光電檢測實驗的教學改革探討

曹潔萍，曾志娟，張敏敏

（華南師范大學信息光電子科技學院 廣東 廣州 510006）

理論教學與實驗教學是理工科學生掌握知識與技術(shù)不可欠缺的課程，都是教學活動的重要組成部分。理論教學是以理論知識教材為主要內(nèi)容，以課堂講授為主要形式的教學活動，其出發(fā)點主要讓學生能夠系統(tǒng)性掌握和了解經(jīng)典成熟的基礎(chǔ)知識以及前沿知識要點。理論的教學內(nèi)容一般基于科研人員經(jīng)過多年驗證在特定條件形成的自然科學規(guī)律、最佳技術(shù)方案或者技術(shù)參數(shù)，但由于內(nèi)容相對抽象，對于絕大多數(shù)本科生來說，只能依靠記憶和理解掌握理論知識。實驗教學是一種實踐性教學形式，學生使用儀器設(shè)備，通過設(shè)置特定的實驗條件引起實驗對象理化特征的變化，進而觀察、記錄、測量與分析實驗現(xiàn)象，最終獲得知識與操作能力。實驗教學課程多數(shù)是驗證經(jīng)典的理論知識，其內(nèi)容經(jīng)過絕大多數(shù)科研人員的質(zhì)疑和驗證，因此其實驗內(nèi)容與實踐操作較為成熟。實踐教學旨在使學生掌握專業(yè)所需的實踐技能，著重培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的基本能力。因此，通過實驗教學與理論教學課程不僅可以讓學生理解和掌握基礎(chǔ)的理論知識，同時也有助于提高學生的實踐動手能力。

然而，由于不同學校存在對實驗課程教學大綱要求、儀器配置、實驗課程經(jīng)費投入強度、實驗場地大小和教師隊伍數(shù)量與結(jié)構(gòu)等差異，導致同一個學科乃至同一門實驗課程設(shè)計內(nèi)容與教學效果在不同學校間呈現(xiàn)顯著的不同[1-4]。除了上述指標化條件影響之外，教學手段和考核方式等教師的個體化設(shè)計也決定著實驗課的教學效果。本論文將以華南師范大學信息光電子科技學院的光電檢測實驗課程為例，通過對光電檢測實驗課程的教學內(nèi)容、教學手段和教學評價三個方面的分析，探討光電檢測實驗課程改革的教學效果。

光電檢測技術(shù)涉及光學、電子技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、計算機等多個知識要點[5]。光電檢測技術(shù)雖然知識面廣且復雜，但由于其非接觸、高靈敏、高精度、高速等優(yōu)點，目前成為最受歡迎的檢測手段之一，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)療和軍事等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[6]。光電檢測實驗是繼光電檢測技術(shù)與器件理論課之后開設(shè)的獨立實驗課，旨在通過實驗方法使學生掌握光電器件的基本操作和應(yīng)用，最終能夠利用光電器件和設(shè)備獨立設(shè)計光電系統(tǒng)，進一步加深學生對光電檢測理論知識的理解，強化實踐操作。因此在保證教學質(zhì)量的基本前提下，適當對實驗教學內(nèi)容和教學手段進行創(chuàng)新以及教學評價進行改革，有助于帶動學生上課的積極性，提高學生對實驗課程的興趣，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力。

1 課程現(xiàn)狀及存在的問題

光電檢測實驗的主要內(nèi)容包括光電器件的特性參數(shù)測試、光電發(fā)射和接收器件的應(yīng)用、光電系統(tǒng)的搭建等10個實驗?zāi)K。目前光電探測實驗大部分教學內(nèi)容為理論驗證性實驗，缺乏趣味性和新穎性。在科技快速發(fā)展的時代，光電檢測實驗教學的內(nèi)容和器材并沒有得到相應(yīng)的更新；其次，教學模式主要是遵循傳統(tǒng)的方式，學生課前預習，教師課中對實驗內(nèi)容和主要操作等進行全面講解，學生按照實驗指導書一步一步操作完成。由于實驗操作簡單，并不需要對實驗原理有太多思考即可完成實驗，導致學生處于被動學習，積極的學生能夠自覺思考實驗過程中遇到的問題并自行解決，但大部分學生仍把實驗當成一項任務(wù)，草率地完成實驗提交實驗報告，并沒有吸收相關(guān)的知識。在實驗教學考核方面，主要根據(jù)學生完成實驗操作和報告的情況來評分，較難全面反映學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，也無法讓學生對實驗中遇到的難點進行深入的思考和解決，無法加深學生對光電基礎(chǔ)知識的理解，不利于提高學生實踐能力和解決問題的能力，無法激發(fā)學生的創(chuàng)新、探索興趣，因此不能有效達到實驗教學目的。

2 改革內(nèi)容

2.1 明確目標

2021年初，光電檢測實驗根據(jù)培養(yǎng)方案規(guī)定的專業(yè)人才培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求，對教學大綱進行了重新調(diào)整，新教學大綱增加了具體的課程目標，且課程目標能夠與畢業(yè)要求對應(yīng)。課程目標主要分為知識目標、能力目標和素養(yǎng)目標。知識目標包括掌握光學、電子學、光電轉(zhuǎn)換理論基礎(chǔ)知識和各類光電探測器的工作原理，光電系統(tǒng)常用的光源特性，光學調(diào)制器的應(yīng)用和光電探測方法的應(yīng)用等多個知識點。能力目標包括鍛煉學生在光電系統(tǒng)的搭建、自動化領(lǐng)域、檢測應(yīng)用的實踐能力。即從信號的獲取、處理等整個光電探測系統(tǒng)的搭建，訓練學生對復雜的綜合性工程問題進行深入研討、分析與解決的能力，達到能夠運用現(xiàn)有知識和技能創(chuàng)新搭建光電系統(tǒng)的目的。素養(yǎng)目標則包含了解光電實驗室的安全知識與管理，以及對突發(fā)情況的處理方法。與團隊協(xié)作解決實驗遇到的問題，培養(yǎng)學生的團隊合作精神和溝通能力。能對實驗結(jié)果進行完好的表達與邏輯性分析，表達能力，精益求精的創(chuàng)作精神，擁有良好的實驗素養(yǎng)，嚴謹?shù)膶W習態(tài)度和自信心。大綱詳細地說明了教學內(nèi)容、要求及進度安排，每個單元都有相應(yīng)的知識點支撐課程目標，便于教師根據(jù)單元的主要內(nèi)容、學習目標，教學方式等進行備課。

2.2 豐富教學內(nèi)容

在教學內(nèi)容上，保留原有的驗證性實驗和應(yīng)用性實驗，將同類型的驗證性實驗（如光敏電阻、光電二極管和光電三極管的特性研究）和應(yīng)用性實驗（如透射式和光耦式光電開光）進行合并講解與操作，幫助學生更好地理解不同光電器件的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用場景。同時增加當前科技前沿領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容作為設(shè)計型實驗?zāi)K，例如吸收光譜、熒光光譜，這些能夠進行微弱光信號檢測的技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、環(huán)境、食品、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。在設(shè)計型模塊中，以學生為主導，教師負責引導答疑，由學生自由選擇材料、器件進行光電檢測系統(tǒng)的搭建、光電性能的研究，并對實驗結(jié)果進行深入的分析，最終完成一個完整的書面設(shè)計報告。通過設(shè)計性實驗使學生體驗到科研式實驗的過程，同時熟悉微弱光電信號檢測的原理、操作、平臺搭建，培養(yǎng)學生解決實際應(yīng)用問題的能力以及創(chuàng)新能力。光譜技術(shù)在現(xiàn)實生活中有著廣泛應(yīng)用，掌握現(xiàn)代光譜檢測技術(shù)使得學生在未來工作中添加一項專業(yè)技能，因此能夠提高學生的學習興趣和積極性。

2.3 擴展教學手段

在教學手段方面，改革之前主要是傳統(tǒng)的教學方式，學生課前預習，教師課上對實驗內(nèi)容和主要操作等進行全面講解，并演示實驗步驟，學生再具體按照實驗指導書一步一步操作完成。改革后，教師提前要求學生結(jié)合光電檢測虛擬仿真軟件學習實驗課前知識。虛擬仿真實驗教學是教育信息化的有效手段，用于實驗教學可以補充實體教育的不足，相較于線下實驗，虛擬仿真實驗更為方便，學生可以隨時訪問平臺，進行預習復習，琢磨、消化、拓展。但是虛擬仿真實驗的體驗感和實際達到的實驗效果還有很多欠缺，因此目前還是無法代替實際實驗。例如，在實體實驗中，教師可非常直觀地看到學生的實驗情況，而虛擬仿真實驗則存在空間的隔離，教師無法第一時間掌握學生的知識掌握情況以及實踐操作能力，畢竟網(wǎng)上操作和實際動手操作存在較大差異。因此，針對目前光電檢測實驗的現(xiàn)狀，結(jié)合基礎(chǔ)和最新的光電探測技術(shù)及其應(yīng)用，對學生開展光電檢測虛擬仿真與線下實驗結(jié)合教學。

虛擬仿真軟件包括元器件仿真、實驗仿真和訓練仿真，元器件仿真包含常見的光電器件的結(jié)構(gòu)和原理，形象的仿真動圖有助于學生加深對光電檢測理論知識的理解，同時掌握實驗理論數(shù)據(jù)，有利于對實驗數(shù)據(jù)的分析。實驗仿真包含光電器件的工作電路演示與連接，通過仿真實驗的操作，使學生初步了解實驗的關(guān)鍵步驟與目的，進入實驗室后不會盲目按照實驗步驟操作，而是有目的地、有條不紊地進行實驗。訓練仿真包含應(yīng)用性實驗的操作練習，幫助學生了解相關(guān)光電器件的應(yīng)用場景。學生可通過虛擬仿真軟件進行實驗原理、實驗操作、理論數(shù)據(jù)等相關(guān)知識的儲備，為后續(xù)進入實驗室進行線下實驗操作打下牢固的基礎(chǔ)，達到事半功倍、節(jié)約時間、提高實驗效率的效果。

另一方面，課前明確告知學生，在實驗操作過程中教師將隨時抽查學生正在操作的實驗原理等內(nèi)容，具體考察內(nèi)容由教師向?qū)W生即時提問，有了目標和壓力后，可以提高學生預習的效果。在實驗課中教師對實驗原理進行講解，并介紹主要設(shè)備的用途，然后由學生按照實驗要求進行操作，這就需要學生對每一個步驟、每一個器件預先進行詳細了解，否則無法在規(guī)定的時間內(nèi)完成實驗。同時，建立QQ或者微信群，使學生可以隨時與教師討論知識點，教師及時給予學生反饋，避免學生知識點積壓，逐漸失去學習興趣。通過網(wǎng)絡(luò)向?qū)W生展示優(yōu)質(zhì)的光電檢測技術(shù)資料，科普相關(guān)知識，拓寬學生的知識面，以彌補實驗設(shè)備更新不及時導致的技術(shù)落后問題。利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源使學生不再局限于實驗室現(xiàn)有的設(shè)備，能夠通過網(wǎng)絡(luò)了解學習更先進的知識和技術(shù)，與時俱進，為將來進入社會接觸企業(yè)中的先進技術(shù)打下基礎(chǔ)。

實踐發(fā)現(xiàn)，在虛擬仿真實驗平臺預習的學生理論知識更扎實，進行線下實驗操作也更熟練，效率更高，這種線上線下結(jié)合的實驗教學模式，彌補了實體教學中儀器設(shè)備限制的缺陷，也解決了教師無法直觀觀察學生實操情況的弊端，使學生在虛擬仿真平臺上學習的知識得到升華與鞏固。而通過網(wǎng)絡(luò)及時答疑，能提高學生學習的積極性，分享的科技前沿知識等能夠讓部分學生得到啟發(fā)，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維。

2.4 多元化考核方式

在考核評價方式方面，首先，通過學生對實驗原理等內(nèi)容的回答和實驗預習報告，教師給出預習成績。其次，通過對學生的實驗操作進行觀察與提問，使學生牢記每個實驗步驟的意義，然后給出實驗操作分數(shù)，這部分分數(shù)能夠反應(yīng)學生的實踐能力和解決問題的能力。最后，學生按照要求完成實驗報告和設(shè)計報告，設(shè)計報告要求按照科技論文的要求進行撰寫，讓學生體驗科研實驗的過程（設(shè)計、實踐、論文撰寫），教師根據(jù)學生實驗報告以及設(shè)計報告的完整度和完成質(zhì)量給分。學生最終成績?yōu)閷嶒烆A習（20%）+實驗操作（20%）+實驗報告（60%）的綜合評分，能較全面地反映學生的光電基礎(chǔ)知識和實踐能力。

3 結(jié)語

本論文分析了光電檢測實驗課程的現(xiàn)狀，以培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力為目的，對教學大綱進行修訂，明確教學內(nèi)容與目標；豐富教學內(nèi)容，增加科技前沿知識點；擴展教學手段，采用線上線下結(jié)合的實驗教學方式；多元化考核方式，綜合考慮學生自學能力、實驗操作能力、思考能力以及解決問題能力等全面反映學生的實驗情況。改革和實踐表明，豐富的教學內(nèi)容有助于提高學生上課的興趣與積極性，線上線下結(jié)合的教學手段有利于學生主動學習，提高自學能力和學習效率，多元化的考核方式較能全面反映學生對該門實驗課程的掌握程度，調(diào)研結(jié)果表明大部分學生對該考核方式都給予了肯定的評價。經(jīng)過兩年多的實踐，該課程的改革和實踐取得了較好的成效，對于如何通過實驗課程進一步提高學生的科技創(chuàng)新能力，筆者將持續(xù)關(guān)注與探討。