何友武， 李志芳，邱怡申， 李 暉

(福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院，福州 350007)

基于光信息綜合實驗的小微課題式科研教學(xué)探索

何友武， 李志芳，邱怡申， 李 暉

(福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院，福州 350007)

立足“光電信息科學(xué)與工程”專業(yè)特點，為加強(qiáng)學(xué)生對光電學(xué)科知識融合的綜合素質(zhì)，提出基于光信息綜合實驗的以小微課題為載體的方式進(jìn)行初步科研教學(xué)。采取開放式設(shè)計思路讓學(xué)生自行研究各種方案達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，教師把握課題的選擇，在課題實施過程中進(jìn)行質(zhì)量控制。通過上述課題式設(shè)計性實驗的學(xué)習(xí)和鍛煉，學(xué)生融合了光學(xué)與其他學(xué)科的知識，提高了實際動手能力和創(chuàng)新素質(zhì)，并得到初步的科研方法訓(xùn)練。

光信息綜合實驗；小微課題；科研教學(xué)；探索

光電信息科學(xué)與工程專業(yè)是一門集光學(xué)，電子學(xué)，機(jī)械學(xué)以及軟件設(shè)計的綜合性學(xué)科，實際運用過程中更加強(qiáng)調(diào)的是光學(xué)與其他學(xué)科特別是電子學(xué)的融合。光信息綜合實驗是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)實驗課程，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的重要途徑，其具有完整的實驗大綱和要求。但是在實際實驗與實踐教學(xué)中光學(xué)實驗與模擬電子線路基礎(chǔ)、數(shù)字電子線路基礎(chǔ)這些電子類課程實驗幾乎完全脫離，并且因為基礎(chǔ)實驗的實驗過程是給定的，以認(rèn)知實驗為主，缺乏靈活性，學(xué)生容易因為缺乏興趣而完全按照教材上的實驗步驟按部就班地完成實驗。由此造成實驗對掌握光學(xué)理論自身效果尚且欠佳，學(xué)習(xí)光機(jī)電一體化更無從談起，很難達(dá)到實驗應(yīng)有的教學(xué)效果[1-7]。因此不應(yīng)該把實驗教學(xué)完全限定在光學(xué)學(xué)科的范疇內(nèi)進(jìn)行，應(yīng)該加強(qiáng)學(xué)生的綜合設(shè)計和實踐能力，才能培養(yǎng)真正能用好光學(xué)的跨學(xué)科人才。深化實驗教學(xué)改革，整合各項教學(xué)資源，探索適合專業(yè)特點的實驗與實踐教學(xué)方式就成為必須面對的問題[8-10]。很多學(xué)校也通過開設(shè)設(shè)計性實驗課程的方式對現(xiàn)有實驗進(jìn)行補(bǔ)充[11-14]，但是很多情況下也都是在實驗室現(xiàn)有條件的框架下進(jìn)行，有一定的局限性。

經(jīng)過多年探索，福建師范大學(xué)光電與信息工程學(xué)院提出突破實驗室的限制，投入一定經(jīng)費創(chuàng)造條件，加強(qiáng)學(xué)科交叉實驗實踐教學(xué)的思路，利用小微課題為載體，以課題帶動學(xué)習(xí)的模式進(jìn)行教學(xué)。所謂小微課題就是擁有科研項目的所有要素，但是設(shè)定目標(biāo)較小，相對容易實現(xiàn)，適合開展本科生教學(xué)活動。如此便能夠用科研訓(xùn)練的方式，讓學(xué)生在課題實施過程中學(xué)習(xí)融合多學(xué)科知識，極大突破了普通實驗教學(xué)的瓶頸，達(dá)到對學(xué)生進(jìn)行有效的基礎(chǔ)科研項目攻關(guān)訓(xùn)練，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力的目標(biāo)。在課題實施過程中教師只提出課題要實現(xiàn)的目標(biāo)，設(shè)計思路讓學(xué)生完全自主，充分調(diào)動學(xué)生的創(chuàng)造力和實踐能力，教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)討論和給予技術(shù)指導(dǎo)，在設(shè)計實施過程中學(xué)生能夠得到初步的科研訓(xùn)練，光機(jī)電一體實踐和創(chuàng)新能力得到有效提高，對現(xiàn)有的實驗實踐教學(xué)體系起到一個良好的提升作用。

1 課題的選擇與探索

課題作為設(shè)計性實驗的載體是整個教學(xué)過程的出發(fā)點與落腳點，要達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的，課題選擇的合理性顯得非常重要。(1)課題設(shè)定的目標(biāo)要具有可實現(xiàn)性且難度不可過高，不能超過學(xué)生的實際能力，這樣可以保證學(xué)生得到應(yīng)有的訓(xùn)練又能在一定的教學(xué)周期內(nèi)完成。(2)課題必須要涉及光電等多學(xué)科的融合，體現(xiàn)出設(shè)計性促進(jìn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)，使得學(xué)生各學(xué)科知識和能力在實踐過程中得到顯著鍛煉。(3)實現(xiàn)課題設(shè)定的目標(biāo)所需的經(jīng)費不可過高，以有利于擴(kuò)大參與學(xué)生的數(shù)量。

經(jīng)過多年的摸索，適合學(xué)生開展設(shè)計的課題來源逐漸廣泛，包括經(jīng)過適當(dāng)改造的往屆學(xué)生優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計題目、專業(yè)學(xué)科競賽題目、甚至可以是教師科研項目里的某一部分課題內(nèi)容。每個題目都可以重復(fù)使用，由于每一屆學(xué)生采用的方案可能不同，于是可能會遇到不一樣的問題，在不斷解決新出現(xiàn)的問題的過程中不斷完善課題的適用性，這樣經(jīng)過歷年累計就可以形成一個有一定規(guī)模的成熟課題庫供使用。

2 設(shè)計方案選擇的教學(xué)

課題式實踐不同于基礎(chǔ)實驗，在教學(xué)過程中會遇到很多不可預(yù)見的技術(shù)問題，這要求指導(dǎo)教師投入比較大的精力，所以每個題目參與的人數(shù)不宜太多，可以2～3名為一個小組，每個題目2～3名小組為宜。以便教師集中精力對設(shè)計中的各個環(huán)節(jié)都進(jìn)行詳細(xì)指導(dǎo)。教師在教學(xué)過程中是輔助作用，學(xué)生自主完成主體工作包括文獻(xiàn)調(diào)研、給出設(shè)計方案、系統(tǒng)裝配調(diào)試，相關(guān)軟件學(xué)習(xí)等，教師負(fù)責(zé)大方向把握以及幫助解決學(xué)生不能解決的具體技術(shù)問題。

以“檢測聲源引起微弱振動的音頻解析系統(tǒng)”為例。該課題的目標(biāo)是用激光記錄聲音并進(jìn)行解析還原，設(shè)計過程包含光源、探測器選擇，光電信號產(chǎn)生、調(diào)理以及對應(yīng)的濾波電路設(shè)計調(diào)試，最后還原系統(tǒng)設(shè)計等環(huán)節(jié)。設(shè)計過程中不設(shè)定具體實現(xiàn)方案，只要實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)即可，教師只需要講解實現(xiàn)目標(biāo)的思路，引導(dǎo)學(xué)生自主查閱相關(guān)資料，自主學(xué)習(xí)新知識，開放式的教學(xué)容易激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新興趣，學(xué)生提出方案后經(jīng)過充分討論形成設(shè)計的總體框架，其中之一如圖1所示。

圖1 檢測聲源引起微弱振動的音頻解析系統(tǒng)設(shè)計框架圖

從光源、光接收器的選擇到放大濾波電路的設(shè)計，學(xué)生提出數(shù)個方案，每個方案都各有特點，針對每個方案教師要跟學(xué)生進(jìn)行討論，對每個方案涉及的理論演算進(jìn)行檢驗其可行性與合理性，涉及的元器件選擇結(jié)合實驗室已有或者預(yù)期可具備的條件對其可操作性以及成本進(jìn)行充分論證。在方案分析過程中教師與學(xué)生充分互動，對學(xué)生進(jìn)行初步的科研選題訓(xùn)練。方案確定過程是整個設(shè)計的關(guān)鍵，這個過程需要教師不斷加強(qiáng)學(xué)習(xí)，提高專業(yè)能力才能應(yīng)對更多新穎的方案。這就要求教師本身要不斷學(xué)習(xí)提升理論和技能水平。

3 設(shè)計方案實施過程的教學(xué)

確定設(shè)計方案后要進(jìn)入具體實施階段，對于初次接觸課題的學(xué)生而言存在許多困難，平時的實驗學(xué)生面對的都是一套完整的實驗設(shè)備，但現(xiàn)在面對的卻是一堆零散的元器件，盡管理論上對各器件都很熟悉，對實物卻相對陌生，甚至部分學(xué)生沒有見過實物。從陌生到熟悉器件的過程讓學(xué)生自主查閱資料、摸索、實驗，教師可以進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)，教學(xué)中傳授基本的設(shè)備使用技能，做到答疑解惑的同時不要越俎代庖。這個過程由于是課題初始階段，要讓學(xué)生在熟悉每個器件的實際使用方法，在過程中體驗到解決問題的成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

相關(guān)的軟件編程技能需要在課題確定之后就開始自主學(xué)習(xí)，教師應(yīng)該時時關(guān)心學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度，督促指導(dǎo)，做好必要的知識儲備，確保設(shè)計進(jìn)度。

完成理論設(shè)計階段，進(jìn)入系統(tǒng)各部件裝配調(diào)試階段時，教師應(yīng)該及時介入介紹實踐中合理的系統(tǒng)制造流程，包括各個子電路的設(shè)計仿真、實物調(diào)試到整體系統(tǒng)的仿真調(diào)試方法的教學(xué)，期間涵蓋的內(nèi)容很多，遇到具體問題都要指導(dǎo)學(xué)生自主完成文獻(xiàn)調(diào)研并輔助解決問題，養(yǎng)成學(xué)生良好的科研習(xí)慣。系統(tǒng)的調(diào)試階段是整個課題目標(biāo)完成的又一個關(guān)鍵節(jié)點，在調(diào)試過程中會遇到各種無法預(yù)料的問題。即便是指導(dǎo)教師也不能預(yù)見，教師此時應(yīng)該與學(xué)生一起分析尋找解決方案，這個過程對于指導(dǎo)老師而言也是難得的學(xué)習(xí)機(jī)會。

在教學(xué)實踐中，學(xué)生開始時往往摸不著頭腦，面對課題無從下手，深刻體會到理論應(yīng)用到實踐的艱難。經(jīng)過自主學(xué)習(xí)與教師的指導(dǎo)，學(xué)生最終都完成了從最基礎(chǔ)的元器件使用學(xué)習(xí)到系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試的艱辛過程。當(dāng)調(diào)試系統(tǒng)達(dá)到課題設(shè)定的目標(biāo)那一刻，學(xué)生們歡呼雀躍表現(xiàn)出的激動情感無疑表明我們的教學(xué)是成功的。同時指導(dǎo)教師也從中提高了自身能力，拉近了師生關(guān)系，形成良好的師生互動學(xué)習(xí)氛圍。通過小微課題的訓(xùn)練，我院組織學(xué)生參加了“海西杯”福建省大學(xué)生光電設(shè)計競賽，“第二屆全國大學(xué)生光電設(shè)計大賽”等大型學(xué)科競賽并獲得數(shù)個一等獎與二等獎等獎項，成績顯著提高，學(xué)生獲得了極大的成就感并進(jìn)一步激發(fā)了自主學(xué)習(xí)和獨立研究的積極性。

4 結(jié)束語

通過課題式教學(xué)，教師與學(xué)生在課題的選定到課題的實施過程充分互動，學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，教師指導(dǎo)為輔。讓學(xué)生充分融合了光信息科學(xué)與其他學(xué)科知識，在設(shè)計過程中得到初步科研方法訓(xùn)練，充分實踐對各種光學(xué)傳感器的運用、電子線路設(shè)計和調(diào)試的方法與技巧，達(dá)到對涉及的光學(xué)、電子學(xué)理論進(jìn)行充分驗證和實踐的目標(biāo)，提升了學(xué)生的科研創(chuàng)新和實踐能力。

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Research on Science Teaching by Micro-projects Based on Synthetically Optical Experiments

HE Youwu , LI Zhifang, QIU Yishen, LI Hui

(College of Photonic and Electronic Engineering, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China)

In order to strengthen the comprehensive quality of students on the photoelectric knowledge fusion, we take the major characteristics of Photonic and Electronic Engineering into consideration and propose to do the science teaching by micro-projects based on synthetically optical experiments. Students can take any technical solution to achieve the design objectives of the project while teachers take charge of the project selection and make sure that students could complete the design with high quality. Through this study and the training of such projects of designed experiments, students can enhance their practical ability and creativity.

synthetically optical experiment; micro-project; science teaching; research

2014-06-25；修改日期：2014-07-31

福建省光電信息類工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新教學(xué)實驗區(qū)項目和綜合改革試點基金資助項目。

何友武(1982-)，男，在讀博士研究生，實驗師，主要從事光信息科學(xué)教學(xué)與研究工作。

G642.423；TN201

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.027