光電子技術(shù)課程多元化教學(xué)研究

蘇珉 朱君 傅得立 楊真 楊軍

廣西師范大學(xué)電子與信息工程學(xué)院/集成電路學(xué)院?廣西桂林?541004

摘?要：“光電子技術(shù)”課程知識(shí)點(diǎn)眾多，內(nèi)容復(fù)雜抽象，傳統(tǒng)教學(xué)方式模式單一，實(shí)踐與理論聯(lián)系不夠緊密，給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來困難。本文研究采用微課、仿真、實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)課堂融合的手段，開展多元化課程教學(xué)。多元化教學(xué)可以豐富教學(xué)資源，將抽象知識(shí)直觀展現(xiàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效果。同時(shí)，有效融合理論和實(shí)踐教學(xué)，全面培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力、創(chuàng)新意識(shí)和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析并解決復(fù)雜工程問題的實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：光電子技術(shù)；多元化教學(xué)；教學(xué)研究

一、概述

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電子學(xué)與光學(xué)之間的鴻溝在概念上逐漸消失，光電子技術(shù)也即是光頻段的電子技術(shù)隨之產(chǎn)生［12］。光電子技術(shù)是電子學(xué)技術(shù)在光頻波段的延伸與擴(kuò)展，由于光電子技術(shù)結(jié)合了光來傳遞和處理信息，從而具備了傳統(tǒng)微電子技術(shù)無法比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。也就是說，光電子技術(shù)是由電子技術(shù)和光子技術(shù)互相滲透、優(yōu)勢(shì)結(jié)合而產(chǎn)生的，是一門新興的綜合性交叉學(xué)科。以此為基礎(chǔ)的光電信息技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代信息科學(xué)的重要分支和組成部分，這也是近年來最為活躍的高新技術(shù)之一［3］。光電子技術(shù)在現(xiàn)代國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科教文化和國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用，以此為支撐的光電子產(chǎn)業(yè)是發(fā)展迅猛、競(jìng)爭(zhēng)激烈的行業(yè)之一，也是世界各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。

面對(duì)新興技術(shù)所開設(shè)的光電子技術(shù)課程顯然尤為重要。光電子技術(shù)是一門交叉學(xué)科的課程，涉及光學(xué)、電子學(xué)及激光原理等多門學(xué)科的知識(shí)［4］。光電子技術(shù)課程主要包括兩大部分內(nèi)容：一部分主要講述光的產(chǎn)生和傳播等基本原理，包括光源、光輻射傳播的規(guī)律和定律、光掃描和光調(diào)制的機(jī)理；另一部分主要闡述基于光電子學(xué)理論的應(yīng)用技術(shù)，包括光通信技術(shù)、光電探測(cè)原理技術(shù)、光電成像原理與技術(shù)、光電顯示原理與技術(shù)等。同時(shí)課程還涉及了光電子技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用，如光纖通信、探測(cè)與測(cè)距、激光和紅外制導(dǎo)、遠(yuǎn)程遙感、光纖傳感以及太赫茲技術(shù)等。本課程的教學(xué)應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生比較全面和系統(tǒng)地掌握光電子技術(shù)中的基本概念、原理、技術(shù)、材料、方法和器件，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生分析和解決光電工程以及電子信息領(lǐng)域工程技術(shù)問題的能力，為今后的深入學(xué)習(xí)和實(shí)際運(yùn)用打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［5］。

二、課程多元化教學(xué)的意義

（一）“光電子技術(shù)”教學(xué)主要面臨的問題

1.知識(shí)點(diǎn)眾多，內(nèi)容復(fù)雜抽象

光電子技術(shù)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［6］，且該課程涉及較多物理、電磁場(chǎng)理論等知識(shí)，其中許多物理過程（如光波在介質(zhì)、波導(dǎo)中的傳播等）相對(duì)抽象且難以通過實(shí)驗(yàn)觀察。學(xué)生對(duì)于這類抽象性問題的理解異常困難，繁雜的公式推導(dǎo)讓學(xué)生感覺枯燥乏味，失去了學(xué)習(xí)興趣［7］。

2.教學(xué)模式單一

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［3，8］。光電子學(xué)的基礎(chǔ)理論和實(shí)際工程應(yīng)用之間存在較大距離，因而教師在講授過程中很難全面做到理論聯(lián)系實(shí)際，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)愈發(fā)覺得抽象，阻礙了學(xué)生在本課程學(xué)習(xí)中主觀能動(dòng)性的發(fā)揮。

3.實(shí)踐環(huán)節(jié)與理論脫節(jié)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式過于死板，主要是對(duì)以接線箱為主的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行操作，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求按部就班地連接線路，最后觀察和記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果［2，6］。由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)受限，教師以介紹實(shí)驗(yàn)操作的過程和要求為主，缺少足夠的時(shí)間將理論知識(shí)結(jié)合起來講授。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)課多以觀察既定現(xiàn)象為主，缺少開放性設(shè)計(jì)和挑戰(zhàn)，師生間互動(dòng)較少，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程單調(diào)而又枯燥，從而導(dǎo)致理論與實(shí)踐脫節(jié)。

（二）課程多元化教學(xué)的意義

光電子技術(shù)這門課程涉及知識(shí)面廣泛、內(nèi)容豐富且飽滿，加之近年來光電子學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展迅速，對(duì)該領(lǐng)域工程師的理論素養(yǎng)、創(chuàng)新素質(zhì)和工程實(shí)踐能力的要求也逐步提高。為了培養(yǎng)該領(lǐng)域的卓越人才所必備的素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的積極性、創(chuàng)造力和專業(yè)技能，對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行改革勢(shì)在必行。針對(duì)上述知識(shí)點(diǎn)眾多、內(nèi)容復(fù)雜抽象、教學(xué)模式單一、實(shí)踐環(huán)節(jié)與理論脫節(jié)等現(xiàn)實(shí)問題，研究構(gòu)建“微課—仿真—實(shí)驗(yàn)—傳統(tǒng)課堂”融合的多元化、深層次的教學(xué)模式，促進(jìn)教學(xué)方法的改革和優(yōu)化，有助于充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，全面提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)與技能，以及提高學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際和實(shí)際應(yīng)變的能力，并有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。進(jìn)而促進(jìn)新工科背景下電子專業(yè)學(xué)科建設(shè)，對(duì)培養(yǎng)電子信息類高素質(zhì)創(chuàng)新專業(yè)人才具有重大意義，對(duì)提高地區(qū)高等院校本科生的就業(yè)率和經(jīng)濟(jì)科技發(fā)展水平具有十分重要的推進(jìn)作用。

三、課程多元化教學(xué)的內(nèi)容和舉措

（一）課程多元化教學(xué)的主要內(nèi)容

1.針對(duì)實(shí)踐融合的課程內(nèi)容梳理

認(rèn)真研究教材，充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和技術(shù)手段，有針對(duì)性地對(duì)課程內(nèi)容及知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行研究和拆分，并設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，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。

2.開發(fā)案例教學(xué)資源和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

將教師自身的科研手段和研究成果引入教學(xué)內(nèi)容，利用仿真軟件開發(fā)應(yīng)用于該課程的案例教學(xué)資源和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。深入研究如何從理論知識(shí)出發(fā)，針對(duì)抽象概念和物理過程，設(shè)計(jì)相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)物理過程的直觀展現(xiàn)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力。

3.構(gòu)建多元化、深層次教學(xué)模式

優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)方法，并圍繞課堂教學(xué)為中心，以微課為紐帶，深入研究“線上—線下”“理論—實(shí)踐”深度融合的多元化、深層次教學(xué)模式構(gòu)建，建立過程化評(píng)價(jià)機(jī)制，推動(dòng)理論與實(shí)踐一體化。

（二）課程多元化改革的主要目標(biāo)

1.知識(shí)與技能目標(biāo)

掌握光電子學(xué)的基本理論與光電子技術(shù)基礎(chǔ)原理和知識(shí)，把握光電子器件的原理機(jī)理以及光電系統(tǒng)的構(gòu)造和原理，了解光電子技術(shù)行業(yè)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，鍛煉學(xué)生科學(xué)思維方式以及利用計(jì)算機(jī)程序視角分析理論問題和解決應(yīng)用問題的能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析復(fù)雜技術(shù)問題的能力和解決復(fù)雜工程問題的實(shí)踐能力，為從事光電技術(shù)方向乃至電子信息行業(yè)的科研、開發(fā)和應(yīng)用工作打下牢固的基礎(chǔ)。

2.思想政治教育目標(biāo)

通過建立多元化、深層次的教學(xué)模式，促進(jìn)理論與實(shí)踐一體化，幫助學(xué)生激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，樹立專業(yè)自信和職業(yè)理想，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，引導(dǎo)學(xué)生通過對(duì)所學(xué)知識(shí)的認(rèn)知、思考判斷來建立愛崗敬業(yè)、無私奉獻(xiàn)、開拓創(chuàng)新的職業(yè)品格，強(qiáng)化學(xué)生自主學(xué)習(xí)及知識(shí)應(yīng)用的意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、創(chuàng)新意識(shí)以及勤奮鉆研的科學(xué)觀。

（三）課程多元化改革的主要舉措

1.針對(duì)實(shí)踐融合的課程內(nèi)容梳理

融合實(shí)踐的課程內(nèi)容框架如圖1所示。通過認(rèn)真研究教材，梳理課程邏輯主線包含六大部分，并根據(jù)課程邏輯主線，對(duì)課程內(nèi)容及知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行研究和拆分。針對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和技術(shù)手段，設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。其中，“光輻射的傳播”這部分內(nèi)容涉及較多物理、電磁場(chǎng)理論等知識(shí)，其中許多物理過程相對(duì)抽象且難以通過現(xiàn)有的實(shí)物實(shí)驗(yàn)手段來觀察，因而設(shè)計(jì)相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和教學(xué)案例。其余五部分內(nèi)容均可利用現(xiàn)有的光電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)。通過課程內(nèi)容梳理，每一部分課程內(nèi)容都有相應(yīng)的實(shí)踐訓(xùn)練，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。

2.開發(fā)案例教學(xué)資源和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

針對(duì)抽象概念和物理過程，基于編程仿真軟件，利用時(shí)域有限差分算法對(duì)麥克斯韋方程組進(jìn)行求解，以此開發(fā)應(yīng)用于該課程的案例教學(xué)資源和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)物理過程的直觀展現(xiàn)。例如，圖2動(dòng)態(tài)描述出平面光波照射到理想導(dǎo)體球產(chǎn)生反射與繞射的現(xiàn)象，形象地反映了光輻射的傳播過程。這樣可以使學(xué)生更全面形象地理解麥克斯韋方程組，更好地將課程與科研結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力。

3.構(gòu)建多元化、深層次教學(xué)模式

基于微課的多元化教學(xué)模式框架如圖3所示。優(yōu)化課堂教學(xué)方法，減少“一言堂”式授課，通過翻轉(zhuǎn)課堂增進(jìn)交流互動(dòng)。圍繞課堂教學(xué)為中心，以微課為紐帶，將線上與線下、理論與實(shí)踐深度結(jié)合起來，形成多元化、深層次的教學(xué)模式，推動(dòng)理論與實(shí)踐一體化，并充分利用微課線上教學(xué)優(yōu)勢(shì)，建立過程化評(píng)價(jià)機(jī)制。

四、總結(jié)

“光電子技術(shù)”課程知識(shí)點(diǎn)眾多，內(nèi)容復(fù)雜抽象，傳統(tǒng)教學(xué)方式模式單一，實(shí)踐與理論聯(lián)系不夠緊密，給教學(xué)帶來困難。為了改變“教難學(xué)更難”的狀況，本文針對(duì)這些問題，對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行全面的梳理和調(diào)整。采用微課、仿真、實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)課堂融合的手段，開展多元化課程教學(xué)，豐富教學(xué)資源，將抽象知識(shí)直觀展現(xiàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效果。同時(shí)，將課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)充分融合，可以全面培養(yǎng)和提高學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，用已學(xué)知識(shí)對(duì)問題進(jìn)行理論分析和解決問題的實(shí)踐動(dòng)手能力。

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基金項(xiàng)目：2021年廣西師范大學(xué)教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目“微課、仿真、實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)課堂融合的光電子技術(shù)課程多元化教學(xué)研究”（2021JGB12）；2022年度廣西高等教育本科教學(xué)改革項(xiàng)目（2022JGA133）；廣西師范大學(xué)第五批課程思政示范課程建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目（2022kcsz21）

作者簡(jiǎn)介：蘇珉（1985—?），男，壯族，廣西河池人，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事電子科學(xué)與技術(shù)方向教學(xué)與科研工作；朱君（1985—?），男，漢族，江西鷹潭人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事電子科學(xué)與技術(shù)方向教學(xué)與科研工作；傅得立（1982—?），男，回族，廣西荔浦人，碩士，工程師，主要從事電子科學(xué)與技術(shù)方向教學(xué)與科研工作；楊真（1984—?），男，漢族，湖北孝感人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事電子科學(xué)與技術(shù)方向教學(xué)與科研工作；楊軍（1982—?），男，漢族，黑龍江賓縣人，碩士，高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師，主要從事電子科學(xué)與技術(shù)方向教學(xué)與科研工作。