科研創新在光電信息科學與工程專業實踐教學中的改革與探索*

張 艷 陳國祥

(西安石油大學理學院 陜西 西安 710065)

張云哲

(西安文理學院機械與材料工程學院 陜西 西安 710065)

1 引言

黨的二十大報告中,習近平總書記強調,必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力,深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略,開辟發展新領域新賽道,不斷塑造發展新動能新優勢.依據國家指導方針,近年來,光電信息行業的發展以及相關產業的技術進步,使得該領域對于光電信息科學與工程專業人才的需求逐年增多[1-3].光電信息科學與工程專業強調將光電知識與實際應用相結合的新型理工科專業,光電信息科學與工程專業涉及學科交叉性強、技術發展迅猛,為了適應當前光電信息相關行業的需求和發展,高校教育要形成自己的專業特色,那么就必須在教學上進行改革.

針對目前高校實踐教學現狀,培養大學生科研創新實踐能力是高校教學改革的重點內容之一.目前傳統實踐教學在培養大學生創新實踐能力等方面還存在一些問題:

(1)教學體系模式化.基本都是依據教學大綱進行,沒有根據時代的發展及時地對教學大綱進行修訂,并且與當前行業發展和科研動態結合不夠緊密.

(2)教學方式單一.教師按既定實驗項目講解、演示操作,學生只是被動的接受教學內容,缺乏在實踐教學環節中對學生實踐能力和實踐創新意識的培養.

(3)課程考核方式單一.最終考核主要是實驗結果或筆試成績,缺乏規范的、科學的實踐能力考核細則和要求.

實踐教學作為光電信息科學與工程專業的重要組成部分,為了突出本專業實踐教學的特色,必須在教學體系、教學模式、課程考核方式、培養學生創新能力、科研能力上進行改革與探索.專業實踐教學在常規化教學的同時,在實驗室現有基礎上融入與光電行業相關的科研內容,完善實驗教學體系,改進教學模式和課程考核辦法,有效提升大學生科研創新能力.在實踐教學中通過科研的融入,使學生進一步深入理解光電信息科學與工程專業的理論知識,同時也能拓展學生的創新思路,掌握理論聯系實際的方法,提升科研創新能力和綜合實踐能力.

2 在專業實踐教學中引入科研創新的措施

2.1 教學體系改革

目前大部分高校的實踐教學項目雖然經典但是也比較固化,開設的實踐項目基本保持不變,所以學生只需要按照教師講解或者相關指導書的操作步驟就能完成實踐內容,在傳統實踐教學過程中學生缺乏創新.本文提出的光電專業實踐教學體系的改革,主要按照“分階段實施,逐步培養”的模式,如圖1所示.其中教學體系分為3個階段實施改革:知識儲備階段、基礎實踐教學階段、科研創新實踐階段[4-5].

圖1 科研創新融入實踐教學體系

第一階段的知識儲備階段主要為學生集中講授相關的理論知識,這一階段安排在實踐操作前進行.此階段要求學生查閱和本學期開設實踐項目內容相關的科研論文,每人查閱3～5篇論文,并要求學生寫出調研報告,為后續第三階段的實施奠定理論基礎.

第二個階段要求學生完全掌握、獨立操作完成本學期開設的專業基礎實踐項目.掌握基礎實驗項目的理論知識和實踐操作能力,對所用實驗儀器熟練操作.教師引導學生拓展相關實踐項目,為第三個階段打下實踐操作基礎.

第三個階段即科研創新實踐教學階段,將現有的實踐項目開辟出一部分可以與科研項目相融合的項目.按學生第一階段調研的科研方向進行分類,比如按經典光學、現代光學、光電子學等方向劃分小組進行討論.由學生自己按照現有實踐項目開辟新的實踐內容,自己設計實驗方案、寫出實驗原理和操作步驟,對實驗結果進行分析總結.這樣就充分調動學生的科研興趣,提高學生的動手操作能力.這一階段強調以學生為主,學生只有自己思考,大量查閱資料,才能制定出科學合理的實踐方案.這一階段既培養了學生的科研思維,也培養了學生的科研探索精神、實踐創新能力.

例如,在光電專業學生實踐課程中,以光的干涉實驗為例,學生經過第一階段查閱大量科研文獻發現:近年來,渦旋光因其攜帶軌道角動量的特殊性,在光通信、光操控、光學成像等方面都具有很大的優勢.根據這一調研結果,學生將渦旋光引入到普通的光干涉實驗中發現,通過渦旋光與普通激光干涉會產生叉形圖,并結合相關理論知識分析該渦旋光的光學特性.

總之,通過課程體系的改革,學生不僅了解本專業科研動態,而且能將科研知識用于專業實踐中,既提升了科研能力,也鍛煉了學生的動手操作能力以及分析問題的能力.

2.2 教學模式改革

傳統的實踐教學授課方式是教師講、學生聽、教師演示操作、學生觀摩,最后學生再按照實驗步驟自己操作完成實驗.在整個教學過程中,學生始終處于被動接受知識,缺乏主觀能動性,缺乏獨立思考能力,更談不上創新實踐能力.為了改變這種填鴨式教學方式,教師教學模式不應再照本宣科介紹實驗目的、實驗原理、實驗步驟,而是教師引導式講解實驗,多和實際相關聯.教師將科研意義或者課程思政引入到實踐教學中來,結合實際生活中的一些現象或者本行業當前的科研趨勢進行思考,激發學生的學習興趣.在學習過程中理論結合實際,教師講解實驗儀器,拓展實驗儀器的功能,讓學生可以從實驗儀器的功能中嘗試獨立思考、學習、分析的能力,研究本實驗中的實驗儀器的拓展實踐項目.使學生能夠逐步了解“通過什么手段、達到什么目的”,最后由學生自己總結實驗原理和實驗步驟進行實驗操作.

以光的干涉實驗為例,教師在講解實驗前先進行提問,引導學生回憶理論課中有關光的干涉的相關理論,不但要掌握光的干涉條件,同時也應該掌握干涉明暗條紋滿足的條件等理論知識.當這些理論知識具備之后再講解實驗過程中為了滿足干涉條件如何搭建實驗光路,觀察實驗現象.同時也應該拓展光的干涉實驗,這樣就從單一的實踐項目演變為多個實踐項目.再次引導學生將干涉現象和當前科研中哪些內容可以結合起來,這樣就做到了在整個實踐教學過程中:“引導-理論-實踐--拓展-引入科研創新”的實踐教學模式[6].這種實踐教學模式的優勢在于:課前感興趣、多積累;課中勤思考、多操作;課后善總結、多提升,最終達到了培養學生科研實驗素養的目的.

本專業每年組織學生參加學科競賽,互聯網+、機器人大賽、光電大賽等多個學科競賽,充分調動學生的實踐積極性,在實戰中更能鍛煉學生的綜合能力.本專業負責教師組織感興趣、有能力的學生成立光電興趣小組,定期組織有競賽經驗和相關知識背景的教師給學生進行知識講座、培訓.光電實驗示范中心專門準備一間實驗室作為興趣小組的學生平常進行實踐操作,也作為學科競賽的實踐場地,學生定期討論、匯報進展,指導教師進行指導.光電興趣小組的成立充分調動學生的學習積極性,做自己喜歡的事情,學生就會發揮主觀能動性,積極主動查閱資料、調研學科動態.同時也鍛煉了學生自主學習能力,遇到問題解決問題的能力,真正做到學以致用,這也樹立了學生的自信心.

2.3 考核方式改革

改革實踐考核辦法,將實踐成績階段化,規范化、科學化的實踐能力考核細則和要求,完善實踐考核方式是課程改革的一個重要方面.

針對傳統的實踐課程考核辦法存在的問題:考核模式單一、機械,主要考查實驗操作和實驗報告,限制了學生的自主創新能力,本專業制定了新的實踐教學考核體系,如表1所示,主要分為4個方面:調研階段、基礎實踐操作、科研創新實踐、項目報告.

表1 實踐教學考核

調研階段占期末總成績的15%,主要從實踐項目理論知識儲備、查閱科研資料文獻以及調研總結報告3個方面進行考核.這一部分主要考查學生是否真正做到課前預習,以及對相關知識的掌握程度,其次是通過科研調研報告可以考核學生對科研動態的了解程度.基礎實踐操作主要考核學生對基礎實踐項目操作技能、對實驗儀器的熟悉程度以及操作能力,并且會在現有的實踐項目上根據儀器功能設計科研實踐項目,這一部分考核占總成績的30%.科研實踐創新階段貫穿整個實踐考核過程,先根據科研調研方向對學生進行分組,按劃分的科研小組組織學生討論、匯報.這一部分涉及內容多,對學生進行階段性考核,考核時間長,所以占總成績的40%.最后一部分考核為項目報告,占總成績的15%,主要考查學生報告的完整性、科研內容的前瞻性以及對實踐結果的總結、分析能力.

新的實踐考核辦法具體化、規范化、階段化,該考核辦法既培養學生嚴于律己的工作作風和誠懇的工作態度又使其養成了注重細節等優良習慣,同時也培養了學生在科研中的探索能力.學生撰寫實驗報告、工作計劃、工作總結、技術任務書、學術論文等也提升了自身書面表達能力.

總之,通過實踐總成績、評教成績、學生反饋、學生發表科研論文、參加學科大賽、考研率等方面的反饋發現,本專業學生發表科研論文數目逐年提升,參加學科競賽獲獎項目也在逐年增加,獲獎等級也取得了很大提升.2018年本專業參加學科競賽隊伍只有幾支獲得省級獎項.實踐改革這幾年,到2022年,參加學科競賽的隊伍上升到十幾支,獲得國獎的參賽隊伍達35%.由于學生在本科階段積累了一定的科研基礎,本科期間很多學生發表科研論文,學生保研率也逐年增加.這些成效充分證明了學生實踐積極性增加了,動手能力、解決問題能力、科研能力等綜合實踐素質均得到提升.

3 結束語

本文從專業實踐教學過程出發結合科研項目將科研思維融入到實踐教學過程中.針對目前傳統專業實踐教學的局限性,本文從完善教學體系、改進教學模式、課程考核方式等幾方面對光信息科學與工程專業實踐課程進行改革.

通過完善教學體系,從3個層次分別實施改革措施.在第一階段的知識儲備環節為后續實踐教學體系打下鋪墊,做到有的放矢,不打無準備之仗.通過專業實踐教學為科研創新搭建了良好的科研實踐教學平臺,這樣將學生的學習也做到由簡到難,知識融會貫通.在實踐改革過程中,學生由被動學習到主動學習,由模式化學習到自主創新式學習,由基礎學習延伸到科研領域等多方面對學生都起到了提升作用.實踐表明,專業實踐教學改革對學生的思維方式和實踐操作能力以及科研創新能力的提升都卓有成效,為學生未來的就業或者學習深造奠定良好基礎.