu)秀作品：可以是優(yōu)秀軟件界面設(shè)計(jì)，可以是優(yōu)秀數(shù)據(jù)處理算法，可以是優(yōu)秀軟件系統(tǒng)，分別給予表彰。

實(shí)踐證明，上述講義內(nèi)容和教學(xué)安排學(xué)生喜歡接受，實(shí)驗(yàn)課程挑戰(zhàn)度作業(yè)布置雖然提供光電系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)軟件庫(kù)作為墊腳石，但也只是提供一個(gè)基本軟件框架，不僅體現(xiàn)光電檢測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理、輸出、顯示等功能需要學(xué)生完成，而且在作業(yè)考核上也有突出軟件特色的壓力和動(dòng)力。學(xué)生普遍認(rèn)為這種教學(xué)安排能夠培養(yǎng)自己的專業(yè)綜合能力，進(jìn)而較快地掌握有關(guān)光電檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的專業(yè)技能。

三、金課建設(shè)體會(huì)

第一，金課的標(biāo)準(zhǔn)是“兩性一度”，在具體課程的金課建設(shè)實(shí)踐中，根據(jù)課程的培養(yǎng)目標(biāo)和對(duì)學(xué)生整體素質(zhì)的了解，選擇落實(shí)“兩性一度”的培養(yǎng)點(diǎn)和具體實(shí)現(xiàn)機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)金課目標(biāo)的前提。教學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)學(xué)生不同的能力特點(diǎn)，在完成挑戰(zhàn)度作業(yè)時(shí)分解出三個(gè)不同的挑戰(zhàn)度：第一個(gè)層次是基本完成，即實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)系統(tǒng)軟件的基本功能，對(duì)界面結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理算法優(yōu)化方面不做要求；第二個(gè)層次是按質(zhì)完成，即軟件除了實(shí)現(xiàn)基本功能，對(duì)界面結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理算法優(yōu)化有所體現(xiàn)；第三層次是超質(zhì)完成，即軟件除了基本功能，還有特色功能，界面結(jié)構(gòu)和算法優(yōu)化表現(xiàn)優(yōu)異。實(shí)踐證明，第一個(gè)層次學(xué)生都能達(dá)到，少數(shù)學(xué)生甚至可以達(dá)到第三個(gè)層次。

第二，課程在落實(shí)“兩性一度”的過(guò)程，可以分階段實(shí)現(xiàn)，一步一個(gè)階梯，讓學(xué)生小步跳躍著實(shí)現(xiàn)整體挑戰(zhàn)度的各個(gè)分段培養(yǎng)目標(biāo)，不至于一下子給學(xué)生提出過(guò)高的挑戰(zhàn)度。在我們?cè)O(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)度作業(yè)中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)按學(xué)生從零基礎(chǔ)開(kāi)始，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，編寫演示光電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系列教學(xué)視頻，學(xué)生通過(guò)視頻學(xué)習(xí)從界面設(shè)計(jì)開(kāi)始逐步進(jìn)入到數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)。

第三，課程要提供合適的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)資料，助力創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的實(shí)現(xiàn)，而不是讓學(xué)生在一窮二白的條件上去實(shí)踐。我們的教學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的系列軟件框架和教學(xué)視頻，就是這樣的體現(xiàn)。

第四，實(shí)現(xiàn)金課目標(biāo)沒(méi)有捷徑可走，也沒(méi)有通用的建設(shè)模式；同一門課程實(shí)現(xiàn)金課標(biāo)準(zhǔn)的具體做法可以不同，但目標(biāo)是一致的；金課建設(shè)過(guò)程需要教師因地制宜、因材施教。

總之，只要每位教師本著為國(guó)家培養(yǎng)優(yōu)秀人才的宏大目標(biāo)，主動(dòng)積極作為，每一門課程都可以建設(shè)為金課。