研究生专业课与研究能力的培养

［摘 要］ 目前，研究生教育正逐渐从单一的课程培养模式转向专业知识学习和科研能力培养相结合的模式。在这一模式下，课程教学不再局限于研究生基础知识的学习，而是更广泛地涵盖科研能力的培养。从研究生专业课程的基础内容、学科的演进历程和最新研究进展三个维度出发，探讨了如何通过创新的教学方法和考核方式，强化研究生的专业知识学习和科研能力培养。通过多元化的课堂教学和实践考察，更有效地激发学生的学术兴趣，促进其对专业知识的理解和科研能力的提升，为研究生教育的未来发展提供建议，推动教育模式的创新和优化。

［关键词］ 教学改革；光纤光学；创新思维；能力培养

［基金项目］ 2020—2024年北京航空航天大学研究生核心课程建设项目“光纤光学”（4313037）

［作者简介］ 肖 文（1962—），男，陕西西安人，博士，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授，博士生导师，主要从事激光检测及光纤传感研究；潘 锋（1979—），男，广西桂林人，博士，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院副教授，博士生导师（通信作者），主要从事三维成像及相干检测研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）47-0161-04 ［收稿日期］ 2023-10-10

引言

2020年7月，习近平总书记强调，研究生教育在培养创新人才、提高创新能力、服务经济社会发展、推进国家治理体系和治理能力现代化方面具有重要作用［1］。研究生教育是知识经济时代国家创新体系的关键支柱，负责培养和输送高素质的创新型人才。

研究生的科研能力是多方面的，包括科学思维和创新能力、问题发现和解决能力、逻辑思维和实际操作技能［2-3］。其中，创新能力被视为科研能力的基石。它涉及利用现有知识和经验，通过加工和改造，产生新的知识、思想和方法的能力。因此，创新能力的培养成为研究生教育的核心焦点，不仅是研究生综合素质的一个重要方面，也是衡量研究生培养质量的关键指标［4-5］。

本研究以“光纤光学”课程为例，探讨了研究生专业课程教学改革和研究生科研能力培养。特别关注培养学生的创新意识，将科研创新性培养模式融入课程体系、教学方法和考核方式。通过深入分析了课程体系的构建、教学方法的创新和考核方式的优化，形成一个综合、协调并进的教学模式，不仅可以提升学生的创新能力和科研素质，也将为研究生专业课程教学的持续改革和发展提供有价值的参考和建议。

一、专业课教学的基础性与科研能力的培养

本科阶段的课程设置旨在强化学生的基础知识，课程涵盖了学科的核心概念、理论和方法。虽然在本科阶段已经建立了坚实的学科基础，但学生要能够独立进行科学研究，还需要进一步的学术和实践训练［6-7］。因此，研究生课程设计不仅注重理论知识的传授，也强调实践应用能力和问题解决能力的培养。在授课过程中，教师和学生之间的互动也显得尤为重要，教师可以引导学生深入探索学科问题，激发学生的学术兴趣和创新潜能。

“光纤光学”课程内容涵盖了光纤技术的基本原理和广泛应用，包括光纤的工作原理、性能特点、制造工艺以及在通信、医疗、军事等多个领域的实际应用。该课程通过理论与实践相结合的教学方法，帮助学生建立扎实、全面的光纤技术知识体系。该课程还将深入探讨新型光纤的技术特点和应用前景，根据市场和技术发展的最新趋势，分析新型光纤的技术创新和应用潜力，使学生了解光纤技术的最新成果和最新动态，掌握其在未来技术和产业发展中的关键作用。总之，本课程旨在通过全面、深入的教学，培养学生的光纤技术理论知识和实际应用能力，为他们在未来的学术研究和职业发展中奠定坚实基础。

二、专业课教学的基础性

本课程将深入探讨光纤的基本理论和实际应用。首先，讲解光纤的基础知识，包括光纤光学的基本概念、重要参数和主要特性。具体内容涵盖光纤的基本结构、分类、主要用途、拉制方法、重要参数（如数值孔径、相对折射率差和归一化频率）、光学特性（损耗和色散）和物理化学特性。其次，分析光波在光纤中的传输行为的基本理论和思路，主要是波动理论，通过求解麦克斯韦方程来分析电磁波的场分布，通常会简化方程或采用数值分析方法进行求解。再次，讲解光纤无源和有源器件的原理和应用，包括光纤耦合器、偏振器、滤波器、隔离器、光纤光栅、特种光纤、光纤激光器和光纤放大器等。然后，探讨光纤特征量的测量方法，包括衰减测量、基带测量、色散测量、截止波长测量、折射率分布测量、模场直径测量、数字孔径测量、高双折射率拍长测量和几何参数测量等。最后，深入探讨光纤技术在通信和传感领域的应用。

三、研究生科研能力的培养

（一）认知能力培养

在授课过程中讲解光纤技术的发展历史，让学生深入了解这一技术的演变过程和背后的研究背景。通过学习光纤技术的历史发展，使学生将更好地理解和欣赏前人的创新成果，从而为自身的学术探索和创新思维的培养奠定基础。光纤技术的发展历程充分展示了创新的重要性。

早在19世纪，人们就观察到了水柱导光的现象，这一日常现象激发了导光弯曲玻璃棒的创新想法。1966年，高琨发表了具有创新性的论文，深入探讨了光纤损耗的根源，并提出了可行的解决方案。他指出，只要能够提纯光纤材料，就能制造出适用于长距离通信的光纤。1970年，康宁公司根据高琨的理论，成功研发出损耗低于20 dB/km的光纤产品，标志着光纤通信技术的实用化。1975年，损耗进一步降低到0.16 dB/km的常规光纤正式面世，推动了光纤技术的广泛应用和快速发展。2009年，高琨因其对光纤技术的卓越贡献被授予诺贝尔物理学奖。

通过学习光纤技术的发展历程，学生能够深刻认识到创新在科技进步中的关键作用，培养对前人创新成果的尊重和理解，同时激发其自身的创新意识和探索精神。

（二）分析能力培养

在授课过程中，通过深入分析光纤技术的创新过程，引导学生学会换位思考和细致分析问题，帮助他们在吸收知识的同时，培养勤学多想的分析习惯。

以光纤设计问题为例，在课堂上提出一系列讨论问题，如“前人是如何解决的呢？”“如果我们面对这个问题，有没有更好解决方案？”……通过这样的互动讨论，引导学生深入思考和分析问题，锻炼了分析和解决问题的能力。另外，以PIN型光电二极管的创新改进为例，详细分析前人的创新思维和解决方案，通过增加一层本征半导体材料扩大了耗尽区，使得入射光充分照射在耗尽区内，同时其绝缘特性使得绝大部分二极管电压落在这一层，因而其内部场强非常强。通过这样的引导思考，使学生深入理解创新过程。

通过上述教学方法，学生能够更好地理解创新的前因后果，学会如何分析和解决实际问题，帮助学生养成创新思维，为未来的学术研究和技术创新奠定坚实基础。

（三）探索能力培养

通过课堂教学，在给学生传授专业知识的同时，激发他们的探索兴趣和创新能力，引导他们勇于探索新世界、发展新思维。为此，在课程教学环节中引入了一系列讨论环节。例如，在探讨高速光纤通信扩容的问题时，引入了开放式的讨论环节，学生自由地探讨限制通信容量的两个重要瓶颈问题，即色散问题和非线性问题。在讨论非线性四波混频问题时，引导学生积极思考色散如何影响四波混频的产生条件；在分析关于高功率脉冲传输的问题时，思考如何利用不同波长复用的脉冲在时间上进行交叉复用。

这样的讨论不仅使课堂气氛变得热烈，也锻炼了学生的科学思维和表达能力。讨论的重点不在于结果是否完美，而是学生的参与和思维的碰撞。通过这样的教学方式，学生的创新意识和能力将得到有效培养，为其未来的学术生涯和职业生涯奠定坚实的基础。

四、教学方式的调整与学生适应能力的提高

为了充分调动学生学习的主动性、增强学生认知、分析和探索能力，养成对知识思考分析并探索发展的思维习惯，在教学过程中融入了课题讨论、实物演示、应用举例和配套实验等教学环节。

（一）课堂教学中开展分组课题讨论

学生掌握了一定的基础知识后，需要进一步激发他们的学习积极性和探索精神。将课程知识点进行整合和分类，采用小组讨论的方式，让学生深入探讨与教学内容紧密相关的课题。每个小组在获得课题后，进行深入的调研，查阅和收集相关资料，然后进行概括、分析和总结，制订自己的课题研究方案。

在这个过程中，学生不仅要深入学习和理解课程知识，还需要学会如何进行学术研究，如何分析和解决实际问题。这不仅能够帮助他们更好地掌握知识，还能培养他们的独立思考能力和创新能力。各小组将自己的研究成果和内容整理成报告，并进行汇报和展示。这不仅是对他们研究成果的一次检验，也是一次锻炼他们公共演讲和交流能力的好机会。通过展示，学生有机会发表自己的观点，并与其他学生进行交流和讨论。

进一步，充分利用第二课堂，教授学生如何利用各种数据库和工具进行文献阅读和资料收集，帮助他们更高效地进行学术研究，培养他们的自学能力和独立研究能力。

（二）课堂教学中实物展示和软件演示相结合

在教学过程中，开展实物教学环节。帮助学生更直观、更具体地理解和掌握光纤技术的相关知识。在此过程中，教师会引导学生走进实验室，让他们亲自操作各种仪器设备，加深他们对这些设备的感性认识和理解。例如，在讲解光纤的相关内容时，将光纤光源引入课堂，让学生直观地看到光纤的工作原理和效果。在讲解光纤功率的内容时，将光功率计引进课堂，让学生能够亲自操作，加深学生对光纤功率的感性认识和理解。

在课堂建设中，设置演示环节。通过直接、生动的视觉效果，帮助学生更好地理解和掌握光纤技术的原理和公式。以光纤传感系统为例，在课堂上演示探测结果，让学生直观地了解光纤传感系统的工作效果和应用价值。对于一些结构复杂、不便于在课堂上直接演示的内容，利用网络资源和实验演示视频进行展示。这不仅能够帮助学生更好地理解和掌握复杂的光纤技术，也能激发他们的学习兴趣和探索欲望。

进一步，介绍虚拟仪器技术在光纤传感方面的应用。特别是在复杂调制信号解调方面，基于Labview软件平台的虚拟仪器能够对采集信号进行有效的滤波和降噪处理，帮助学生更好地理解和掌握光纤传感技术的相关知识。通过这些丰富多样的教学方法和手段，帮助学生建立起完整、系统的光纤技术知识体系，培养他们的实践技能和创新能力。

（三）课程教学中引入配套实验

在课程教学中，理论与实践的紧密结合是提升学生学习效果的关键环节。由此，设计了一系列实验，让学生通过亲手操作，直观地理解和掌握光纤光学的基本概念和技术。

实验课程内容包括：（1）光纤传感技术实验。学生将学习如何利用光纤进行精确的测量和检测，包括温度、压力和其他物理参数的测量，从而理解光纤传感技术在现代工业和科学研究中的广泛应用。（2）光纤通信系统设计实验。学生将设计自己的光纤通信系统，包括光纤的选择、光源和检测器的配置，以及系统性能的评估和优化。（3）光纤网络技术实验。学生将深入了解光纤在现代通信网络中的应用，包括光纤到户（FTTH）和数据中心网络的设计和实施。

引入更多的实战项目和案例分析，让学生将理论知识应用到实际问题的解决中，鼓励学生参与到真实的科研和工程项目中，与企业和研究机构合作，解决实际的技术和工程问题。通过这种综合、多元的教学方法，学生能够更全面、更深入地学习和掌握光纤光学的知识，培养他们的实践技能和创新能力。

五、考核方式与科研能力提升的关系与尝试

在课程的考核中，多元化、综合性的评估体系是必要的，其目的是确保学生不仅掌握理论知识，还能将这些知识应用于实践中。为此，设计了一个综合的考核体系，包括以下几个方面：（1）理论考试。评估学生对光纤光学理论知识的掌握程度。考试题目类型包括选择题、填空题、计算题和论述题，检验学生的理论知识和分析能力。（2）实验技能考核。学生将在实验室中完成一系列实验任务，根据他们的操作技能、实验报告和创新能力进行评估。（3）课程项目。学生分组完成一个小型的课程项目，可以是一个实验、一个研究报告或一个设计任务。由此评估他们的分析和解决问题的能力。（4）课堂参与。鼓励学生积极参与课堂讨论，提出问题和分享自己的观点。根据他们的参与度和贡献进行评估。（5）口头报告。学生定期做口头报告，分享他们的学习成果和研究成果。以此评估他们的表达、沟通和演讲技能。