以工程案例為引導的學研融合方法在教學中的探索

［摘 要］ 針對新時代背景下高等教育對創新型人才培養的需求，結合教學實際情況，提出將多光電信息融合傳感的工程案例引入課堂和實踐教學中。以培養學生自主學習、解決復雜問題的能力為目標，把工程問題解決方法和創新思維引入課程教學之中，并結合實踐教學，通過理論和實踐驗證實現知識傳授與能力的進一步提升，形成以項目工程實例為引導的課堂和實踐學研融合方法。引導學生從“分立式被動學習”向“連續式主動學習”轉變，從知識死記硬背向靈活應用轉變。

［關鍵詞］ 多光電信息融合傳感；工程案例；學研融合；教學改革

［基金項目］ 2023年度天津大學精儀學院本科教育教學改革研究項目“以工程案例為引導的學研融合教學方法研究與實踐”（2023-14）

［作者簡介］ 王 雙（1982—），女，天津人，博士，天津大學精密儀器與光電子工程學院副教授，主要從事光電檢測與光纖傳感研究；江俊峰（1977—），男，江西高安人，博士，天津大學精密儀器與光電子工程學院教授，主要從事光電檢測與光纖傳感研究；劉鐵根（1955—），男，天津人，博士，天津大學精密儀器與光電子工程學院教授，博士生導師，主要從事光電檢測與光纖傳感研究。

隨著經濟的發展、科技的進步，新的時代不斷地為高等教育提出新的課題。針對高等教育對創新型人才培養的需求，從事創新工作不僅需要扎實的專業知識，同時也需要具備良好的科學素養［1-3］。光電檢測技術是光電信息技術的主要技術之一，以其非接觸、高精度、高速度、實時等特點成為現代檢測技術最重要的手段和方法之一，在工業、農業、軍事、醫學、航空航天以及日常生活中皆有著非常廣泛的應用［4-6］。因此，“光電檢測技術”和“電路信號與系統”課程是相關工科專業學生必須掌握的課程。在以往的教學過程中，以教師課堂講授、學生被動接受為主，不能發揮學生學習的積極性和主觀能動性；在課程實踐環節方面，對學生綜合應用能力培養和鍛煉的綜合性實驗設置少；在考核環節，對學生知識掌握的整體水平及綜合能力的考核較為單一。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，不知如何入手解決。這顯然難以適應新形勢下國家對復合型人才的培養目標。此外，在教學內容方面也沒有很好地體現出“光電檢測儀器”的主題，有的過于注重光學知識，講授工程光學和現代光學的內容，有的過于注重光電子學理論知識，還有的則簡單地羅列光電測試相關技術，缺乏系統性，學生難以對創新過程形成一個完整的觀念。

天津大學開設的“光電檢測技術”和“電路信號與系統”課程已成為學生進行儀器創新性思維訓練的重要途徑和業內單位高度認可的核心專業課［7］。多光電信息融合傳感技術作為光電檢測的重要技術組成部分，已經被廣泛地應用于航空航天、生命健康、基礎設施建設等領域，與人們的日常生活息息相關。本文將多光電信息融合傳感的工程案例引入光電檢測技術的課堂和實踐教學中，形成教學與科研的良性互動，通過教學為科研儲備知識與人才，通過科研持續跟進、豐富教學內容，以達到“以研促教，以教升研”的教研相濟目標。把科研方法和創新思維自覺地引入教學中，有助于培養學生自主學習、解決復雜問題的能力，達到知識傳授與能力提升的有機結合，形成良好的雙向促進。

一、學研融合教學方法

將多光電信息融合傳感工程案例引入課堂和實踐教學中，以培養學生自主學習、解決復雜問題的能力為目標，研究教學知識難點、關鍵點與工程實例、與實踐有機結合的切入點，把工程問題解決方法和創新思維引入課程教學之中，并結合實踐教學，通過理論和實踐驗證實現知識傳授與能力的進一步提升，形成以項目工程實例為引導的課堂和實踐學研融合方法。

借助優勢科研平臺，將眾多科研項目工程實例中的研究思路、解決方案、具體理論方法進行整合提煉，剝離出其中關聯的知識點，以此為契機調整部分課堂教學內容，增加對重點知識中工程實例的講解，通過工程案例為學生提供知識的實際應用場景。對工程案例的分析可以幫助學生更深入地理解理論知識的內涵和適用性，感受到理論知識在實際工程中的價值和作用，增強學習興趣和動力，加深對理論知識的理解和記憶。

除課堂教學外，嘗試將項目工程案例引入實踐教學中，在理論知識實踐的基礎上積極搭建工程實例與實踐的橋梁，通過案例分析、實驗操作、項目實踐等形式，引導學生將理論知識應用到具體的工程案例中，并通過反饋和討論，加深學生對理論與實踐的理解和認知。在實踐教學實際案例的研究和解決過程中，學生需要積極主動地進行學習和探索，從而實現更好地培養綜合能力和創新思維，以及主動思考和自主學習的能力，有助于學生在今后的學習和工作中更好地適應和應對各種復雜問題和挑戰。相應地，通過實踐教學與學生的接觸和交流，更深入地了解學生在學習過程中關心的問題和學習上的難點，有助于后續教學工作的改進和提高。

二、學研融合教學機制

本文提出圍繞工程案例與課堂和實踐教學的學研融合方法，形成教學案例并實施。將課程中來源于工程的應用問題概括為知識點，再次回歸到實際工程問題的解決案例中。在課堂教學描述的基礎上把握概念的物理意義，并通過工程案例和實踐教學相結合，掌握知識點對應的工程實質，培養學生分析和總結的能力，滿足國家向工程教育強國轉變的教學需求。從課堂和實踐教學上共同圍繞工程實例，實現學研融合，教學相長，既提高了學生的自主學習能力、主動學習動力、工程思辨能力，也在教學過程中深入了解了學生在學習過程中關心的問題和學習上的難點，以便時刻改進提高后續教學工作。

工程問題的引入（盾構機刀頭磨損檢測、航空飛機風洞測試、海洋大壓力傳感等等）可以幫助學生更深入地理解該知識點的內涵和實用性，感受到理論知識在實際工程中的價值和應用，增強了學生的學習興趣和動力，加深其對知識的理解和記憶。同時，引導學生將理論知識應用到具體工程案例中，加深學生對理論與實踐的理解和認知。以實際工程案例為背景，引入實踐教學，可以更好地培養學生的綜合能力和創新思維，培養他們主動思考和自主學習的能力，有助于學生在后期的學習和工作中更好地適應和應對各種復雜問題和挑戰。以“光電檢測技術”課程為例的學研融合教學機制如圖1所示，結合了新時代背景下的工程發展和需要，引入新的實際案例，與日新月異、蓬勃發展的科技進步成果緊密相連，讓學生既能深入理解經典理論，又能時刻跟進新技術、新發展。

三、學研融合教學具體案例

案例1：開展以科研為主線的教學方法研究與實踐。課程教學中將光電檢測技術的優秀科研成果光纖傳感引入教學中，啟發式地讓學生了解如何靈活應用所學知識，通過以此主線貫穿在整個教學過程中，讓學生在教學過程中體會到科研方法和科學思維。例如，在光電干涉檢測的教學中，教師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，在教學時先從導航技術過渡到光纖陀螺，進而拋出“保偏光纖環偏振耦合點對光纖陀螺精度提高的困擾”的難題，并向學生提出問題：“如何定位偏振耦合點和測量偏振耦合強度？”在學生思考討論的基礎上，通過回顧高相干光和低相干光的各自優勢提出解決思路，并按科研過程講述每一項教學內容。通過在教學中融入科研，模擬科研過程，使學生真實地面對科研實踐，培養造就一批批緊貼時代脈搏、不斷銳意進取的人才。例如，在光電圖像檢測技術與系統的教學中，基于盾構管片的自動拼裝的項目研究背景，教師引入具體案例“基于深度學習和結構光目標增強的盾構管片特征物識別和光電信息提取方法”。在教學講授的基礎上，讓學生深刻理解到光電圖像檢測技術的應用場景和應用前景，幫助學生對科研產生新的認識，而不再限于書本，引導學生學會利用光電圖像檢測的相關知識來解決各領域所面臨的挑戰。

案例2：突出“科研為主線”的特點，進行實驗內容和實驗手段創新。實驗設置服從教學需要，教學、實驗融為一體。積極探索光電檢測技術綜合性實驗和設計性實驗的開展。從原來“有什么條件就開什么實驗”到“需要什么條件、創造什么條件開實驗”的觀念轉變，進行實驗創新，體現出科研主線特點。例如，在光電衍射檢測技術與系統的實驗環節，專門設計定制的衍射實驗裝置，學生可在常規衍射測量的基礎上，自行設計調整零部件和參數完成分離間隙衍射和反射衍射測量，使學生對所學的光電檢測原理和方法有更全面的認識，提高學生獨立思考、綜合分析和運用知識的能力，使教學、實驗融為一體。例如，在光纖傳感檢測技術與系統的實驗環節，鼓勵學生自行設計光纖壓力、溫度、應變、折射率等物理量的傳感器，并分別從靈敏度、檢測精度、測量范圍以及應用領域等角度來綜合衡量光纖傳感器性能。在這個過程中，學生能切實體會科研和創新的魅力，真正找到感興趣的點，并利用光電信息技術教育部重點實驗室的有利條件，通過組織學生參觀與教學密切相關的實際開展的前沿科研項目，帶給學生更直接的感觸。

案例3：根據以科研為主線的教學探索，開展多層次多類型的課程設計與考核。通過“光電檢測技術”和“電路信號與系統”的在線課程，展現科研文獻檢索、分析、創新思維、學術交流表達等全過程，并且完成實踐操作后，學生根據自己的興趣愛好設計一套與光電檢測技術相關的硬件或者軟件系統，以此來作為考核賦分的重要依據之一。例如，對光電干涉檢測技術感興趣的學生，可設計干涉光譜器件與系統、干涉非球面檢測系統、干涉條紋處理與相位恢復算法等；而對光譜檢測技術感興趣的學生，可設計近紅外氣體檢測系統、高光譜圖像技術無損檢測系統等。在這個過程中，學生的科學創新實踐能力普遍獲得很大提升，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。通過以鮮活的儀器科研成果實例和學生的切實參與為載體實施的教學，創設并實踐了以儀器科研方法為主線的教學方法，體現了以培養學生創新思維為導向的教學理念。

結語

基于“光電檢測技術”和“電路信號與系統”課程平臺，完成以多光電信息融合傳感工程實例為引導的學研融合教學方法改革，建立一套項目工程典型實例，與課堂教學和實踐教學結合形成改革方案，把項目工程問題解決方法和創新思維引入課程教學之中，為學生創造自主開展學習活動的空間，為專業基礎課程提供一套可借鑒的項目式課程方案和案例。進一步增大該課程的影響力，覆蓋滿足更多學生的學習需求，有助于促進國家由工程教育大國轉向工程教育強國，真正培養造就一大批創新能力強的工程技術人才。

參考文獻

［1］明海，陳博，章江英.大力加強光學專業學生的素質教育和創新能力培養：促進光學、光電類高等人才的培養［J］.光電子技術與信息，2004，17（4）：15-18.

［2］王啟立，胡亞非，何敏.將科研項目帶入課堂，將學生帶入科研訓練計劃：研究型大學專業課程教學改革探討［J］.化學工程與裝備，2010（5）：12-14.

［3］丁振揚，田慶國，汪毅，等.課程思政指導下“工程設計”科研式實踐課程創新［J］.教育教學論壇，2022（24）：185-188.

［4］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.

［5］Hall D G， Powell R C. Optics education： encouraging an integrated approach［J］. Optics and Photonics News，1998，9（9）：18.

［6］朱湘萍，包本剛.光學教學中培養學生科研能力模式的探析［J］.湖南科技學院學報，2012，33（4）：52-54.

［7］江俊峰，劉鐵根，劉琨.面向新工科的光電檢測技術混合式課程構建［J］.教育教學論壇，2023（40）：122-125.

Exploration of the Learning and Research Integration Method in Teaching Guided by the Case of Multi-optoelectronic Information Integrated Sensing

WANG Shuanga， JIANG Jun-fenga，b， LIU Tie-gena，b， DAI Xiao-shuanga，b

（a.School of Precision Instruments and Opto-Electronics Engineering， b. Key Laboratory of Opto-Electronics Information Technology， Ministry of Education， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract： In view of the demands of higher education for the cultivation of innovative talents in the context of the new era， combined with the actual situation of teaching， it is proposed to introduce the engineering case of multi-optoelectronic information integrated sensing into the classroom and practical teaching. With the goal of cultivating students’ ability to learn independently and solve complex problems， engineering problem solving methods and innovative thinking are introduced into the course teaching. Incorporating practical teaching， we realize knowledge transfer and further enhancement of ability through theoretical and practical verification， creating a method of integrating classroom and practical learning and research guided by project engineering cases， guiding students transfer from “discrete passive learning” to “continuous active learning”， and from “rote memorization” to “flexible application” of knowledge.

Key words： multi-optoelectronic information integrated sensing; engineering cases; learning and research integration; teaching reforms