新工科背景下“工程光學(xué)及光電檢測”課程教學(xué)的改革探索

莫文琴 宋俊磊 晉芳

［摘 要］ 新工科建設(shè)是服務(wù)于國家戰(zhàn)略，為培養(yǎng)引領(lǐng)未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的科技人才而提出的重要學(xué)科建設(shè)舉措。針對“工程光學(xué)及光電檢測”課程的特點(diǎn)及存在的問題，以學(xué)生為中心，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)教學(xué)三個(gè)方面進(jìn)行了改革探索。通過優(yōu)化和整合教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)體系；通過以工程問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式的改革，提高學(xué)生的工程能力；通過開展多維度、多層次的實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，以適應(yīng)新工科教育理念對我國高校人才培養(yǎng)提出的新要求。

［關(guān)鍵詞］ 新工科；工程光學(xué)；光電檢測；教學(xué)改革

［基金項(xiàng)目］ 2019年度中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）教學(xué)改革項(xiàng)目“新工科背景下‘工程光學(xué)及光電檢測課程教學(xué)探索與實(shí)踐”（2019A46）；2019年度第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“新工科背景下校企協(xié)同‘工程光學(xué)及光電檢測課程教學(xué)改革”（201902282012）

［作者簡介］ 莫文琴（1978—），女，湖北武漢人，博士，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動(dòng)化學(xué)院副教授，主要從事光電探測和光纖傳感研究；宋俊磊（1980—），男，河南許昌人，博士，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動(dòng)化學(xué)院副教授，主要從事智能地學(xué)儀器、微弱信號檢測、新型傳感器研制研究；晉 芳（1978—），女，湖北武漢人，博士，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動(dòng)化學(xué)院副教授，主要從事微弱地磁傳感器研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）21-0067-04［收稿日期］ 2022-09-06

引言

新工科是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向。新一輪科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依靠工程教育提供人才支撐，兩者聯(lián)系緊密，相互支撐。因此新工科對人才培養(yǎng)的目標(biāo)提出了新的要求：學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)，具備學(xué)科交叉融合的特征［1］。

在新工科環(huán)境背景下，為提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和工程實(shí)踐能力，國內(nèi)很多高校對“光電檢測技術(shù)”課程做了一系列探索，比如天津大學(xué)提出了科研式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式以提高學(xué)生的研究能力和工程實(shí)踐能力［2］；電子科技大學(xué)以“引導(dǎo)式討論”和“方案答辯”教學(xué)方式讓學(xué)生成為課堂主角，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性［3］；廣州大學(xué)以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)性為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行課程教學(xué)方法的改革［4］等。上述各高校的改革措施均以學(xué)生為中心，以目標(biāo)和問題為導(dǎo)向，通過新的理念、新的途徑和新的要求推動(dòng)工程教育改革的步伐。因此，為了適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才，我們對“工程光學(xué)及光電檢測”課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)等進(jìn)行了改革。

一、課程教學(xué)存在的主要問題

我校在一流本科建設(shè)中對各專業(yè)本科人才的培養(yǎng)方案進(jìn)行了修訂，因此測控技術(shù)及儀器專業(yè)也對傳統(tǒng)課程體系進(jìn)行了有效的整合和推陳出新。結(jié)合儀器專業(yè)教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)校專業(yè)基礎(chǔ)，“工程光學(xué)及光電檢測技術(shù)”課程在原有光電檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了工程光學(xué)的基本內(nèi)容，課時(shí)僅有48學(xué)時(shí)，包括課堂教學(xué)40學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)8學(xué)時(shí)，因此課程內(nèi)容繁多與課時(shí)有限之間的矛盾給教學(xué)的有效實(shí)施提出了難題。目前“工程光學(xué)及光電檢測”課程在教學(xué)上存在以下問題。

（一）課程內(nèi)容涵蓋知識(shí)點(diǎn)多而零散，章節(jié)關(guān)聯(lián)度不足

“工程光學(xué)及光電檢測”是一門重要的專業(yè)必修課，綜合了工程光學(xué)、光電子技術(shù)、模擬電路等學(xué)科內(nèi)容，具有綜合性、實(shí)踐性和學(xué)科交叉性等特點(diǎn)，同時(shí)說明了該課程涵蓋了工程光學(xué)和光電檢測技術(shù)兩部分內(nèi)容的重要知識(shí)點(diǎn)。由于工程光學(xué)自身具有較強(qiáng)的學(xué)科系統(tǒng)性和完整性［5］，導(dǎo)致與光電檢測技術(shù)關(guān)聯(lián)度不足，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易產(chǎn)生知識(shí)的割裂感，不利于提升其知識(shí)應(yīng)用能力。另外，無論是工程光學(xué)還是光電檢測的教材，通常只總結(jié)了知識(shí)體系中的重要概念和思想，對背后的問題、觀點(diǎn)以及思想的發(fā)展都進(jìn)行了簡化處理，而這些是學(xué)生想要達(dá)到深刻理解所必須了解的。

（二）課程理論性太強(qiáng)，教學(xué)方式難以體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”

工程光學(xué)教學(xué)內(nèi)容涉及大量的理論分析和公式推導(dǎo)，一方面理論性太強(qiáng)、概念太抽象，學(xué)生普遍感覺難以理解；另一方面其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用擴(kuò)展不足，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。原有的教學(xué)方式主要以課堂講授為主，這種點(diǎn)到為止的“灌輸式”教學(xué)不能讓學(xué)生完成深度的理解。當(dāng)學(xué)生對課程的概念還模糊時(shí)，再學(xué)習(xí)課程的其他內(nèi)容是非常抽象和困難的［6］。通過這種方式來學(xué)習(xí)，學(xué)生接受的只是眾多繁雜的觀點(diǎn)，不需要積極主動(dòng)地探究，也不需要參與課堂交流和討論，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性不強(qiáng)，學(xué)習(xí)效果不佳。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式陳舊，內(nèi)容缺乏創(chuàng)新性

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手和創(chuàng)新能力的重要途徑，對人才培養(yǎng)起到了決定性作用。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式來說，由于傳統(tǒng)教學(xué)理念和實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以現(xiàn)場實(shí)際操作為主，一般通過分組的形式組織實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)教師在現(xiàn)場無法監(jiān)督到每一位學(xué)生，因此難免會(huì)出現(xiàn)個(gè)別學(xué)生沒有真正動(dòng)手進(jìn)行操作的現(xiàn)象。此外，由于幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)中有復(fù)雜光路的搭建和調(diào)節(jié)，學(xué)生需要反復(fù)調(diào)節(jié)和不斷觀察才能獲得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而受課時(shí)的限制，大部分學(xué)生常常淺嘗輒止，并沒有入腦入心，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不佳。從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來說，主要以基礎(chǔ)性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)踐環(huán)節(jié)不能貼近工程的實(shí)際問題，不利于培養(yǎng)學(xué)生的分析和工程實(shí)踐能力。

二、課程教學(xué)的改革探索

針對課程教學(xué)中存在的問題，基于新工科教育理念進(jìn)行課程教學(xué)的實(shí)踐探索，對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和實(shí)踐環(huán)節(jié)三個(gè)方面進(jìn)行了改革創(chuàng)新。在教學(xué)過程中更加注重以學(xué)生為中心，系統(tǒng)構(gòu)建知識(shí)體系，拓展知識(shí)的深度，以工程問題為導(dǎo)向開展教學(xué)設(shè)計(jì)，打造多維度、多層次的實(shí)踐教學(xué)。

（一）運(yùn)用思維導(dǎo)圖構(gòu)建課程體系、拓展知識(shí)深度

教材可以協(xié)助教師完成教學(xué)目標(biāo)，是保證教學(xué)質(zhì)量的重要因素。優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容首先要對教材內(nèi)容進(jìn)行梳理和整合，以增強(qiáng)知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯性。通過對主流教材的調(diào)研和比較，我們選用了普通高等教育國家級規(guī)劃教材《工程光學(xué)基礎(chǔ)教程》和《光電測試技術(shù)》，但是這兩本教材中的部分內(nèi)容有重合，因此遵從夯實(shí)基礎(chǔ)和突出應(yīng)用的原則對教材內(nèi)容進(jìn)行了合理取舍。比如，幾何光學(xué)中的《光度學(xué)》章節(jié)涵蓋了光電檢測技術(shù)中的光學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容，而這部分與光電檢測后續(xù)內(nèi)容沒有直接關(guān)聯(lián)。另外，物理光學(xué)中《光的干涉》章節(jié)是光電檢測中相干信號變換和檢測的基礎(chǔ)知識(shí)，如果將這部分內(nèi)容調(diào)整到光電檢測部分，在介紹光的干涉原理后，順其自然地引出相干檢測的方法，會(huì)更容易讓學(xué)生接受和理解。同時(shí)，在課程講授時(shí)將典型光學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)容糅合進(jìn)光電檢測系統(tǒng)中，把物理光學(xué)中的理論和實(shí)際光電檢測設(shè)計(jì)結(jié)合起來，增加兩者之間的聯(lián)系。

課程內(nèi)容的講述一般按照課本上的章節(jié)展開，由于各章節(jié)之間獨(dú)立存在，因此在講授時(shí)會(huì)特意跟學(xué)生說明各章節(jié)之間的邏輯關(guān)系，但是在課程體系的呈現(xiàn)上還是不夠清晰和明確。為此，我們通過思維導(dǎo)圖來構(gòu)建本課程的知識(shí)體系，將散亂的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行整合，標(biāo)注出各知識(shí)點(diǎn)之間的脈絡(luò)關(guān)系；將光電檢測方法與相關(guān)的光學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，增強(qiáng)光學(xué)理論和光電檢測技術(shù)之間的聯(lián)系，從單向的知識(shí)點(diǎn)發(fā)展為網(wǎng)狀的知識(shí)體系［6］。此外，各章節(jié)導(dǎo)圖分支出相關(guān)文獻(xiàn)資料和網(wǎng)絡(luò)資源，對知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展，以補(bǔ)充教材內(nèi)容中隱藏的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展歷史，讓學(xué)生了解知識(shí)的探究過程，從而達(dá)到對教材內(nèi)容的深刻理解。在每章學(xué)習(xí)之前，我們會(huì)給出思維導(dǎo)圖的主分支，讓學(xué)生對這部分內(nèi)容有所了解；而在章節(jié)結(jié)束后，會(huì)利用思維導(dǎo)圖對全部內(nèi)容進(jìn)行復(fù)盤，幫助學(xué)生深度思考和理解，完成知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)化。

（二）探索以工程問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式

根據(jù)新工科的概念，通過課程的學(xué)習(xí)幫助學(xué)生建立系統(tǒng)工程的思路，提高工程創(chuàng)新能力，因此探索以工程問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式是十分有必要的。我們在教學(xué)過程中，以校企合作單位的產(chǎn)品實(shí)例為切入點(diǎn)，向?qū)W生提出功能需求，學(xué)生作為任務(wù)的執(zhí)行者完成任務(wù)分解、資料查閱、方案制訂以及課堂討論。這種以工程問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式把所學(xué)的各個(gè)學(xué)科的知識(shí)整合到一個(gè)系統(tǒng)中。在整個(gè)過程中，教師主要起到組織和引導(dǎo)的作用，其中最關(guān)鍵的是把握合適的時(shí)機(jī)切入重要的知識(shí)點(diǎn)和核心技術(shù)，其具體實(shí)踐步驟如圖1所示。以光電位置探測器PSD為例，具體操作如下。

1.問題提出。在學(xué)生學(xué)習(xí)了光電位置探測器PSD的工作原理后，教師介紹其在目標(biāo)追蹤和激光準(zhǔn)直檢測中的應(yīng)用，并針對該應(yīng)用場景提出激光光斑位置檢測的設(shè)計(jì)任務(wù)。

2.問題分析。各組學(xué)生按照任務(wù)要求在期刊網(wǎng)上查詢相關(guān)文獻(xiàn)，分別對檢測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、主要結(jié)構(gòu)和器件、關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)研。

3.方案制訂。學(xué)生根據(jù)調(diào)研的內(nèi)容進(jìn)行了分析和思考，確定了設(shè)計(jì)方案。

4.方案展示。學(xué)生對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了展示，并開展課堂討論。

最后一個(gè)過程特別重要，因?yàn)樾枰處熢诟鹘M展示設(shè)計(jì)方案后，能夠根據(jù)各組的方案特點(diǎn)進(jìn)行正確的點(diǎn)評并提出啟發(fā)式問題。比如：有的小組會(huì)選取四象限探測器來完成光斑定位，那么教師可以提出“四象限探測器相較于其他位置探測器有哪些區(qū)別？”或“四象限探測器的主要性能有哪些？”等問題。我們知道很多知識(shí)其實(shí)是反復(fù)試驗(yàn)、探究和論證的結(jié)果，如果教師只是單純?nèi)ブv授書本上的知識(shí)點(diǎn)，那么學(xué)生會(huì)認(rèn)為知識(shí)點(diǎn)就在書上，去學(xué)就可以了，然而這并不能加深學(xué)生的理解。通過這種提問，引發(fā)學(xué)生深度思考，激勵(lì)學(xué)生深入挖掘，使整個(gè)探究中的問題變得越來越清晰，學(xué)生對各種光電器件性能的理解也越來越深刻。同時(shí)，教師可以引導(dǎo)其他組的學(xué)生參與提問和討論，逐步建立和發(fā)展學(xué)生思考與質(zhì)疑的能力。

（三）設(shè)計(jì)多維度、多層次實(shí)踐教學(xué)過程

教學(xué)過程是經(jīng)過一系列有序的認(rèn)識(shí)活動(dòng)而不斷獲得認(rèn)知，并不斷深化和完善的過程［7］。那么在實(shí)踐教學(xué)中，我們從課前預(yù)習(xí)、虛擬仿真和實(shí)際操作三個(gè)維度來設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)（見圖2），幫助學(xué)生不斷加深學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而揭示實(shí)踐教學(xué)核心內(nèi)容的含義。

光學(xué)實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生自行搭建光路，而每個(gè)實(shí)驗(yàn)包含的光學(xué)元件較多，由于學(xué)生不熟悉光學(xué)元件，所以在實(shí)驗(yàn)過程中常常沒有頭緒，手忙腳亂，浪費(fèi)很多時(shí)間。實(shí)驗(yàn)前，教師會(huì)提供實(shí)驗(yàn)說明和操作視頻讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)，幫助他們掌握實(shí)驗(yàn)原理，認(rèn)識(shí)光學(xué)元件，對實(shí)驗(yàn)過程有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，從而在實(shí)驗(yàn)中能夠更快聚焦到光學(xué)操作上。

通過校企合作單位所提供的虛擬仿真平臺(tái)，為學(xué)生提供了沉浸式、交互式的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。在前期預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生通過線上虛擬仿真平臺(tái)完成光電器件的選擇和檢測電路的搭建，能夠獲得接近現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)感受。學(xué)生可以在線上反復(fù)進(jìn)行操作，對課堂中講述的觀點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，不用擔(dān)心操作失誤而損壞實(shí)驗(yàn)元件。尤其是工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及復(fù)雜的光路調(diào)節(jié)，在實(shí)際操作中學(xué)生需要反復(fù)調(diào)節(jié)和不斷觀察才能獲得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際所需的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了實(shí)踐教學(xué)課時(shí)。因此，學(xué)生對器件特性的熟悉程度和操作的熟練程度對高效完成實(shí)驗(yàn)尤為重要，通過線上虛擬平臺(tái)可以大大節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，也從一定程度上彌補(bǔ)了無法在線下做實(shí)驗(yàn)的不足。

除了多維度地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程外，我們還根據(jù)新工科建設(shè)要求的創(chuàng)新能力，探討了開放性、多層次的實(shí)踐教學(xué)體系，我們引進(jìn)武漢光馳的光電創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)儀和工程光學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開設(shè)基礎(chǔ)性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)包括傳統(tǒng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)，比如顯微鏡系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和投影系統(tǒng)的搭建；光電探測器的光電、伏安、靈敏度等特性實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)包括光電報(bào)警、光電耦合里程表以及光纖位移測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)等?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)苓M(jìn)一步幫助學(xué)生掌握幾何光學(xué)和光電檢測的基本知識(shí)與概念，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)則培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)有的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能獨(dú)立設(shè)計(jì)光電檢測系統(tǒng)的能力。同時(shí)，為了滿足部分學(xué)生對自身能力提升的需求，可以開放光電實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。學(xué)生可以自主選題或者根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備擬定題目，并在專業(yè)教師的指導(dǎo)下通過課外拓展實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)或?qū)嶒?yàn)室開放基金等方式開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研究。

結(jié)語

在新工科教育理念的背景下，各高校對課程進(jìn)行了改革，目的是適應(yīng)社會(huì)需求和科技發(fā)展，培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才?！肮こ坦鈱W(xué)及光電檢測”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，原有的教學(xué)內(nèi)容和模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代人才培養(yǎng)的需要，通過教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化、教學(xué)模式的改革以及實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng)新，能夠幫助學(xué)生提升自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐創(chuàng)新的能力，符合新工科對我國高校人才培養(yǎng)的新要求。

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Exploration on the Teaching Reform of Engineering Optics and Photoelectric Detection under the

Background of Emerging Engineering Education

MO Wen-qin， SONG Jun-lei， JIN Fang

（School of Automation， China University of Geosciences（Wuhan）， Wuhan， Hubei 430074， China）

Abstract： Construction of emerging engineering education serves national strategy and aims to cultivate scientific talents for future technology and industries. According to the characteristics and existing problems of the course of Engineering Optics and photoelectric detection， this paper focuses on the students and explores the reform from three aspects： teaching content， teaching mode and experimental teaching. Through innovative teaching content and mode， students are guided to construct knowledge system and improve engineering ability. By carrying out multi-dimensional and multi-level practical teaching， we cultivate the practical innovation ability of students to meet the new requirements of Emerging Engineering Education for the training of talents in Chinese colleges and universities.

Key words： emerging engineering education; engineering optics; photoelectric detection; teaching reform