以科研為主線的案例教學在新工科建設中的實踐探索

［摘 要］光電信息產業作為高新技術產業的代表，其發展依賴于持續的技術創新和產業升級，這正是新質生產力的核心所在。新工科致力于培養適應新經濟、新產業、新業態的高素質工程技術人才，而光電信息技術的創新與應用以及新工科人才的廣泛參與，為新質生產力的發展壯大提供了重要支撐。天津大學光電信息科學與工程專業注重實踐教學，通過設置豐富的實驗課程、類型多樣的實習項目和科研訓練，提出了以科研為主線的案例教學方法。教學實踐證明，這種以科研為主線的案例教學方法有效鍛煉了學生的思維、實踐和創新能力，提升了學生的綜合素質和解決復雜工程問題的能力。

［關鍵詞］光電信息；新工科；案例教學；科研創新

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2025）03-0014-06

光電信息產業作為以光電技術為基礎，利用光信號在介質中傳播、轉換和加工信息來實現各種應用的高新技術產業，具有廣闊的發展前景。新興領域如5G、物聯網、云計算、人工智能等對光電信息產業提出了更高的要求并有著更大的需求，同時傳統領域的技術升級和市場需求增長也擴大了光電信息產業的市場空間[1]。國家高度重視光電信息產業的發展，出臺了一系列政策和規劃，并通過財政補貼、稅收優惠、科研資助、市場推廣以及人才培養等措施促進光電信息產業的快速發展。目前，我國光電信息產業已經形成了較為完整的產業鏈和產業集群，上下游企業的協同發展促進了光電信息產業的整體進步；光電信息產業的發展不僅有助于緩解能源危機、減少環境污染，還能推動相關產業的綠色轉型。隨著技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，光電信息產業將為人類社會帶來更多的便利。

光電信息技術的應用范圍極廣，涉及通信、醫療、安防、交通、娛樂等多個領域，例如高速互聯網、高清顯示、智能家居等。隨著物聯網、大數據和人工智能等技術的發展，人們對光電信息技術的依賴程度將進一步加深。光電信息產業作為技術密集型和資金密集型產業，對國民經濟的拉動作用非常明顯，是國家重點發展的高新技術產業之一。特別是在極端環境下，光電信息技術與國家安全、國防科技、航空航天等密切相關，更能體現出其獨特的價值[2]。

一、光電信息專業是新工科教育的代表性專業

（一）光電信息產業是新質生產力的重要組成部分

光電信息產業作為高新技術產業的代表，其發展依賴于持續的技術創新和產業升級，這正是新質生產力的核心所在。新質生產力是以科技創新為引領，具備高科技、高效能、高質量特征的先進生產力，是推動經濟社會高質量發展的關鍵力量[3]。光電信息產業的快速發展對工程技術人才提出了新的要求。新質生產力強調以科技創新為引領，具備高科技、高效能、高質量的特征，與光電信息產業追求技術突破和產業升級的目標高度契合。新工科作為工程教育的新形態，致力于培養適應新經濟、新產業、新業態發展的高素質工程技術人才[4]。這類人才不僅具備扎實的理論基礎，還具備跨學科的知識背景和創新能力，能夠在新質生產力的形成和發展過程中發揮重要作用。光電信息技術的不斷創新和應用，新工科人才在產業界的廣泛參與和貢獻，以及新的經濟增長點和產業形態的不斷涌現，為新質生產力的持續發展壯大提供了有力支撐。同時，新質生產力的快速發展也對新工科教育提出了更高的要求。隨著科技的不斷進步和產業的不斷升級，新質生產力涉及的領域越來越廣，對工程技術人才的知識結構、能力素質和創新能力等方面的要求也越來越高。因此，新工科教育需要不斷適應這些變化，加強學科交叉融合，推動教育教學改革，以培養出更多符合新質生產力發展需求的高素質工程技術人才。

光電信息產業的需求推動了新工科在光電信息技術領域的改革與創新，新工科建設強調跨學科融合、產教融合和實踐創新，這和光電信息科學與工程專業的多學科交叉特性高度契合。在新工科建設框架下，光電信息專業融合了光學、光電子、微電子、通信、計算機等多學科的知識，涉及光學與光電子學、光纖通信、成像與顯示技術、激光技術、傳感技術、微納光學等多個領域，旨在培養具備扎實理論基礎和較強實踐能力的光電信息技術人才[5]。光電信息專業不僅要求學生掌握光電信息科學與技術的基本理論、基本知識和基本技能，還強調培養學生的創新思維、跨學科合作能力和解決實際問題的能力，使學生能夠在光電信息技術、通信、電子、航空航天、醫療等行業從事科研、開發和工程應用等工作，為推動現代科技的發展貢獻力量。

（二）光電儀器是光電信息產業的核心內容之一

光電儀器是一類利用光電原理進行測量、檢測、分析并顯示結果的高精度儀器設備，廣泛應用于科學研究、醫療診斷、工業控制、環境監測等領域。光電儀器通常包括光源、光學系統、探測器和數據處理系統等關鍵組件，能夠實現高靈敏度、高分辨率和高精度的測量。典型的光電儀器包括激光干涉儀、光譜儀、光電顯微鏡、紅外成像儀和光纖傳感器等。這些儀器不僅能夠精確檢測細微的物理變化，還能對各種物質進行定量和定性分析。光電儀器的發展不斷推動著各個領域的技術進步，為科學研究提供了強有力的工具，同時也在醫療診斷和工業自動化等方面發揮著重要作用。

光電儀器是光電信息產業的核心內容之一，也是光電信息科學與工程專業的重要內容。在光電專業學習過程中，學生將深入了解光電儀器的工作原理、設計方法和應用技術。天津大學光電信息科學與工程專業（以下簡稱本專業）具有悠久的發展歷史，其前身是1958年設立的光學儀器專業。隨著科學技術的進步和社會需求的變化，本專業不斷發展壯大，圍繞新型光學/光電儀器的設計、研發和應用，逐步形成了以光電信息科學與工程為核心的多學科交叉研究體系，致力于培養具有扎實理論基礎和較強實踐能力的高素質光電信息人才，同時注重培養其創新思維和實踐能力，使其能夠在快速發展的科技前沿領域中脫穎而出，為推動新工科建設和滿足國家戰略需求做出積極貢獻。

二、本專業為學生大力創造各類科研條件

（一）為低年級學生開設科研入門類培訓課程

本專業涉及大量前沿科技和復雜的工程應用，僅靠理論教學難以很好地培養學生，實踐教學尤為重要。因此，以科研為主線的教學方法應運而生，它旨在讓學生通過參與實際的科研項目，在實踐中學習和成長。通過實踐教學，學生可以親身參與實驗和項目，深入理解光電信息技術的原理和應用。除了培養學生的動手能力和問題解決能力，實踐教學還能夠增強其團隊協作能力和創新思維能力。本專業通過設置豐富的實驗課程、實習項目和科研訓練，使學生在實踐中鞏固知識，提升綜合素質，為未來的職業發展奠定堅實基礎，同時積極鼓勵學生參加全國大學生光電設計競賽、中國國際大學生創新大賽等科技競賽。這些競賽不僅能夠提升學生的實踐能力，還可以開闊他們的視野，使他們獲得寶貴的實踐經驗，提升綜合能力，為未來的學術研究和職業發展打下堅實基礎。

然而，本科生由于掌握的知識技能較少，很難直接參與到科研項目中，前期的文獻調研便會“勸退”許多人。提前參加科研項目對本科生來說難度確實很大，部分本科生對科研項目的興趣持續性不強，一旦參加的科研項目產出較少，就沒動力做下去了，導致不少項目爛尾。因此，讓本科生把一個項目持續做下去非常重要，除了要鼓勵學生將課余時間投入科技創新創業活動中，還要大力倡導以科研為主線的案例式教學方法。其主要措施包括：在大一升大二的暑假，開設集中創新實踐課程，同時教授學生多物理場仿真軟件、虛擬儀器仿真軟件的使用方法，數學建模和數值分析等基本科研技能；在大三升大四的暑假，組織學生開展專業綜合課程設計活動；同時，在培養全過程的課堂教學中開展項目式教學。

大一升大二的暑假是本科生接觸科研的關鍵時期。在大一期間，學生已經掌握了一些基礎的專業知識和技能，為參與科研項目打下了良好的基礎。在這個階段，學生比較有時間和精力參與科研項目，并將所學知識應用到實際科研中，加深理解，積累經驗，探索興趣，提升競爭力，并建立重要的學術關系。通過參與科研項目，學生可以發現自己感興趣的領域，從而在未來的學術生涯中有更明確的目標。

在大一升大二的暑假，本專業為學生開設了集中創新實踐課程。該課程是本專業一門重要的實踐課程，旨在培養學生的實踐能力和實驗技能，進行創造性思維訓練。該課程鼓勵學生運用所學的基礎知識和專業知識，完成具有“專業特色”的設計、實驗、分析等工作，并拓展思路進行創新型實踐，以達到鍛煉學生運用專業理論知識的能力，培養適應時代發展、具有創新意識的專門人才的目的。這一實踐課程分為創新型和應用型兩個方向。創新型實踐課程依托科研及團隊，讓學生自主完成課題，研究創新方案并解決實際問題，教師在其中主要起到指點方向、把關方案、協助解決關鍵問題的作用。應用型實踐課程則依托大型實驗及加工中心，讓學生在教師的指導下，分步驟學習專業主要工程應用技術的應用。該課程將綜合運用數學、物理、計算機等與專業相關的基礎知識，重點是將其綜合、靈活地運用于具體的設計、實驗、分析等實踐環節。指導教師需具備豐富的工程技術實踐經驗，對選題的專業性、系統性以及可操作性有整體把握，并能進行具體指導，激發學生的創新思維。學生根據自身基礎和發展需求選擇實踐類型，參與不同課題，在實踐小組內合理分工、相互協作，最終按要求完成報告、答辯或實驗，綜合評定成績合格后獲得該課程學分。指導教師會結合學生的知識體系和自身科研方向擬定題目，如光電智能循跡系統、結構光三維成像系統等，讓學生嘗試將所學的數學、物理、計算機等方面的知識轉化為解決實際應用問題的能力。例如，學生可以三到五人組成一個小組，利用暑假的時間共同完成手勢控制機械手或多功能的智能軌道檢測機器人等問題的設計與實踐。

（二） 為學生提供常用科研工具使用培訓

在進行集中創新實踐的同時，本專業還為學生提供光電信息領域常用的科研工具及使用方法培訓，包括多物理場仿真軟件如虛擬儀器仿真軟件的使用、數學建模和數值分析等相關培訓。

多物理場仿真軟件在光電儀器開發中具有極其重要的作用，因為光電系統往往涉及電磁場、熱傳導、力學應力等多個物理場的相互作用。通過多物理場仿真，研究人員能夠全面了解這些相互作用的復雜關系，從而優化光電器件的設計和性能。這類軟件可以精確模擬光電材料和器件在不同物理條件下的行為，預測其響應特性，識別潛在問題。多物理場仿真不僅提高了研究的精度和效率，降低了實驗成本，還促進了新材料和新技術的開發與應用，使得光電信息技術能夠更快速地迭代和創新，為產業發展提供強有力的支持。

虛擬儀器仿真軟件在光電儀器開發中至關重要，因為它提供了靈活且強大的工具，用于數據采集、分析和可視化。通過虛擬儀器，研究人員可以創建定制化的測試和測量系統，以適應不同的實驗需求。這類軟件可以整合各種硬件設備，實現高效的數據處理和實時監控，顯著提高實驗效率和數據精度。此外，虛擬儀器軟件的模塊化設計和編程靈活性，使得研究人員能夠快速優化實驗流程，減少開發時間和降低成本，從而加速光電信息技術的創新和應用。

數學建模在光電儀器開發中起著至關重要的作用，因為它是理論和實踐之間的橋梁。通過建立數學模型，研究人員可以描述和預測光電系統的行為，揭示其內部機理。數學建模有助于分析復雜的光電現象，如光傳輸、光電轉換和光波導特性，優化器件設計和系統性能。此外，數學模型可以用于模擬實驗條件，減少實際實驗的次數和成本，提高研究效率。精確的數學模型還可以為新技術和新材料的開發提供理論支持，推動光電信息科學的進步和創新應用。

數值分析在光電儀器開發中同樣具有重要意義，因為它為解決復雜的光電系統問題提供了強有力的計算工具。許多光電現象涉及高度復雜的微分方程和大規模數據處理，通過數值分析方法可以實現這些方程的近似求解和高效計算。數值分析有助于模擬和優化光電器件的性能，如光波導、激光器和光電探測器，并提供詳細的行為預測和性能評估。這種分析手段可以顯著減少實驗工作量和降低成本，提升研究效率。此外，數值分析能夠處理非線性、多尺度問題，為光電信息技術的發展和創新提供關鍵支持，推動新理論和新技術的實際應用。

早期接觸科研可以讓學生積累寶貴的科研經驗，了解科研的基本方法和流程，為以后的科研工作打下堅實基礎。這種經驗對以后攻讀研究生或參與更高級別的科研項目非常有幫助。通過參與科研項目，學生有機會與導師建立良好的關系。導師不僅可以提供學術指導，還可以為學生在未來的學術研究和職業發展中提供重要的建議或推薦信。早期參與科研可以培養學生對科研的興趣和熱情，激發他們繼續深入研究的動力，這對于那些有志于從事學術研究或科技創新的學生來說尤為重要。

（三）鼓勵高年級學生開展綜合性研究實踐

在大三升大四的暑假，學生已經基本完成了專業課的學習，需要有相關項目幫助學生學會綜合運用專業知識解決復雜工程問題。為此，本專業為學生開設了專業綜合課程設計課。該課程是本專業的一門重要實踐課程，旨在培養學生的實踐能力和實驗技能，進行創造性思維訓練。通過綜合性實踐，能夠讓學生全面運用所學基礎知識和專業知識，完成具有專業特色的設計、實驗和分析工作，同時鼓勵學生拓展思路，進行創新性實踐，最終達到鍛煉學生對專業主干理論知識的綜合運用能力，培養適應時代發展、具有創新意識的專門人才的目的。專業綜合課程設計將運用光學、機械、電子、軟件等與專業相關的基礎知識，重在綜合、靈活運用并付諸具體的設計、實驗和分析等實踐環節。指導教師應在工程技術領域有大量實踐經驗，在選題的專業性、系統性以及可操作性上有整體把握，并且能夠提供具體指導，激發學生的創新思維。課程分為應用型和研究型兩個類型，以更好地適應不同學生的學習需求和職業發展方向。

應用型課程的目標是培養學生的實際操作技能和工程實踐能力，側重解決實際工程問題。課程設計包括以實際應用為導向的項目選擇，強化實踐操作，要求學生動手搭建和調試系統，完成從設計到實現的全過程操作，并鼓勵學生與企業合作，感受真實的項目和工程環境。應用型課程考核側重項目完成度和實際效果，評估學生解決實際問題的能力和動手能力。

研究型課程的目標是培養學生的科研能力和創新思維，側重理論研究和新技術開發。課程設計包括選擇前沿研究課題，指導學生進行文獻綜述、理論分析、數值模擬和實驗驗證，強調科研方法和學術規范，并配備經驗豐富的導師提供一對一指導。研究型課程考核注重研究過程和創新成果，評估學生的研究能力、論文撰寫和學術報告能力。

此外，無論是應用型還是研究型課程設計，指導教師都會建議開展跨學科項目，結合光學、機械、電子、軟件等多個領域，培養學生的綜合能力；設置創新訓練環節，鼓勵學生提出新想法和解決方案，提升創新意識；建立課程資源庫，分享項目案例、實驗數據和工具軟件，方便學生學習和借鑒；定期收集學生和企業導師的反饋，不斷優化課程設計和教學方法。通過這些措施，使專業綜合課程設計課能夠更具針對性，培養出既能勝任實際工程工作的應用型人才，又能從事高水平研究的研究型人才。

本專業對學生開展科技創新活動給予了極大的硬件支持，依托天津大學光電信息學生創新實驗室，為學生提供了共享的光學實驗平臺，配備了光譜儀、功率計、激光器等先進的測試設備，為學生進行光學實驗研究提供了場地和儀器設備保障。同時，還為學生提供了共享的電學實驗室，包括示波器、萬用表、電源、電烙鐵等基本電學設備，并開放了實驗室權限，方便學生進行自主實驗和學習。為了進一步支持學生的創新創業和比賽活動，本專業還擴大了公共實驗室的規模，為學生提供了前期準備的場地。此外，本專業還不斷完善公共實驗室的管理，建立了設備設施清單或查詢系統，使學生可以更加便捷、高效地利用學院現有的硬件資源，為學生的科技創新活動提供了有力的保障。

三、本專業核心課程倡導案例式項目教學

在核心課程建設中，本專業也大力推動案例式項目教學。在課程思政案例方面，積極宣傳科學家精神，如蔣筑英在光電科技領域的杰出貢獻及其對光電信息產業發展方面的積極作用。蔣筑英等科學家的故事展示了他們在科研道路上不畏艱難、勇于創新的精神，這種精神可以激勵光電信息產業的從業者們不斷追求技術創新，勇于攻克技術難關，并推動整個產業的技術進步和產業升級。科學家們的奮斗歷程往往與國家的需要緊密相連，他們以實際行動踐行了科學報國的精神，這種情懷能夠激發光電信息產業的從業者們對國家發展的責任感和使命感，促使他們更加積極地投身于產業建設，為國家的科技進步和經濟發展貢獻力量。此外，通過宣傳科學家精神，還可以吸引更多的年輕人關注光電信息產業，激發他們對科學的熱愛之情，同時科學家們的事跡也可以作為生動的教學案例，幫助培養具有創新能力和國際視野的光電人才，為產業的持續發展提供堅實的人才保障。

在光電檢測課程中，課堂教學聚焦于案例技術重點和難點的點評、拓展[6]。例如針對我國新一代載人飛船試驗船光纖監測案例，從光纖傳感的需求分析、苛刻太空環境、技術優化方案、實驗驗證設計和改進等多方面進行研究性學習。教師在課堂串講相關知識點后，展示實際儀器開發案例。例如在光電干涉檢測教學中，以偏振串擾檢測儀作為案例，按科研過程引領學生從先進性、可靠性、經濟性等角度學習設計思路方法。而后創設應用場景，啟發學生舉一反三，創造性地拓展所學知識，嘗試解決實際工程問題。再例如分析引力波探測器中的光電技術構成，及其從地面布置到太空布置所帶來的變化，將絕對重力儀等最新成果引入教學，圍繞問題來源與方案提出，從工程技術規律、難點問題和解決途徑等方面設計教學過程，培養學生的研究思維。

在光學系統設計課上，授課教師指導學生利用CODE V等軟件進行內窺鏡和望遠鏡的設計。通過設計實際光學系統，學生能夠深入理解光學原理，如成像原理、光線追蹤和像差校正等，掌握從需求分析、初步設計到詳細設計和優化的完整系統設計流程，了解每個環節的重要性和具體操作步驟。學生通過學習，可以熟練掌握CODE V軟件的基本操作和高級功能，如參數優化、像差分析和MTF計算等，提升軟件應用能力，學會利用軟件進行光學系統的建模、仿真和優化，從而提升數據分析和結果解釋的能力。通過具體的項目設計，如內窺鏡和望遠鏡，學生能夠積累實際項目經驗，了解實際應用中的挑戰和應對方法，培養獨立解決問題的能力。在設計過程中，學生提出創新設計方案，能夠培養創新思維和能力；通過動手實踐，能夠增強動手能力和工程實踐能力，為未來職業發展打下堅實基礎。通過上述學習和實踐，學生不僅能夠掌握光學系統設計的理論和技能，還能夠積累實際項目經驗，提升綜合素質和職業競爭力。

在光電圖像處理課上，授課教師安排學生實施人臉識別、圖像融合等實踐項目[7]。通過實際項目，學生能夠深入理解圖像處理的基本原理，如圖像預處理、特征提取、模式識別等，掌握各種圖像處理算法，如邊緣檢測、濾波、特征匹配等，并理解其在不同應用場景中的適用性和效果。學生還能熟練掌握常用圖像處理軟件和工具，如MATLAB、Python的OpenCV庫，提高軟件應用能力，并通過編寫代碼實現人臉識別和圖像融合等。通過具體項目的實踐，學生能夠積累實際項目經驗，了解實際應用中的挑戰和應對方法，通過分析和運用工具解決在項目過程中遇到的問題，培養獨立解決問題的能力。在項目實踐過程中，教師鼓勵學生提出創新解決方案，以培養其創新思維和能力，并通過動手實踐，增強其動手能力和工程實踐能力，為其未來職業發展打下堅實基礎。

四、鼓勵教師開發教學儀器并引導學生投入科學研究

本專業積極鼓勵教師進行教學儀器的開發，并集思廣益，根據現有設備進行實驗項目的設計與改進，更新實驗設備，為學生開設選做實驗，把部分最新科研成果轉化成教學實驗。有教師研制了首臺“激光衍射反射/分離間隙測量實驗”教學儀器，設計開發了多個虛擬仿真實驗，使傳統實驗向科研式實驗轉變，便于學生了解光電信息技術前沿，培養學生的創新意識，提高學生的研究能力和工程實踐能力。積極探索體現科研特點的綜合型實驗和設計型實驗。綜合型實驗可以開闊學生思路，使學生對其所學的光電信息的原理和方法有更全面的認識，提高學生綜合分析和運用知識的能力；設計型實驗可以培養學生獨立思考和解決問題的能力。

在光電信息科學與工程專業的教學實踐中，以科研為主線的教學方法已經在新工科教育教學中取得了顯著效果。這一教學方法強調將科研項目與實際教學緊密結合，使學生在項目實踐中深化對所學知識的理解，并切實提升他們解決復雜工程問題的能力。

在這種教學方法下，學生不再只是被動地接受知識，而是成為科研活動的積極參與者。他們需要在教師的指導下，開展自主選擇研究課題、制定研究方案、進行實驗設計和數據分析以及撰寫研究報告等一系列科研活動。整個過程不僅要求學生具備扎實的理論基礎，還需要他們具備創新思維、實踐能力和團隊協作精神。

通過參與科研項目，學生能夠更深入地理解所學知識，還可以將課堂上學到的理論知識運用到實踐中，通過實際操作來驗證和鞏固這些知識。同時，科研項目中的復雜問題也要求學生不斷學習和探索新的知識，從而拓寬他們的知識視野。

更重要的是，以科研為主線的教學方法切實提升了學生解決復雜工程問題的能力。在科研項目中，學生需要面對各種未知和挑戰，他們需要運用所學知識進行分析和判斷，提出解決方案，并通過實驗來驗證這些方案的有效性。這樣的過程不僅鍛煉了學生的思維能力，還培養了他們的實踐能力和創新能力。

五、結語

綜上所述，以科研為主線的教學方法在本專業教學中起到了很好的效果。它不僅使學生更深入地理解了所學知識，還切實提升了他們解決復雜工程問題的能力。這種方法不僅符合新工科教育教學的理念，也為培養具有創新精神和實踐能力的高素質人才提供了有效途徑。因此，我們應該繼續推廣和完善這種教學方法，為本專業的教育教學注入新的活力。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 雷豪.我國重點產業轉型升級路徑研究：以光電產業為例[J].現代工業經濟和信息化，2021，11（9）：1-4.

[2] 張鵬年，關明智.極端低/變溫環境下光纖布拉格光柵溫度傳感性能研究[J].低溫與超導，2023，51（2）：1-6.

[3] 郭鐵成.發展新質生產力要抓新質態生產要素[J].中國科技論壇，2024（7）：1.

[4] 金東寒.深化拓展新工科建設培養新時代卓越工程師[J].中國高等教育，2022（12）：12-14.

[5] 陳曉冬，蔡懷宇，張學智，等.面向光電產業革新的一流本科課程體系[J].教育教學論壇，2020，37（9）：286-287.

[6] 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（10）：122-125.

[7] 陳曉冬，汪毅，田慶國，等.高校課程主導-主體式教學模式改革探索：以光電圖像處理課程為例[J].大學教育，2021（7）：1-4.

［責任編輯：劉鳳華］