光電檢測實驗的教學改革探討

曹潔萍，曾志娟，張敏敏

（華南師范大學信息光電子科技學院 廣東 廣州 510006）

理論教學與實驗教學是理工科學生掌握知識與技術不可欠缺的課程，都是教學活動的重要組成部分。理論教學是以理論知識教材為主要內容，以課堂講授為主要形式的教學活動，其出發點主要讓學生能夠系統性掌握和了解經典成熟的基礎知識以及前沿知識要點。理論的教學內容一般基于科研人員經過多年驗證在特定條件形成的自然科學規律、最佳技術方案或者技術參數，但由于內容相對抽象，對于絕大多數本科生來說，只能依靠記憶和理解掌握理論知識。實驗教學是一種實踐性教學形式，學生使用儀器設備，通過設置特定的實驗條件引起實驗對象理化特征的變化，進而觀察、記錄、測量與分析實驗現象，最終獲得知識與操作能力。實驗教學課程多數是驗證經典的理論知識，其內容經過絕大多數科研人員的質疑和驗證，因此其實驗內容與實踐操作較為成熟。實踐教學旨在使學生掌握專業所需的實踐技能，著重培養學生發現問題、分析問題、解決問題的基本能力。因此，通過實驗教學與理論教學課程不僅可以讓學生理解和掌握基礎的理論知識，同時也有助于提高學生的實踐動手能力。

然而，由于不同學校存在對實驗課程教學大綱要求、儀器配置、實驗課程經費投入強度、實驗場地大小和教師隊伍數量與結構等差異，導致同一個學科乃至同一門實驗課程設計內容與教學效果在不同學校間呈現顯著的不同[1-4]。除了上述指標化條件影響之外，教學手段和考核方式等教師的個體化設計也決定著實驗課的教學效果。本論文將以華南師范大學信息光電子科技學院的光電檢測實驗課程為例，通過對光電檢測實驗課程的教學內容、教學手段和教學評價三個方面的分析，探討光電檢測實驗課程改革的教學效果。

光電檢測技術涉及光學、電子技術、光電轉換技術、計算機等多個知識要點[5]。光電檢測技術雖然知識面廣且復雜，但由于其非接觸、高靈敏、高精度、高速等優點，目前成為最受歡迎的檢測手段之一，在工業、農業、食品、醫療和軍事等多個領域有著廣泛的應用[6]。光電檢測實驗是繼光電檢測技術與器件理論課之后開設的獨立實驗課，旨在通過實驗方法使學生掌握光電器件的基本操作和應用，最終能夠利用光電器件和設備獨立設計光電系統，進一步加深學生對光電檢測理論知識的理解，強化實踐操作。因此在保證教學質量的基本前提下，適當對實驗教學內容和教學手段進行創新以及教學評價進行改革，有助于帶動學生上課的積極性，提高學生對實驗課程的興趣，激發學生的創新思維和實踐能力。

1 課程現狀及存在的問題

光電檢測實驗的主要內容包括光電器件的特性參數測試、光電發射和接收器件的應用、光電系統的搭建等10個實驗模塊。目前光電探測實驗大部分教學內容為理論驗證性實驗，缺乏趣味性和新穎性。在科技快速發展的時代，光電檢測實驗教學的內容和器材并沒有得到相應的更新；其次，教學模式主要是遵循傳統的方式，學生課前預習，教師課中對實驗內容和主要操作等進行全面講解，學生按照實驗指導書一步一步操作完成。由于實驗操作簡單，并不需要對實驗原理有太多思考即可完成實驗，導致學生處于被動學習，積極的學生能夠自覺思考實驗過程中遇到的問題并自行解決，但大部分學生仍把實驗當成一項任務，草率地完成實驗提交實驗報告，并沒有吸收相關的知識。在實驗教學考核方面，主要根據學生完成實驗操作和報告的情況來評分，較難全面反映學生的實踐能力和創新能力，也無法讓學生對實驗中遇到的難點進行深入的思考和解決，無法加深學生對光電基礎知識的理解，不利于提高學生實踐能力和解決問題的能力，無法激發學生的創新、探索興趣，因此不能有效達到實驗教學目的。

2 改革內容

2.1 明確目標

2021年初，光電檢測實驗根據培養方案規定的專業人才培養目標和畢業要求，對教學大綱進行了重新調整，新教學大綱增加了具體的課程目標，且課程目標能夠與畢業要求對應。課程目標主要分為知識目標、能力目標和素養目標。知識目標包括掌握光學、電子學、光電轉換理論基礎知識和各類光電探測器的工作原理，光電系統常用的光源特性，光學調制器的應用和光電探測方法的應用等多個知識點。能力目標包括鍛煉學生在光電系統的搭建、自動化領域、檢測應用的實踐能力。即從信號的獲取、處理等整個光電探測系統的搭建，訓練學生對復雜的綜合性工程問題進行深入研討、分析與解決的能力，達到能夠運用現有知識和技能創新搭建光電系統的目的。素養目標則包含了解光電實驗室的安全知識與管理，以及對突發情況的處理方法。與團隊協作解決實驗遇到的問題，培養學生的團隊合作精神和溝通能力。能對實驗結果進行完好的表達與邏輯性分析，表達能力，精益求精的創作精神，擁有良好的實驗素養，嚴謹的學習態度和自信心。大綱詳細地說明了教學內容、要求及進度安排，每個單元都有相應的知識點支撐課程目標，便于教師根據單元的主要內容、學習目標，教學方式等進行備課。

2.2 豐富教學內容

在教學內容上，保留原有的驗證性實驗和應用性實驗，將同類型的驗證性實驗（如光敏電阻、光電二極管和光電三極管的特性研究）和應用性實驗（如透射式和光耦式光電開光）進行合并講解與操作，幫助學生更好地理解不同光電器件的結構、原理及應用場景。同時增加當前科技前沿領域的相關內容作為設計型實驗模塊，例如吸收光譜、熒光光譜，這些能夠進行微弱光信號檢測的技術廣泛應用于工業、環境、食品、醫療、農業等領域。在設計型模塊中，以學生為主導，教師負責引導答疑，由學生自由選擇材料、器件進行光電檢測系統的搭建、光電性能的研究，并對實驗結果進行深入的分析，最終完成一個完整的書面設計報告。通過設計性實驗使學生體驗到科研式實驗的過程，同時熟悉微弱光電信號檢測的原理、操作、平臺搭建，培養學生解決實際應用問題的能力以及創新能力。光譜技術在現實生活中有著廣泛應用，掌握現代光譜檢測技術使得學生在未來工作中添加一項專業技能，因此能夠提高學生的學習興趣和積極性。

2.3 擴展教學手段

在教學手段方面，改革之前主要是傳統的教學方式，學生課前預習，教師課上對實驗內容和主要操作等進行全面講解，并演示實驗步驟，學生再具體按照實驗指導書一步一步操作完成。改革后，教師提前要求學生結合光電檢測虛擬仿真軟件學習實驗課前知識。虛擬仿真實驗教學是教育信息化的有效手段，用于實驗教學可以補充實體教育的不足，相較于線下實驗，虛擬仿真實驗更為方便，學生可以隨時訪問平臺，進行預習復習，琢磨、消化、拓展。但是虛擬仿真實驗的體驗感和實際達到的實驗效果還有很多欠缺，因此目前還是無法代替實際實驗。例如，在實體實驗中，教師可非常直觀地看到學生的實驗情況，而虛擬仿真實驗則存在空間的隔離，教師無法第一時間掌握學生的知識掌握情況以及實踐操作能力，畢竟網上操作和實際動手操作存在較大差異。因此，針對目前光電檢測實驗的現狀，結合基礎和最新的光電探測技術及其應用，對學生開展光電檢測虛擬仿真與線下實驗結合教學。

虛擬仿真軟件包括元器件仿真、實驗仿真和訓練仿真，元器件仿真包含常見的光電器件的結構和原理，形象的仿真動圖有助于學生加深對光電檢測理論知識的理解，同時掌握實驗理論數據，有利于對實驗數據的分析。實驗仿真包含光電器件的工作電路演示與連接，通過仿真實驗的操作，使學生初步了解實驗的關鍵步驟與目的，進入實驗室后不會盲目按照實驗步驟操作，而是有目的地、有條不紊地進行實驗。訓練仿真包含應用性實驗的操作練習，幫助學生了解相關光電器件的應用場景。學生可通過虛擬仿真軟件進行實驗原理、實驗操作、理論數據等相關知識的儲備，為后續進入實驗室進行線下實驗操作打下牢固的基礎，達到事半功倍、節約時間、提高實驗效率的效果。

另一方面，課前明確告知學生，在實驗操作過程中教師將隨時抽查學生正在操作的實驗原理等內容，具體考察內容由教師向學生即時提問，有了目標和壓力后，可以提高學生預習的效果。在實驗課中教師對實驗原理進行講解，并介紹主要設備的用途，然后由學生按照實驗要求進行操作，這就需要學生對每一個步驟、每一個器件預先進行詳細了解，否則無法在規定的時間內完成實驗。同時，建立QQ或者微信群，使學生可以隨時與教師討論知識點，教師及時給予學生反饋，避免學生知識點積壓，逐漸失去學習興趣。通過網絡向學生展示優質的光電檢測技術資料，科普相關知識，拓寬學生的知識面，以彌補實驗設備更新不及時導致的技術落后問題。利用豐富的網絡資源使學生不再局限于實驗室現有的設備，能夠通過網絡了解學習更先進的知識和技術，與時俱進，為將來進入社會接觸企業中的先進技術打下基礎。

實踐發現，在虛擬仿真實驗平臺預習的學生理論知識更扎實，進行線下實驗操作也更熟練，效率更高，這種線上線下結合的實驗教學模式，彌補了實體教學中儀器設備限制的缺陷，也解決了教師無法直觀觀察學生實操情況的弊端，使學生在虛擬仿真平臺上學習的知識得到升華與鞏固。而通過網絡及時答疑，能提高學生學習的積極性，分享的科技前沿知識等能夠讓部分學生得到啟發，培養其創新思維。

2.4 多元化考核方式

在考核評價方式方面，首先，通過學生對實驗原理等內容的回答和實驗預習報告，教師給出預習成績。其次，通過對學生的實驗操作進行觀察與提問，使學生牢記每個實驗步驟的意義，然后給出實驗操作分數，這部分分數能夠反應學生的實踐能力和解決問題的能力。最后，學生按照要求完成實驗報告和設計報告，設計報告要求按照科技論文的要求進行撰寫，讓學生體驗科研實驗的過程（設計、實踐、論文撰寫），教師根據學生實驗報告以及設計報告的完整度和完成質量給分。學生最終成績為實驗預習（20%）+實驗操作（20%）+實驗報告（60%）的綜合評分，能較全面地反映學生的光電基礎知識和實踐能力。

3 結語

本論文分析了光電檢測實驗課程的現狀，以培養學生的工程實踐能力和創新能力為目的，對教學大綱進行修訂，明確教學內容與目標；豐富教學內容，增加科技前沿知識點；擴展教學手段，采用線上線下結合的實驗教學方式；多元化考核方式，綜合考慮學生自學能力、實驗操作能力、思考能力以及解決問題能力等全面反映學生的實驗情況。改革和實踐表明，豐富的教學內容有助于提高學生上課的興趣與積極性，線上線下結合的教學手段有利于學生主動學習，提高自學能力和學習效率，多元化的考核方式較能全面反映學生對該門實驗課程的掌握程度，調研結果表明大部分學生對該考核方式都給予了肯定的評價。經過兩年多的實踐，該課程的改革和實踐取得了較好的成效，對于如何通過實驗課程進一步提高學生的科技創新能力，筆者將持續關注與探討。