从传授知识到培养习惯

从传授知识到培养习惯——“光电检测技术及系统”课程

汪凯巍　匡翠方　林　斌
光电信息工程学系

一、课程简介

1.课程类别

专业课程

2.学科类别

工学—光学工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:光电检测课程是综合性、应用性、实践性很强的专业课，涉及光学、电子学、光与物质相互作用等学科知识，以及工业生产、环境安全、日常生活等应用领域。本课程要求学生掌握光电检测系统的原理和组成，常见光电检测系统的光源、探测器、光电转换电路和探测原理，并在此基础上掌握光电检测系统的构建方法和器件选型。更为重要的是，在教与学的过程中应培养学生做研究和做事的良好习惯，这也是本课程的核心目标之一。

（2）教学内容:主要讲述光电检测理论基础知识（光源、探测器、光电信号的接收和处理）以及光电检测系统的结构组成、设计思路、应用特点和典型光电检测系统分析。通过本课程的学习，学生应能掌握实现光电检测的基本原理和基本方法，能够独立完成光电测量系统的设计。

4.教学对象

三年级本科生，每年开设3个教学班，每班人数控制在50人以内。

5.教学学时和教学场景

（1）课程时数:课堂教学48学时，实验教学16学时。

（2）教学场景:课堂教学在多媒体教室，实验教学在光电系实验中心。

二、课程教学重点解决的问题

作为光电系的典型专业必修课程，“光电检测技术及系统”课程的重要性不言而喻。但在课程改革前，教学重心主要集中在大量的课堂理论讲解上，开设的实验课程主要为验证型和基础型实验，造成学生学完了这门课后遇到实际问题仍然不知道从何开始的后果。为了更好地推动本门课的教学改革，我们调研分析了国内外高校的类似课程的教学内容和特点，这些高校包括University of Arizona、University of Rochester、University of Central Florida、MIT、哈尔滨工程大学、四川大学、天津大学等。根据调研情况，我们认为我校开设的“光电检测技术及系统”在讲授内容上与其他学校并无太大区别。与国内兄弟院校相比所占学时和学分也相差不大，甚至考核方式都比较接近。但与国外高校相比，我们尚需要正视的问题有:

（1）在教学主体上，学生的学习主动性和学习热情不够，学习兴趣不够浓厚。这一点也是很多课程的通病。原因是多方面的，对本门课而言，我们认为主要包括填鸭式教学、理论与实际脱钩、缺乏问题引导、缺乏互动反馈、课件和演示不够生动等。

（2）在学习时空上，主要以课堂学习为主，学生被动地听完课，做几次教材上就能找到答案的作业，最后考试前突击记忆一下“重点”，就能获得高分。这样无疑是对现代高等教育体系的一种阉割，学生们除了锻炼了一下短时间记忆大量词句的能力，其他一无所获。

（3）在评价体系上，考核方式较为单一，以传统记忆力考核为主的应试教育方法仍然没有得到有效的根治，无法体现学生的综合素质。即便是开设了实验环节，但这些实验内容比较落后，实验过程程式化，无法充分调动学生的兴趣，学生得不到充分锻炼。而国外类似课程的考核方式则呈现多样化，除实验成绩（实验课多为单独设课，自主性和设计性强）外，还包括课堂测验（不提前通知）、课后作业、小论文、1～2次期中考试、期末考试等。期末考试的比重只占30%左右。这样做一方面有利于多方面地考察学生的能力，另一方面也避免了学生平时不用心，期末考试的时候临时抱佛脚、熬夜死记硬背、考完就忘的情况。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

针对上述问题，我们在课程改革中反思课程建设方面的问题和不足，在教学方法方面进行大刀阔斧的革新，以期达到提高学生学习兴趣、提升学习主动性、加强实践能力训练、培养认真严谨做事习惯的目标。这些教学革新包括以下几个方面:

（1）引入教学案例，提升学习兴趣。在课程的各个部分，结合课程内容，从学生自身的学习、生活环境所接触到的事物、现象出发，引入学生可以理解的案例，以期达到认识理论知识的作用和重要性，同时引出科学问题，激发学习兴趣，加深对理论知识的感性认识，变灌输式教学为引导性教学，从而实现“以教为主向以学为主”的转变。

（2）设计探索性作业，引发深入思考。布置作业不再单纯从教材上的习题中选取，而是布置没有标准答案的探索性作业。这类作业需要学生追踪课程学科的热点前沿，检索阅读大量的文献，通过难度不断递进的系列探索性作业的训练，使得学生全面掌握宽而深的课程知识，从而将学生的学习从课内延伸至课外，实现“以课堂为主向课内外结合”的转变。

（3）实行过程化考核，体现综合素质。为了客观地反映课程知识掌握情况和教学效果，采用多元化的课程评价体系。课程的成绩构成包含“课后作业、课堂小测验与到课情况、实验（常规实验、自主选题实验）、考试（期中考、期末考）”等内容。这种多元化的考核内容和过程化的评价方式，摒弃了“一考定乾坤”的传统考核模式，从而实现“以结果评价为主向结果过程评价相结合”的转变，反映学生的综合素质。

2.具体实施方法举例

（1）引入教学案例，提升学习兴趣。

教学过程中尽量结合实际科研、生产中的实物和实例进行教学，使学生认识到所讲授的知识点在实际上是有用的。如在介绍光度量、辐射度量时使用照度计、光功率计实物进行演示，使学生对度量概念与单位有比较清晰的认识。在介绍光源探测器时，使用光电倍增管、激光器等实物给学生传看。

另外，在每节课的开始，结合当堂课的知识点和当前的社会热点，介绍一种典型光电检测系统及其应用，从而加深同学对课程的兴趣和认同。如在黑体辐射源一章，通过引入“高温熔炉及火山熔岩的温度测量”等超高温物体的测量案例，来帮助学生形象地理解黑体辐射的概念；通过介绍“光学相干层析成像用于人体病灶检测”的案例，帮助学生加强对干涉测量理论的理解；又如在讲述光谱分析这门课的时候，引入当前社会热点“地沟油”问题，指出这门课的知识有助于我们分辨健康油与地沟油。

（2）设计探索性作业，引发深入思考。

课程提出并实践了没有标准答案的探索性作业。如介绍完光电检测系统的定义、作用和组成后，要求学生探寻一种教材上没有列举的新型光电检测系统，描述它们的测量对象，所使用的光源、探测器和检测原理。从学生提交的作业来看，包含了表面疵病检测系统、莫尔条纹测长仪、光电血氧饱和度仪等数十种不同类型的光电检测系统，充分反映了学生的发散思维。

又如，在介绍LED的使用寿命时，同学会提问:“既然可以使用10年，这10年是如何测量的，总不能等待10年吧？”此时可顺势鼓励同学课后查找资料，下次上课时请个别同学上台发表实际测试过程中是如何实现长寿命的估算的。为了锻炼同学的表达能力和质疑精神，对课题上参与发言和讨论的同学，教师有权给予适当的附加分。

再如，在上完结构光投影和机器视觉方面的课程后，布置相应的作业:某单位设计的“月球车”无法通过0.5m深的坑洞和0.8m以上的凸起，试为它设计一种自动检测前方障碍物（坑洞、凸起）的方法，要求能够分辨障碍物的大小和高度，并附上一幅月球车越障的截图（见图1）。

图1　月球车越障

（3）实行过程化考核，体现综合素质。

增加考核环节，让学生在学习全过程中而不是学习结束后获取分数。新考核方式为:课后作业10%，课堂小测验5%，常规实验15%，自主选题实验20%，期中考试20%，期末考试30%。

其中改革最大的一环在于实践环节，课程要求同学自行组队，基于教学内容，自主选题、查资料论证、构建实验系统、获取实验数据、分析数据并验证构想。不限制实践题目，同学的选题非常广泛，除了教材中介绍的光电检测系统外，还有不少同学选择了课堂中教学案例甚至课堂与教材之外的光电检测系统作为题目。从实践的结果来看，自主选题能够较大地激发同学的创造力和学习兴趣，在亲手实践的过程中加深对理论知识的理解。表1为部分学生选择的题目。

表1　部分学生选择的题目

续表

3.教学方法特点分析

通过引入案例教学、设计性作业和多方位考核等教学手段，课程实现了教法、学法、考法等方面的转变，增强了课程的活力，提升了学习的乐趣。其主要特点包括:

（1）案例配合启发式提问引发学习兴趣。根据课程特点，加强典型应用教学。教师根据教学内容，举出科研、生活、生产中具体的光电检测系统实例，阐述它们的作用和价值，给学生一种“光电检测技术很有用”的印象。在阐述例子的基础上提出进一步的问题，引导学生自然而然主动开始探寻问题的原因，完成知识点的自发式学习过程。

（2）自主实践环节开启研究热情。课程增加了类似其他课程中大作业的自主选题实践环节。选题完全不受限，只要基于光电检测技术的选题，都可被接受。在这样开放式的实践过程中，学生们可以尽可能凭借自己的兴趣，利用课内外所学到的光机电算知识，亲自动手完成一件实现特定功能的检测技术。这样，其做科学研究的激情和成就感就油然而生了。

（3）全过程多环节评价方法。评价并不局限在传统的记忆力上。增加了多个评价环节，包括期中考试、自主选题实验、课堂小测验等环节，甚至还包括表达能力。一方面，这样避免了学生平时不用功，到了期末考试就临时抱佛脚，过后死记硬背的东西基本全忘记。另一方面，评价环节的多样性也一定程度上多角度地体现了学生的能力，包括理论知识的掌握、表达能力、动手能力、沟通能力等。我们认为这样的评价方法给出的成绩更能反映同学对课程知识的掌握程度和热爱程度。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

（1）课后作业10%:作业内容主要参照教学内容提出的主观性题目。

（2）课堂小测验和到课情况5%:主要目的是了解同学对课程知识点的掌握情况，附加了解学生的出席情况。

（3）常规实验15%:主要为基础实验，目的是了解常用的光电检测器件与方法。

（4）自主选题实验20%:自主组队，自主选题，自主设计完成一个具有特定功能的光电检测装置，考察学生的实际动手能力和团队合作能力。

（5）期中考试20%:考查学生对春季学期的光电检测基础知识的掌握。

（6）期末考试30%:主要为主观题，考查学生运用基础知识构建光电检测系统的能力。

（7）附加分0～5%:给课堂和网站讨论最活跃的同学1～5分的附加分。这部分同学善于在课堂授课的过程中即时提出问题或回答问题，课下积极思考，提出了不少颇有见地的观点。其主要体现了学生的思考和表达能力。

2.教学支撑手段

课程网站建设:为了配合课程改革的进行，重新搭建了具有5E网络辅助教学功能的课程网站。基于E-Learning、E-Homework、E-Experiment、E-Test和EGrading的自主式、互动式的网络学习环境，对学生的课后自主学习提供了良好平台，丰富和拓展了教学时空。图2是本课程网站的主页面。

实践场地与资金支持:为了鼓励学生积极实践，利用课程知识完成自主设计作品，课题组为同学提供了实践场地（教三5楼实验中心），并提供实验所需的光电元器件或报销所需费用。

图2　课程网站主页面

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

通过学期末的问卷调查以及平时与学生的交流来看，同学们普遍反映光电检测这门课的改革思路总体上是对的。本次改革重点突出了课程的实践特点，很多同学们在有限的经费和短暂的时间内作出了相当出色的作品，从这些作品不难看出同学们敏捷创新的思维和强烈的表现欲。这是我们乐于见到的。图3至图8展示的是学生们的部分作品。

图3　聂翔宇等:基于颜色信号分离的pH值检测仪

图4　王恒、丑若帆:光门补偿式轴径测量装置

图5　喻梦捷等:数字光栅测径仪

图6　林曈等:激光监听

图7　李崇刚等:激光计件与测距

图8　田彧龙等:光电血氧仪

这些作品也许从应用的角度来讲还比较稚嫩，但对于大三的同学来讲，一个多月的时间内能够完成具有一定功能的检测系统搭建也是难能可贵的，最重要的是他们体会到了各种乐趣。“从一个光电检测课题概念出发，我们查阅资料，学习实验原理，制订实验方案，通过实验验证并改进实验方案，分析解决问题，通过反复调试最终实现了课题的要求。值得强调的一点是，构建一套光电检测系统，反复艰难的调试是无法避免的。……通过猜想、验证从而找到问题所在时，我们感受到一种由衷的成就感和喜悦感。感谢老师们提供了这样一次利用课堂知识解决实际问题的机会。借助这次机会，我们得到了很大的锻炼，很有收获。”（2011张欢组）。

案例式教学（包括问题式引导）也得到了同学们的认可，最明显的改变在于同学们开始活跃起来，不再表情木然地坐在位置上发呆了，很少有人昏昏欲睡了。师生之间有了互动，同学们开始有了问题，有了赞同或疑惑的表情，有了会心的微笑和据理力争的质疑。这一点也是我们继续坚持改革的动力。

2.推广性分析

作为一门应用背景很强的专业课，本课程所采取的教学方法对于其他相关专业课程都具有一定的参考价值。本课程的教学方法改革若要推广开来，尚需以下几个条件作支撑:

（1）课程本身的实践性:课程本身应像本门课那样具有较强的应用背景，并以学以致用为终极目标，学生应能通过某种方式应用课堂所学知识构建实际作品。如开展自主实践和采用案例式教学等方法，对于某些理论性较强的课程可能并不完全适用。

（2）需要引导学生自主学习。学习本门课程，学生需要投入更多精力和时间去查阅相关文献和学科资料，方能完成自主设计性实验和开放式作业。这促使学生在学习过程中投入更多，并进一步激发学习兴趣和热情，而不是坐在座位上表情木然地听着教师满堂灌。由于学生学科背景和学习能力的差异，老师需要积极引导学生学习的自主性和克服适应性转换问题。

（3）较小的班级规模。课程强调师生互动和交流，鼓励学生上台发表自己的研究成果和简介，多于50人的班级无法有效地展开这种教学模式，因此建议采用50人以下的小班教学，最佳规模应为30人左右。

六、课程教材及实验参考书

采用自编教材和实验指导书，配合课程网站，辅以授课PPT、课后学习资料、课外交流平台。