針對創新能力培養的光學與光電子實驗課程教學模式探討

嚴靜 李若舟 屈科 方玉明 于映

摘? 要：針對光學與光電子實驗傳統教學中存在內容缺乏創新、教學模式單一，學生積極性差等不足，提出針對創新能力培養的光學與光電子實驗教學模式。在設定基礎實驗模塊的基礎上，增加創新實驗設計模塊，采用混合教學模式，引導學生自主學習，進行創新實驗探索。優化了課程考核方法，更加注重教學過程中學生自主學習能力、創新能力的考核。該教學模式取得良好教學效果，學生自主設計了不少優秀的創新實驗案例，學生專業知識掌握更加牢固。培養學生分析問題和解決問題的能力，提升學生的科研探索能力和創新能力。

關鍵詞：光學與光電子實驗；創新能力；教學模式；實驗教學；人才培養

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）22-0056-04

Abstract： In view of the shortcomings of the traditional teaching mode of optics and optoelectronics experiments， such as lack of innovation， single teaching mode and poor student motivation， the optics and optoelectronics experiment teaching mode is proposed for the cultivation of innovative ability. Based on setting the basic experimental module， the innovative experimental design module is added， and the hybrid teaching mode is adopted to guide students to learn independently and explore innovative experiments. The course assessment method is optimized， and more attention is paid to the assessment of students' independent learning ability and innovation ability in the teaching process. The teaching mode has achieved good teaching effect， students have designed several excellent innovative experimental cases on their own， and students have a firmer grasp of professional knowledge. It cultivates students' ability to analyze and solve problems， and enhances their research and exploration ability and innovation ability.

Keywords： optics and optoelectronics experiment; innovative ability; teaching mode; experimental teaching; talents training

基金項目：國家自然科學基金青年基金項目“單疇藍相液晶柔性三維光子晶體的電控自組裝制備及特性研究”（11904177）；南京郵電大學2021年課程思政示范課程建設項目“微電子科學與工程”（KCSZSFKC202105）；南京郵電大學2020年課程思政教改專項課題“課程思政在微電子專業中的實踐與研究”（KCSZJG202002）

第一作者簡介：嚴靜（1987-），女，漢族，江蘇蘇州人，博士，講師，碩士研究生導師。研究方向為液晶顯示與液晶電光器件。

*通信作者：于映（1968-），女，漢族，江蘇南通人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為射頻MEMS器件，柔性射頻器件與電路。

2017年以來，教育部積極推進新工科建設。新工科建設“三部曲”“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”明確了工科優勢高校要對工程科技創新和產業創新發揮主體作用，在新工科人才培養方面，需要完善工科人才“創意-創新-創業”教育體系，提升工科人才創新創業能力，探索建立創新型工程人才培養模式，為未來新興產業和新經濟提供實踐能力強、創新能力強，具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才[1-3]。

光學與光電子實驗是新工科專業光電信息科學與工程的必修專業基礎課程。光電信息專業是光學、光電子、微電子及計算機等多學科交叉結合的一門綜合學科，主要研究作為信息載體的光的產生、傳輸、成像、傳感及探測，以及光電信息的轉換、存儲、處理與顯示等[4]。實驗教學與實踐教學是光電信息專業人才培養過程中理論聯系實際的重要環節，為培養本科生的創新能力和實踐能力奠定基礎，具有明確的專業針對性，是在學生已經進行了專業理論知識學習的基礎上設置的更高級別的專業性實驗教學課程，目的是培養光電信息科學與工程專業學生運用專業知識分析問題和解決問題的能力，為專業理論知識的理解和掌握提供有力的實踐支撐[5]。在新工科背景下，世界各國對光電信息人才的需求和培養與日俱增，并對專業人才的培養提出了更高的要求。培養的學生不僅需要具有扎實的理論知識和實驗操作能力，具有分析問題和解決問題能力，更重要的是需要具有更為出色的科研探索能力和創新能力，以滿足新行業專業技術人才需求[6-8]。

一課程現狀分析

目前光學與光電子實驗教學過程中還存在許多問題，難以實現以學生為實驗主體，達到培養學生積極主動思考、創新研究的目的，主要表現在以下幾個方面。

（一）內容挑戰不足，缺乏創新培養

光學與光電子實驗的教學內容主要以一些光電基礎實驗為主，主要包含法布里-珀羅干涉、偏振光、衍射光強、電光調制、磁光調制和LED P-I-V特性曲線測試等，以上實驗均基于已學習的專業理論知識，依靠已有的實驗儀器或者搭建光路，進行驗證性的操作來完成實驗內容。以上實驗專業理論完善，實驗結果可預知性強，缺少可探索性，難以激發學生的研究熱情，更無法讓學生開拓思維，開展創新性的實驗探索研究。

（二）? 教學模式單一，調動積極性差

當前的光學與光電子實驗教學通常是以教師講授為主的知識灌輸型教學模式。教師負責對教學內容進行篩選，布置預習任務，課堂上檢查學生的預習情況，對實驗所需物理原理進行講解，并演示相關實驗操作步驟。學生根據要求完成課前預習，課堂上被動接受教師布置的教學任務，完成實驗操作及數據測試，課后撰寫實驗報告，再交由教師批改。上述教學過程中，教師與學生之間的互動僅出現在課堂上教師的隨機提問或者個別學生的問題請教中，難以調動學生積極性，整個過程“流水線無差異化”進行，學生以“操作工”形式一步一步完成實驗操作，撰寫實驗報告，導致大部分學生對實驗內容知其然而不知其所以然，對整個實驗過程缺少科學的認知。學生也很難去主動思考，去探索問題產生原因及思考解決問題的方法。另外，實驗內容相對獨立，知識點與知識點之間難以有機融合。從整體教學效果來看，難以形成以學生為中心、多知識點靈活運用的自主探索性研究，不利于學生創新能力的培養。

（三）? 成績評定片面，忽略能力培養

光學與光電子實驗課程成績的評定通常以學生提交的實驗報告的質量來核定實驗成績，再加上包括課前預習、課堂表現及到課情況等因素影響的平時成績，缺乏對學生實際實驗操作能力、分析解決問題能力和創新能力的有效評價。往往，實驗課程還沒有開始，學生之間已經悄悄流傳了學長學姐們的高分實驗報告，學生將更多精力花在了如何寫實驗報告上，教師每年面對一堆“老面孔”實驗報告，也難以激發教學熱情。整個課程培養流于形式，難以體現出學生是否能夠利用所學知識分析問題和解決問題的能力，也無法對學生的創新能力進行評判，與新工科培養學生突出的實踐能力、科研探索能力和創新能力的培養目標相背離。

二? 創新能力培養實驗教學模式探討

傳統光學與光電子實驗教學過程中主要存在實驗內容基礎，缺乏創新性挑戰，教學模式單一，成績評定片面，無法充分調動學生積極性，開展自主創新性探索研究等問題。針對以上問題，提出基于創新能力培養的光學與光電子學實驗教學模式，主要從優化課程內容、引入混合式教學模式和優化課程考核三個方面來進行探討。

（一）? 課程內容的創新

針對傳統光學與光電子實驗教學過程中存在的內容挑戰不足，缺乏創新培養的不足，我們整合原有課程實驗內容，打破原有按照課時劃分實驗內容的模式，將整個實驗教學分為基礎實驗部分及創新實驗設計兩大模塊，如圖1所示。

基礎實驗部分基于已學習的專業理論知識點，安排對應的實驗驗證。學生通過自主學習教師提前準備好的課程資料，進行實驗操作，為專業理論知識的理解和掌握提供實驗驗證和支撐。創新實驗設計則由學生自由分組，圍繞光學與光電子實驗課程需要掌握的所有知識點，自主選取知識點內容，圍繞所選知識點自主設計實驗并進行驗證：①可基于已有實驗平臺自主設計實驗并最終進行演示；②可利用Zemax、Optiwave、Comsol、Ansys等專業仿真軟件進行仿真設計研究；③也可通過文獻調研的形式對本領域國內外最新研究進展進行調研，最終以調研報告的形式展示；④同時也鼓勵學生聯系本專業導師，加入科研團隊，開展相關探索性研究。適當將科研引入實驗教學中，能夠改善傳統實驗教學內容過于基礎，無法跟上最新研究進展的不足[9]。

在學生完成基礎實驗的基礎上，建立以學生為中心的開放式創新實驗設計，為學生提供多角度思考問題和創新實驗探索的機會，有利于培養學生的自主學習能力，樹立創新精神；能夠激發學生的實驗參與積極性，開拓思維；有利于學生將掌握的學科專業基礎知識靈活運用到新的領域，為學生后續學習深造或者工作打下堅實的基礎，培養滿足新行業需求的專業技術人才。

（二）? 混合教學模式的引入

我們采用混合教學模式來實現課堂教學[10-13]。針對基礎實驗部分，我們將知識點提前采用PPT、微視頻、調查問卷等形式準備好，于課程開始前發送給學生，并利用雨課堂、慕課、騰訊課堂等平臺布置整學期任務，由學生自主打卡完成學習。課程資料里除了每個知識點的基本原理復習講解，更注重每個實驗內容的操作視頻的選取或制作，借鑒其他學校或者機構的優秀教學資源，拓寬學生視野。并且針對每個實驗知識點補充相關研究最新科研進展介紹，公眾號科普文章、科研論文、最新研究成果的介紹視頻等，激發學生的學習熱情，寓教于樂，同時給學生的創新性實驗設計提供啟示。

創新實驗設計則完全以學生為主導，由學生自主選擇本課程知識點，設計創新性實驗，開展探索性研究。完成創新性實驗過程中，同組學生需要討論和交流，實驗成果展示介紹和PPT答辯過程中，學生需要不斷思考。這個過程學生需要不斷調整自己的知識結構，能夠促進學生根據自己需求自主獲取資源，自主學習，同時也能培養學生的團隊協作能力[10]。

我們將整個光學與光電子實驗課程作為一個整體，打破傳統教學模式中的流水線化操作，給學生更多的自主性，鼓勵學生去思考，去探索嘗試。通過學生自主“線上”預習和“線下”實踐的有機結合，教師在整個過程中就學生遇到的問題予以指導，引導學生遇到問題時自己去思考，采用資料調研、實驗探索等方法去解決問題，達到學生掌握基本實驗技能，培養學生動手能力、分析解決問題能力的培養目的，提高學生開展科學研究的素質和能力，也有利于創新性思維的培養。

（三）? 課程考核體系的優化

我們采用多維的考核方式評價學生的學習效果。我們將本課程得分以4∶4∶3進行劃分：①40%的分數為基礎實驗部分實驗報告得分，由教師進行評定，要求學生掌握基礎實驗的操作，得到正確的數據并進行數據分析，掌握實驗報告的撰寫；②40%的得分為小組創新實驗設計得分，創新實驗需要圍繞本課程核心知識點，鼓勵學生多知識點交叉融合應用，小組成員進行成果PPT匯報及答辯，老師和其他同學就展示成果進行提問及評分。本模塊從實驗設計到最后考核評分，都給與學生一定的主導權，能夠增加學生參與度，激發學生的研究興趣；③剩余20%的分數為平時成績，除了到課率，主要由課題實驗操作過程和創新實驗的提問情況決定，根據其他同學的創新研究，能夠積極思考，提出有建設性的問題，對于學生創新能力培養也具有重要的意義。

三? 創新能力培養實驗教學效果

針對創新能力培養的光學與光電子實驗教學模式取得良好的教學效果。學生主動參與實驗的積極性顯著提高，能夠積極思考，主動提問并參與討論，通過探索性實驗和文獻調研的方式去分析問題、解決問題。在由學生主導的創新實驗設計模塊，產生了不少優秀的創新實驗設計案例。

案例一：液晶顯示及其應用。基于基礎實驗部分的偏振光和電光調制這兩個知識點，有小組開展了液晶顯示原理及其應用的創新實驗。介紹了液晶的基本特性，電光調制原理及其在顯示領域的應用。利用偏光顯微鏡觀測了屏幕顯示不同顏色時對應紅綠藍像素的工作狀態，加深了對顏色合成及液晶顯色原理的理解。利用液晶顯示屏和偏振片，進行了簡單的原理驗證演示，調整偏振片與屏幕出射光偏振方向夾角，當偏振片方向與屏幕出射光夾角分別為0°、45°和90°時，出射光能夠全部透過、部分透過和完全不透過偏振片。針對液晶顯示應用部分，采用圖片和視頻的方式展示了液晶顯示在AR/VA、三維顯示等領域的應用，給同學們帶來了一場“視聽盛宴”（圖2、圖3）。

案例二：基于MATLAB的布拉格反射鏡仿真研究。采用MATLAB軟件編寫程序，對布拉格反射鏡進行了模擬仿真。研究了不同參數對反射光譜的影響。由仿真結果可知，增加介質層層數，能夠有效增加布拉格反射鏡的反射率，當層數大于10時，能夠得到近似理想的布拉格反射。通過理論仿真，對布拉格反射理論有了更加深入的理解。

案例三：LED原理及其最新進展研究。針對基礎實驗中LED的P-I-V特性曲線測量這一知識點，也有小組對LED的發展進行了調研報告研究。對LED的基本工作原理、發展和應用等進行了介紹，并重點關注了最新的Micro-LED的研究成果，分享了最新蘋果手機顯示中用到的相關知識，拓寬了學生的知識面，并且與產業界緊密結合。

整個學期的教學過程中，大部分學生在完成基礎實驗的基礎上能夠積極參與到創新實驗設計中，能夠主動提問探討，并且有部分同學在后續畢業設計時主要聯系相關研究方向的導師開展本科畢業設計，使整個實驗課程具有很好的延續性，為學生后續的科研及工作打下良好基礎。

四 結束語

光學與光電子實驗是新工科專業光電信息科學與工程的必修專業基礎課程，目的是培養學生運用專業知識分析問題和解決問題的能力，提升學生的實驗操作能力、科研探索能力和創新能力，以滿足新工科背景下的實驗教學要求。針對傳統光學與光電子實驗教學中存在的不足，我們提出了針對創新能力培養的光學與光電子實驗教學模式，在基礎實驗的基礎上，增加創新實驗設計，來實現課程內容的創新。將混合教學模式引入授課過程中，以學生為中心，引導學生自主學習，進行創新實驗探索。并且優化課程考核方法，更加注重教學過程中學生自主學習能力、創新能力的考核。從實驗設計到最后考核學生全程參與，激發學生的積極性，引導學生自主學習，并且開拓思維，進行創新性實驗探索研究。教學取得良好效果，學生參與度高，對專業知識的掌握更加牢固，培養了學生分析問題和解決問題的能力，提升了學生的科研探索能力和創新能力，為新工科創新人才培養提供了有力支持。

參考文獻：

[1] 徐瑛，王思涵，李海軍，等.基于新工科背景下大學物理實驗課程的改革探討[J].大學物理實驗，2021，34（2）：126-128．

[2] 周紅仙，王毅.新工科背景下基于OBE的大學物理實驗教學方法研究[J].大學物理實驗，2020，33（5）：141-145.

[3] 林春丹，李秋真，楊東杰，等.“新工科”背景下物理實踐課程教學的探究與實踐[J].大學物理實驗，2020，33（4）：129-132.

[4] 2013-2017年教育部高等學校電子信息類專業教學指導委員會．普通高校電子信息類專業與課程體系導引[M].北京：清華大學出版社，2017．

[5] 李安明，陳振強，李真，等.“新工科”背景下創新型光電信息工程實驗教學體系建設研究[J].實驗室科學，2019，22（5）：101-105.

[6] 劉惠蘭，王聰昊.光電技術綜合性研究型實驗教學探索[J].電氣電子教學學報，2021，43（6）：137-140.

[7] 岳慧敏，歐中華，代志勇，等.光電信息檢測綜合設計實驗教學探索[J].實驗科學與技術，2019，17（4）：50-53.

[8] 于旭東.《高等光電技術實驗》教學研究及探討[J].實驗科學與技術，2014，12（5）：147-149.

[9] 羅云瀚，唐潔媛，陳哲.可持續發展的光電信息技術實驗教學模式[J].實驗室研究與探索，2013，32（8）：389-391.

[10] 任艷琴，王閔，劉莉麗，等.基于混合式教學理念建構大學物理實驗高效課堂[J].大學物理實驗，2020，33（2）：122-125.

[11] 劉利清，王利霞，鞠維，等.基于OBE理念下的大學物理實驗教學改革和試行方案[J].大學物理實驗，2020，33（1）：126-128.

[12] 馬艷梅，段彬.大學物理學PBL混合式教學模式探索[J].大學物理實驗，2021，34（4）：113-115.

[13] 李永濤，張紅光，陳偉，等.大學物理實驗課程創新教學改革與實踐[J].大學物理實驗，2021，34（5）：122-124.