潘玉寨 郭冠軍 楊立見

[摘 要]光電信息科學與工程專業(yè)是支撐戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的新工科專業(yè)，課程改革在專業(yè)建設過程中越來越深入，合理的教學內容以及教學模式，讓學生掌握基本原理和技術并實現(xiàn)學以致用是課程教學急待解決的主要問題。開展專題研究型教學研究，構建一體化教學體系是十分必要的。這種新型教學模式以轉變學生的學習方式為目的，保證知識學習的延續(xù)性，充分結合實驗教學，發(fā)揮仿真和實驗操作的教學優(yōu)勢，注重培養(yǎng)主動探究和創(chuàng)新實踐的精神以及終身受用的學習能力。這種教學模式改革與眾多高校的高層次人才培養(yǎng)目標相一致，對于新工科專業(yè)的課程教學具有借鑒意義。

[關鍵詞]專題研究型教學;新工科;人才培養(yǎng);一體化教學體系;教學改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）10-0174-03

一、專題研究型教學模式的研究背景

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，面對現(xiàn)代科技發(fā)展的新形勢，現(xiàn)代教育理念也要不斷更新。將研究性學習引入基礎教育課程體系成為世界各國課程改革和教學改革的突出特點，也已成為我國高校教學改革的一個方向。課程的研究型教學模式的推行彌補了傳統(tǒng)課堂教學在方法創(chuàng)新和實施效果方面的缺憾，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力以及獨立學習和終身發(fā)展能力起了重要的作用[1] 。

近年來，面對新工科建設和發(fā)展的需要，人才培養(yǎng)模式的改革已成為當前教育教學研究領域的一大熱門，涉及具體的不同且廣闊的專業(yè)技術領域，對專業(yè)技術人才的需求越來越多，要求剛畢業(yè)的大學生即能進入工作崗位甚至能勝任相關專業(yè)的實際工作，這往往是非常困難的。這就要求學生在大學甚至研究生階段，加強動手實踐能力，熟練掌握專業(yè)知識能力。

我國正在實施“中國制造 2025”與“互聯(lián)網(wǎng)+”兩大重要戰(zhàn)略規(guī)劃，從事核心技術開發(fā)、尋求創(chuàng)新知識、謀求創(chuàng)新發(fā)展的研發(fā)機構和企業(yè)越來越多。國務院印發(fā)的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》強調要積極開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，特別是專業(yè)技術領域。攻克核心技術和功能器件，能為企業(yè)和國家的未來發(fā)展指明新方向?？梢哉f，我國已經(jīng)進入了技術發(fā)展的黃金時期，這對于高校人才培養(yǎng)的能力和效果提出了新的機遇和挑戰(zhàn)。

高等院校的各個專業(yè)，特別是重點學科，對所屬專業(yè)的基礎課程和核心課程開展了廣泛的教學模式研究。與實踐相關的課程，如工程材料、生物技術、激光技術、精密探測等領域的課程，其基礎知識是不可或缺的。這樣的課程往往是理論性比較強，許多物理概念抽象難懂，如果沒有相關專業(yè)基礎就很難把工程技術相關工作做好且產(chǎn)生創(chuàng)新性想法。特別是具有交叉學科特征的新興產(chǎn)業(yè)，對人才的基礎知識面要求很廣，學生往往因缺乏感性認識而感到不易理解、難學，只靠課堂講授很難達到預期教學效果。這就要求我們在人才培養(yǎng)中加強研究性教學，將理論仿真和實驗教學環(huán)節(jié)的比重加大，在教學體系中引入專題研究型教學內容，將研究性問題的解決引入教學過程，建立理論與實驗有機聯(lián)系的渠道，引導學生進行研究性學習，培養(yǎng)學生的研究與創(chuàng)新能力，讓學生學會學以致用，學會研究與探索，表現(xiàn)出更多的靈活性和多樣性。

光電信息科學與工程專業(yè)正是這樣一個新工科專業(yè)，這就要求相關專業(yè)實驗的改革越來越深入[2-4]。教師需要在教學過程中合理地處理教學內容以及采取有效的教學方法，做到重點突出、詳略得當。讓學生既掌握基本原理和技術又懂得學以致用是目前專業(yè)課程教學急待解決的主要問題。根據(jù)以往的教學經(jīng)驗，開展仿真與實驗相結合的專題研究型教學研究是十分必要的。這種研究型教學模式的改革嘗試，有利于促進教學內容、教學方法和課程設置等方面的科學化和現(xiàn)代化，調動學生的學習積極性，更好地促使學生理解和掌握課程教學內容。

二、專題研究型教學模式的研究現(xiàn)狀

研究性學習也稱綜合學習或專題研習，是國際教育界普遍推崇和實施的一種新的學習策略或學習模式[5-8] 。它以學生的自主性、探索性學習為基礎，從社會生活中選擇和確定以問題為載體的研究專題，主要以個人或小組合作的方式進行。讓學生通過自己收集、分析和處理信息來實際感受和體驗知識產(chǎn)生的過程，通過親身實踐獲取直接經(jīng)驗，養(yǎng)成科學精神和科學態(tài)度，掌握基本科學方法，提高綜合運用知識解決實際問題的能力。

專題研究型教學模式以轉變學生的學習方式為目的，注重培養(yǎng)學生主動探究和創(chuàng)新實踐的精神以及終身受用的學習能力。它改變了短促的、學科單一的、以教師為中心的傳統(tǒng)課堂教學，取而代之的是強調長期的、跨學科的、以學生為中心的學習活動。由于要研究的問題多來自現(xiàn)實生活，因此學生的學習環(huán)境是開放的、多元的、動態(tài)的，從而給學生提供了更多獲取知識的方式和渠道，推動他們從不同側面了解社會，增強社會責任感。

實驗教學既要加強基礎實驗教學也要開設一些設計研究型實驗，培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新能力。課程教學與實驗教學是兩個各自獨立的環(huán)節(jié)，但在教學過程中必須兩者兼顧，不可偏廢，并且保證知識學習的延續(xù)性。實際情況往往缺少一個有機的結合點，使兩者相互促進，增強教學效果。這就需要在實驗教學或者課堂教學中開展以仿真與實驗相結合的專題研究型教學探索，充分發(fā)揮計算機仿真和實驗操作的教學優(yōu)勢，多層次提高學生學習的主動性和創(chuàng)新性。

專題研究型教學的定位應非常清晰，主要有以下三點：其一，專題研究型教學屬于新的教學模式，對鍛煉學生專業(yè)能力具有重要的價值，值得院系注意，應在教學學時及實驗室使用方面提供便利。其二，專題研究型教學是獨立的教學環(huán)節(jié)，需要相關教師投入大量的精力和進行細心的指導。其三，專題研究型教學的考核應獨立于傳統(tǒng)的考核方式和評價體系。

三、開展專題研究型教學模式探索的主要舉措

激光類課程一般是光電信息科學與工程專業(yè)本科生上大三時進行學習，該課程在該專業(yè)的教學活動中起到承上啟下的作用，國內外知名院校的相關課程教學改革模式及改革措施是比較豐富的。我們的課程教學組注重加強教學討論和專題講座資料的收集，從注重提高教學效果和對學生綜合能力的培養(yǎng)角度出發(fā)，在不影響完成教學大綱規(guī)定的課堂教學和實驗教學任務的同時，實現(xiàn)專題研究型教學內容與課堂教學實驗教學任務的有機結合。

比如以激光原理及應用課程為例，該課程是光電信息科學與工程專業(yè)的必修基礎課，也是高校其他相關專業(yè)非常重要的基礎課程。其教學內容豐富，課時量大。表1所示為與激光相關的課程和實驗內容，通常會有2～3門激光類必修課和1～2門激光類選修課，在專業(yè)實驗方面會有4～5個與激光相關的實驗研究內容，在課程設計中也有較多的激光相關內容。培養(yǎng)方案通常會將課程學習、實驗操作和課程設計安排在不同學期進行，這不利于學生對知識的掌握和鞏固。而激光類知識在光電信息科學與工程專業(yè)中占有重要位置，且其相關課程要求理論性強，實驗要求技術性強，是非常適合開展專題研究型教學模式改革和嘗試的。

教師可從表1的課程和實驗中抽出幾個有著直接聯(lián)系的內容，設計仿真與實驗相結合的合理的專題研究型教學內容。實施時可將實驗和理論學習有機融合，結合課堂教學的內容， 把握教學重要知識點，有針對性地設計幾個具體的專題內容，組織實施專題研究型教學，促進學生完成研究型專題內容的學習。通過整個學年的教學實施，專題研究型教學實現(xiàn)了課程教學和實驗教學的有機融合，達到了改善教學效果、提高學生綜合能力的目的。后續(xù)還需要進一步優(yōu)化教學內容的銜接性和延續(xù)性。

這門課程的整個教學過程可以分為如表1所示的三個部分。

首先，在課堂教學中，傳授涵蓋主要原理、技術和應用方面的基礎性知識，通過增加演示性教學內容，提高了學生的學習興趣，進而調動了學生的學習積極性，培養(yǎng)了學生觀察、思考、解決問題的能力，也促進了理論教學質量的提高。注重處理好課本中基礎知識、基本概念、基本性質、基本現(xiàn)象的相互聯(lián)系，注重引導學生理解掌握理論公式的物理意義、內涵與外延、應用領域與應用范圍，同時注重開展啟發(fā)式教學，加強對學生創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

其次，靈活有效利用各種教學手段來提高學生學習效果。通過原理演示與教師講解，使學生對課程中的學習重點、難點有一定的感性認識，以便于他們理解和掌握?？梢越Y合LabVIEW、Matlab軟件進行模擬仿真教學，使學生在多變的教學環(huán)境中學習和思考，拓展想象空間，提高對軟件仿真方法和技術的認識，提高針對問題開展具體實驗研究的積極性。

最后，在教學中將部分教學內容設計成研究型專題提供給學生，學生通過自己的探索和實踐掌握仿真和實驗研究的方法，在研究中獲得知識，增加開辟新領域探索的勇氣。在此基礎上，還可以選拔優(yōu)秀的學生參與到教師的科研項目中開展科學研究和探索，以促進其創(chuàng)新思維發(fā)展，提高其將理論學習和實踐相結合的能力。

對不同的知識點設計不同的專題研究型教學內容時要體現(xiàn)基礎知識的掌握和應用，并與課程設計內容區(qū)別開來。現(xiàn)舉幾個例子來說明。（1）在激光背景知識部分，提出的研究內容是激光發(fā)明的關鍵技術是什么，研究方向是諧振腔的使用和粒子數(shù)反轉的實現(xiàn)。將這樣一個專題作為入門，一方面讓學生理解激光是綜合其他技術而出現(xiàn)的技術革新和突破，另一方面讓學生在研究過程中充分了解激光產(chǎn)生的歷史背景，增強后續(xù)學習的興趣。（2）在激光光束特性部分，提出的研究內容是激光光束在水中傳播特性研究，讓學生了解水中光束的散射特性，通過改變水的散射性質，進一步觀察高斯光束變換的相關問題。（3）在激光輸出特性部分，設置的研究內容是弛豫振蕩特性的Matlab仿真及實驗研究。基于微擾理論通過合理近似推導出弛豫振蕩特性參量的表達式，通過仿真相關特性的影響，結合實驗結果開展相關研究分析，可以達到非常好的學習效果和掌握程度。同樣地，在其他教學知識點也可以設計這種講授、仿真和實驗相結合的專題研究型教學內容，構建相關的一體化教學體系。

專題研究型教學內容的考核與評價：做好專題研究型教學內容的考核是非常重要的，需要考慮與課程實驗考核和課程設計考核的區(qū)別及聯(lián)系，由學生利用課下時間在專業(yè)實驗室獨立完成。為了更好地反映教學效果，應做以下三方面的考慮：其一，相關任課教師應是專題研究型教學內容設計和考核的主體。其二，將專題研究型教學納入激光課程中，所涉及的擴展實驗部分，由專業(yè)實驗室提供場地和設備，限制完成時限，由學生自主完成。其三，合理設置考核分數(shù)占比。也可以將專題研究型教學內容作為大作業(yè)布置給學生去完成。

四、專題研究型教學模式實施的效果分析

專業(yè)課程與實驗是各自獨立的教學內容，現(xiàn)有的教學模式缺少兩者的有機結合，達不到理想效果。本課題的研究通過仿真與實驗相結合的專題研究型教學，采用合理的教學模式和方法，改善教學效果，提升學生知識掌握程度，使學生實踐能力的培養(yǎng)環(huán)節(jié)得到完善，對提高學生綜合能力具有積極的作用。我們在光電信息科學與工程專業(yè)本科生整個大三學年實施了專題研究型教學，獲得了良好的教學效果。學生普遍反映專題研究型教學不僅有助于鞏固理論知識的掌握效果，也讓學生有機會嘗試從事科學研究、解決關鍵技術問題的基本方法，在掌握知識以及提升能力和素質方面均得到了較好的專業(yè)引導與鍛煉。

五、結論與展望

光電信息科學與工程專業(yè)屬于新工科的專業(yè)，開展專業(yè)課程教學模式改革研究對于新工科專業(yè)的教學模式建設有重要意義。通過專題研究型教學模式的改革探索發(fā)現(xiàn)該教學模式適用于理論性較強的專業(yè)基礎課程，所獲得的研究成果值得相關專業(yè)特別是新工科專業(yè)的課程教學借鑒。雖然采用該教學模式能取得良好的教學效果，但應重視做好對教師和學生兩者積極性的保護。對教師來說，這樣的專題研究型教學需要大量精力的投入，從目前來看，能夠與教師的科研工作有機結合起來無疑是一種比較理想的方式。對學生來說，提高研究型學習考核比例，將研究型學習提升至競賽乃至產(chǎn)出創(chuàng)新性成果的水平，無疑是提高學生深入研究積極性的有效辦法?？v觀整個專題研究型教學改革發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，面對國家對高層次人才的需求，專業(yè)課程教學方法和模式的改革仍需要積極探索。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：龐丹丹]

[收稿時間]2020-06-11

[基金項目]教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“產(chǎn)學合作機制下光電專業(yè)實驗教學改革師資提升計劃”（201902282026）;哈爾濱工業(yè)大學教育教學研究項目“新工科背景下研究生跨學科聯(lián)合培養(yǎng)模式研究”（JGYJ-2019039）。

[作者簡介]潘玉寨（1976-），男，山東濟寧人，博士，副教授，研究方向：激光技術和光電專業(yè)教學改革。