淺談啟發式教學和創新性教學在研究生實驗教學中的應用體會

韓翔 肖光宗 譚中奇 劉進 梁永輝

[摘 要] 結合“高等光電技術實驗”課程中“光纖傳感實驗”模塊的教學實踐，從實驗內容設計、教學方法和教學手段等方面運用啟發式教學和創新性教學方式，為提高教學質量和培養創新型人才進行了有益的教改探索。

[關鍵詞] 研究生;實驗教學;啟發式教學;創新性教學

[基金項目] 國防科技大學前沿交叉學科學院教學研究課題（Y201805）

[作者簡介] 韓翔（1987—），湖北隨州人，國防科技大學前沿交叉學科學院講師，博士，從事光電慣性導航和光學微操控等方向的科研和教學工作（通訊作者）。

[中圖分類號] G643? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）19-0326-02? ? [收稿日期] 2019-09-06

研究生教育屬于國民教育序列中的高等教育，與本科和中小學等階段的教育不同，其本質是培養研究者的教育，其目的是培養國家創新人才和提高國家科技競爭力[1，2]。對于工科院校而言，實驗課程作為連接理論與實踐的橋梁，是研究生教育中不可或缺的組成部分，對于培養學員的科研能力、工程實踐能力和創新能力具有極為重要的作用[3]。然而當前實驗教學還存在諸多問題，諸如：（1）內容設置上，實驗步驟過于詳盡，學員按部就班，啟發性不足;（2）授課過程中，多數實驗單線程運作，開放性和創新性不足;（3）參與教學的學員本科教育背景參差不齊，知識技能儲備差異較大;（4）實驗考核形式偏于單一。為滿足新形勢下光學工程學科研究生人才培養的要求，針對通常實驗教學中存在的問題和不足，國防科技大學前沿交叉學科學院投入了大量的人力和物力，構建了以光電技術為核心的研究生實驗教學和創新實踐活動平臺，依托該平臺開設研究生核心課程“高等光電技術實驗”，推動了構建光學工程學科完善的人才培養體系[1]。

一、實驗內容的設計

從現行課程框架和已建設的條件來看，“高等光電技術實驗”中“光纖傳感實驗”模塊按照先器件后系統的方式進行設計，內容涵蓋了3dB光纖耦合器和馬赫—曾德光纖干涉儀。首先完成半導體激光器的耦合和起偏，然后使用光功率計來獲取不同偏振態的線偏振光進入1級3dB耦合器后的輸出功率比值，最后搭建馬赫—曾德干涉儀，并使用光電探測器和NI采集電路測試環境溫度的變化。針對研究生實驗動手能力和創新能力培養的需要，為了更好地運用啟發式教學和創新性教學來促進教研結合，在內容設置上注重考慮如下兩個方面。

1.以教促研。自主學習實驗器件的使用。啟發式教育的形式之一是設置情景問題引人入勝，即教員要有意識地給學員提供一些具有思維含量、引人入勝的問題，如困惑的問題、意外的問題、奇妙的問題、疑難的問題等，去啟發學員的思維。“光纖傳感技術實驗”主要是針對低年級研究生開設的，對于絕大多數低年級研究生來說，光纖耦合模塊、光電探測器模塊、NI采集卡模塊都是新鮮且陌生的。在授課教員的引導、鼓勵和幫助下，研究生學員根據模塊中器件型號查閱相關資料，并以2～3人實驗小組的形式參考器件實物開展討論。這樣既能激發學員的求知欲和實驗興趣，也能加深了學員對該實驗器件的理解和認識，鍛煉其快速查詢和閱讀器材資料的能力，對于研究生課題的開展和研究大有裨益。

2.寓教于研。創新性內容的設計。一般實驗課是演示型或驗證型，按照事先安排的詳盡實驗步驟，觀察到與理論預期一致的現象即可完成實驗。盡管這種方式可以加深學員對于理論知識的理解和鍛煉其動手能力，然而按部就班的過程、已知的實驗預期使得學員的創新能力得不到充分的訓練和培養。為此，實驗中增加了“疑問”“復述”和“拓展”環節。“疑問”環節是指在實驗講義中預埋部分存在“錯誤”步驟，這些“錯誤”環節可能導致實驗結果出錯，但又不至于產生安全和器件損壞等問題。開始實驗前教員會提醒學員，但并不指明“錯誤”位置。“復述”環節是指在分塊開展的實驗過程中，在閱讀實驗講義后開展2～3人小組討論，隨機抽取1人復述擬開展實驗的步驟、各步驟的緣由和目的以及各步驟中所用光學元件的作用。“拓展”環節是指在實驗中挑選若干部分，鼓勵學員在不損壞器件的前提下安全的探索備選方案。例如激光耦合后的起偏部分，擬利用所提供的非偏振分束器、偏振分束器、1/4波片和1/2波片得到一束優化的偏振方向可控的線偏振光，在實驗步驟中給出錯誤的器件順序，要求學員“復述”和分析各器件作用，鼓勵學員提供額外的備選方案。例如馬赫-曾德光纖干涉儀部分，要求學員“復述”系統各部分組成和作用，鼓勵學員將帶有調制信號的參考臂和感知外界參數的信號臂互換來比較實驗結果。

二、教學方式的探索

對于“光纖傳感技術”實驗模塊，每2～3名學員為一組配備一名指導教師開展實驗，師生之間有很好的交流和互動的機會。該實驗模塊總學時和單次每次授課的學時都比較充分，實驗內容被分割為2個子模塊以及多個更小的實驗單元，這樣既可以靈活控制實驗各單元的進度，便于預定教學目的的實現，也為啟發式教學和創新性教學提供了充足的課堂時間，用于鼓勵學員積極思考和開拓創新。

1.設置問題和自主式學習的引導。設置問題，啟發學員思考，鼓勵學員資助學習和動手操作，是提升學員實驗積極性和培養創新能力的常用手段。通過實驗內容的改進，整個實驗模塊相當于一個小的科技問題，其中的子模塊和實驗單元從淺入深，逐層遞進。教員為學員提供所必需的實驗器材，說明實驗的基本規則，以防止安全事故和實驗器件損壞。根據所提供的主要器件，由學員自己查閱器件資料，自行討論和研究怎么高效地耦合激光和實現光束優化后的起偏，怎么理解3dB耦合器分束比隨線偏振方向變化的規律，怎么搭建和使用光纖傳感系統感知溫度變化，等等。在討論過程中，實驗教員進行旁聽和必要的引導;在充分討論后，由學員自己復述實驗思路和詳細緣由。

2.半開放式的實驗過程。半開放式的實驗過程，是促進學員積極思考和勇于創新的重要方式，可以在保證教學任務的前提下，培養學員的創新能力。如前所述，筆者在實驗內容中設置了“疑問”“復述”和“拓展”環節。學員在閱讀實驗講義時會思考各實驗步驟的合理性，并在教員的引導和監督下開展小組討論和“復述”，并在“拓展”環節中積極嘗試備選方案。“拓展”環節中的實驗部分沒有唯一的標準答案，鼓勵學員提出解決問題的方案，勇于試錯。

3.因材施教。在實驗教學中，筆者注意到參與教學的部分學員來自非光學類專業或者屬于工作后再教育的狀況，這些學員對基礎知識的理解程度和基本技能的掌握程度都明顯不足。在實驗教學過程中，教員會有針對性地就光纖基礎知識和基本操作進行重點講述，以幫助這些學員快速掌握，有利于小組討論和實驗開展。

三、考核手段

實驗課的考核是檢驗學員學習效果最常用的手段之一。在“光纖傳感技術”實驗模塊開展過程中，采取了四種考核手段相結合的方式。考核手段一是在實驗過程中與學員進行關鍵知識點的交流，觀察其對于實驗背景知識的認知程度，這部分成績占10%。考核手段二是在實驗過程中觀察每組學員的積極程度和動手能力，這部分成績占20%。考核手段三是傳統的實驗報告，主要考察對實驗結果的分析和解釋能力，占40%。考核手段四是在45分鐘內書面回答實驗常識類問題、有序完成所設定的實驗內容并進行分析以及對實驗習慣進行考察，該部分占30%。

四、結語

針對研究生教育中存在啟發性不足、學員自主創新環節偏少等問題，對“高等光電技術實驗”課程中的“光纖傳感實驗”模塊進行了實驗內容和教學方式的改進，使得該課程的教學過程更為豐富多樣，充分激發了學員實踐動手的熱情和開拓創新的精神。希望本文探索的實驗內容和教學方式，能夠為光學工程學科或其他學科實驗教學的開展提供一定的借鑒。

參考文獻

[1]譚中奇，梁永輝，毛宏軍，等.研究生光電技術實驗課程教學探索與實踐[J].教育教學論壇，2015（22）：106-108.

[2]譚中奇，張振宇，楊開勇.研究生專業課程教學設計的思考[J].高等教育研究學報，2013，36（4）：96-98.

[3]劉琳，李國華.“研教互動”模式在高校創新性實驗教學中的探索[J].西部素質教育，2019，5（03）：145-147.

Application Experience of Heuristic Teaching and Innovative Teaching in Postgraduate Experimental Teaching

HAN Xiang*， XIAO Guang-zong， TAN Zhong-qi， LIU Jin， LIANG Yong-hui

（College of Advanced Interdisciplinary Studies， National University of Defense University， Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract：Based on the teaching practice of the module of Optical Fiber Sensing Experiment in the course of Advanced Photoelectric Technology Experiment， this paper introduces the experience of using heuristic teaching and innovative teaching in the aspects of experiment content design， experiment teaching methods and teaching means. It would be a helpful and enlightening exploration for improving teaching quality and training innovative talents.

Key words：postgraduate; experimental teaching; heuristic teaching; innovative teaching