面向新工科的光電檢測技術混合式課程構建

江俊峰，劉鐵根，劉 琨

（天津大學 a.精密儀器與光電子工程學院；b.光電信息技術教育部重點實驗室，天津 300072）

2017年起，教育部積極推進新工科建設，以滿足新一輪科技革命與產業變革的人才需求。這對教育教學的思想和實踐均提出了新的要求［1］。光電檢測技術是光電信息技術的重要分支，在工業、農業、商業、軍事及日常生活中都有著廣泛的應用，是當今科學研究與應用的熱點。因此，天津大學自2000年開設“光電檢測技術與系統”課程以來，即定位其為光電信息方向本科專業的核心課程，是學生進行創新性思維訓練的重要途徑，多年來取得了不錯的育人效果，成為科技和產業單位高度認可的一門核心專業課。但如何面向新工科，繼續深化光電檢測技術的教學與實踐，是達成新一輪科技革命與產業變革形勢下人才培養目標的關鍵。

一、“光電檢測技術與系統”教學現狀及問題

“光電檢測技術與系統”教學內容包括光電信息檢測技術及系統、光電衍射檢測技術與系統、光電掃描檢測技術與系統、光電干涉檢測技術與系統、光纖傳感檢測技術與系統以及光譜檢測技術等六個模塊。在教學實踐中，我們發現存在以下問題：（1）學生感覺難度較大，這是因為“光電檢測技術與系統”是一門綜合性非常強的課程，所學過的前序課程如“高等數學”“工程光學”等的教學內容均會體現在系統構成原理與分析中，因此不同于以往課程學習內容相對獨立單一的情況，該門課程實際上考查了學生綜合運用以往知識的能力，學習難度加大。（2）學生課程考試不適應。由于“光電檢測技術與系統”側重于系統總體的設計，且注重與實際結合，學生需要對實際應用進行思考，以往偏重記憶式、突擊型的學習方法失效了。（3）在畢業設計中發現，不少學生在遇到光電檢測技術領域的實際問題時，仍然不能很好地入手解決。這顯然難以適應新形勢下國家對人才的培養目標。

因此，知識講授為主、教師課堂講授為主、課程非設計型實驗為主的教學方式不能完全滿足新工科發展要求。

二、“光電檢測技術與系統”混合式課程的構建與完善

傳統教學形成路徑遵循“技術成熟—教學內容—課堂教學”的順序，使得教學知識點老化的問題難以克服。在新工科背景下，學校開展以科研為主線的教學方法研究與實踐。課程教學中將天津大學精密儀器與光電子工程學院在光電檢測技術上的優秀科研成果和科研過程引入教學中，讓學生了解到如何靈活應用所學知識，通過以此主線貫穿整個教學過程，讓學生在教學過程中體會到科研方法和科學思維。根據以科研為主線的教學需要，開展了多層次、多類型的課程線上和線下資源建設，充分利用國家視頻公開課、國家著作出版基金、混合式在線課程建設項目，為學生構建全方位的學習資料池。

（一）融合科研成果和科研過程形成教學案例

以光電干涉檢測教學方面為例，我校引入基于低相干技術的白光保偏光纖分布式偏振耦合檢測儀的科研成果作為教學案例，并按科研過程講述每一個教學內容。（1）進行根據需求確定科研方案的研究性學習。在教學時首先提問并介紹航空、航海、航天和國防工業中等如何實現自主導航，進而提問自主導航技術的角加速度測量方案都有哪些，激發并引導學生發散思考，最后聚焦到保偏光纖陀螺。向學生闡述光纖陀螺是由寬帶光源、保偏光纖耦合器、多功能集成光器件、保偏光纖環和光電探測器組成的光學結構，結合薩格納克干涉儀結構闡明保偏光纖陀螺的理想工作過程。在學生理解基本工作過程后，拋出光學結構可能存在什么樣的不完美，引導學生對實際應用中的器件及其組裝的思考，幫助學生從學習“具有理想完美器件和工藝的理想系統”到分析“非理想完美器件和工藝的實際系統”轉變，讓學生學會對系統構建進行探究分析，最后引導學生集中到技術問題“保偏光纖環偏振耦合點對光纖陀螺精度提高的困擾”，并向學生提出“如何定位偏振耦合點和測量偏振耦合強度”的問題，讓學生通過回顧相干光和低相干光的各自優勢給出解決思路。在學生思考討論的基礎上，自然過渡到基于低相干技術的白光保偏光纖分布式偏振耦合檢測儀講解上。（2）進行從粗略方案到方案細化的研究工作過程再現型講授。通過給出儀器設計方案圖、3D組裝圖和實物圖，讓學生進一步從原理上深化下去。重點分析儀器的偏振調整光學結構，在學生回顧前序課程“物理光學”中講授的半波片知識的基礎上，分析半波片量化自動調整的設計機理，看到理論知識如何在偏振態旋轉的實際需求上發揮作用。給出光源光譜參數的影響，實際檢測結果的分析，例如灌膠環與未灌膠環的測量結果對比，對光纖在線起偏器、Y波導器件、保偏耦合器等偏振光無源器件的測試結果，直觀顯示耦合強度大小如何體現了它們的保偏或起偏能力。

（二）多層次課程線上資源建設

建設的線上資源包括國家視頻公開課“物聯網與現代生活”、智慧樹平臺運行的混合式在線課程“光電檢測技術與系統”（2022年3月入選國家高等教育智慧平臺）和學堂在線平臺運行的在線課程“光電檢測技術”等。

線上資源“物聯網與現代生活”由國家973計劃首席科學家劉鐵根教授、中國科學院院士姚建銓教授、國家自然科學杰出青年基金獲得者馬建國教授錄制授課視頻，由“物聯網的概念與發展歷程”“智慧城市與物聯網”“信息化技術的發展與物聯網”“工業物聯網——發展與挑戰”和“物聯網與光纖傳感網”等5集視頻課程組成，全面介紹物聯網的概念與發展歷程、智慧城市、物聯網中的信息技術、工業物聯網、物聯網與光纖傳感網，顯示出光電檢測技術在前沿中的廣泛應用，上線以來累計播放57萬次。

線上資源“光電檢測技術與系統”由智慧樹平臺運行，由江俊峰教授、劉鐵根教授、劉琨教授、王雙副教授、張學智副教授5位教師錄制授課視頻，尤勐、黃銳兩位實驗教師錄制實驗教學視頻，包括《走進光電檢測技術與系統》《第一章：光電信息與圖像檢測技術及系統》《第二章：光電衍射檢測技術與系統》《第三章：光電掃描檢測技術與系統》《第四章：光電干涉檢測技術與系統》《第五章：光纖傳感檢測技術與系統》《第六章：光譜檢測技術》和《第七章：光電檢測技術科研案例》8個視頻組成。到2022年7月，網絡累計教學互動7 188次。

線上資源“光電檢測技術”由學堂在線平臺運行，將光電檢測教學與儀器化、產業化等工程實踐相結合，注意科學思想方法的提煉和教授，并將光電檢測教學與科學普及相結合，使不同層次的學生都能有所收獲。江俊峰教授、劉鐵根教授、張學智副教授等完成了課程線上資源建設工作。它包括“課程內容及要求”“光電檢測技術綜述”“第一階段作業”“天津大學光電儀器新進展”“第二階段作業”“第一次學生報告”“第二次學生報告”“第三次學生報告”“期末考試”等9個教學環節。2020年秋上線以來，學生參與人數近3 000人。

線上資源對光電檢測進行全景式的介紹，具體從原理、技術、系統構成和典型應用等綜合的角度出發，對光電檢測技術的涉及領域、知識構架、思維方式和學科熱點加以全面的闡釋和引導。

（三）系列科研型教材的撰寫

系統撰寫了系列科研型教材，形成了較完整的教材體系。2009年出版了普通高等教育規劃教材《光電檢測技術與系統》，在此基礎上，2017年更新出版了《光電檢測技術與系統（第2版）》，包括綜述、光電檢測系統的關鍵器件、光電信息檢測技術與系統、光電圖像檢測技術與系統、光電干涉檢測技術與系統、光電衍射檢測技術與系統、光電掃描技術工程、光纖傳感檢測技術與系統、光譜檢測技術與系統等9章內容，覆蓋了光電檢測技術的各個方面。該書作為主要教材使用。

出版《光學防偽檢測技術》《分立式光纖傳感技術與系統》和《光纖傳感網》等專注于某一個研究方向的教學參考書，幫助學生深入進行專題研究。例如，教學參考書《光學防偽檢測技術》第4章詳細介紹了光學信息處理防偽檢測技術；第5章介紹了光學全息防偽檢測技術；第6章介紹了光學頻率轉換的光電防偽檢測技術；第8章介紹了基于光掃描的防偽檢測技術。教學參考書《分立式光纖傳感技術與系統》進一步拓展了光纖傳感檢測內容，第5章更為詳盡地介紹了光纖光柵的原理、制作方法、傳感機制和解調系統構建；第6章詳細介紹了光纖法珀傳感器的結構、制作方法、傳感原理、解調系統構建和應用技術；第7章深入介紹了Sagnac干涉儀傳感器中的光纖陀螺、光纖電流互感器、光纖水聽器等的設計和應用；第10章專門探討實際應用，如大壩結構健康監測、動力電纜溫度監測等應用。

撰寫英文參考教材Optical Fiber Sensing Technology: Principles,Techniques and Applications并由世界著名的Wiley-VCH出版社出版，為學生國際化視野的拓寬打下基礎，增強學生外文文獻技術吸收能力。該英文教材總共19章，內容涵蓋了實用光纖傳感系統在系統開發的各個環節，如光纖光柵傳感器的封裝及其在航天極端環境的應用、光纖硅基微腔傳感器及其航空大氣壓力下的應用、雙MZ光纖分布式振動傳感及其在周界安全監測上的應用、基于相位OTDR的分布式聲傳感技術。這些可以幫助學生跳出傳統學習以原理為主的知識型學習，了解航空航天等實際重大需求和前沿技術，使學生看到科研過程及技術的分化發展。

（四）混合式課程教學實踐

線下課堂教學主要從光電檢測技術概述、光電檢測技術案例兩個板塊進行面授教學，師生深入互動，使學生能對光電檢測技術的定位和作用具有全面深入的了解和參與。同時，配合改革的實驗教學方式，通過建立科研式實驗教學模式下的開放性實驗，提高學生實驗主動性［2］。根據科研型教學需求，定制實驗裝置，例如，結合分離間隙衍射測量和反射衍射測量方法設計了一體化教學儀器，并與天津市拓普儀器公司聯合開發教學儀器，讓學生在學過的基本衍射原理之外看到了衍射檢測技術如何根據實際進行衍生。最后，通過高效利用線上教學軟件進行快速隨堂分析測試，允許學生搜索各種線上線下資源進行解答，將學生的注意力集中在問題導向的思考分析上，而非傳統的知識記憶和知識背誦。

三、“光電檢測技術與系統”混合式課程改革效果

根據上述改革思路，進行了“光電檢測技術與系統”教學實踐，學生反映良好，獲得了傳統課堂教學難以得到的學習經歷。線上資源使得學生能夠不受時空限制，便于反復思考理解。科研課題的案例研究激發出相當一部分學生的科學研究興趣，創新能力得到培養。學生們在后續的畢業設計中對依托國家級前沿課題的選擇非常踴躍，如鋰離子電池光纖微腔溫度壓力傳感器研究、摻銩光纖環腔氨氣定量分析、中紅外摻鉺光纖激光器、壓縮感知光頻域反射分布式動態應變傳感研究、基于深度學習的一維時序信號擴展與預測算法研究等。

混合式課程改革起到了預期橋梁的作用，促進學生由單純依賴課本的知識記憶型學習方式向從事前沿課題研究（攻讀研究生學位）或開展應用研究（進入企業）的研究型學習方式轉變。此方面的教學實踐獲得了2021年度天津大學教學成果一等獎和2021年度天津大學研究生教育教學成果獎一等獎。

結語

“光電檢測技術與系統”是一門光電信息專業及相關專業的重要專業核心課程，致力于依托光電檢測技術培養學生的科研方法和科研基本技能，通過進行混合式課程構建與完善，實現了支持本碩博貫通學習的教學模式。同時，開展面向新工科的以科研為主線的教學實踐，取得了良好效果，學生的科學素養獲得顯著提升，為工程創新能力的不斷提高打下了基礎。