数字化背景下的“光电子技术及器件”课程教学改革探索

收稿日期：2023-09-19                                                          修回日期：2023-11-25

作者简介：后爱强，男，博士研究生，研究方向为原子与分子的第一性原理计算、微纳光学；杨永佳，女，副教授，硕士生导师，研究方向为光电探测器应用、光电子课程教学；周自刚，男，院长，教授，博士生导师，研究方向为光通信芯片集成、微纳光子学、微波光子学、教育教学理论。

摘    要：文章探讨了在数字化背景下应用文献案例同伴教学法（Literature Case Peer Instruction，LCPI）对提升光电信息科学与工程专业（以下简称“光电专业”）学生在“光电子技术及器件”课程中的学习效果和学习动力的作用。同时，以2021级光电专业学生为例，进行试验设计和实施，通过将数字化过程应用到教学全过程，使用数字化教学跟踪每个学生的表现，比较LCPI和传统讲授法（Traditional Lecture，TL）的教学效果。结果显示，LCPI能够促进学生交流合作，培养创新能力，提高课程成绩。此外，通过问卷调查可知，学生对LCPI的认可度较高，认为其能够激发学习兴趣，增强学习动力。

关键词：文献案例同伴教学法；数字化教育；光电工程；学习效果；创新能力

中图分类号：G642      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2024）02-0061-04

一、引言

随着信息技术的飞速发展和广泛应用，高等教育正经历着数字化转型的巨大变革。在这个背景下，“光电子技术及器件”课程的教学模式也面临新的机遇和挑战。

2022年，全国教育工作会议提出了深化新时代教育改革和实施教育教学数字化战略行动的重要任务，将数字化技术应用于人才培养全过程能够推动教育的高质量发展。教育数字化是将信息技术和教育相结合的教育模式，随着通信技术、人工智能、大数据、云计算及物联网技术的日益普及，其正在以前所未有的方式深刻地影响着人们的生活和学习[1]。特别是高等教育进入普及化阶段，对学生的信息掌握已经成为一个主要的问题。在此背景下，将数字化应用到教学全过程，在“五步”教学流程的基础上应用文献案例同伴教学法，有利于提高课堂的教学质量。文章主要介绍文献案例同伴教学法的实施过程和相关的教学探索。案例同伴教学法（Peer Instruction，PI）是一种有效的教学策略，国内学者通过案例分析和讨论的方式发现，案例同伴教学法能有效促进学生的深度学习和思维能力[2]。国外研究也证明了案例同伴教学法的积极作用，能够帮助学生更好地理解和掌握知识，激发学习兴趣和动力[3-5]。

二、文献案例同伴教学法

（一）概念

LCPI是一种以参考文献作为课堂研讨案例的教学方法，采用师生平等合作探究的教学班制形式。该方法精选与课程知识点匹配的参考文献资料，并设计综合测试题，旨在阐释学生难以掌握的专业术语并引导学生进行深入探究。同时，借助手机端等应答交互系统，引导学生参与教学过程，促进专业术语的自主学习和合作探究，形成一种学生自主学习、合作学习，生生互动和师生互动的教学模式。

（二）内涵

文献：主要包括期刊论文、学位论文、会议论文、专利、图书、产品标准、质量报告、竞赛作品和科技项目等。这些文献体现了知识点的专深性、实践性、探索性和创新性。

案例：教师提前选定适合课堂讨论的文献案例，要求学生结合慕课、课件等进行自主学习。这些案例作为课堂讨论的起点和参考，扩大了学生的知识面，拓宽了学生的视野，培养了学生综合运用多方面学科知识解决实际问题的能力。

同伴：同伴合作是文献案例同伴教学法的重要特点之一。它体现了师生之间和生生之间的平等协作和共同进步的关系，符合学生中心教育理念。通过LCPI，学生不再被动接受知识，而是积极参与教学活动，成为问题探究和解决的主体。

（三）特点

情境教学：LCPI将学习过程与学习环境相结合，创造真实、现实和有意义的情境。通过引入具有真实性和意义性的文献案例，增强学生的学习兴趣和积极性。

社会建构主义学习：LCPI符合社会建构主义学习理论，认为学习是一种社会交往活动。同伴合作和交流是

LCPI重要特点之一，即学生通过与他人的交流和互动获取知识、经验和技能，共同解决问题，相互学习和提升。

自主学习和合作学习：LCPI注重培养学生的自主学习能力和合作学习能力。学生通过独立阅读和分析参考文献案例，自主思考和提出问题，并在同伴合作中共同探讨和解决问题，培养了自主学习和合作学习能力。

三、“五步”教学流程

在“光电子技术及器件”课程教学过程中，教师采用“五步”教学流程进行教学，该流程主要包括：储备测试、第一阶段教学、半期成果检测、第二阶段教学和成果检验

（图1）。学生通过单选题测试基础知识和学习动力流程。教师采用LCPI引导学生参与讨论，注重学生边学边做，并进行教学总结和反思；同时，通过形成性和终结性评价，评估学生达成学习目标和课程目标的情况，旨在提高学生的学习效率和解决复杂问题的能力。以下对“五步”教学流程进行详述。

第一步：基础知识储备、学习动力和学习效率摸底测试。遵循最邻近发展区理论，通过50道与本课程相关的基础知识单选题，教师基本掌握每个学生对该课程所具备的基础知识、学习动力、学习效率和情绪心理，是否可以克服学习困难，并在规定时间内完成学习任务，以此作为课堂教学的基本依据。

第二步：第一阶段的课前、课堂和课后教学。遵循泰勒原理，按照建构主义和B. S.布卢姆（B. S. Bloom）相关学习理论，采用LCPI，根据学生学习基础和学习动力分组并讨论，围绕各知识点和工程原理积极调动学生参与。

第三步：半期成果产出检测，教学总结反思和持续改进。遵循最邻近发展区理论，发布5种题型共40道题，检验每个学生学习后的基础知识储备、兴趣、态度和心理的变化情况，尤其是知识储备的增量、学习内驱力的动量和学习效率的变量，以便及时调整教与学的方式和方法。

第四步：第二阶段的课前、课堂和课后教学。遵循泰勒原理，按照建构主义和B. S.布卢姆相关学习理论，采用LCPI，根据半期学生学习进步情况个性化调整同伴分组和讨论，按照每个学生进步情况，围绕课程涉及的实际科学、工程和技术问题，提高学生解决复杂工程问题的能力。

第五步：成果产出检验，教学总结反思和持续改进。遵循最邻近发展区理论，按照课程目标要求，通过终结性评价（发布5种题型共35道题）和形成性评价（课后作业、自主学习、期中测试、应答互动、课外实践），统计、总结、分析和评价每个学生的学习目标和课程目标达成情况，并进行教学反思和持续改进。

四、课程实践

（一）试验设计

文章旨在比较在光电专业“光电子技术及器件”基础课程中使用LCPI和TL的教学效果。试验对象为2021级光电专业学生。试验班采用LCPI，对照班使用TL。两个班级的学生在课程开始前进行基础摸底测试，以便确定各班级学生的光电基础知识水平。在12周的教学周期内，每周进行4节课的教学。试验结束后，对两个班级的学生的考试成绩和学习问卷进行分析，以比较LCPI与TL的教学效果。

（二）试验过程

1.试验班

试验班的课程实施过程按照LCPI的授课流程，具体实施过程如图2所示。整个教学环节可以用7个字进行简要概括，即测、研、答、讲、辩、导、结。

测：在课程开始前，进行课前自学检测，评估学生对课前发布资料的学习情况。

研：同伴研讨相关参考文献资料，产生共鸣，为课堂讨论做准备。

答：在同伴研讨的基础上，进行第二次独立应答。

讲：同伴之间进行分享，展开理由分析讲解。

辩：在整个班级范围内进行异同观点争辩，让争辩的氛围充满整个课堂，使学生的想法能够得到充分交流和展示。

导：教师根据学生的答题、交流情况进行讲解和补

充，鼓励学生自主学习和参与课程讨论。

结：综合学习成果和评价体系，评估学生的整体效果，对课堂要点内容进行总结，构建师生学习共同体。

2.对照班

对照班采用TL。在课前学生阅读相关讲义，课堂上主要由教师进行定理演示和解决课本上的问题。学生可以自主决定是否寻求助教的帮助，以解决课后作业中的问题。

（三）结果及讨论

试验结束后，教师对两个班级的学生的基础摸底测试情况、考试成绩和学习问卷进行统计分析，比较LCPI与TL的教学效果。

为了确定学生在光电知识方面的基础水平，教师在开学前进行了一项基础性摸底测试。该测试包括50道单选题，涵盖了“光电子技术及器件”课程的基本概念，包括光辐射与激光原理、光束的传播、光束的调制、光的探测技术、光的成像技术及光显示技术。

考试在课程结束时进行，题型包括选择题、填空题、判断题、简答题及非标准题，覆盖了学期内所学的全部内容。

1.课程评价

课程评价采用综合性的评估体系，旨在全面衡量“光电子技术及器件”课程中LCPI的教学效果。评价内容包含传统的知识学习成绩评估，同时引入了对学生思辨能力和科技创新能力的考核，以全面评价学生的综合能力和实践能力。

（1）诊断性测试。研究发现，试验班有90%的学生参加了摸底测试，对照班测试率为100%。结果表明，两个班级学生的基础水平没有明显差异（图3）。如果将错误和空白都归为错误的话，则试验班和对照班的错误率都明显高于正确率，试验班错误率为67.31%，对照班为69.81%，表明两个班级学生的先验知识水平相对较低，基础知识水平较为一致（图4）。因此，课程开始时增加对基本概念的复习，并将其与后续更复杂的概念联系起来，旨在解决学生对基础光电概念理解不清的问题。

（2）考试成绩。数据显示，试验班学生在期末考试中的表现均优于对照班学生（表1）。特别是在期末考试中，试验班学生表现更出色，表明LCPI对学生掌握光电子技术的基本概念的作用大于TL。综合考试结果表明，LCPI有效提升了学生对光电子技术基础知识的理解能力。值得注意的是，两个班级学生的期末考试得分率都高于期初摸底考试的得分率，符合课程初期的目标。此外，试验班有17%的学生未通过课程考试，而对照班有24%的学生未通过课程考试，这说明LCPI有助于降低不及格率。

（3）学生思辨能力评估。教师通过在课堂上引入辩论课和问答课的形式，培养学生的思辨能力和批判性思维。试验班学生分小组展开辩论，运用逻辑思维和说服能力支持观点，理解回应其他小组的论证，展示团队合作能力。教师通过记录试验班和对照班学生在辩论课和问答课上的表现，评估其论证逻辑、说服力和团队合作水平。结果表明，试验班学生更积极主动、逻辑思维和辩论技巧更出色，这表明LCPI在提升学生思辨能力方面具有优势。