新工科背景下“工程光学及光电检测”课程教学的改革探索

［摘 要］ 新工科建设是服务于国家战略，为培养引领未来技术和产业发展的科技人才而提出的重要学科建设举措。针对“工程光学及光电检测”课程的特点及存在的问题，以学生为中心，从教学内容、教学模式和实验教学三个方面进行了改革探索。通过优化和整合教学内容，帮助学生建构知识体系；通过以工程问题为导向的教学模式的改革，提高学生的工程能力；通过开展多维度、多层次的实践教学，培养学生的实践创新能力，以适应新工科教育理念对我国高校人才培养提出的新要求。

［关键词］ 新工科；工程光学；光电检测；教学改革

［基金项目］ 2019年度中国地质大学（武汉）教学改革项目“新工科背景下‘工程光学及光电检测’课程教学探索与实践”（2019A46）；2019年度第二批产学合作协同育人项目“新工科背景下校企协同‘工程光学及光电检测’课程教学改革”（201902282012）

［作者简介］ 莫文琴（1978—），女，湖北武汉人，博士，中国地质大学（武汉）自动化学院副教授，主要从事光电探测和光纤传感研究；宋俊磊（1980—），男，河南许昌人，博士，中国地质大学（武汉）自动化学院副教授，主要从事智能地学仪器、微弱信号检测、新型传感器研制研究；晋 芳（1978—），女，湖北武汉人，博士，中国地质大学（武汉）自动化学院副教授，主要从事微弱地磁传感器研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）21-0067-04 ［收稿日期］ 2022-09-06

引言

新工科是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国工程教育改革方向。新一轮科技和产业的发展依靠工程教育提供人才支撑，两者联系紧密，相互支撑。因此新工科对人才培养的目标提出了新的要求：学习能力强、工程实践能力强、创新能力强，具备学科交叉融合的特征［1］。

在新工科环境背景下，为提升学生的学习能力和工程实践能力，国内很多高校对“光电检测技术”课程做了一系列探索，比如天津大学提出了科研式实验教学模式以提高学生的研究能力和工程实践能力［2］；电子科技大学以“引导式讨论”和“方案答辩”教学方式让学生成为课堂主角，充分调动学生的学习积极性［3］；广州大学以激发学生学习兴趣和培养学生主动性为出发点进行课程教学方法的改革［4］等。上述各高校的改革措施均以学生为中心，以目标和问题为导向，通过新的理念、新的途径和新的要求推动工程教育改革的步伐。因此，为了适应新技术、新产业和新经济发展的需求，培养实践创新能力强、具备竞争力的高素质复合型新工科人才，我们对“工程光学及光电检测”课程的教学内容、教学方法、实验环节等进行了改革。

一、课程教学存在的主要问题

我校在一流本科建设中对各专业本科人才的培养方案进行了修订，因此测控技术及仪器专业也对传统课程体系进行了有效的整合和推陈出新。结合仪器专业教学质量国家标准和学校专业基础，“工程光学及光电检测技术”课程在原有光电检测技术的基础上增加了工程光学的基本内容，课时仅有48学时，包括课堂教学40学时和实验教学8学时，因此课程内容繁多与课时有限之间的矛盾给教学的有效实施提出了难题。目前“工程光学及光电检测”课程在教学上存在以下问题。

（一）课程内容涵盖知识点多而零散，章节关联度不足

“工程光学及光电检测”是一门重要的专业必修课，综合了工程光学、光电子技术、模拟电路等学科内容，具有综合性、实践性和学科交叉性等特点，同时说明了该课程涵盖了工程光学和光电检测技术两部分内容的重要知识点。由于工程光学自身具有较强的学科系统性和完整性［5］，导致与光电检测技术关联度不足，学生在学习过程中容易产生知识的割裂感，不利于提升其知识应用能力。另外，无论是工程光学还是光电检测的教材，通常只总结了知识体系中的重要概念和思想，对背后的问题、观点以及思想的发展都进行了简化处理，而这些是学生想要达到深刻理解所必须了解的。

（二）课程理论性太强，教学方式难以体现“以学生为中心”

工程光学教学内容涉及大量的理论分析和公式推导，一方面理论性太强、概念太抽象，学生普遍感觉难以理解；另一方面其在工程实践中的应用扩展不足，不利于培养学生的工程实践能力。原有的教学方式主要以课堂讲授为主，这种点到为止的“灌输式”教学不能让学生完成深度的理解。当学生对课程的概念还模糊时，再学习课程的其他内容是非常抽象和困难的［6］。通过这种方式来学习，学生接受的只是众多繁杂的观点，不需要积极主动地探究，也不需要参与课堂交流和讨论，从而导致学习积极性不强，学习效果不佳。

（三）实验教学模式陈旧，内容缺乏创新性

实验教学是培养学生动手和创新能力的重要途径，对人才培养起到了决定性作用。从实验教学模式来说，由于传统教学理念和实验条件的限制，实验教学主要以现场实际操作为主，一般通过分组的形式组织实验，指导教师在现场无法监督到每一位学生，因此难免会出现个别学生没有真正动手进行操作的现象。此外，由于几何光学实验中有复杂光路的搭建和调节，学生需要反复调节和不断观察才能获得较好的实验结果，而受课时的限制，大部分学生常常浅尝辄止，并没有入脑入心，导致实验效果不佳。从实验内容来说，主要以基础性和验证性实验为主，缺乏创新性设计实验，实践环节不能贴近工程的实际问题，不利于培养学生的分析和工程实践能力。

二、课程教学的改革探索

针对课程教学中存在的问题，基于新工科教育理念进行课程教学的实践探索，对教学内容、教学模式和实践环节三个方面进行了改革创新。在教学过程中更加注重以学生为中心，系统构建知识体系，拓展知识的深度，以工程问题为导向开展教学设计，打造多维度、多层次的实践教学。

（一）运用思维导图构建课程体系、拓展知识深度

教材可以协助教师完成教学目标，是保证教学质量的重要因素。优化教学内容首先要对教材内容进行梳理和整合，以增强知识点之间的逻辑性。通过对主流教材的调研和比较，我们选用了普通高等教育国家级规划教材《工程光学基础教程》和《光电测试技术》，但是这两本教材中的部分内容有重合，因此遵从夯实基础和突出应用的原则对教材内容进行了合理取舍。比如，几何光学中的《光度学》章节涵盖了光电检测技术中的光学基础内容，而这部分与光电检测后续内容没有直接关联。另外，物理光学中《光的干涉》章节是光电检测中相干信号变换和检测的基础知识，如果将这部分内容调整到光电检测部分，在介绍光的干涉原理后，顺其自然地引出相干检测的方法，会更容易让学生接受和理解。同时，在课程讲授时将典型光学系统的内容糅合进光电检测系统中，把物理光学中的理论和实际光电检测设计结合起来，增加两者之间的联系。

课程内容的讲述一般按照课本上的章节展开，由于各章节之间独立存在，因此在讲授时会特意跟学生说明各章节之间的逻辑关系，但是在课程体系的呈现上还是不够清晰和明确。为此，我们通过思维导图来构建本课程的知识体系，将散乱的知识点进行整合，标注出各知识点之间的脉络关系；将光电检测方法与相关的光学知识点进行关联，增强光学理论和光电检测技术之间的联系，从单向的知识点发展为网状的知识体系［6］。此外，各章节导图分支出相关文献资料和网络资源，对知识点进行扩展，以补充教材内容中隐藏的学术观点和技术发展历史，让学生了解知识的探究过程，从而达到对教材内容的深刻理解。在每章学习之前，我们会给出思维导图的主分支，让学生对这部分内容有所了解；而在章节结束后，会利用思维导图对全部内容进行复盘，帮助学生深度思考和理解，完成知识点的内化。

（二）探索以工程问题为导向的教学模式

根据新工科的概念，通过课程的学习帮助学生建立系统工程的思路，提高工程创新能力，因此探索以工程问题为导向的教学模式是十分有必要的。我们在教学过程中，以校企合作单位的产品实例为切入点，向学生提出功能需求，学生作为任务的执行者完成任务分解、资料查阅、方案制订以及课堂讨论。这种以工程问题为导向的教学模式把所学的各个学科的知识整合到一个系统中。在整个过程中，教师主要起到组织和引导的作用，其中最关键的是把握合适的时机切入重要的知识点和核心技术，其具体实践步骤如图1所示。以光电位置探测器PSD为例，具体操作如下。

1.问题提出。在学生学习了光电位置探测器PSD的工作原理后，教师介绍其在目标追踪和激光准直检测中的应用，并针对该应用场景提出激光光斑位置检测的设计任务。

2.问题分析。各组学生按照任务要求在期刊网上查询相关文献，分别对检测系统的研究现状、主要结构和器件、关键技术等内容进行了调研。

3.方案制订。学生根据调研的内容进行了分析和思考，确定了设计方案。

4.方案展示。学生对设计方案进行了展示，并开展课堂讨论。

最后一个过程特别重要，因为需要教师在各组展示设计方案后，能够根据各组的方案特点进行正确的点评并提出启发式问题。比如：有的小组会选取四象限探测器来完成光斑定位，那么教师可以提出“四象限探测器相较于其他位置探测器有哪些区别？”或“四象限探测器的主要性能有哪些？”等问题。我们知道很多知识其实是反复试验、探究和论证的结果，如果教师只是单纯去讲授书本上的知识点，那么学生会认为知识点就在书上，去学就可以了，然而这并不能加深学生的理解。通过这种提问，引发学生深度思考，激励学生深入挖掘，使整个探究中的问题变得越来越清晰，学生对各种光电器件性能的理解也越来越深刻。同时，教师可以引导其他组的学生参与提问和讨论，逐步建立和发展学生思考与质疑的能力。

（三）设计多维度、多层次实践教学过程

教学过程是经过一系列有序的认识活动而不断获得认知，并不断深化和完善的过程［7］。那么在实践教学中，我们从课前预习、虚拟仿真和实际操作三个维度来设计实践教学（见图2），帮助学生不断加深学习体验，从而揭示实践教学核心内容的含义。

光学实验需要学生自行搭建光路，而每个实验包含的光学元件较多，由于学生不熟悉光学元件，所以在实验过程中常常没有头绪，手忙脚乱，浪费很多时间。实验前，教师会提供实验说明和操作视频让学生提前预习，帮助他们掌握实验原理，认识光学元件，对实验过程有一个清晰的认识，从而在实验中能够更快聚焦到光学操作上。

通过校企合作单位所提供的虚拟仿真平台，为学生提供了沉浸式、交互式的实验体验。在前期预习的基础上，学生通过线上虚拟仿真平台完成光电器件的选择和检测电路的搭建，能够获得接近现实的实验感受。学生可以在线上反复进行操作，对课堂中讲述的观点进行验证，不用担心操作失误而损坏实验元件。尤其是工程光学实验涉及复杂的光路调节，在实际操作中学生需要反复调节和不断观察才能获得较好的实验结果，实际所需的时间远远超过了实践教学课时。因此，学生对器件特性的熟悉程度和操作的熟练程度对高效完成实验尤为重要，通过线上虚拟平台可以大大节省实验时间，也从一定程度上弥补了无法在线下做实验的不足。

除了多维度地设计实验过程外，我们还根据新工科建设要求的创新能力，探讨了开放性、多层次的实践教学体系，我们引进武汉光驰的光电创新实验仪和工程光学综合实验系统开设基础性、设计性和创新性实验。基础性实验包括传统光学实验，比如显微镜系统、望远镜系统和投影系统的搭建；光电探测器的光电、伏安、灵敏度等特性实验。设计性实验包括光电报警、光电耦合里程表以及光纤位移测量系统设计等。基础性实验能进一步帮助学生掌握几何光学和光电检测的基本知识与概念，设计性实验则培养学生运用现有的理论知识和实验技能独立设计光电检测系统的能力。同时，为了满足部分学生对自身能力提升的需求，可以开放光电实验室和相关实验设备。学生可以自主选题或者根据现有实验设备拟定题目，并在专业教师的指导下通过课外拓展实验、创新创业或实验室开放基金等方式开展实验项目的研究。