汪之國，吳素勇，毛宏軍，樊振方，譚中奇

(國防科學技術(shù)大學，湖南長沙 410073)

我國已是世界上高等工程教育規(guī)模最大的國家，但與黨和國家提出的建設創(chuàng)新型國家的目標和走中國特色新型工業(yè)化道路的戰(zhàn)略的要求相比，工程教育質(zhì)量還有待提高［1］。在此背景下，教育部于2010年啟動了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，其中一個重要內(nèi)容就是強化培養(yǎng)學生的工程能力和創(chuàng)新能力［2］。實驗課程作為聯(lián)系理論與實踐的橋梁，是培養(yǎng)學生工程能力和創(chuàng)新能力的重要途徑和基礎環(huán)節(jié)，而當前實驗課程教學還存在不少問題，例如［3］:(1)形式上，驗證性和演示性實驗多，創(chuàng)新性實驗少，綜合性不夠;(2)教師缺乏工程背景和實踐能力。為了滿足我校光學工程一級學科人才培養(yǎng)的需要，針對通常實驗課程教學中存在的各種問題，我院投入大量人力物力建設了《高等光電技術(shù)實驗》課程［4］。根據(jù)過去三年的教學實踐，從實驗內(nèi)容、教學方法、教師隊伍建設等方面進行了改進，使之能夠較好地適應工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要。本文以其中的“激光陀螺技術(shù)”模塊為例進行介紹。

1 實驗內(nèi)容設計

“激光陀螺技術(shù)”模塊按綜合性實驗進行設計，內(nèi)容涵蓋了激光陀螺原理、環(huán)形激光器搭建、信號處理、誤差分析和基本應用。首先，利用反射鏡、氣體放電管等光學元件搭建出一臺環(huán)形激光器，然后用光電探測器、放大電路和信號處理電路來獲取環(huán)形激光器所敏感的角速度信息，完成原理樣機的搭建。最后對激光陀螺原理樣機的比例因子進行標定，并用來測量電動轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的角度［5］。針對工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要，在內(nèi)容設計上著重考慮了如下兩個方面:

1.1 注重學科交叉和知識的有機融合

工程教育的特點之一是綜合性［6］，即一個工程涉及到多個專業(yè)或?qū)W科，因此在實驗內(nèi)容設計時也盡量將相關(guān)學科的知識有機地、符合邏輯地融合在一起?！凹す馔勇菁夹g(shù)”模塊涉及到力學中的角動量守恒定律和牛頓運動定律，電子線路基礎中的三極管和滯回比較器，激光原理中自再現(xiàn)、激光模式、激光器實現(xiàn)條件、注入鎖定，數(shù)字信號處理中采樣、放大、濾波，光學測量中干涉，傳感器的輸入輸出特性等多個專業(yè)的原理和概念。通過將這些原理和概念有機地穿插在整個實驗過程中，促進了學生對所學理論知識的深入理解和綜合把握。

2 設置創(chuàng)新性實驗內(nèi)容

一般實驗課為演示型或驗證型，觀察到與理論預期一致的現(xiàn)象即可完成實驗，這盡管對增強學生對知識的理解以及鍛煉動手能力已經(jīng)足夠，但體現(xiàn)不出創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為此，在實驗中增加了若干“關(guān)卡”，增大了對工程能力和創(chuàng)新性的要求，如果學生不能夠提出創(chuàng)造性的解決方案將無法獲得正確的數(shù)據(jù)，因而也就無法完成實驗。

例如在信號中特意混入了幅度非常大的共模噪聲，使信噪比大大降低，導致用常規(guī)方法無法得到正確的信息和數(shù)據(jù)。為了解決該問題，學生首先應掌握信噪比的概念，并在光束合光時盡可能使光能得到充分利用以使信號幅度調(diào)到最大。然后一步一步探究噪聲源、分析噪聲的特征，找到共模噪聲的特點，然后采用差分的方法抑制共模噪聲。最后利用滯回比較器將正弦波轉(zhuǎn)換為方波來進一步減小噪聲的干擾。增大信號幅度、抑制共模噪聲和滯回比較必須同時采用才能夠獲得正確的數(shù)據(jù)，這3點既考察了學生對所學知識的掌握程度，也鍛煉了創(chuàng)造性解決實際問題的能力。

3 教學方法與手段

3.1 研究式和啟發(fā)式教學

對每個實驗模塊，每2～3個學生為一組并配一個指導教師進行實驗，這就提供了非常好的互動機會，同時實驗課本身也特別適合進行研究式和啟發(fā)式教學。因此，的實驗課教學是以研究式為主導，在中間的關(guān)鍵點上穿插啟發(fā)式提問，并重視學生的獨立性和主動性，強調(diào)師生之間的互動。

研究式教學是提高學生創(chuàng)新能力的重要方法。通過實驗內(nèi)容的改進，整個實驗模塊相當于一個小型科研項目。實驗開始時給學生提供各個光學元器件和測試儀器，由學生自己研究怎么搭建一臺激光陀螺樣機，并利用它測出載體任意的轉(zhuǎn)角，其中轉(zhuǎn)角大小由教師任意給定以便考核樣機的測量精度。在實驗過程中，學生根據(jù)實驗原理獨立地開展實驗，并解決若干小問題。在關(guān)鍵步驟或涉及關(guān)鍵概念處，教師會進行啟發(fā)式提問，來進一步強化學生對基本知識或原理的掌握。例如激光諧振腔調(diào)整時，就會對激光自再現(xiàn)原理和激光器三大基本構(gòu)成進行提問;在光合束干涉時，會對雙光束干涉的條件進行提問，并讓學生去分析兩束任意光束合束至少所需的反射鏡和分束鏡的調(diào)節(jié)維度。

3.2 實驗習慣的培養(yǎng)

良好的實驗習慣在科研和工程實踐中非常重要，在這方面加強了規(guī)范和教育。實驗習慣涉及到安全性、實驗操作和數(shù)據(jù)記錄規(guī)范性。在實驗開始前，首先進行安全教育，對用電安全、激光防護、儀器儀表愛護、化學試劑安全等進行詳細的講解，使學生建立安全意識并在實踐中嚴格遵守。在實驗過程中，對操作不規(guī)范之處及時指出，例如激光反射鏡是激光器的核心器件，如果發(fā)現(xiàn)學生拿紙片緊貼在激光反射鏡前判斷光束方向，這時就要及時制止并就激光反射鏡的重要性以及保護知識進行啟發(fā)式提問。對實驗過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象或數(shù)據(jù)，引導學生根據(jù)科學規(guī)范來及時記錄。

3.3 考核手段

實驗課程的目標是培養(yǎng)學生的工程創(chuàng)新能力，因此采用如下三個手段:考核手段一是在實驗過程中涉及到關(guān)鍵知識點時進行口試，即問即答完全體現(xiàn)了學生對基礎知識的掌握和對問題的認識，這部分成績占15%;考核手段二針對操作能力和解決問題的實踐能力，這部分成績占45%;考核手段三是傳統(tǒng)的實驗報告，主要考察對結(jié)果進行分析和解釋的能力，占40%。

4 結(jié)合本學院的工程研究優(yōu)勢

本學院激光陀螺研究所是國內(nèi)領先的激光陀螺研制和生產(chǎn)單位，在工程研究方面具有深厚的歷史積淀，可為“激光陀螺技術(shù)”實驗模塊的建設提供良好的支持，主要體現(xiàn)在培養(yǎng)授課教師的工程實踐能力和建設開放式的教學體系。

4.1 提高教師的工程實踐背景

為了培養(yǎng)學生的工程素質(zhì)，教師應首先保證自己具備良好的工程素質(zhì)和實踐能力。只有這樣，教師才能在教學中發(fā)揮主導作用，才能更好地將學生引導到工程實踐中去。但實際上，教師學歷高但缺乏工程背景和實踐經(jīng)驗是我國高等工程教育的一大問題，因此提高教師隊伍的工程實踐能力是高等工程教育改革的一項重要內(nèi)容［7］。為此，非常關(guān)注教師的工程背景和實踐經(jīng)驗，并依托本單位的激光陀螺研制和生產(chǎn)基地，安排教師親自參與到激光陀螺科研和生產(chǎn)第一線去學習，從而提高了教師自身的工程實踐能力?！陡叩裙怆娂夹g(shù)實驗》實驗模塊共有9個，其中絕大部分教師都有豐富的工程實踐能力，曾經(jīng)或正在參與到激光陀螺或慣性導航系統(tǒng)的研制和生產(chǎn)。

4.2 構(gòu)建開放式實驗教學體系

讓學生真正進入到工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境是提升學生工程實踐效能的重要環(huán)節(jié)［8］，因此依托本院激光陀螺研究所的“學生創(chuàng)新研究基地”，將“激光陀螺技術(shù)”模塊的實驗內(nèi)容進一步擴展到工業(yè)生產(chǎn)和科研中?！皩W生創(chuàng)新研究基地”提供了多種激光陀螺以及基于激光陀螺的慣導系統(tǒng)等裝置，學生在這里可以對激光陀螺涉及的多種技術(shù)和激光陀螺典型應用等開展深入研究。這種開放的實驗教學體系可以達到增加學生的興趣、拓展學生的知識面的目的:通過了解激光陀螺在多種領域的重要應用，學生對實驗課程的學習熱情將會大大激發(fā);通過了解激光陀螺慣導系統(tǒng)的原理，對激光陀螺本身也會具有更深入的認識。進一步地，有興趣的學生還可在“學生創(chuàng)新研究基地”中對激光陀螺工程研制和生產(chǎn)中涉及的問題進行研究，從而更好地進行工程創(chuàng)新能力的訓練。

5 結(jié) 論

針對我國工程教育中普遍存在的自主創(chuàng)新環(huán)節(jié)不多、學生實踐能力偏弱、教師工程背景不足、教學偏學術(shù)化等問題，對實驗課程進行了改革。實踐表明，經(jīng)過本實驗課程的學習訓練，學生既掌握了基本原理、又鍛煉了動手操作能力，還培養(yǎng)了綜合利用所學知識去創(chuàng)造性地解決問題的科研素養(yǎng)，基本達到了通過實驗教學培養(yǎng)工程創(chuàng)新能力的目標。

［1］張學洪，王文，徐建平.新時期高等工程教育改革的對策［J］.高等工程教育研究，2012(3):53-56.

［2］教育部啟動實施＂卓越工程師教育培養(yǎng)計劃＂［J］.中國大學教學，2010(7):4-5.

［3］馬麗霞，屈曉陽，顧勇飛.創(chuàng)新型實驗教學體系的構(gòu)建［J］.中國大學教學，2010(10):67-69.

［4］譚中奇，姜廣文，謝文科，等.淺談研究生課程《高等光電技術(shù)實驗》的教學體會［J］.高等教育研究學報，2012，35(1):68-70.

［5］汪之國，施建華，張斌，等.環(huán)形激光器用于角速度測量的實驗研究［J］.物理實驗，2013，33(2):25-28.

［6］朱高峰.工程教育中的幾個理念問題［J］.高等工程教育研究，2011(1):1-5.

［7］張學洪，王文，徐建平.新時期高等工程教育改革的對策［J］.高等工程教育研究，2012(3):53-56.

［8］董發(fā)勤，彭煜，晏斌，等.建構(gòu)開放式實踐教學體系強化學生實踐和創(chuàng)新能力［J］.中國大學教學，2011(10):67-69.

［9］冷雪松，王艷東，姜麗娜，等.基于卓越工程師培養(yǎng)計劃的大學物理實驗教學改革［J］.大學物理實驗，2012(1).