《光電信息技術實驗》金課建設實踐

盛宇柯，李 海，楊初平

（華南農業大學電子工程學院（人工智能學院），廣東廣州 510642）

2018 年6 月，教育部在新時代全國高等學校本科教育工作會議上提出打造“金課”，表明國家高度重視課堂教學在人才培養中的重要作用，標志著我國高等教育的發展已經進入了提高質量、提升內涵的發展新時代。其根據課程的不同特點，對“金課”分類建設提出指導意見，提出建設“線下金課、線上金課、線上線下混合金課、虛擬仿真金課和社會實踐金課”等五類金課。如何建設金課并提高課程教學質量，是現階段擺在每位教師面前的一項重要任務，也激發了廣大教師的建設熱情，促使其積極開展金課建設實踐探索。

一、金課建設標準的認識

金課建設需要一個目標，一個標準。關于“金課”建設的標準問題，教育部提出了“金課”的標準為“兩性一度”，即“高階性、創新性、挑戰度”。

（一）高階性

高階性要求課堂教育不僅要傳授知識，還要實現傳授知識、培養能力、提高素質的有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。通常的課堂教學，對于理論課程，傳授知識是主要任務，通過課堂講解對相關理論的基本原理和性質給予剖析，課后通過章節配套的思考題增進學生對知識點的充分理解，也通過配套習題實現對基本計算的掌握；對于實驗課程，通過教師課堂上講解，學生實現對實驗相關原理的理解，通過教師對實驗儀器結構、功能的講解演示，學生掌握儀器的使用要領，然后學生小組通過對實驗步驟和測量要求的理解，獨立完成基本實驗操作，課后完成實驗報告。金課建設提出一定要重視能力培養和素質提高。因此，高階性指明了課程建設的方向。

（二）創新性

創新性要求每門課程內容不僅要具有所在學科的基本原理，也要有反映相關科學和技術的前沿性和時代性的知識窗口，使學生在掌握基礎知識的基礎上通過這扇窗口了解相關學科和技術的前沿發展。教學形式要呈現先進性和互動性，學習過程不僅有基本操作，學習過程和結果也要具有探索性和個性化。

（三）挑戰度

挑戰度指課程要有一定難度，需要跳一跳才能夠得著。教師要認真把課程相關資料準備好，使備課內容、課程作業要求具有挑戰度，對學生課下學習有較高要求；學生要按照教師的要求，通過自己跳一跳、加把勁把每次課程作業完成好，并在完成的過程中實現知識、能力和素質的提升。如此，通過完整課程的學習實現金課的培養目標。

從以上對金課“兩性一度”的內涵的理解，可以看出高階性、創新性和挑戰度三者是相輔相成的；高階性是金課的目標，高階性的實現需要通過對教學過程的精心設計和安排，把創新性和挑戰度貫穿到課程的教學過程中；創新性和挑戰度的實現需要教師發揮積極性，更需要發揮學生的學習積極性。

金課建設目標雖然相同，但金課建設沒有現成、固定的模式可供參考。金課建設貴在實踐，貴在探索，貴在百花齊放，貴在教材建設、課堂講授、課后作業的高要求。只要有利于實現金課的“兩性一度”目標，教學實踐上的任何嘗試均值得支持。由于專業實驗課程在學生專業能力培養中具有理論聯系實際的作用，利于培養學生的創新能力，因此，我們結合實際情況在專業實驗課程開展金課建設試點，為其他專業實驗課程的金課建設積累有益經驗。

二、金課建設實踐

（一）課程特點

《光電信息技術實驗》是光電信息科學與工程專業的專業實驗課，包含10 個實驗項目，分別是：“阿貝成像與空間濾波實驗”“θ 調制實驗”“利用光柵濾波實現圖像相加”“利用復合光柵實現光學微分”“馬曾干涉儀實驗”“數字全息及實時光學再現實驗”“2D 激光位移傳感實驗”“光學三維形貌測量實驗”“數字式光學傳遞函數測量與像質評價實驗”“電子散斑干涉測量離面位移實驗”。實驗理論涉及《物理光學》《信息光學》《工程光學》《光電子技術》等專業課程的內容，實驗設備的構成包括光路設計、光電信息轉換采集、機械電動控制、數據處理軟件應用等，每套實驗設備就是一個小型的光、電、計算機軟件一體的系統。這些是實現金課建設的基礎。

（二）傳統實踐課程教學

過去，實驗講義是按照實驗目的、實驗儀器、實驗原理、實驗內容、實驗步驟等結構組織起來的；實驗過程就是學生按照實驗內容和實驗步驟完成實驗相關的測量內容；實驗報告就是按通常報告的撰寫規范完成。在實施實驗教學過程中，學生理解了實驗原理，掌握了實驗儀器的結構、功能和使用方法，同時對知識的認知實現從理論到實踐的聯系，但教學過程比較平淡，創新性和挑戰性沒有體現出來。

（三）金課建設的實踐

按照金課建設的“兩性一度”要求，教學團隊重新思考分析專業培養目標，對每個實驗項目進行細致的剖析，認為可以實現創新性和挑戰度的著力點很多：實驗內容綜合性強，有硬件——光路設計、光電信息轉換，有軟件——光電系統的控制和數據采集處理；光路設計是實現測量過程光信號有效傳遞的基礎，不僅涉及對光信號光路傳播的認識，也涉及對各個光學元件功能的認識以及光路結構布置；光電信息轉換需要掌握各種光電信號探測的性能和特點；作為光電檢測系統的核心——系統軟件，無論是軟件功能的模仿設計還是有創意和有特色的設計，創新性和挑戰度的落腳點均可以有效設計。因此，教師可以結合本實驗課程的特點開展金課建設。筆者通過兩年的教學實踐，總結如下實現金課標準的做法。

1.關于高階性的體現。本實驗的教學目的不再局限于傳統教學過程，即按實驗原理、實驗步驟以及測量要求，操作實驗儀器，完成數據的記錄和處理、撰寫實驗報告就算完成實驗教學過程和教學目標。高階性的目標確定為通過本課程學習，學生掌握光電計算機一體化系統結構設計的專業能力，特別是系統的核心部分——軟件的編寫。于是本實驗課程的金課建設實踐要突出光路結構設計、光電信號轉換、數據采集和處理軟件的編寫訓練；教材編寫上以突出上述三點對實驗講義重新組織，重視光路結構和光路功能的描述；教學過程中從系統融合角度即硬件結構和軟件功能一體化角度講解實驗系統。

2.關于創新性和挑戰度的體現。課程引入幾點具有創新性和挑戰度的安排：教學團隊挑選了三個典型的光機電一體化實驗項目：“2D 激光位移傳感實驗”“光學三維形貌測量實驗”“數字式光學傳遞函數測量與像質評價實驗”；學生的實驗報告需要從光信號傳遞和測量角度比較詳細地講解光路設計的依據，可以查閱文獻，可以與教師討論；學生需要比較完整地理解實驗上所用的光電信號傳感器的特點，它是光電檢測系統實現精密測量的基礎；布置具有挑戰度的實驗作業的做法——結合實驗系統軟件的功能，編寫類似功能的軟件，原因就是光電計算機一體化系統中光電信號采集和處理是核心部分，系統軟件是系統的靈魂。這樣安排能夠使實驗課后作業突出挑戰性要求：學生不僅要完成相應的實驗報告，還需要在教師提供的基本功能軟件基礎上結合對實驗的理解和討論，以小組為單位完善與實驗系統對應且具有一定特色功能的軟件，也就是學生必須自己設計相應實驗系統的控制和數據處理軟件。

3.助力實現創新性和挑戰度的教學基礎建設。學生雖然已經學習了若干專業基礎課，有電子信號處理基礎，有光電信號轉換基礎，有初步編程能力，但從系統的角度來理解并設計一個光電系統，對學生來說是一片空白的。因此，學生一下子進入到開發光電檢測系統軟件的階段，其難度可想而知，這時需要給學生提供一些幫助，使其跳一跳夠得著，課程的培養效果才更加明顯。這也是教學團隊在實現金課目標過程需要著力對教學過程進行精心設計的環節。如果這個環節設計安排合理，通過本實驗系列有的放矢地進行訓練，學生將具備良好的光電系統設計能力、良好的系統設計思維、良好的光電計算機一體化意識，對于后續面向學生實踐能力培養的課程設計訓練具有良好的教學示范和引導作用。基于這個目的，在《光電信息技術實驗》教學過程重視系統結構和功能關聯，重視光、電、光電轉換和與數據處理軟件系統的融合。為了助力實現課程的創新性和挑戰度，教學團隊編制出分層次系列光電系統基礎軟件框架，錄制了軟件設計的教學視頻，演示光電檢測系統軟件的設計流程。學生可以從零基礎開始分階段學習訓練，首先理解三個典型光電系統的控制要求、數據采集和處理要求；接著演示系統軟件界面的設計，界面是人機交互的窗口，是學生可以發揮個人聰明才智的環節；最后是界面上各個功能的算法實現。系列軟件框架把光電系統軟件的設計過程進行分解，從簡單到復雜，從實現數據處理的算法冗余到算法優化，可以有效鍛煉學生的編程能力。學生在這個基礎上可以完善軟件信息處理功能，可以優化軟件功能結構。

4.為了檢驗金課建設效果，實驗課程結束時，教學團隊專門安排一個光電檢測系統設計經驗交流會，讓每組學生上臺展示并講解所設計的光電檢測系統軟件的界面、功能結構安排、數據處理算法實現，學生間相互比較切磋，相互啟發；教師分別對各個作品進行點評；最后學生投票選出優秀作品：可以是優秀軟件界面設計，可以是優秀數據處理算法，可以是優秀軟件系統，分別給予表彰。

實踐證明，上述講義內容和教學安排學生喜歡接受，實驗課程挑戰度作業布置雖然提供光電系統數據處理基礎軟件庫作為墊腳石，但也只是提供一個基本軟件框架，不僅體現光電檢測系統特點的數據處理、輸出、顯示等功能需要學生完成，而且在作業考核上也有突出軟件特色的壓力和動力。學生普遍認為這種教學安排能夠培養自己的專業綜合能力，進而較快地掌握有關光電檢測系統整體結構初步設計的專業技能。

三、金課建設體會

第一，金課的標準是“兩性一度”，在具體課程的金課建設實踐中，根據課程的培養目標和對學生整體素質的了解，選擇落實“兩性一度”的培養點和具體實現機制，是實現金課目標的前提。教學團隊針對學生不同的能力特點，在完成挑戰度作業時分解出三個不同的挑戰度：第一個層次是基本完成，即實現光電檢測系統軟件的基本功能，對界面結構和數據處理算法優化方面不做要求；第二個層次是按質完成，即軟件除了實現基本功能，對界面結構和數據處理算法優化有所體現；第三層次是超質完成，即軟件除了基本功能，還有特色功能，界面結構和算法優化表現優異。實踐證明，第一個層次學生都能達到，少數學生甚至可以達到第三個層次。

第二，課程在落實“兩性一度”的過程，可以分階段實現，一步一個階梯，讓學生小步跳躍著實現整體挑戰度的各個分段培養目標，不至于一下子給學生提出過高的挑戰度。在我們設計的挑戰度作業中，教學團隊按學生從零基礎開始，從簡單到復雜，編寫演示光電系統軟件設計系列教學視頻，學生通過視頻學習從界面設計開始逐步進入到數據處理算法設計。

第三，課程要提供合適的基礎學習資料，助力創新性和挑戰度的實現，而不是讓學生在一窮二白的條件上去實踐。我們的教學團隊設計的系列軟件框架和教學視頻，就是這樣的體現。

第四，實現金課目標沒有捷徑可走，也沒有通用的建設模式；同一門課程實現金課標準的具體做法可以不同，但目標是一致的；金課建設過程需要教師因地制宜、因材施教。

總之，只要每位教師本著為國家培養優秀人才的宏大目標，主動積極作為，每一門課程都可以建設為金課。