《光電探測與信號處理》課程的學生實踐能力培養

左緒忠，何恩節，秦炎福，官邦貴

（安徽科技學院電氣與電子工程學院，蚌埠233030）

0 引言

改革開放至今，隨著社會的快速進步推動著各大領域的迅速發展，科技發展的腳步也逐漸走向了新時代，在新時代的背景下，國家和企業對具有創新型實踐人才的需求量也日益增長。同時，2015年5月《中國制造2025》戰略的提出是中國實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領。眾所周知，高等本科院校對人才培養在人才強國建設戰略中發揮了不可替代的主力軍作用，因此高等學校對人才的培養需要順應時代的發展，工科生的人才培養方向應該由基礎理論知識教育逐漸向培養具有創新和實踐能力的人才教育轉變，人才培養質量要看重學生發現問題、分析問題和解決問題的專業核心能力的培養。最初于2000年被倡議的CDIO工程教育模式符合現階段人才培養的目標，其要求學生具備構思、設計、發現和運作的工程能力，CDIO的培養大綱主要將工程類畢業生的能力按照工程基礎知識、個人能力、人機團隊能力以及工程系統能力進行了劃分[1]?！豆怆娞綔y與信號處理》是安徽科技學院光電信息科學與工程專業的學生在大二時必修的一門專業核心課程，該課程涵蓋的五部分內容在光電探測領域和信號處理領域都占據著非常重要的地位。本文主要以《光電探測與信號處理》課程為例，針對目前該課程在理論和實踐教學過程中存在的一系列問題與不足，我們探索和改革了線上和線下教育資源互補、以競賽為抓手促進學生動手能力、強調課程設計環節中的仿真實驗結果以及引入綜合性設計實驗四個模塊，旨在培養工科畢業生具有解決復雜工程問題的實踐能力，從而縮短人才培養質量和國家以及用人企業對復合型人才需求之間的差距。

1 課程理論與實踐教學存在的問題

1. 1 理論教學存在的問題

《光電探測與信號處理》課程在2017年的人才培養方案中的理論學時是42學時，考慮到該課程涵蓋了大學物理、高等數學和復變函數與積分變換等多門課程的知識，因此學生在有限的課堂時間里對理論知識點的吸收與掌握存在較大的難度。根據CDIO模式下的工程教育要求，目前理論教學還存在以下問題和不足：①理論學時和課程設計學時分配不科學，同時課程設計在教學計劃中安排在學期的中期，因此在開展課程設計時，理論教學相當于只完成了一半的教學工作量，這對于學生在課程設計中不能完全合理科學地調用全課程體系的理論知識。②教學資源稀缺，師資較為匱乏，目前能勝任《光電探測與信號處理》這門課程教學的專任教師只有2人，面對快速發展的光電領域，很難形成頭腦風暴。③只有線上資源，沒有線下資源，學生只能在課堂上被動地學習，在課余時間主動學習課間沒有理解的知識的渠道相對較少，因此拓寬線下資源將會很大程度上改善學生的學習環境。

1. 2 實踐教學存在的問題

根據人才培養方案和教學大綱的要求，《光電探測與信號處理》這門專業核心課程的實踐教學環節主要包括實驗演示和操作以及機房的課程設計兩個模塊。目前實踐教學存在的問題主要有：①側重模仿式實驗，忽略了設計性實驗。實驗演示和操作主要體現為教師首先講解實驗內容、實驗原理以及實驗操作步驟，其次教師進行實驗演示讓學生觀察實驗現象和實驗結果，然后學生按照實驗講義和教師的要求重復操作該實驗，在整個過程中有很大一部分學生沒有深入思考實驗原理中的理論知識和認真鉆研實驗的操作流程，因此模仿式實驗的開展不利于學生的思考和動手能力的提高。②注重仿真實驗過程，輕視了實驗結果。課程實踐通常以分組的形式開展，每組在獲得題目之后將進行實驗仿真，由于課時的限制，我們注重學生對題目的整體分析和解決能力，但是最后匯報答辯時存在較多小組仿真運行結果和題目要求存在較大偏差等現象，說明很多學生在學習的主動性、自主學習能力和自我約束力上存在很多不足。③理論知識學習和學科競賽環節脫離。學科競賽既是檢驗學生理論聯系實際能力的一個非常好的平臺，也是培養學生實踐與創新能力的一個好的機會，目前雖然很多學生理論知識較為扎實但是動手實踐與創新的能力較為薄弱，因此吸納更多具有扎實學識的學生走進實驗室參與學科競賽，這可能對提高工科學生的實踐能力有很好的促進作用。

綜上所述，該門核心課程在理論教學環節和實踐教學環節均存在諸多不足，這對培養具有CDIO現代工程教育背景的應用型本科高校畢業生存在很多弊端。為了改善和提高學生的實踐與創新能力，我們基于CDIO模式對現階段的教學環節進行了探索，旨在培養具有發現問題、分析問題和解決問題的工程實踐能力的學生以符合社會和用人單位對創新性人才的需求。

2 基于CDIO模式的《光電探測與信號處理》實踐能力培養

2. 1 線上線下教育資源互補

《光電探測與信號處理》課程的內容具有理論知識多，知識范圍廣，抽象性強等一系列特點，而且該門核心課程的課堂理論教學學時有限，所以學生在課堂上很難準確地吸收和掌握全部課程知識。同時，一部分學生的課堂學習主動性不強和課堂領會能力較為薄弱，最主要表現在上課不能集中注意力。另外，部分學生雖然上課專心聽講，但是由于多媒體教學存在的先天缺陷，導致這部分學生也很難完全掌握課堂上講授的所有知識點。但是，對于提高學生的實踐能力，很重要的一點就是要求學生具備較為專業的理論知識，針對上述存在的問題，我們教學團隊利用課堂教學的資源拍攝了全課程的講授視頻，并且將這些視頻全部上傳至網絡對學生開放，學生可以利用課后時間登錄網站進行個性化地自主學習，這一點有利于學生熟練掌握在課堂上沒有理解的知識點或者加深對知識點的理解，從而對提高學生在實踐環節對理論知識點的快速提取起到一個非常重要幫助。因此，線上和線下的教育資源互補、全天候開放式教學模式可以有效地改善學生在理論聯系實際環節中所存在的理論知識匱乏的現狀。

2. 2 以學科競賽促進實踐能力培養

理論聯系實際的能力不僅是檢驗一個學生對理論知識掌握的熟練程度，而且是檢驗該學生動手能力強弱的一個很重要的指標[2]。CDIO模式教學旨在培養有構思、設計、實現和運行綜合素質的學生，為此，安徽科技學院電氣與電子工程學院創辦了“精英大舞臺”，在這個平臺下開設了基于“智能車、電子設計、單片機、光電設計以及大學物理競賽”為導向的實踐實訓教育實驗室，每年我們都在大一新生中吸收具有不同興趣的學生進入實驗室，通過實驗室指導老師和高年級學生的講解與幫助，讓新生盡快地了解和掌握實驗儀器和實驗項目，再結合學習的專業課程，指導老師會根據實驗的內容深入講解所運用的理論知識以加深學生對理論知識的影響，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的工程能力，然后通過不斷地工程技術實踐的訓練，最終培養具有較高實踐與創新能力的競賽隊伍，目前這些實驗室已經形成了“傳-幫-帶”的良好氛圍。經過這兩年的探索，我們光電信息科學與工程專業項敢亮學生在2019年全國大學生電子設計競賽中獲得了全國二等獎，該獎項也刷新了我院在該項賽事中獲獎的最好成績。當然，這一成績的取得也直接證明了我們在以“學科競賽”培養學生的實踐能力的道路上邁出了堅實的一步。

2. 3 注重課程設計中的仿真實驗結果

課程設計是《光電探測與信號處理》的附屬課程，旨在培養學生利用課堂上所學的理論知識解決實際復雜工程問題的能力。課程設計以分組的形式進行，每組4人，通常選取2名成績較為優秀和2名成績較為合格的學生搭配分組。以往，指導老師在分配好課程設計題目之后，每組根據題目的要求完成相應的仿真設計，指導老師在課間或課后對學生提出的問題提供可參考的解決方案，主要工作還是由學生自主完成，但是我們在匯報答辯的時候發現很多小組都不能較好地實現題目所要求的功能。光電信息科學與工程專業的學生實踐能力主要體現在在給定的條件下，能否自行地寫出程序、畫出電路和制作實物以解決復雜工程問題[3]。同時，針對以往課程設計在答辯過程中發現存在的不足，現階段不僅注重仿真實驗的設計過程，更看重仿真實驗的運行結果。在答辯時，通常要求每個小組中的每名成員在答辯時都要熟練地操作仿真實驗中所運用到的Proteus軟件，而且能清晰地講解出電路圖的設計與運行時所用的理論知識，針對不能按照要求完成課程設計的小組，在考核中給予較差的評價。注重仿真實驗的結果不僅對學生寫程序和畫電路圖提出了更好的要求，而且提高了學生的自主學習能力和團隊合作能力，同時還能提高學生在利用所學知識解決實際問題過程中的構思、設計、實現和運行的能力，從而有利于培養具有較高實踐能力的工科生。

2. 4 引入綜合設計實驗凸顯創新能力培養

實驗課程在壓縮之前具有21個實驗，部分實驗內容出現重疊現象，部分實驗現象出現雷同行為，為了保證學生通過基礎實驗的操作和觀察來掌握和加深基本理論知識點，同時結合課程內容的特性，保留了10個最具有代表性的實驗作為基礎實驗項目。另外，為了培養學生的創新與實踐能力，引入了超快激光特性研究、三維攝像與顯示以及LED封裝、測試與設計三個綜合設計類實驗項目，綜合設計類實驗依然按照分組進行，指導老師把題目分配給學生之后，讓學生查閱相關資料和走進實驗室，要求在規定的時間內完成實物的制備與性能的調試，這些項目的引進不僅能激發學生對實驗的興趣，還能加深學生對社會生產實踐的理解，更能提高學生動手、創新與實踐的能力，這對培養具有創新型思維的工科畢業生有很大的幫助[4]。

3 結語

本文針對我校光電信息科學與工程專業的專業核心課程《光電探測與信號處理》學生工程實踐能力較為薄弱的現象，我們基于CDIO模式在線上和線下教育資源互補、以競賽為抓手促進學生動手能力、強調課程設計環節中的仿真實驗結果以及引入綜合性設計實驗四個方面進行了探索和改革。結果表明：加深了學生對課程的理論知識的理解和掌握，改善了學生理論聯系實際的能力，提高了學生解決復雜工程問題的能力，縮短了學生和企業對創新性人才需求之間的差距?？傊?，我們探索了新形勢下地方應用型本科高校中光電信息科學與工程專業學生實踐能力培養的新途徑，并取得了將為良好的培養效果。