新工科背景下“工程光學及光電檢測”課程教學的改革探索

莫文琴 宋俊磊 晉芳

［摘 要］ 新工科建設是服務于國家戰略，為培養引領未來技術和產業發展的科技人才而提出的重要學科建設舉措。針對“工程光學及光電檢測”課程的特點及存在的問題，以學生為中心，從教學內容、教學模式和實驗教學三個方面進行了改革探索。通過優化和整合教學內容，幫助學生建構知識體系；通過以工程問題為導向的教學模式的改革，提高學生的工程能力；通過開展多維度、多層次的實踐教學，培養學生的實踐創新能力，以適應新工科教育理念對我國高校人才培養提出的新要求。

［關鍵詞］ 新工科；工程光學；光電檢測；教學改革

［基金項目］ 2019年度中國地質大學（武漢）教學改革項目“新工科背景下‘工程光學及光電檢測課程教學探索與實踐”（2019A46）；2019年度第二批產學合作協同育人項目“新工科背景下校企協同‘工程光學及光電檢測課程教學改革”（201902282012）

［作者簡介］ 莫文琴（1978—），女，湖北武漢人，博士，中國地質大學（武漢）自動化學院副教授，主要從事光電探測和光纖傳感研究；宋俊磊（1980—），男，河南許昌人，博士，中國地質大學（武漢）自動化學院副教授，主要從事智能地學儀器、微弱信號檢測、新型傳感器研制研究；晉 芳（1978—），女，湖北武漢人，博士，中國地質大學（武漢）自動化學院副教授，主要從事微弱地磁傳感器研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）21-0067-04［收稿日期］ 2022-09-06

引言

新工科是基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向。新一輪科技和產業的發展依靠工程教育提供人才支撐，兩者聯系緊密，相互支撐。因此新工科對人才培養的目標提出了新的要求：學習能力強、工程實踐能力強、創新能力強，具備學科交叉融合的特征［1］。

在新工科環境背景下，為提升學生的學習能力和工程實踐能力，國內很多高校對“光電檢測技術”課程做了一系列探索，比如天津大學提出了科研式實驗教學模式以提高學生的研究能力和工程實踐能力［2］；電子科技大學以“引導式討論”和“方案答辯”教學方式讓學生成為課堂主角，充分調動學生的學習積極性［3］；廣州大學以激發學生學習興趣和培養學生主動性為出發點進行課程教學方法的改革［4］等。上述各高校的改革措施均以學生為中心，以目標和問題為導向，通過新的理念、新的途徑和新的要求推動工程教育改革的步伐。因此，為了適應新技術、新產業和新經濟發展的需求，培養實踐創新能力強、具備競爭力的高素質復合型新工科人才，我們對“工程光學及光電檢測”課程的教學內容、教學方法、實驗環節等進行了改革。

一、課程教學存在的主要問題

我校在一流本科建設中對各專業本科人才的培養方案進行了修訂，因此測控技術及儀器專業也對傳統課程體系進行了有效的整合和推陳出新。結合儀器專業教學質量國家標準和學校專業基礎，“工程光學及光電檢測技術”課程在原有光電檢測技術的基礎上增加了工程光學的基本內容，課時僅有48學時，包括課堂教學40學時和實驗教學8學時，因此課程內容繁多與課時有限之間的矛盾給教學的有效實施提出了難題。目前“工程光學及光電檢測”課程在教學上存在以下問題。

（一）課程內容涵蓋知識點多而零散，章節關聯度不足

“工程光學及光電檢測”是一門重要的專業必修課，綜合了工程光學、光電子技術、模擬電路等學科內容，具有綜合性、實踐性和學科交叉性等特點，同時說明了該課程涵蓋了工程光學和光電檢測技術兩部分內容的重要知識點。由于工程光學自身具有較強的學科系統性和完整性［5］，導致與光電檢測技術關聯度不足，學生在學習過程中容易產生知識的割裂感，不利于提升其知識應用能力。另外，無論是工程光學還是光電檢測的教材，通常只總結了知識體系中的重要概念和思想，對背后的問題、觀點以及思想的發展都進行了簡化處理，而這些是學生想要達到深刻理解所必須了解的。

（二）課程理論性太強，教學方式難以體現“以學生為中心”

工程光學教學內容涉及大量的理論分析和公式推導，一方面理論性太強、概念太抽象，學生普遍感覺難以理解；另一方面其在工程實踐中的應用擴展不足，不利于培養學生的工程實踐能力。原有的教學方式主要以課堂講授為主，這種點到為止的“灌輸式”教學不能讓學生完成深度的理解。當學生對課程的概念還模糊時，再學習課程的其他內容是非常抽象和困難的［6］。通過這種方式來學習，學生接受的只是眾多繁雜的觀點，不需要積極主動地探究，也不需要參與課堂交流和討論，從而導致學習積極性不強，學習效果不佳。

（三）實驗教學模式陳舊，內容缺乏創新性

實驗教學是培養學生動手和創新能力的重要途徑，對人才培養起到了決定性作用。從實驗教學模式來說，由于傳統教學理念和實驗條件的限制，實驗教學主要以現場實際操作為主，一般通過分組的形式組織實驗，指導教師在現場無法監督到每一位學生，因此難免會出現個別學生沒有真正動手進行操作的現象。此外，由于幾何光學實驗中有復雜光路的搭建和調節，學生需要反復調節和不斷觀察才能獲得較好的實驗結果，而受課時的限制，大部分學生常常淺嘗輒止，并沒有入腦入心，導致實驗效果不佳。從實驗內容來說，主要以基礎性和驗證性實驗為主，缺乏創新性設計實驗，實踐環節不能貼近工程的實際問題，不利于培養學生的分析和工程實踐能力。

二、課程教學的改革探索

針對課程教學中存在的問題，基于新工科教育理念進行課程教學的實踐探索，對教學內容、教學模式和實踐環節三個方面進行了改革創新。在教學過程中更加注重以學生為中心，系統構建知識體系，拓展知識的深度，以工程問題為導向開展教學設計，打造多維度、多層次的實踐教學。

（一）運用思維導圖構建課程體系、拓展知識深度

教材可以協助教師完成教學目標，是保證教學質量的重要因素。優化教學內容首先要對教材內容進行梳理和整合，以增強知識點之間的邏輯性。通過對主流教材的調研和比較，我們選用了普通高等教育國家級規劃教材《工程光學基礎教程》和《光電測試技術》，但是這兩本教材中的部分內容有重合，因此遵從夯實基礎和突出應用的原則對教材內容進行了合理取舍。比如，幾何光學中的《光度學》章節涵蓋了光電檢測技術中的光學基礎內容，而這部分與光電檢測后續內容沒有直接關聯。另外，物理光學中《光的干涉》章節是光電檢測中相干信號變換和檢測的基礎知識，如果將這部分內容調整到光電檢測部分，在介紹光的干涉原理后，順其自然地引出相干檢測的方法，會更容易讓學生接受和理解。同時，在課程講授時將典型光學系統的內容糅合進光電檢測系統中，把物理光學中的理論和實際光電檢測設計結合起來，增加兩者之間的聯系。

課程內容的講述一般按照課本上的章節展開，由于各章節之間獨立存在，因此在講授時會特意跟學生說明各章節之間的邏輯關系，但是在課程體系的呈現上還是不夠清晰和明確。為此，我們通過思維導圖來構建本課程的知識體系，將散亂的知識點進行整合，標注出各知識點之間的脈絡關系；將光電檢測方法與相關的光學知識點進行關聯，增強光學理論和光電檢測技術之間的聯系，從單向的知識點發展為網狀的知識體系［6］。此外，各章節導圖分支出相關文獻資料和網絡資源，對知識點進行擴展，以補充教材內容中隱藏的學術觀點和技術發展歷史，讓學生了解知識的探究過程，從而達到對教材內容的深刻理解。在每章學習之前，我們會給出思維導圖的主分支，讓學生對這部分內容有所了解；而在章節結束后，會利用思維導圖對全部內容進行復盤，幫助學生深度思考和理解，完成知識點的內化。

（二）探索以工程問題為導向的教學模式

根據新工科的概念，通過課程的學習幫助學生建立系統工程的思路，提高工程創新能力，因此探索以工程問題為導向的教學模式是十分有必要的。我們在教學過程中，以校企合作單位的產品實例為切入點，向學生提出功能需求，學生作為任務的執行者完成任務分解、資料查閱、方案制訂以及課堂討論。這種以工程問題為導向的教學模式把所學的各個學科的知識整合到一個系統中。在整個過程中，教師主要起到組織和引導的作用，其中最關鍵的是把握合適的時機切入重要的知識點和核心技術，其具體實踐步驟如圖1所示。以光電位置探測器PSD為例，具體操作如下。

1.問題提出。在學生學習了光電位置探測器PSD的工作原理后，教師介紹其在目標追蹤和激光準直檢測中的應用，并針對該應用場景提出激光光斑位置檢測的設計任務。

2.問題分析。各組學生按照任務要求在期刊網上查詢相關文獻，分別對檢測系統的研究現狀、主要結構和器件、關鍵技術等內容進行了調研。

3.方案制訂。學生根據調研的內容進行了分析和思考，確定了設計方案。

4.方案展示。學生對設計方案進行了展示，并開展課堂討論。

最后一個過程特別重要，因為需要教師在各組展示設計方案后，能夠根據各組的方案特點進行正確的點評并提出啟發式問題。比如：有的小組會選取四象限探測器來完成光斑定位，那么教師可以提出“四象限探測器相較于其他位置探測器有哪些區別？”或“四象限探測器的主要性能有哪些？”等問題。我們知道很多知識其實是反復試驗、探究和論證的結果，如果教師只是單純去講授書本上的知識點，那么學生會認為知識點就在書上，去學就可以了，然而這并不能加深學生的理解。通過這種提問，引發學生深度思考，激勵學生深入挖掘，使整個探究中的問題變得越來越清晰，學生對各種光電器件性能的理解也越來越深刻。同時，教師可以引導其他組的學生參與提問和討論，逐步建立和發展學生思考與質疑的能力。

（三）設計多維度、多層次實踐教學過程

教學過程是經過一系列有序的認識活動而不斷獲得認知，并不斷深化和完善的過程［7］。那么在實踐教學中，我們從課前預習、虛擬仿真和實際操作三個維度來設計實踐教學（見圖2），幫助學生不斷加深學習體驗，從而揭示實踐教學核心內容的含義。

光學實驗需要學生自行搭建光路，而每個實驗包含的光學元件較多，由于學生不熟悉光學元件，所以在實驗過程中常常沒有頭緒，手忙腳亂，浪費很多時間。實驗前，教師會提供實驗說明和操作視頻讓學生提前預習，幫助他們掌握實驗原理，認識光學元件，對實驗過程有一個清晰的認識，從而在實驗中能夠更快聚焦到光學操作上。

通過校企合作單位所提供的虛擬仿真平臺，為學生提供了沉浸式、交互式的實驗體驗。在前期預習的基礎上，學生通過線上虛擬仿真平臺完成光電器件的選擇和檢測電路的搭建，能夠獲得接近現實的實驗感受。學生可以在線上反復進行操作，對課堂中講述的觀點進行驗證，不用擔心操作失誤而損壞實驗元件。尤其是工程光學實驗涉及復雜的光路調節，在實際操作中學生需要反復調節和不斷觀察才能獲得較好的實驗結果，實際所需的時間遠遠超過了實踐教學課時。因此，學生對器件特性的熟悉程度和操作的熟練程度對高效完成實驗尤為重要，通過線上虛擬平臺可以大大節省實驗時間，也從一定程度上彌補了無法在線下做實驗的不足。

除了多維度地設計實驗過程外，我們還根據新工科建設要求的創新能力，探討了開放性、多層次的實踐教學體系，我們引進武漢光馳的光電創新實驗儀和工程光學綜合實驗系統開設基礎性、設計性和創新性實驗。基礎性實驗包括傳統光學實驗，比如顯微鏡系統、望遠鏡系統和投影系統的搭建；光電探測器的光電、伏安、靈敏度等特性實驗。設計性實驗包括光電報警、光電耦合里程表以及光纖位移測量系統設計等。基礎性實驗能進一步幫助學生掌握幾何光學和光電檢測的基本知識與概念，設計性實驗則培養學生運用現有的理論知識和實驗技能獨立設計光電檢測系統的能力。同時，為了滿足部分學生對自身能力提升的需求，可以開放光電實驗室和相關實驗設備。學生可以自主選題或者根據現有實驗設備擬定題目，并在專業教師的指導下通過課外拓展實驗、創新創業或實驗室開放基金等方式開展實驗項目的研究。

結語

在新工科教育理念的背景下，各高校對課程進行了改革，目的是適應社會需求和科技發展，培養實踐創新能力強、具備競爭力的高素質復合型新工科人才。“工程光學及光電檢測”是一門實踐性很強的課程，原有的教學內容和模式已經不能滿足現代人才培養的需要，通過教學內容的優化、教學模式的改革以及實踐教學的創新，能夠幫助學生提升自主學習和實踐創新的能力，符合新工科對我國高校人才培養的新要求。

參考文獻

［1］陸國棟，李拓宇.新工科建設與發展的路徑思考［J］.高等工程教育研究，2017（3）：20-26.

［2］劉鐵根，江俊峰，胡浩豐，等.“光電檢測技術與系統”實驗教學的改革探討［J］.教育教學論壇，2018（4）：259-262.

［3］王昱琳.基于工程能力的光電探測技術課程改革初探［J］.黑龍江科技信息，2016（28）：89.

［4］張成云，劉佐濂.新工科背景下《光電子技術》課程教學探索與實踐［J］.教育現代化，2018，5（19）：111-113.

［5］周遠，陳英，劉安玲，等.地方本科高校工程光學課程工程體驗式教學初探［J］.教師，2020（23）：119-120.

［6］翟卿，楊淑芳，魏紀珍，等.思維導圖在大學教學中的應用：以“普通昆蟲學”為例［J］.科教文匯（上旬刊），2021（13）：72-74.

［7］威金斯，麥克泰格.追求理解的教學設計［M］.2版.上海：華東師范大學出版社，2017：279.

Exploration on the Teaching Reform of Engineering Optics and Photoelectric Detection under the

Background of Emerging Engineering Education

MO Wen-qin， SONG Jun-lei， JIN Fang

（School of Automation， China University of Geosciences（Wuhan）， Wuhan， Hubei 430074， China）

Abstract： Construction of emerging engineering education serves national strategy and aims to cultivate scientific talents for future technology and industries. According to the characteristics and existing problems of the course of Engineering Optics and photoelectric detection， this paper focuses on the students and explores the reform from three aspects： teaching content， teaching mode and experimental teaching. Through innovative teaching content and mode， students are guided to construct knowledge system and improve engineering ability. By carrying out multi-dimensional and multi-level practical teaching， we cultivate the practical innovation ability of students to meet the new requirements of Emerging Engineering Education for the training of talents in Chinese colleges and universities.

Key words： emerging engineering education; engineering optics; photoelectric detection; teaching reform