研究生專業技術課程科教融合的創新實踐探索

宋凝芳 張祖琛 王夏霄 潘雄 楊合 高福宇 宋佳潔 劉曉欣

摘? 要：研究生教育是我國高等教育體系的重要組成部分，肩負著培養具備創新能力的科技領域人才的神圣使命。在新工科背景下，如何實現課堂教學與科學研究融合、達到學術素養和工程能力共同提升的培養目標，已成為高校教育教學改革面臨的新課題。該文選取北京航空航天大學儀器科學與技術和光學工程兩個一級學科開設的專業技術課微弱信號檢測與處理，闡述在研究生專業技術課程教學中，通過融入本學科在國內具有影響力和技術優勢的光纖陀螺、光纖電流互感器、空芯光纖微弱散射光檢測三個典型科研實例，進行科教融合、提高教學質量的創新實踐探索。

關鍵詞：科教融合;創新實踐;微弱信號檢測與處理;教學改革;人才培養

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）08-0050-04

Abstract： Postgraduate education is an essential component of China's higher education system， bearing the sacred mission of cultivating innovative talents in the field of science and technology. In the context of the emerging engineering education， achieving the goal of integrating classroom teaching with scientific research and enhancing both academic literacy and engineering competence has become a new challenge for higher education teaching reforms. In this paper， the integration of science and education is explored with the specialized technical course Weak Signal Detection and Processing offered in the primary disciplines of Instrument Science and Technology and Optical Engineering at Beihang University. Three domestically influential and technologically superior research examples， fiber optic gyroscopes， fiber optic current sensors， and weak scattered light detection using hollow-core optical fibers are introduced in the course teaching， aiming to enhance the quality of teaching through the fusion of science and education.

Keywords： science-education integration; innovative practices; Weak Signal Detection and Processing; educational reform; talent development

科教融合是世界一流大學的核心辦學理念[1]，是實現教育、科技、人才一體化發展的重要途徑[2]，更是我國實現科技強國的必經道路。中國高等教育正在從傳統教學過渡到科教并重，再向科教融合發展，這是時代賦予我國大學教育的核心命題[3]。研究生教育作為高等教育的重要組成部分，肩負著培養具有創新能力的科技領軍復合型人才的重要使命。這些人才應當具備扎實的理論基礎和實踐經驗，面對涉及到多學科交叉的復雜應用問題能夠用科學的思維去解決。同時更需要這些人才具備深厚的家國情懷和使命感，以及人類命運共同體意識，國際視野和全球競爭力[4]。因此，如何在研究生教育中建立學術素養提升與工程能力訓練并重的培養模式，構建符合新工科背景中“新理念”“新模式”“新方法”“新內容”“新質量”的“五新”教育體系平臺[5]，成為重要課題。作為北京航空航天大學儀器科學與技術和光學工程兩個一級A類學科專業技術課微弱信號檢測與處理的任課教師團隊，一直堅持“國內領先、世界知名”的培養目標，突出航空航天特色和學科工程能力優勢，注重將科研中的創新成果同步融入研究生教學;堅持基礎理論創新、核心技術可控、學術前沿并進和高端領域覆蓋的發展理念，通過承擔國家重大戰略任務、參與國家專業技術體系與發展目標規劃，服務國防及國民經濟主戰場，形成了光纖陀螺與自主導航、空間光電技術及應用、光學測量與儀器技術及微納光子與微光機電系統等特色和優勢鮮明的學科方向。團隊以“學以致用”作為教學方針，發揮服務國家裝備型號產品任務優勢，將行業實踐應用知識融入進教學內容中，搭建協同育人科教融合平臺，實現高層次科技人才培養。本文以微弱信號檢測與處理課程為例，討論在科教融合背景下對課程內容、教學過程的革新實踐，旨在為新工科背景下人才創新實踐能力的培養模式升級提供新的思考。

一? 課程簡介及學情分析

精密科學儀器被譽為“高端制造業桂冠明珠”，其在科學研究中的作用不可或缺，幾乎所有科學領域的研究都離不開科學儀器的支持。絕大多數諾貝爾物理學獎、化學獎、生物學或醫學獎的科學發現，都借助了高端科學儀器的輔助。然后，我國在高端精密科學儀器方面仍然面臨一定的挑戰。我國每年用于購置儀器和設備的費用占總科研經費的25%以上，大部分高端精密科學儀器依賴進口。早在“十二五”規劃期間，國家就通過一系列專項計劃支持高端精密儀器的原始創新和集成創新，以突破技術封鎖和壟斷，解決自主創新中的“瓶頸”問題。這些努力旨在實現高端精密儀器和設備的國產化和自主可控，從而減少對進口儀器的依賴，提高我國在科學研究和高端制造業領域的核心競爭力。

儀器性能的不斷提升得益于檢測技術的持續進步。無論采取何種檢測手段，其目標都集中在提高兩個方面：檢測精度和檢測速度。這兩個方面的進步對于儀器性能的優化至關重要。提高檢測精度意味著增強儀器的靈敏度、分辨率、準確性和穩定性。高精度的檢測使得儀器能夠更加敏銳地感知目標信號，擴大了動態范圍。這對于實際應用中捕捉微弱信號變化的情況至關重要。提升檢測速度意味著儀器能夠更快速地響應和處理檢測信號。這對于實時應用和對快速瞬變或隨機性影響的檢測非常重要。在實現這兩個目標的過程中，儀器需要具備快速識別、分辨和抑制噪聲的能力。

微弱信號檢測（Weak Signal Detection， WSD）技術是一種利用電子學和信號處理方法從噪聲中提取有用的微弱信號的技術，是精密儀器和光學測量領域的重要分支。自然界眾多的微弱量都是非電量（弱光、弱磁、弱聲、微位移、微振動和微壓力），需要通過傳感器轉換成電流或電壓信號。由于信號微弱性，加之傳感器的本底噪聲、固有噪聲、額外噪聲、測量方法和偶然誤差等因素的影響，傳統的檢測方法無法實現有用信號的檢測。而微弱信號檢測的關鍵在于從噪聲中提取出有用的信息，并使得測量的下限低于噪聲水平。這是微弱信號檢測與非微弱信號檢測之間的本質區別。微弱信號檢測與處理作為一門強實踐性質的課程，傳統的以課堂講授理論的教學方法變得不再適用，需要與實際應用緊密結合[6]。如何讓學生從被動灌輸到主動探究，并做到將教學內容拓展到實踐中去成為該課程亟待解決的問題。

二? 科教融合方案實踐過程

微弱信號檢測與處理課程作為北京航空航天大學的儀器科學與技術及光學工程兩個一級學科中的必修專業技術課程，一直以其實用性和專業性而聞名，已經開設十余年。每年吸引超過百名學生選修。最初面向傳統的電子電氣類、控制類、儀器類專業的學生，如今已經擴展到涵蓋儀器科學、光學、生物醫學等多個領域的學生群體。學生在選修這門課程時，需要具備隨機過程、誤差理論、信號與系統、電工基礎、模擬電路和數字電路及自動控制原理等必備的基礎知識，存在大量的理論公式推導、數學方法分析。對于非電子電氣類學生而言，如不具備相關基礎知識的儲備，選修微弱信號檢測課程會略顯吃力。并且在常規的理論知識學習后，學生在實際科研工作中面對具體對象，可能仍然無從下手，缺乏解決實際問題的能力。為了解決研究生培養方案和教學體系不適和缺乏科教平臺完成從理論到實踐的拓展這兩個問題，教學團隊結合多年的科研教學活動，深入探索和嘗試對微弱信號檢測與處理課程的授課內容進行改革，課程教學力求彰顯北航特色，追求課程內容的創新性和實用性，精心思考和設計教學內容，采用以科研帶動教學，教學反哺科研的創新教學理念，課程建設向學思結合、知行統一轉變。打破傳統只注重知識體系的完整性、理論性，將項目引導、模塊遞進的理念注入課程體系、注重能力的靈活培養，讓課程更貼近社會生產需求，實現課程與實際工程應用領域需求的無縫隙接軌。

在教學設計中配合光纖陀螺、光纖電流互感器、空芯光纖微弱散射光檢測等本學科在國內具有影響力和技術優勢的典型項目應用和案例，引導學生深入了解微弱光、磁、應變和位移等信號檢測的主要特征，并分析在實際復雜場景下噪聲的來源和性質，拓寬學生視野的同時，幫助學生更好地理解教學內容的應用，實現在真環境下，學習真理論，開展真科研，做到真實踐。

（一）? 通過數字閉環光纖陀螺實例，深刻理解低噪聲放大器設計

微弱信號檢測的目的是抑制噪聲、提高信噪比，從被噪聲淹沒的信號中提取有用信息。然而，往往在傳感器中，敏感單元作為信號源，輸出的信號過于微弱，不具備被常規電子系統處理的條件。為了解決這個問題，需要通過低噪聲放大器對待檢測信號進行放大。在干涉式數字閉環光纖陀螺中，將敏感的角速率信息通過干涉效應轉換為光強信號，再經過光電轉換形成電信號。然而，此時的電信號卻淹沒在mV級噪聲下，變得十分微弱，僅有uV級大小。本課程以數字閉環光纖陀螺的低噪聲前置放大電路設計為例，詳細介紹低噪聲放大器設計技術在實際工程應用中的落地。通過實例引導學生重視寄生效應和寄生參數對檢測性能的影響，并養成從PCB設計、電源完整性、頻譜管理、接地與屏蔽等方面進行考慮的思維體系。數字閉環光纖陀螺憑借其測量精度高、動態范圍廣及靈敏度高等諸多優點被廣泛應用于慣性測量和導航領域中。然而，隨著光纖陀螺向輕小型和組件電路一體化設計的方向發展，電路的噪聲和干擾成為限制輕小型光纖陀螺檢測精度的關鍵問題。在授課過程中，先安排試驗環節讓學生自己進行陀螺真實輸出數據的采集，以建立信號與噪聲的基本概念。接著，帶領學生一起分析輸出噪聲的特性，通過建立數學模型，使學生掌握散粒噪聲、背向反射和散射噪聲、偏振噪聲、Faraday效應和Kerr效應限制光纖陀螺靈敏度的機理。讓學生意識到設計出低噪聲、高增益、寬帶寬的前置放大器電路在整個數字閉環處理過程中的重要性。通過電路實例分析，引導學生從基于級聯的噪聲最小化匹配理論基本概念出發，探討如何從噪聲傳遞與抑制的角度進行設計最優化，如何選擇合適的電路拓撲結構、有源及無源的器件和低噪聲直流工作點等參數，從而掌握低噪聲放大器設計過程。整個教學環節結合實例，采用講授、分析、對比的方法，引導學生掌握噪聲匹配基本概念和低噪聲放大器設計過程，深入理解干擾抑制對檢測電路正常工作和系統性能提升的重要影響，面對未來實際問題中時具備信號處理環節級聯時的系統性思維。

（二）? 通過數字閉環光纖電流互感器實例，熟練掌握相關檢測

在微弱信號檢測與處理課程中，基于相關檢測原理的鎖定放大技術是實現微弱信號提取的關鍵技術之一。為了幫助學生更好地理解和掌握這一檢測過程，以北京航空航天大學最早提出的數字閉環光纖電流互感器為例，對鎖定放大技術在實際系統中的應用進行詳細闡述。數字閉環光纖電流互感器基于光纖干涉測量原理，通過數字化信號處理和反饋控制技術，實現對電流信號的高精度測量和輸出。該技術具有抗干擾能力強、動態范圍大及絕緣特性好等優點，在對高電壓和大電流等應用中具有顯著的優勢。在教學中，將重點從光纖干涉測量、方波調制解調和輸出濾波三個方面引導學生理解和掌握微弱信號的高精度檢測和測量方法：首先，由于微弱的電流信號很難直接測量，通過法拉第效應敏感導線中電流產生的磁場和Sagnac效應，將其轉換為光信號以實現測量。以光纖作為信號傳感及傳輸介質，相較于傳統電流測量，光纖具有更高的絕緣特性和高帶寬特性。其次，引入方波調制技術，通過方波調制將待測電流信號調制到高頻，在頻域上將輸出信號的頻譜由低頻區遷移到高頻區，有效抑制了低頻1/f噪聲的干擾。同時，將干涉儀輸出由相位的余弦函數變為正弦函數，使小電流測量處于靈敏度最高的檢測點，可以提供電流方向的判斷。隨后，通過數字化的相敏檢測技術對調制信號進行解調，在頻域上將輸出信號的頻譜由高頻遷移回低頻。在實際實現過程中，數字化的相敏檢測的參考信號為方波，在工程實際應用中采用邏輯開關信號，實現非常簡單。最后，對解調后的信號進行低通濾波，濾波的時間常數直接影響信噪比的提升。同時也指出，對于50 Hz交流電流信號的測量，濾波的時間常數直接影響測量帶寬，因此需要綜合考慮以選擇合適的濾波時間。在整個教學過程中，通過數字閉環光纖電流傳感器這一實際工程應用實例，學生將更深入地了解數字鎖定放大技術的實際應用過程，在今后的科研實踐中能夠有效利用課堂學習的理論知識提供寶貴的參考，培養學生系統性思維和實踐能力。

（三）? 通過空芯光纖周向散射光分布式測量實例，靈活運用雪崩二極管弱光檢測

由于有高精度、高實時性、主動性和無接觸測量等優點，光學測量已經成為目前普遍的探測手段，覆蓋了分布式聲波探測、形狀傳感、油氣探測等多個領域。為了滿足科研需求，課程進一步拓展了理論課程，增加了微弱光信號檢測的教學內容，并將理論知識與科研實踐相結合。在這一部分的授課過程中，除對典型的弱光檢測器件、方法及應用介紹外，還結合實驗室開展的空芯光纖微弱散射光檢測系統為學生開展實驗講解式教學。空芯光子晶體光纖作為一種新型光纖，具有優良的穩定性，但其較大的損耗限制了光纖的應用發展。空芯光子晶體光纖的損耗主要來源于散射，而測量其周向散射光不僅可以判斷光纖結構的均勻性，還能確定光纖損耗特性。然而，其散射光在最小方向的強度信號約比傳輸光弱約-150 dB，導致準確的周向分布式測量變得難以實現。為了解決這個問題，采用雪崩二極管與光子計數背景光扣除法來應用于空芯光纖的周向散射光測試。通過圓柱聚焦將一定的區域的散射光匯聚，搭建黑箱降低系統的背景光噪聲。雪崩二極管與遮光板構成了探測系統，通過不同角度遮光與未遮光條件下的積分，可以進一步降低背景光與雜散光噪聲，從而實現周向散射光分布的測試。在弱光信號檢測過程中，通過結合空芯光纖散射光測試的實例，讓學生能更直觀地了解弱光信號檢測所需的檢測環境與探測器。學生將認識到遮光板在實現微弱光信號檢測中的作用及其與理論的對應關系，包括但不限于光子計數中的背景光扣除、降低外部背景光和光纖泄露雜散光放入影響、抑制溫度致雪崩二極管檢測誤差等。這些實驗也能為學生展示出光學試驗必要的條件與方法，為學生進入實驗室開展科研試驗奠定基礎。

除了教學設計上的內容革新，在課程考核中，考慮到傳統理論測試對學生能力評估的單一性，結合微弱信號檢測課程的教學特色，形成了以“實踐問題分析+前沿文獻調研+課題理論測試”的考核方式，旨在評估學生知識，能力及素養三位一體[1，7]的科研能力，進一步提高學生的學習興趣，增強學生的主動探究精神，根植學生深入鉆研難點、挖掘問題本質的科研價值觀。

三? 結束語

研究生教育要實現科教融合和協同創新，必須摒棄傳統的“科教分離”教育觀念，將課堂教學與科研活動緊密結合[8]。其主要使命是培養符合國家需求的復合型創新人才，因此，研究生教育應借“人才培養”這一紐帶，將科研和教學有機結合到一起[9]，堅持以科研促進教學，以教學反哺科研為導向。在微弱信號檢測與處理課程案例中，始終保持教學內容的設置與該學科的科研特點和研究方向緊密契合，充分發揮平臺承擔國家重大戰略任務的實踐優勢，瞄準“急用、管用、實用”高層次科技人才培養目標。為實現這一目標，該課程一直秉持“以學生為中心、以問題為導向、持續改進”的基本理念，鼓勵并保障學生全方位參與到平臺提供的各項科研活動中[10]，讓學生在學習過程中體驗從課程學習到實際應用、從理論知識掌握到實際問題解決的全過程，真正實現從學習一門課程到掌握一項本領，為步入科研工作的第一步奠定堅實基礎。經過十多年的教學體驗和經驗積累，該課程不僅在學術教育上取得了顯著成績，還在培養高水平創新人才方面發揮著積極作用。學生在這門課程中夯實了理論基礎知識，掌握了解決科研工作中相關問題所需的技能，在面對實際問題時能夠有條不紊地進行邏輯思考，做出科學合理的研究方案。教學團隊堅定地將科教融合的改革實踐不斷推進，致力于培養更多基礎扎實、素質高、責任心強且具有國際競爭力的創新人才，以滿足國家發展的需求。

參考文獻：

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[7] 于賀偉，程屾，張興宇，等.科教融合背景下專業綜合實驗教學改革——以能源與動力工程專業為例[J].高教學刊，2023，9（18）：138-141.

[8] 王淑芳，薛嬌，馬海泉.科教融合協同創新以開放的思維迎接新的教育革新——對話中國海洋大學校長吳德星[J].中國高校科技，2012（11）：6-10.

[9] 張中強，唐翔，蔣艷.基于科研反哺教學理念的高校科教融合機制研究.[J]教育探索，2014（1）：79-80.

[10] 鄒曉東，韓旭，姚威.科教融合：高校辦學新常態[J].高等工程教育研究，2016（1）：43-50.

基金項目：2022年北京航空航天大學卓越工程師產教聯合培養專項“航天特色的儀器光電類卓越工程師人才培養模式探索”（4313044）;2021年北京航空航天大學研究生精品課程建設項目“微弱信號檢測與處理”（4313036）

第一作者簡介：宋凝芳（1968-），女，漢族，遼寧黑山人，博士，研究員。研究方向為慣性技術。