韓翔 肖光宗 譚中奇 劉進(jìn) 梁永輝

[摘 要] 結(jié)合“高等光電技術(shù)實驗”課程中“光纖傳感實驗”模塊的教學(xué)實踐，從實驗內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)和創(chuàng)新性教學(xué)方式，為提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才進(jìn)行了有益的教改探索。

[關(guān)鍵詞] 研究生;實驗教學(xué);啟發(fā)式教學(xué);創(chuàng)新性教學(xué)

[基金項目] 國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院教學(xué)研究課題（Y201805）

[作者簡介] 韓翔（1987—），湖北隨州人，國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院講師，博士，從事光電慣性導(dǎo)航和光學(xué)微操控等方向的科研和教學(xué)工作（通訊作者）。

[中圖分類號] G643? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）19-0326-02? ? [收稿日期] 2019-09-06

研究生教育屬于國民教育序列中的高等教育，與本科和中小學(xué)等階段的教育不同，其本質(zhì)是培養(yǎng)研究者的教育，其目的是培養(yǎng)國家創(chuàng)新人才和提高國家科技競爭力[1，2]。對于工科院校而言，實驗課程作為連接理論與實踐的橋梁，是研究生教育中不可或缺的組成部分，對于培養(yǎng)學(xué)員的科研能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力具有極為重要的作用[3]。然而當(dāng)前實驗教學(xué)還存在諸多問題，諸如：（1）內(nèi)容設(shè)置上，實驗步驟過于詳盡，學(xué)員按部就班，啟發(fā)性不足;（2）授課過程中，多數(shù)實驗單線程運(yùn)作，開放性和創(chuàng)新性不足;（3）參與教學(xué)的學(xué)員本科教育背景參差不齊，知識技能儲備差異較大;（4）實驗考核形式偏于單一。為滿足新形勢下光學(xué)工程學(xué)科研究生人才培養(yǎng)的要求，針對通常實驗教學(xué)中存在的問題和不足，國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院投入了大量的人力和物力，構(gòu)建了以光電技術(shù)為核心的研究生實驗教學(xué)和創(chuàng)新實踐活動平臺，依托該平臺開設(shè)研究生核心課程“高等光電技術(shù)實驗”，推動了構(gòu)建光學(xué)工程學(xué)科完善的人才培養(yǎng)體系[1]。

一、實驗內(nèi)容的設(shè)計

從現(xiàn)行課程框架和已建設(shè)的條件來看，“高等光電技術(shù)實驗”中“光纖傳感實驗”模塊按照先器件后系統(tǒng)的方式進(jìn)行設(shè)計，內(nèi)容涵蓋了3dB光纖耦合器和馬赫—曾德光纖干涉儀。首先完成半導(dǎo)體激光器的耦合和起偏，然后使用光功率計來獲取不同偏振態(tài)的線偏振光進(jìn)入1級3dB耦合器后的輸出功率比值，最后搭建馬赫—曾德干涉儀，并使用光電探測器和NI采集電路測試環(huán)境溫度的變化。針對研究生實驗動手能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要，為了更好地運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)和創(chuàng)新性教學(xué)來促進(jìn)教研結(jié)合，在內(nèi)容設(shè)置上注重考慮如下兩個方面。

1.以教促研。自主學(xué)習(xí)實驗器件的使用。啟發(fā)式教育的形式之一是設(shè)置情景問題引人入勝，即教員要有意識地給學(xué)員提供一些具有思維含量、引人入勝的問題，如困惑的問題、意外的問題、奇妙的問題、疑難的問題等，去啟發(fā)學(xué)員的思維?！肮饫w傳感技術(shù)實驗”主要是針對低年級研究生開設(shè)的，對于絕大多數(shù)低年級研究生來說，光纖耦合模塊、光電探測器模塊、NI采集卡模塊都是新鮮且陌生的。在授課教員的引導(dǎo)、鼓勵和幫助下，研究生學(xué)員根據(jù)模塊中器件型號查閱相關(guān)資料，并以2～3人實驗小組的形式參考器件實物開展討論。這樣既能激發(fā)學(xué)員的求知欲和實驗興趣，也能加深了學(xué)員對該實驗器件的理解和認(rèn)識，鍛煉其快速查詢和閱讀器材資料的能力，對于研究生課題的開展和研究大有裨益。

2.寓教于研。創(chuàng)新性內(nèi)容的設(shè)計。一般實驗課是演示型或驗證型，按照事先安排的詳盡實驗步驟，觀察到與理論預(yù)期一致的現(xiàn)象即可完成實驗。盡管這種方式可以加深學(xué)員對于理論知識的理解和鍛煉其動手能力，然而按部就班的過程、已知的實驗預(yù)期使得學(xué)員的創(chuàng)新能力得不到充分的訓(xùn)練和培養(yǎng)。為此，實驗中增加了“疑問”“復(fù)述”和“拓展”環(huán)節(jié)?！耙蓡枴杯h(huán)節(jié)是指在實驗講義中預(yù)埋部分存在“錯誤”步驟，這些“錯誤”環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致實驗結(jié)果出錯，但又不至于產(chǎn)生安全和器件損壞等問題。開始實驗前教員會提醒學(xué)員，但并不指明“錯誤”位置?！皬?fù)述”環(huán)節(jié)是指在分塊開展的實驗過程中，在閱讀實驗講義后開展2～3人小組討論，隨機(jī)抽取1人復(fù)述擬開展實驗的步驟、各步驟的緣由和目的以及各步驟中所用光學(xué)元件的作用?！巴卣埂杯h(huán)節(jié)是指在實驗中挑選若干部分，鼓勵學(xué)員在不損壞器件的前提下安全的探索備選方案。例如激光耦合后的起偏部分，擬利用所提供的非偏振分束器、偏振分束器、1/4波片和1/2波片得到一束優(yōu)化的偏振方向可控的線偏振光，在實驗步驟中給出錯誤的器件順序，要求學(xué)員“復(fù)述”和分析各器件作用，鼓勵學(xué)員提供額外的備選方案。例如馬赫-曾德光纖干涉儀部分，要求學(xué)員“復(fù)述”系統(tǒng)各部分組成和作用，鼓勵學(xué)員將帶有調(diào)制信號的參考臂和感知外界參數(shù)的信號臂互換來比較實驗結(jié)果。

二、教學(xué)方式的探索

對于“光纖傳感技術(shù)”實驗?zāi)K，每2～3名學(xué)員為一組配備一名指導(dǎo)教師開展實驗，師生之間有很好的交流和互動的機(jī)會。該實驗?zāi)K總學(xué)時和單次每次授課的學(xué)時都比較充分，實驗內(nèi)容被分割為2個子模塊以及多個更小的實驗單元，這樣既可以靈活控制實驗各單元的進(jìn)度，便于預(yù)定教學(xué)目的的實現(xiàn)，也為啟發(fā)式教學(xué)和創(chuàng)新性教學(xué)提供了充足的課堂時間，用于鼓勵學(xué)員積極思考和開拓創(chuàng)新。

1.設(shè)置問題和自主式學(xué)習(xí)的引導(dǎo)。設(shè)置問題，啟發(fā)學(xué)員思考，鼓勵學(xué)員資助學(xué)習(xí)和動手操作，是提升學(xué)員實驗積極性和培養(yǎng)創(chuàng)新能力的常用手段。通過實驗內(nèi)容的改進(jìn)，整個實驗?zāi)K相當(dāng)于一個小的科技問題，其中的子模塊和實驗單元從淺入深，逐層遞進(jìn)。教員為學(xué)員提供所必需的實驗器材，說明實驗的基本規(guī)則，以防止安全事故和實驗器件損壞。根據(jù)所提供的主要器件，由學(xué)員自己查閱器件資料，自行討論和研究怎么高效地耦合激光和實現(xiàn)光束優(yōu)化后的起偏，怎么理解3dB耦合器分束比隨線偏振方向變化的規(guī)律，怎么搭建和使用光纖傳感系統(tǒng)感知溫度變化，等等。在討論過程中，實驗教員進(jìn)行旁聽和必要的引導(dǎo);在充分討論后，由學(xué)員自己復(fù)述實驗思路和詳細(xì)緣由。

2.半開放式的實驗過程。半開放式的實驗過程，是促進(jìn)學(xué)員積極思考和勇于創(chuàng)新的重要方式，可以在保證教學(xué)任務(wù)的前提下，培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新能力。如前所述，筆者在實驗內(nèi)容中設(shè)置了“疑問”“復(fù)述”和“拓展”環(huán)節(jié)。學(xué)員在閱讀實驗講義時會思考各實驗步驟的合理性，并在教員的引導(dǎo)和監(jiān)督下開展小組討論和“復(fù)述”，并在“拓展”環(huán)節(jié)中積極嘗試備選方案?！巴卣埂杯h(huán)節(jié)中的實驗部分沒有唯一的標(biāo)準(zhǔn)答案，鼓勵學(xué)員提出解決問題的方案，勇于試錯。

3.因材施教。在實驗教學(xué)中，筆者注意到參與教學(xué)的部分學(xué)員來自非光學(xué)類專業(yè)或者屬于工作后再教育的狀況，這些學(xué)員對基礎(chǔ)知識的理解程度和基本技能的掌握程度都明顯不足。在實驗教學(xué)過程中，教員會有針對性地就光纖基礎(chǔ)知識和基本操作進(jìn)行重點(diǎn)講述，以幫助這些學(xué)員快速掌握，有利于小組討論和實驗開展。

三、考核手段

實驗課的考核是檢驗學(xué)員學(xué)習(xí)效果最常用的手段之一。在“光纖傳感技術(shù)”實驗?zāi)K開展過程中，采取了四種考核手段相結(jié)合的方式?？己耸侄我皇窃趯嶒炦^程中與學(xué)員進(jìn)行關(guān)鍵知識點(diǎn)的交流，觀察其對于實驗背景知識的認(rèn)知程度，這部分成績占10%?？己耸侄味窃趯嶒炦^程中觀察每組學(xué)員的積極程度和動手能力，這部分成績占20%?？己耸侄稳莻鹘y(tǒng)的實驗報告，主要考察對實驗結(jié)果的分析和解釋能力，占40%。考核手段四是在45分鐘內(nèi)書面回答實驗常識類問題、有序完成所設(shè)定的實驗內(nèi)容并進(jìn)行分析以及對實驗習(xí)慣進(jìn)行考察，該部分占30%。

四、結(jié)語

針對研究生教育中存在啟發(fā)性不足、學(xué)員自主創(chuàng)新環(huán)節(jié)偏少等問題，對“高等光電技術(shù)實驗”課程中的“光纖傳感實驗”模塊進(jìn)行了實驗內(nèi)容和教學(xué)方式的改進(jìn)，使得該課程的教學(xué)過程更為豐富多樣，充分激發(fā)了學(xué)員實踐動手的熱情和開拓創(chuàng)新的精神。希望本文探索的實驗內(nèi)容和教學(xué)方式，能夠為光學(xué)工程學(xué)科或其他學(xué)科實驗教學(xué)的開展提供一定的借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]譚中奇，梁永輝，毛宏軍，等.研究生光電技術(shù)實驗課程教學(xué)探索與實踐[J].教育教學(xué)論壇，2015（22）：106-108.

[2]譚中奇，張振宇，楊開勇.研究生專業(yè)課程教學(xué)設(shè)計的思考[J].高等教育研究學(xué)報，2013，36（4）：96-98.

[3]劉琳，李國華.“研教互動”模式在高校創(chuàng)新性實驗教學(xué)中的探索[J].西部素質(zhì)教育，2019，5（03）：145-147.

Application Experience of Heuristic Teaching and Innovative Teaching in Postgraduate Experimental Teaching

HAN Xiang*， XIAO Guang-zong， TAN Zhong-qi， LIU Jin， LIANG Yong-hui

（College of Advanced Interdisciplinary Studies， National University of Defense University， Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract：Based on the teaching practice of the module of Optical Fiber Sensing Experiment in the course of Advanced Photoelectric Technology Experiment， this paper introduces the experience of using heuristic teaching and innovative teaching in the aspects of experiment content design， experiment teaching methods and teaching means. It would be a helpful and enlightening exploration for improving teaching quality and training innovative talents.

Key words：postgraduate; experimental teaching; heuristic teaching; innovative teaching