新工科背景下光电检测技术教学方法研究

周正仙，阮丽丽，余瑞兰，杜友武，张法保

（1.安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖 241002；2.光电材料科学与技术安徽省重点实验室，安徽芜湖 241002）

在新工科背景下，各高校围绕工科教育的新理念、新结构、新模式、新质量、新体系开展了课程改革和实践工作[1-2]。“光电检测技术”课程是高校光电信息科学与工程专业的一门重要专业课程[3-4]。我国光电检测技术课程的教学工作仍存在着重教不重学的问题，教师教授方法单一，没有调动学生学习的积极性，结果造成教学质量普遍不高。传统的教学理念、教学方法和知识结构已经不能适应当前新工科理念下的人才培养模式。针对光电检测技术课程教学现状，高等教育工作者做了一些有益的探索，也积累了一些宝贵的经验。通过改变教学方法，采用案例教学来实现教学目标，这些理论探讨在一定程度上提高了学生学习的兴趣、增强了教学过程的互动性、培养了学生的创造力。但是，由于光电检测技术是一门偏应用的专业课程，若教学方式不能将理论与实践相结合，将教与学充分融合，将很难达到好的效果。

1 教学方法研究

根据我校及国内同类院校光电检测技术课程的现状，以新工科理念为指导思想，从教学模式、教学方法、考核体系等方面对光电检测技术课程教学进行研究，并以具体的知识点教学为案列，将理论与实践相结合的教学方法贯穿于整个教学过程。

（1）教学模式研究。结合新工科理念，研究以学生学为主导和教师指导为辅的教学模式，以应用案例为驱动，充分调动学生学习的积极性，逆向驱动学生学习光电检测技术课程相关内容。教学过程中，结合实验室科研项目，讲解理论知识在实际中的应用，从而进一步加固学生对理论知识的理解，形成以学生为中心的讲授、学习、思考多维一体化教学模式。

（2）教学方法研究。采用理论知识讲解、案例讲解、讨论思考相结合的新教学方法。对基础的技术内容采用课堂讲解的方法，并结合实际案例讲解，让学生明白所学知识的实际应用价值。同时设置光电检测项目设计，逆向驱动学生对光电检测技术相关知识的学习，提升课程教学质量。项目设置是双向的，可以由教师设置题目，也可以由学生主动提出设计项目，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。

（3）考核体系研究。总体思路是以课程考核为杠杆，调动学生主动学习的积极性。最终成绩的计算包括方案设计、案例讨论、期中考试、平时成绩、期末考试等几个部分。此外，我们计划将平时成绩分成作业成绩和提问成绩。对于学生主动提出好的案例或好的设计题目给予肯定（加分），并将这些好的案例和设计题目加入到期中和期末考试的命题库中，以此来激发学生主动思考。

2 教学实践

以光电检测信号处理为例，采用理论与实践相结合的思路来实施教学，将教学模式、教学方法和考核方法充分融合到具体的教学过程中。教学流程是：先讲理论，再安排学生实践，让学生思考提出问题以巩固理论。

首先，讲授滑动平均[5]和滑动相减[6]处理算法，让学生掌握信号降噪和信号提取的理论知识。

（1）滑动平均理论。信号会携带噪声，噪声信号波动大连续性差，通过滑动平均的方法滤除高频噪声来增加信号的连续性。假设有N条信号曲线，每条信号曲线有Q个数据点，则可以表示为r={r1,r2,r3,…,ri,…,rN}，这里ri表示第i条信号曲线。若滑动平均的数据点数设置为M，则滑动平均曲线可表示为

（2）滑动相减理论。通常信号集合中相邻数据点都非常接近，无法用相邻差分法提取有用信号，因此需要采用一定间隔的曲线相减提取有用信号。先计算滑动相减间隔r，再利用相减间隔得到差值曲线。计算r时需要考虑到脉冲持续时间和振动的衰减时间，选择Rr=Rint(i/2M)×M+1作为滑动相减间隔计算公式，通过ΔRi=Ri-Rr得到差值曲线集ΔR={ΔR1,ΔR2,ΔR3,…,ΔRi,…,ΔRN-M}。这种方法即使在平均数M很大的情况下，曲线条数从N减少到N-M，可测量的最大频率与分离平均法相比变化也不大。

其次，给合本实验科研项目，让学生利用所学的滑动平均和滑动相减理论对光纤传感器采集到的原始后向散射数据进行处理，提取有效的振动信号，使其充分理解滑动平均和滑动相减理论在实际中是如何应用的，加深对理论知识的理解。

图1为原始光纤后向散射信号，从图1可以看出，末端位置为振动信号位置，如红框所示。原始的后向散射曲线含有高频噪声，整条曲线波动性大、连续性差。通过对原始后向散射曲线振动位置信号进行滑动平均处理，过滤高频噪声，提高信号的连续性，处理后的信号如图2所示。

图1 原始后向散射信号

图2 振动位置的后向散射信号

对后向散射原始信号进行解调，提取有效振动信号。由于相邻原始曲线间的数值变化非常小，很难通过相邻曲线来解调振动信号，因此采用滑动相减理论方法对原始后向散射数据进行处理，提取有效的振动信号。根据振动信号特征，调整滑动相减算法参数，优化振动信号的提取效果。经过滑动相减处理后提取的振动信号如图3所示。

图3 滑动相减处理后的信号

最后，在实践教学过程中融入问题讨论和互动提问，引导学生进行更深入的思考。根据光纤振动信号的特点，提出问题让学生思考：1）进行滑动平均处理后会降低信号的哪个参数，哪些信号不能使用滑动平均算法；2）如何调整参数提高振动信号的提取质量和信噪比。同时，举一反三，调动学生思考滑动平均和滑动相减方法还可以用在哪些信号的处理中，问题讨论和互动提问结果记入考核体系中。

3 结论

本文分析了国内光电检测技术课程的教学现状，对光电检测技术课程中的教学模式、教学方法和考核体系进行了研究。以光电检测课程中信号处理知识点作为教学案例，理论与实践相结合充分调动了学生对理论知识学习的兴趣，促进了学生主动对所学知识点的思考，培养了学生提出问题、分析问题、解决问题的能力，有效提升了教学质量和学习效果。