面向新工科的光電檢測技術(shù)混合式課程構(gòu)建

江俊峰，劉鐵根，劉 琨

（天津大學(xué) a.精密儀器與光電子工程學(xué)院；b.光電信息技術(shù)教育部重點實驗室，天津 300072）

2017年起，教育部積極推進新工科建設(shè)，以滿足新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的人才需求。這對教育教學(xué)的思想和實踐均提出了新的要求［1］。光電檢測技術(shù)是光電信息技術(shù)的重要分支，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、軍事及日常生活中都有著廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)今科學(xué)研究與應(yīng)用的熱點。因此，天津大學(xué)自2000年開設(shè)“光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)”課程以來，即定位其為光電信息方向本科專業(yè)的核心課程，是學(xué)生進行創(chuàng)新性思維訓(xùn)練的重要途徑，多年來取得了不錯的育人效果，成為科技和產(chǎn)業(yè)單位高度認(rèn)可的一門核心專業(yè)課。但如何面向新工科，繼續(xù)深化光電檢測技術(shù)的教學(xué)與實踐，是達成新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革形勢下人才培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵。

一、“光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)”教學(xué)現(xiàn)狀及問題

“光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)”教學(xué)內(nèi)容包括光電信息檢測技術(shù)及系統(tǒng)、光電衍射檢測技術(shù)與系統(tǒng)、光電掃描檢測技術(shù)與系統(tǒng)、光電干涉檢測技術(shù)與系統(tǒng)、光纖傳感檢測技術(shù)與系統(tǒng)以及光譜檢測技術(shù)等六個模塊。在教學(xué)實踐中，我們發(fā)現(xiàn)存在以下問題：（1）學(xué)生感覺難度較大，這是因為“光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)”是一門綜合性非常強的課程，所學(xué)過的前序課程如“高等數(shù)學(xué)”“工程光學(xué)”等的教學(xué)內(nèi)容均會體現(xiàn)在系統(tǒng)構(gòu)成原理與分析中，因此不同于以往課程學(xué)習(xí)內(nèi)容相對獨立單一的情況，該門課程實際上考查了學(xué)生綜合運用以往知識的能力，學(xué)習(xí)難度加大。（2）學(xué)生課程考試不適應(yīng)。由于“光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)”側(cè)重于系統(tǒng)總體的設(shè)計，且注重與實際結(jié)合，學(xué)生需要對實際應(yīng)用進行思考，以往偏重記憶式、突擊型的學(xué)習(xí)方法失效了。（3）在畢業(yè)設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生在遇到光電檢測技術(shù)領(lǐng)域的實際問題時，仍然不能很好地入手解決。這顯然難以適應(yīng)新形勢下國家對人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

因此，知識講授為主、教師課堂講授為主、課程非設(shè)計型實驗為主的教學(xué)方式不能完全滿足新工科發(fā)展要求。

二、“光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)”混合式課程的構(gòu)建與完善

傳統(tǒng)教學(xué)形成路徑遵循“技術(shù)成熟—教學(xué)內(nèi)容—課堂教學(xué)”的順序，使得教學(xué)知識點老化的問題難以克服。在新工科背景下，學(xué)校開展以科研為主線的教學(xué)方法研究與實踐。課程教學(xué)中將天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院在光電檢測技術(shù)上的優(yōu)秀科研成果和科研過程引入教學(xué)中，讓學(xué)生了解到如何靈活應(yīng)用所學(xué)知識，通過以此主線貫穿整個教學(xué)過程，讓學(xué)生在教學(xué)過程中體會到科研方法和科學(xué)思維。根據(jù)以科研為主線的教學(xué)需要，開展了多層次、多類型的課程線上和線下資源建設(shè)，充分利用國家視頻公開課、國家著作出版基金、混合式在線課程建設(shè)項目，為學(xué)生構(gòu)建全方位的學(xué)習(xí)資料池。

（一）融合科研成果和科研過程形成教學(xué)案例

以光電干涉檢測教學(xué)方面為例，我校引入基于低相干技術(shù)的白光保偏光纖分布式偏振耦合檢測儀的科研成果作為教學(xué)案例，并按科研過程講述每一個教學(xué)內(nèi)容。（1）進行根據(jù)需求確定科研方案的研究性學(xué)習(xí)。在教學(xué)時首先提問并介紹航空、航海、航天和國防工業(yè)中等如何實現(xiàn)自主導(dǎo)航，進而提問自主導(dǎo)航技術(shù)的角加速度測量方案都有哪些，激發(fā)并引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思考，最后聚焦到保偏光纖陀螺。向?qū)W生闡述光纖陀螺是由寬帶光源、保偏光纖耦合器、多功能集成光器件、保偏光纖環(huán)和光電探測器組成的光學(xué)結(jié)構(gòu)，結(jié)合薩格納克干涉儀結(jié)構(gòu)闡明保偏光纖陀螺的理想工作過程。在學(xué)生理解基本工作過程后，拋出光學(xué)結(jié)構(gòu)可能存在什么樣的不完美，引導(dǎo)學(xué)生對實際應(yīng)用中的器件及其組裝的思考，幫助學(xué)生從學(xué)習(xí)“具有理想完美器件和工藝的理想系統(tǒng)”到分析“非理想完美器件和工藝的實際系統(tǒng)”轉(zhuǎn)變，讓學(xué)生學(xué)會對系統(tǒng)構(gòu)建進行探究分析，最后引導(dǎo)學(xué)生集中到技術(shù)問題“保偏光纖環(huán)偏振耦合點對光纖陀螺精度提高的困擾”，并向?qū)W生提出“如何定位偏振耦合點和測量偏振耦合強度”的問題，讓學(xué)生通過回顧相干光和低相干光的各自優(yōu)勢給出解決思路。在學(xué)生思考討論的基礎(chǔ)上，自然過渡到基于低相干技術(shù)的白光保偏光纖分布式偏振耦合檢測儀講解上。（2）進行從粗略方案到方案細(xì)化的研究工作過程再現(xiàn)型講授。通過給出儀器設(shè)計方案圖、3D組裝圖和實物圖，讓學(xué)生進一步從原理上深化下去。重點分析儀器的偏振調(diào)整光學(xué)結(jié)構(gòu)，在學(xué)生回顧前序課程“物理光學(xué)”中講授的半波片知識的基礎(chǔ)上，分析半波片量化自動調(diào)整的設(shè)計機理，看到理論知識如何在偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)的實際需求上發(fā)揮作用。給出光源光譜參數(shù)的影響，實際檢測結(jié)果的分析，例如灌膠環(huán)與未灌膠環(huán)的測量結(jié)果對比，對光纖在線起偏器、Y波導(dǎo)器件、保偏耦合器等偏振光無源器件的測試結(jié)果，直觀顯示耦合強度大小如何體現(xiàn)了它們的保偏或起偏能力。

（二）多層次課程線上資源建設(shè)

建設(shè)的線上資源包括國家視頻公開課“物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)代生活”、智慧樹平臺運行的混合式在線課程“光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)”（2022年3月入選國家高等教育智慧平臺）和學(xué)堂在線平臺運行的在線課程“光電檢測技術(shù)”等。

線上資源“物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)代生活”由國家973計劃首席科學(xué)家劉鐵根教授、中國科學(xué)院院士姚建銓教授、國家自然科學(xué)杰出青年基金獲得者馬建國教授錄制授課視頻，由“物聯(lián)網(wǎng)的概念與發(fā)展歷程”“智慧城市與物聯(lián)網(wǎng)”“信息化技術(shù)的發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)”“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)——發(fā)展與挑戰(zhàn)”和“物聯(lián)網(wǎng)與光纖傳感網(wǎng)”等5集視頻課程組成，全面介紹物聯(lián)網(wǎng)的概念與發(fā)展歷程、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)中的信息技術(shù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與光纖傳感網(wǎng)，顯示出光電檢測技術(shù)在前沿中的廣泛應(yīng)用，上線以來累計播放57萬次。

線上資源“光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)”由智慧樹平臺運行，由江俊峰教授、劉鐵根教授、劉琨教授、王雙副教授、張學(xué)智副教授5位教師錄制授課視頻，尤勐、黃銳兩位實驗教師錄制實驗教學(xué)視頻，包括《走進光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)》《第一章：光電信息與圖像檢測技術(shù)及系統(tǒng)》《第二章：光電衍射檢測技術(shù)與系統(tǒng)》《第三章：光電掃描檢測技術(shù)與系統(tǒng)》《第四章：光電干涉檢測技術(shù)與系統(tǒng)》《第五章：光纖傳感檢測技術(shù)與系統(tǒng)》《第六章：光譜檢測技術(shù)》和《第七章：光電檢測技術(shù)科研案例》8個視頻組成。到2022年7月，網(wǎng)絡(luò)累計教學(xué)互動7 188次。

線上資源“光電檢測技術(shù)”由學(xué)堂在線平臺運行，將光電檢測教學(xué)與儀器化、產(chǎn)業(yè)化等工程實踐相結(jié)合，注意科學(xué)思想方法的提煉和教授，并將光電檢測教學(xué)與科學(xué)普及相結(jié)合，使不同層次的學(xué)生都能有所收獲。江俊峰教授、劉鐵根教授、張學(xué)智副教授等完成了課程線上資源建設(shè)工作。它包括“課程內(nèi)容及要求”“光電檢測技術(shù)綜述”“第一階段作業(yè)”“天津大學(xué)光電儀器新進展”“第二階段作業(yè)”“第一次學(xué)生報告”“第二次學(xué)生報告”“第三次學(xué)生報告”“期末考試”等9個教學(xué)環(huán)節(jié)。2020年秋上線以來，學(xué)生參與人數(shù)近3 000人。

線上資源對光電檢測進行全景式的介紹，具體從原理、技術(shù)、系統(tǒng)構(gòu)成和典型應(yīng)用等綜合的角度出發(fā)，對光電檢測技術(shù)的涉及領(lǐng)域、知識構(gòu)架、思維方式和學(xué)科熱點加以全面的闡釋和引導(dǎo)。

（三）系列科研型教材的撰寫

系統(tǒng)撰寫了系列科研型教材，形成了較完整的教材體系。2009年出版了普通高等教育規(guī)劃教材《光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)》，在此基礎(chǔ)上，2017年更新出版了《光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)（第2版）》，包括綜述、光電檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵器件、光電信息檢測技術(shù)與系統(tǒng)、光電圖像檢測技術(shù)與系統(tǒng)、光電干涉檢測技術(shù)與系統(tǒng)、光電衍射檢測技術(shù)與系統(tǒng)、光電掃描技術(shù)工程、光纖傳感檢測技術(shù)與系統(tǒng)、光譜檢測技術(shù)與系統(tǒng)等9章內(nèi)容，覆蓋了光電檢測技術(shù)的各個方面。該書作為主要教材使用。

出版《光學(xué)防偽檢測技術(shù)》《分立式光纖傳感技術(shù)與系統(tǒng)》和《光纖傳感網(wǎng)》等專注于某一個研究方向的教學(xué)參考書，幫助學(xué)生深入進行專題研究。例如，教學(xué)參考書《光學(xué)防偽檢測技術(shù)》第4章詳細(xì)介紹了光學(xué)信息處理防偽檢測技術(shù)；第5章介紹了光學(xué)全息防偽檢測技術(shù)；第6章介紹了光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換的光電防偽檢測技術(shù)；第8章介紹了基于光掃描的防偽檢測技術(shù)。教學(xué)參考書《分立式光纖傳感技術(shù)與系統(tǒng)》進一步拓展了光纖傳感檢測內(nèi)容，第5章更為詳盡地介紹了光纖光柵的原理、制作方法、傳感機制和解調(diào)系統(tǒng)構(gòu)建；第6章詳細(xì)介紹了光纖法珀傳感器的結(jié)構(gòu)、制作方法、傳感原理、解調(diào)系統(tǒng)構(gòu)建和應(yīng)用技術(shù)；第7章深入介紹了Sagnac干涉儀傳感器中的光纖陀螺、光纖電流互感器、光纖水聽器等的設(shè)計和應(yīng)用；第10章專門探討實際應(yīng)用，如大壩結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、動力電纜溫度監(jiān)測等應(yīng)用。

撰寫英文參考教材Optical Fiber Sensing Technology: Principles,Techniques and Applications并由世界著名的Wiley-VCH出版社出版，為學(xué)生國際化視野的拓寬打下基礎(chǔ)，增強學(xué)生外文文獻技術(shù)吸收能力。該英文教材總共19章，內(nèi)容涵蓋了實用光纖傳感系統(tǒng)在系統(tǒng)開發(fā)的各個環(huán)節(jié)，如光纖光柵傳感器的封裝及其在航天極端環(huán)境的應(yīng)用、光纖硅基微腔傳感器及其航空大氣壓力下的應(yīng)用、雙MZ光纖分布式振動傳感及其在周界安全監(jiān)測上的應(yīng)用、基于相位OTDR的分布式聲傳感技術(shù)。這些可以幫助學(xué)生跳出傳統(tǒng)學(xué)習(xí)以原理為主的知識型學(xué)習(xí)，了解航空航天等實際重大需求和前沿技術(shù)，使學(xué)生看到科研過程及技術(shù)的分化發(fā)展。

（四）混合式課程教學(xué)實踐

線下課堂教學(xué)主要從光電檢測技術(shù)概述、光電檢測技術(shù)案例兩個板塊進行面授教學(xué)，師生深入互動，使學(xué)生能對光電檢測技術(shù)的定位和作用具有全面深入的了解和參與。同時，配合改革的實驗教學(xué)方式，通過建立科研式實驗教學(xué)模式下的開放性實驗，提高學(xué)生實驗主動性［2］。根據(jù)科研型教學(xué)需求，定制實驗裝置，例如，結(jié)合分離間隙衍射測量和反射衍射測量方法設(shè)計了一體化教學(xué)儀器，并與天津市拓普儀器公司聯(lián)合開發(fā)教學(xué)儀器，讓學(xué)生在學(xué)過的基本衍射原理之外看到了衍射檢測技術(shù)如何根據(jù)實際進行衍生。最后，通過高效利用線上教學(xué)軟件進行快速隨堂分析測試，允許學(xué)生搜索各種線上線下資源進行解答，將學(xué)生的注意力集中在問題導(dǎo)向的思考分析上，而非傳統(tǒng)的知識記憶和知識背誦。

三、“光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)”混合式課程改革效果

根據(jù)上述改革思路，進行了“光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)”教學(xué)實踐，學(xué)生反映良好，獲得了傳統(tǒng)課堂教學(xué)難以得到的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。線上資源使得學(xué)生能夠不受時空限制，便于反復(fù)思考理解?？蒲姓n題的案例研究激發(fā)出相當(dāng)一部分學(xué)生的科學(xué)研究興趣，創(chuàng)新能力得到培養(yǎng)。學(xué)生們在后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計中對依托國家級前沿課題的選擇非常踴躍，如鋰離子電池光纖微腔溫度壓力傳感器研究、摻銩光纖環(huán)腔氨氣定量分析、中紅外摻鉺光纖激光器、壓縮感知光頻域反射分布式動態(tài)應(yīng)變傳感研究、基于深度學(xué)習(xí)的一維時序信號擴展與預(yù)測算法研究等。

混合式課程改革起到了預(yù)期橋梁的作用，促進學(xué)生由單純依賴課本的知識記憶型學(xué)習(xí)方式向從事前沿課題研究（攻讀研究生學(xué)位）或開展應(yīng)用研究（進入企業(yè)）的研究型學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變。此方面的教學(xué)實踐獲得了2021年度天津大學(xué)教學(xué)成果一等獎和2021年度天津大學(xué)研究生教育教學(xué)成果獎一等獎。

結(jié)語

“光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)”是一門光電信息專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)核心課程，致力于依托光電檢測技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生的科研方法和科研基本技能，通過進行混合式課程構(gòu)建與完善，實現(xiàn)了支持本碩博貫通學(xué)習(xí)的教學(xué)模式。同時，開展面向新工科的以科研為主線的教學(xué)實踐，取得了良好效果，學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)獲得顯著提升，為工程創(chuàng)新能力的不斷提高打下了基礎(chǔ)。