光纖傳感技術線上線下混合課程建設探索

初鳳紅　卞正蘭　薛亮　胡安鐸　李高芳　魏春娟　朱武

摘? 要：光纖傳感技術是光電信息科學與工程專業的專業課。課程主要講述光纖傳感技術的基本概念、光纖傳感系統的組成、光纖傳感技術涉及的原理和效應、光纖傳感用光調制技術、FBG傳感技術及分布式光纖傳感技術等。隨著互聯網的高速發展，線上和線下混合教學熱度逐漸上升，該教學模式可以充分利用互聯網的在線教學優勢，加強教師和學生的課堂互動。該文探討在線上和線下混合教學模式下如何提高光纖傳感技術教學效果的方法，并將思政因素引入到教學中。

關鍵詞：光纖傳感技術；混合式教學；教學探索；在線教學；思政因素

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）07-0106-04

Abstract： Optical Fiber Sensing Technology is a professional course for optoelectronic information science and engineering. The course mainly introduces the basic concepts of optical fiber sensing technology， the composition of optical fiber sensing system， the principles and effects involved in optical fiber sensing technology， optical modulation technology for optical fiber sensing， FBG sensing technology and distributed optical fiber sensing technology. With the rapid development of the Internet， the popularity of online and offline hybrid courses has gradually increased. This teaching model can make full use of the online teaching advantages of the Internet and strengthen the classroom interaction between teachers and students. This paper discusses how to improve the teaching effect of Optical Fiber Sensing Technology under the mixed teaching mode of online and offline， and introduces ideological education into teaching.

Keywords： Optical Fiber Sensing Technology; hybrid course; teaching exploration; online teaching; ideological and political factors

2015年，國務院印發的《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》提出，鼓勵學校利用數字教育資源及教育服務平臺，對接線上線下教育資源，探索教育的新方式[1]。這給學校教育教學的變革指明了新方向，線上線下混合教學模式的熱度逐漸上升。2018年，教育部在《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》中特別指出，應當“以學生發展為中心，通過教學改革促進學習革命，積極推廣小班化教學、混合式教學、翻轉課堂，大力推進智慧教室建設，構建線上線下相結合的教學模式”[2]。在新型冠狀病毒感染疫情期間，各國高校紛紛開啟居家遠程學習模式，也促使我國高校教師在短時間內加快建設網絡學習資源，實行遠程授課，并為疫情后的線上/線下混合課程建設打下了基礎[3]。

光纖傳感技術是目前傳感技術的重要分支，光纖傳感器具有體積小、抗電磁干擾能力強、電絕緣性能好及可靠性高等優點，特別適用于在強電磁干擾環境中使用。廣泛應用在易燃易爆、高電壓強磁場環境等許多方面。光電信息科學與工程專業的學生通過光纖傳感技術這門課程的學習，可以了解光纖傳感技術的原理及現狀，為今后從事相關光學傳感器設計類工作打下基礎。近年來，線上教學已經成為一種有效促進學生進行主動學習的方式。線上教學資源比較豐富，如中國大學慕課平臺等能為學生提供很多優質的資源[4]。線上線下結合的教學模式，可以提高教學質量。本文對光纖傳感技術線上線下混合課程建設進行了探索，提出了提高教學質量的一些思路。

一? 光纖傳感技術課程簡介及教學現狀

（一）? 課程簡介

光纖傳感技術是上海電力大學光電信息科學與工程學科中的專業核心課，課程內容包括光纖傳感技術的基本概念（主要包括光纖的基本概念、光纖傳感器概述、光纖傳感器工作原理）；光纖傳感系統組成；典型光纖傳感器（強度調制型、偏振調制型、波長調制型和相位調制型）的工作原理、分布式光纖傳感技術及光纖傳感器在電力系統中的典型應用。通過光纖傳感技術課程的學習，可以使學生掌握光纖傳感系統的基本原理及應用領域；培養學生根據具體需求場景及要求選擇、設計相應光纖傳感器的基本能力，同時了解光纖傳感技術發展動態，跟進光纖傳感技術的最新進展；學生在光纖傳感技術在電力系統中的應用知識講授和設計光纖氣體傳感器的小組活動中，能夠幫助學生養成嚴謹的科學思維方式，激發探索精神和創新意識。

課程目標：①能夠針對復雜的光纖傳感系統，運用光纖傳感系統的基礎理論知識，分析光纖傳感系統的具體工作原理。②能夠運用光纖傳感系統典型原理、技術及應用，根據具體需求場景及要求選擇、設計相應類型的光纖傳感器。③培養學生分析問題和解決問題的能力，具有嚴謹的科學思維，激發學生的探索精神和創新意識。了解光纖傳感技術發展動態，跟進光纖傳感技術的最新進展。

（二）? 教學現狀

目前，該課程設置一學期共48學時，其中包含理論課36學時，實驗課10學時，討論課2學時，采用線下教學模式。傳統的線下教學模式側重于教師的課堂講授，即“教”，而對學生的自主“學”重視性不足，其特點在于知識點和教學內容都屬于單向傳播，不容易激發學習熱情和興趣[5]。所以，擬采取線上線下混合式教學模式以提高教學效果。

二? 線上線下混合教學實施方案

線上教學模式具有學生學習不受時空限制、自主式學習、靈活度高和學習個性化突出等特點。混合教學模式將線下內容課程結合豐富的線上資源，利用學生碎片化、眼球化的學習方式結合傳統性的學習模式，將兩者混合和交替使用的一種教學模式。其主要思路是將學生線上學習和線下學習這兩者有機結合，進行混合教學[5]。光纖傳感技術混合式課程包括線上和線下兩部分內容，線上教學平臺是知識傳授的載體，課堂授課是提煉和精講重難點、鞏固教學效果的關鍵。線上線下混合教學的具體實施方案為課前教師布置在線預習任務，學生可以自學相關知識點，通過習題等方式提高對相關內容的掌握程度。上課過程中講解知識點中的重點和難點，并通過案例深化學生對知識點的了解和掌握。課后布置作業，并將光纖傳感的相關視頻和網上公開課等資源推送給學生，讓學生了解光纖傳感技術的動態和發展前景。光纖傳感技術混合式教學設計如圖1所示。

三? 提高混合式教學效果的相關措施

（一）? 引入討論教學環節，提高學生分析問題解決問題的能力

在講授具體知識點過程中，引入討論環節。在討論環節中，學生以小組的方式進行，通過查找資料等確定方案并在課堂上對具體方案進行講解。通過此過程，不僅鍛煉學生查找資料和團隊合作能力，還鍛煉了學生的語言組織能力。在討論教學方法中，還可以調動學生的參與意識。學生分組進行相關知識的學習、探索、創新，以完成報告作為重要的目標，在查閱資料互相討論的過程中，能夠激發學生的靈感，提高學生的創新能力，鞏固所學的專業知識。課堂以學生為主，培養表達、思辨能力。比如在講授透射式光纖傳感技術知識點時，布置作業讓學生設計透射式光纖氫氣傳感系統。學生通過上網查閱中英文文獻，可以了解光纖氫氣傳感器的種類、工作原理、發展趨勢等。根據文獻中的相關資料，構建透射式光纖氫氣傳感系統，了解整個系統的組成包括光源、氣室、光電探測器及最重要的氫敏材料。學生不僅了解了光纖傳感系統的組成，還意識到一個傳感系統需要包括光學、電學、材料學等多學科融合，可以提高學生主動學習本專業之外知識的積極性。在具體方案設計過程中，需要考慮器件選取、敏感材料制備及傳感信號的去噪等問題。而這些問題的解決需要查找資料、同學之間研討，通過這一過程可以進一步提高學生分析問題和解決問題的能力，同時提高團隊協作精神。再比如，在講解光纖反射式位移監測的實例中，讓學生自己分析入射光纖和出射光纖距離對耦合的影響，設計整個傳感系統，包括光源、傳感光纖、探測器的選擇等，通過此過程，可以培養學生的邏輯思維能力。

（二）? 科研與教學互動

將教師從事的與電力系統相關的光纖傳感科研工作融入到教學中，讓學生了解光纖傳感技術在電力系統的應用，培養電力特色人才。例如在講解電力系統局部放電檢測方法中，將教師的科研“基于分布反饋激光器的局部放電監測系統”作為講解實例。介紹整個系統的工作原理、設計方案、器件選型需要注意的事項等。該系統屬于基于相位調制型的干涉式光纖傳感器，設計過程中設計光纖干涉儀中如何消除偏振的影響等具體問題。通過該實例的講解，可以加深學生對相位調制型光纖傳感技術的了解。并在具體講解過程中，可將具體研發過程中遇到的工程問題向同學征詢解決方案，比如由于放電引起的振動信號會使得分布反饋激光器的波長發生變化，通過邁克爾遜干涉儀將波長變化轉換為相位變化，那么降低邁克爾遜干涉儀的抗振性和隔音性能是必須解決的工程問題。將此問題布置給學生，學生課后可以通過查閱文獻、互相討論等為此問題的解決獻計獻策，進而提高學生學習的積極性和主動性。

另外，將“基于光纖光柵的輸電鐵塔健康狀態監測系統”課題介紹給學生，該課題涉及鐵塔受力分析模型建立、光纖光柵封裝方案選擇及應變桿件機械結構設計，鐵塔關鍵部件應變信息的采集、傳輸、分析、顯示和數字孿生模型等。整個系統涉及機械、力學、電子學和光學等多個學科。通過對整個系統的講解，可以培養學生的分析和解決復雜工程問題的能力，提高學生的工程實踐創新能力。還可以讓學生查閱知網及國網相關數據庫中的光纖光柵封裝方式，針對鐵塔應變監測的具體需求，設計封裝方案，以滿足工程實際需要。學生可以了解光纖傳感課題從文獻調研到方案提出及具體實施整個過程，為后續工作及考研打下工程基礎。同時，在整個案例講解及設計的過程中，學生對光纖光柵應變傳感器的基本原理、封裝方式及解調方案有了深入的認識。

除此之外，還可以鼓勵學生參與到教師的科研工作中。通過參與實際課題，學生不僅夯實了理論基礎，而且可以培養、鍛煉科研能力。

（三）? 加強教學隊伍建設

選派團隊中的教師到企業實踐鍛煉，培育成“雙師型”教學團隊。定期開展教研討論會議，比較分析國內外同類院校的教學方法，討論行業檢驗標準，改進教學思想、教學觀念、教學內容及教學方法和手段。開展團隊成員間的批評與自我批評活動，互相促進，共同成長。組建學術研究與工程實踐并重的高水平師資團隊，教學、科研互動，理論和實踐教學緊密結合，注重學生利用理論知識解決現場實際問題的能力和創新能力的培養。并積極組織教師參加國內外光纖傳感會議，了解光纖傳感的最新動態，并將這些前沿知識融入到教學中。教師還可以參加如全國光電信息科學與工程專業教師研修班，通過學習名師的授課、參加講課比賽等方式提高教學水平。

將思政元素融入到線上線下教學中，培養學生的愛國主義、吃苦耐勞等精神。實施課程思政，需要教師不斷提升自身學科素養和思政素養，打造精湛的業務能力和主流的核心價值觀[6-9]。通過思政元素的引入，激發學生崇尚科學、熱愛科學、熱愛所學專業的意識，并肩負起推動科學進步的神圣使命和社會責任。例如在講解光纖基礎知識時，將《The Breakthrough Birth of Low-Loss Fiber Optics》[10]這篇文獻介紹給大家，其中有段話“When the furnace was running in Zimar's lab during summer 1969， Keck recalls， ‘it was hotter than Hades. Yet the team kept working， measuring and learning”講述了科研人員在如地獄般火熱的實驗室中拉制光纖的過程。光纖的研制經過了漫長艱苦的過程，經過科學家的不斷努力和嘗試，終于制備了損耗低的可用于通信的高質量光纖。培養學生吃苦耐勞、迎難而上的精神。在講解光纖陀螺儀尋北的應用實例中，通過介紹光纖陀螺儀自主尋北系統的原理，講述尋北過程無須外部參考，進而引出一個國家也同樣如此，只有自身強大，才可以不受制于人。表1是光纖傳感技術部分思政元素案例。

（四）? 改進對學生學習成績的評定方法

結合過程化考核方法，多維考核并非只是期末一次完成，而是貫穿在整個學期中，根據教學內容或時間指定過程化考核的時間安排與次數，綜合考慮學生的平時表現與考試情況，給定每次過程化考試成績，從而最終給定學生的總評成績。此成績評定方法科學合理，避免學生考前突擊，死記硬背，知其然而不知其所以然的學習狀態，激發學生學習的主觀能動性，養成善于思考、合理規劃的學習習慣。成績比例可以按表2分配。

光纖傳感技術以往的考核方法中，期末成績占的比例較大。這就使得少數學生存在僥幸心理，通過考前突擊等方式通過考試。平時上課存在遲到，甚至早退的現象，上課不認真聽講。因此，這種傳統的考核方法不利于學生掌握知識點，更不利于培養學生創新思維能力。通過上述考核方式的改進，真正做到以學習效果為中心，建立及時有效的反饋機制，學生的學習效果會有很大提升，學習的積極性也會得到提高。

四? 結束語

光纖傳感技術這門線上線下混合式課程的特點是以學生為中心的自主學習，將討論環節融入到教學過程中，并將教師的科研與教學互動、思政元素融入到線上及線下教學過程中。學生通過課程學習，不僅掌握了光纖傳感技術相關理論知識，還可以培養學生分析問題、解決問題、大膽質疑和吃苦耐勞等精神。并且能夠激發學生的學習興趣，調動學生學習主體的積極性、主動性，并培養學生團隊協作精神，進而提高光纖傳感技術這門專業課程的教學質量。

參考文獻：

[1] 國務院關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見[EB/OL].https：//www.gov.cn/gongbao/content/2015/content_2897187.htm.

[2] 教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201810/t20181017_351887.html.

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[6] 杜凡宇，杜勇，祝元仲，等.應用型人才培養體系下的線上線下課程混合教學模式探索[J].高教學刊，2021（34）：63-66.

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[8] 薛亮，卞正蘭，李高芳，等.傳感器技術課程思政模式探究[J].高教學刊，2020（18）：164-166.

[9] 聶迎娉，傅安洲.課程思政：大學通識教育改革新視角[J].大學教育科學，2018（5）：38-40.

[10] HEVHT J.The Breakthrough Birth of Low-Loss Fiber Optics[J].Optics and Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｎｅｗｓ，２０２０，３１（３）：２６．

基金項目：上海市重點課程建設項目“光纖傳感技術線上線下混合式課程”（無編號）

第一作者簡介：初鳳紅（1979-），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，博士，教授。研究方向為光纖傳感技術。