基于光信息综合实验的小微课题式科研教学探索

何友武， 李志芳，邱怡申， 李 晖

(福建师范大学 光电与信息工程学院，福州 350007)

基于光信息综合实验的小微课题式科研教学探索

何友武， 李志芳，邱怡申， 李 晖

(福建师范大学 光电与信息工程学院，福州 350007)

立足“光电信息科学与工程”专业特点，为加强学生对光电学科知识融合的综合素质，提出基于光信息综合实验的以小微课题为载体的方式进行初步科研教学。采取开放式设计思路让学生自行研究各种方案达到设计目标，教师把握课题的选择，在课题实施过程中进行质量控制。通过上述课题式设计性实验的学习和锻炼，学生融合了光学与其他学科的知识，提高了实际动手能力和创新素质，并得到初步的科研方法训练。

光信息综合实验；小微课题；科研教学；探索

光电信息科学与工程专业是一门集光学，电子学，机械学以及软件设计的综合性学科，实际运用过程中更加强调的是光学与其他学科特别是电子学的融合。光信息综合实验是光电信息科学与工程专业的基础实验课程，是培养学生实践能力的重要途径，其具有完整的实验大纲和要求。但是在实际实验与实践教学中光学实验与模拟电子线路基础、数字电子线路基础这些电子类课程实验几乎完全脱离，并且因为基础实验的实验过程是给定的，以认知实验为主，缺乏灵活性，学生容易因为缺乏兴趣而完全按照教材上的实验步骤按部就班地完成实验。由此造成实验对掌握光学理论自身效果尚且欠佳，学习光机电一体化更无从谈起，很难达到实验应有的教学效果[1-7]。因此不应该把实验教学完全限定在光学学科的范畴内进行，应该加强学生的综合设计和实践能力，才能培养真正能用好光学的跨学科人才。深化实验教学改革，整合各项教学资源，探索适合专业特点的实验与实践教学方式就成为必须面对的问题[8-10]。很多学校也通过开设设计性实验课程的方式对现有实验进行补充[11-14]，但是很多情况下也都是在实验室现有条件的框架下进行，有一定的局限性。

经过多年探索，福建师范大学光电与信息工程学院提出突破实验室的限制，投入一定经费创造条件，加强学科交叉实验实践教学的思路，利用小微课题为载体，以课题带动学习的模式进行教学。所谓小微课题就是拥有科研项目的所有要素，但是设定目标较小，相对容易实现，适合开展本科生教学活动。如此便能够用科研训练的方式，让学生在课题实施过程中学习融合多学科知识，极大突破了普通实验教学的瓶颈，达到对学生进行有效的基础科研项目攻关训练，培养自主学习能力的目标。在课题实施过程中教师只提出课题要实现的目标，设计思路让学生完全自主，充分调动学生的创造力和实践能力，教师负责引导讨论和给予技术指导，在设计实施过程中学生能够得到初步的科研训练，光机电一体实践和创新能力得到有效提高，对现有的实验实践教学体系起到一个良好的提升作用。

1 课题的选择与探索

课题作为设计性实验的载体是整个教学过程的出发点与落脚点，要达到预期的教学目的，课题选择的合理性显得非常重要。(1)课题设定的目标要具有可实现性且难度不可过高，不能超过学生的实际能力，这样可以保证学生得到应有的训练又能在一定的教学周期内完成。(2)课题必须要涉及光电等多学科的融合，体现出设计性促进创新能力培养，使得学生各学科知识和能力在实践过程中得到显著锻炼。(3)实现课题设定的目标所需的经费不可过高，以有利于扩大参与学生的数量。

经过多年的摸索，适合学生开展设计的课题来源逐渐广泛，包括经过适当改造的往届学生优秀毕业设计题目、专业学科竞赛题目、甚至可以是教师科研项目里的某一部分课题内容。每个题目都可以重复使用，由于每一届学生采用的方案可能不同，于是可能会遇到不一样的问题，在不断解决新出现的问题的过程中不断完善课题的适用性，这样经过历年累计就可以形成一个有一定规模的成熟课题库供使用。

2 设计方案选择的教学

课题式实践不同于基础实验，在教学过程中会遇到很多不可预见的技术问题，这要求指导教师投入比较大的精力，所以每个题目参与的人数不宜太多，可以2～3名为一个小组，每个题目2～3名小组为宜。以便教师集中精力对设计中的各个环节都进行详细指导。教师在教学过程中是辅助作用，学生自主完成主体工作包括文献调研、给出设计方案、系统装配调试，相关软件学习等，教师负责大方向把握以及帮助解决学生不能解决的具体技术问题。

以“检测声源引起微弱振动的音频解析系统”为例。该课题的目标是用激光记录声音并进行解析还原，设计过程包含光源、探测器选择，光电信号产生、调理以及对应的滤波电路设计调试，最后还原系统设计等环节。设计过程中不设定具体实现方案，只要实现设计目标即可，教师只需要讲解实现目标的思路，引导学生自主查阅相关资料，自主学习新知识，开放式的教学容易激发学生创新兴趣，学生提出方案后经过充分讨论形成设计的总体框架，其中之一如图1所示。

图1 检测声源引起微弱振动的音频解析系统设计框架图

从光源、光接收器的选择到放大滤波电路的设计，学生提出数个方案，每个方案都各有特点，针对每个方案教师要跟学生进行讨论，对每个方案涉及的理论演算进行检验其可行性与合理性，涉及的元器件选择结合实验室已有或者预期可具备的条件对其可操作性以及成本进行充分论证。在方案分析过程中教师与学生充分互动，对学生进行初步的科研选题训练。方案确定过程是整个设计的关键，这个过程需要教师不断加强学习，提高专业能力才能应对更多新颖的方案。这就要求教师本身要不断学习提升理论和技能水平。

3 设计方案实施过程的教学

确定设计方案后要进入具体实施阶段，对于初次接触课题的学生而言存在许多困难，平时的实验学生面对的都是一套完整的实验设备，但现在面对的却是一堆零散的元器件，尽管理论上对各器件都很熟悉，对实物却相对陌生，甚至部分学生没有见过实物。从陌生到熟悉器件的过程让学生自主查阅资料、摸索、实验，教师可以进行适当引导，教学中传授基本的设备使用技能，做到答疑解惑的同时不要越俎代庖。这个过程由于是课题初始阶段，要让学生在熟悉每个器件的实际使用方法，在过程中体验到解决问题的成就感，激发学习兴趣。

相关的软件编程技能需要在课题确定之后就开始自主学习，教师应该时时关心学生学习进度，督促指导，做好必要的知识储备，确保设计进度。

完成理论设计阶段，进入系统各部件装配调试阶段时，教师应该及时介入介绍实践中合理的系统制造流程，包括各个子电路的设计仿真、实物调试到整体系统的仿真调试方法的教学，期间涵盖的内容很多，遇到具体问题都要指导学生自主完成文献调研并辅助解决问题，养成学生良好的科研习惯。系统的调试阶段是整个课题目标完成的又一个关键节点，在调试过程中会遇到各种无法预料的问题。即便是指导教师也不能预见，教师此时应该与学生一起分析寻找解决方案，这个过程对于指导老师而言也是难得的学习机会。

在教学实践中，学生开始时往往摸不着头脑，面对课题无从下手，深刻体会到理论应用到实践的艰难。经过自主学习与教师的指导，学生最终都完成了从最基础的元器件使用学习到系统设计调试的艰辛过程。当调试系统达到课题设定的目标那一刻，学生们欢呼雀跃表现出的激动情感无疑表明我们的教学是成功的。同时指导教师也从中提高了自身能力，拉近了师生关系，形成良好的师生互动学习氛围。通过小微课题的训练，我院组织学生参加了“海西杯”福建省大学生光电设计竞赛，“第二届全国大学生光电设计大赛”等大型学科竞赛并获得数个一等奖与二等奖等奖项，成绩显著提高，学生获得了极大的成就感并进一步激发了自主学习和独立研究的积极性。

4 结束语

通过课题式教学，教师与学生在课题的选定到课题的实施过程充分互动，学生自主学习为主，教师指导为辅。让学生充分融合了光信息科学与其他学科知识，在设计过程中得到初步科研方法训练，充分实践对各种光学传感器的运用、电子线路设计和调试的方法与技巧，达到对涉及的光学、电子学理论进行充分验证和实践的目标，提升了学生的科研创新和实践能力。

[1]果莉，李文哲. 加强实践教学，培养学生创新精神与实践能力[J]. 实验技术与管理，2009，26(1) : 14-16.

[2]吴元喜，谢 青，张晓昱，等.提高本科生研究型实验水平的措施[J].实验室研究与探索， 2009， 28(8): 112-114.

[3]赵秀梅.高校实验教学改革的探讨[J].内蒙古电大学刊， 2007(1): 61-76.

[4] 张 斌，陈士谦.光信息科学与技术专业实验教学改革与实践[J].实验技术与管理，2006，23(10) : 24-25.

[5]雷宏香，蔡志岗.光信息专业实验教学改革[J]. 实验室研究与探索，2006，25(1) : 12-13.

[6]朱志彪，高 山.设置综合设计性实验，提高学生综合素质[J].实验室研究与探索，2010，29(7) : 238-240.

[7]邱怡申. 光信息科学与技术专业实践教学的探索[J]. 光学技术，2007， 33(S) : 274-275.

[8]郑家茂，熊宏齐.开放. 创新—实验教学新模式[M].北京: 高等教育出版社，2009.

[9]江捷 .英国高校实验教学的分析与启示[ J].实验技术与管理， 2008， 25(1): 110- 111.

[10]左铁镛. 高等学校实验室建设的作用与思考[J].实验室研究与探索，2011，30(4) : 1-5.

[11]江月玲. 综合性实验教学的实践 [J]. 中山大学学报论丛，2007，27 (1) : 61 - 65.

[12]黄品梅，黄道平.开发综合设计性实验，促进创新人才之培养[J].实验室研究与探索，2010，29(6) : 93-95.

[13] 关随霞， 张敏.建立开放性实验室加强综合性、设计性实验[J].科技信息， 2010(30 ): 126- 126.

[14]杨 慧.设计性实验的探析[J].科技信息， 2009(23): 108-109.

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

福建省光电信息类工程专业人才培养模式创新教学实验区项目和综合改革试点基金资助项目。

何友武(1982-)，男，在读博士研究生，实验师，主要从事光信息科学教学与研究工作。

G642.423；TN201

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.027