针对创新能力培养的光学与光电子实验课程教学模式探讨
严静 李若舟 屈科 方玉明 于映
摘 要：针对光学与光电子实验传统教学中存在内容缺乏创新、教学模式单一，学生积极性差等不足，提出针对创新能力培养的光学与光电子实验教学模式。在设定基础实验模块的基础上，增加创新实验设计模块，采用混合教学模式，引导学生自主学习，进行创新实验探索。优化了课程考核方法，更加注重教学过程中学生自主学习能力、创新能力的考核。该教学模式取得良好教学效果，学生自主设计了不少优秀的创新实验案例，学生专业知识掌握更加牢固。培养学生分析问题和解决问题的能力，提升学生的科研探索能力和创新能力。
关键词：光学与光电子实验；
创新能力；
教学模式；
实验教学；
人才培养
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2023）22-0056-04
Abstract：
In view of the shortcomings of the traditional teaching mode of optics and optoelectronics experiments， such as lack of innovation， single teaching mode and poor student motivation， the optics and optoelectronics experiment teaching mode is proposed for the cultivation of innovative ability. Based on setting the basic experimental module， the innovative experimental design module is added， and the hybrid teaching mode is adopted to guide students to learn independently and explore innovative experiments. The course assessment method is optimized， and more attention is paid to the assessment of students" independent learning ability and innovation ability in the teaching process. The teaching mode has achieved good teaching effect， students have designed several excellent innovative experimental cases on their own， and students have a firmer grasp of professional knowledge. It cultivates students" ability to analyze and solve problems， and enhances their research and exploration ability and innovation ability.
Keywords：
optics and optoelectronics experiment; innovative ability; teaching mode; experimental teaching; talents training
基金項目：国家自然科学基金青年基金项目“单畴蓝相液晶柔性三维光子晶体的电控自组装制备及特性研究”（11904177）；
南京邮电大学2021年课程思政示范课程建设项目“微电子科学与工程”（KCSZSFKC202105）；
南京邮电大学2020年课程思政教改专项课题“课程思政在微电子专业中的实践与研究”（KCSZJG202002）
第一作者简介：严静（1987-），女，汉族，江苏苏州人，博士，讲师，硕士研究生导师。研究方向为液晶显示与液晶电光器件。
*通信作者：于映（1968-），女，汉族，江苏南通人，博士，教授，博士研究生导师。研究方向为射频MEMS器件，柔性射频器件与电路。
2017年以来，教育部积极推进新工科建设。新工科建设“三部曲”“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”明确了工科优势高校要对工程科技创新和产业创新发挥主体作用，在新工科人才培养方面，需要完善工科人才“创意-创新-创业”教育体系，提升工科人才创新创业能力，探索建立创新型工程人才培养模式，为未来新兴产业和新经济提供实践能力强、创新能力强，具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才[1-3]。
光学与光电子实验是新工科专业光电信息科学与工程的必修专业基础课程。光电信息专业是光学、光电子、微电子及计算机等多学科交叉结合的一门综合学科，主要研究作为信息载体的光的产生、传输、成像、传感及探测，以及光电信息的转换、存储、处理与显示等[4]。实验教学与实践教学是光电信息专业人才培养过程中理论联系实际的重要环节，为培养本科生的创新能力和实践能力奠定基础，具有明确的专业针对性，是在学生已经进行了专业理论知识学习的基础上设置的更高级别的专业性实验教学课程，目的是培养光电信息科学与工程专业学生运用专业知识分析问题和解决问题的能力，为专业理论知识的理解和掌握提供有力的实践支撑[5]。在新工科背景下，世界各国对光电信息人才的需求和培养与日俱增，并对专业人才的培养提出了更高的要求。培养的学生不仅需要具有扎实的理论知识和实验操作能力，具有分析问题和解决问题能力，更重要的是需要具有更为出色的科研探索能力和创新能力，以满足新行业专业技术人才需求[6-8]。
一课程现状分析
目前光学与光电子实验教学过程中还存在许多问题，难以实现以学生为实验主体，达到培养学生积极主动思考、创新研究的目的，主要表现在以下几个方面。
（一）内容挑战不足，缺乏创新培养
光学与光电子实验的教学内容主要以一些光电基础实验为主，主要包含法布里-珀罗干涉、偏振光、衍射光强、电光调制、磁光调制和LED P-I-V特性曲线测试等，以上实验均基于已学习的专业理论知识，依靠已有的实验仪器或者搭建光路，进行验证性的操作来完成实验内容。以上实验专业理论完善，实验结果可预知性强，缺少可探索性，难以激发学生的研究热情，更无法让学生开拓思维，开展创新性的实验探索研究。
（二） 教学模式单一，调动积极性差
当前的光学与光电子实验教学通常是以教师讲授为主的知识灌输型教学模式。教师负责对教学内容进行筛选，布置预习任务，课堂上检查学生的预习情况，对实验所需物理原理进行讲解，并演示相关实验操作步骤。学生根据要求完成课前预习，课堂上被动接受教师布置的教学任务，完成实验操作及数据测试，课后撰写实验报告，再交由教师批改。上述教学过程中，教师与学生之间的互动仅出现在课堂上教师的随机提问或者个别学生的问题请教中，难以调动学生积极性，整个过程“流水线无差异化”进行，学生以“操作工”形式一步一步完成實验操作，撰写实验报告，导致大部分学生对实验内容知其然而不知其所以然，对整个实验过程缺少科学的认知。学生也很难去主动思考，去探索问题产生原因及思考解决问题的方法。另外，实验内容相对独立，知识点与知识点之间难以有机融合。从整体教学效果来看，难以形成以学生为中心、多知识点灵活运用的自主探索性研究，不利于学生创新能力的培养。
（三） 成绩评定片面，忽略能力培养
光学与光电子实验课程成绩的评定通常以学生提交的实验报告的质量来核定实验成绩，再加上包括课前预习、课堂表现及到课情况等因素影响的平时成绩，缺乏对学生实际实验操作能力、分析解决问题能力和创新能力的有效评价。往往，实验课程还没有开始，学生之间已经悄悄流传了学长学姐们的高分实验报告，学生将更多精力花在了如何写实验报告上，教师每年面对一堆“老面孔”实验报告，也难以激发教学热情。整个课程培养流于形式，难以体现出学生是否能够利用所学知识分析问题和解决问题的能力，也无法对学生的创新能力进行评判，与新工科培养学生突出的实践能力、科研探索能力和创新能力的培养目标相背离。
二 创新能力培养实验教学模式探讨
传统光学与光电子实验教学过程中主要存在实验内容基础，缺乏创新性挑战，教学模式单一，成绩评定片面，无法充分调动学生积极性，开展自主创新性探索研究等问题。针对以上问题，提出基于创新能力培养的光学与光电子学实验教学模式，主要从优化课程内容、引入混合式教学模式和优化课程考核三个方面来进行探讨。
（一） 课程内容的创新
针对传统光学与光电子实验教学过程中存在的内容挑战不足，缺乏创新培养的不足，我们整合原有课程实验内容，打破原有按照课时划分实验内容的模式，将整个实验教学分为基础实验部分及创新实验设计两大模块，如图1所示。
基础实验部分基于已学习的专业理论知识点，安排对应的实验验证。学生通过自主学习教师提前准备好的课程资料，进行实验操作，为专业理论知识的理解和掌握提供实验验证和支撑。创新实验设计则由学生自由分组，围绕光学与光电子实验课程需要掌握的所有知识点，自主选取知识点内容，围绕所选知识点自主设计实验并进行验证：①可基于已有实验平台自主设计实验并最终进行演示；
②可利用Zemax、Optiwave、Comsol、Ansys等专业仿真软件进行仿真设计研究；
③也可通过文献调研的形式对本领域国内外最新研究进展进行调研，最终以调研报告的形式展示；
④同时也鼓励学生联系本专业导师，加入科研团队，开展相关探索性研究。适当将科研引入实验教学中，能够改善传统实验教学内容过于基础，无法跟上最新研究进展的不足[9]。
在学生完成基础实验的基础上，建立以学生为中心的开放式创新实验设计，为学生提供多角度思考问题和创新实验探索的机会，有利于培养学生的自主学习能力，树立创新精神；
能够激发学生的实验参与积极性，开拓思维；
有利于学生将掌握的学科专业基础知识灵活运用到新的领域，为学生后续学习深造或者工作打下坚实的基础，培养满足新行业需求的专业技术人才。
（二） 混合教学模式的引入
我们采用混合教学模式来实现课堂教学[10-13]。针对基础实验部分，我们将知识点提前采用PPT、微视频、调查问卷等形式准备好，于课程开始前发送给学生，并利用雨课堂、慕课、腾讯课堂等平台布置整学期任务，由学生自主打卡完成学习。课程资料里除了每个知识点的基本原理复习讲解，更注重每个实验内容的操作视频的选取或制作，借鉴其他学校或者机构的优秀教学资源，拓宽学生视野。并且针对每个实验知识点补充相关研究最新科研进展介绍，公众号科普文章、科研论文、最新研究成果的介绍视频等，激发学生的学习热情，寓教于乐，同时给学生的创新性实验设计提供启示。
创新实验设计则完全以学生为主导，由学生自主选择本课程知识点，设计创新性实验，开展探索性研究。完成创新性实验过程中，同组学生需要讨论和交流，实验成果展示介绍和PPT答辩过程中，学生需要不断思考。这个过程学生需要不断调整自己的知识结构，能够促进学生根据自己需求自主获取资源，自主学习，同时也能培养学生的团队协作能力[10]。
我们将整个光学与光电子实验课程作为一个整体，打破传统教学模式中的流水线化操作，给学生更多的自主性，鼓励学生去思考，去探索尝试。通过学生自主“线上”预习和“线下”实践的有机结合，教师在整个过程中就学生遇到的问题予以指导，引导学生遇到问题时自己去思考，采用资料调研、实验探索等方法去解决问题，达到学生掌握基本实验技能，培养学生动手能力、分析解决问题能力的培养目的，提高学生开展科学研究的素质和能力，也有利于创新性思维的培养。
（三） 课程考核体系的优化
我们采用多维的考核方式评价学生的学习效果。我们将本课程得分以4∶4∶3进行划分：①40%的分数为基础实验部分实验报告得分，由教师进行评定，要求学生掌握基础实验的操作，得到正确的数据并进行数据分析，掌握实验报告的撰写；
②40%的得分为小组创新实验设计得分，创新实验需要围绕本课程核心知识点，鼓励学生多知识点交叉融合应用，小组成员进行成果PPT汇报及答辩，老师和其他同学就展示成果进行提问及评分。本模块从实验设计到最后考核评分，都给与学生一定的主导权，能够增加学生参与度，激发学生的研究兴趣；
③剩余20%的分数为平时成绩，除了到课率，主要由课题实验操作过程和创新实验的提问情况决定，根据其他同学的创新研究，能够积极思考，提出有建设性的问题，对于学生创新能力培养也具有重要的意义。
三 创新能力培养实验教学效果
针对创新能力培养的光学与光电子实验教学模式取得良好的教学效果。学生主动参与实验的积极性显著提高，能够积极思考，主动提问并参与讨论，通过探索性实验和文献调研的方式去分析问题、解决问题。在由学生主导的创新实验设计模块，产生了不少优秀的创新实验设计案例。
案例一：液晶显示及其应用。基于基础实验部分的偏振光和电光调制这两个知识点，有小组开展了液晶显示原理及其应用的创新实验。介绍了液晶的基本特性，电光调制原理及其在显示领域的应用。利用偏光显微镜观测了屏幕显示不同颜色时对应红绿蓝像素的工作状态，加深了对颜色合成及液晶显色原理的理解。利用液晶显示屏和偏振片，进行了简单的原理验证演示，调整偏振片与屏幕出射光偏振方向夹角，当偏振片方向与屏幕出射光夹角分别为0°、45°和90°时，出射光能够全部透过、部分透过和完全不透过偏振片。针对液晶显示应用部分，采用图片和视频的方式展示了液晶显示在AR/VA、三维显示等领域的应用，给同学们带来了一场“视听盛宴”（图2、图3）。
案例二：基于MATLAB的布拉格反射镜仿真研究。采用MATLAB软件编写程序，对布拉格反射镜进行了模拟仿真。研究了不同参数对反射光谱的影响。由仿真结果可知，增加介质层层数，能够有效增加布拉格反射镜的反射率，当层数大于10时，能够得到近似理想的布拉格反射。通过理论仿真，对布拉格反射理论有了更加深入的理解。
案例三：LED原理及其最新进展研究。针对基础实验中LED的P-I-V特性曲线测量这一知识點，也有小组对LED的发展进行了调研报告研究。对LED的基本工作原理、发展和应用等进行了介绍，并重点关注了最新的Micro-LED的研究成果，分享了最新苹果手机显示中用到的相关知识，拓宽了学生的知识面，并且与产业界紧密结合。
整个学期的教学过程中，大部分学生在完成基础实验的基础上能够积极参与到创新实验设计中，能够主动提问探讨，并且有部分同学在后续毕业设计时主要联系相关研究方向的导师开展本科毕业设计，使整个实验课程具有很好的延续性，为学生后续的科研及工作打下良好基础。
四 结束语
光学与光电子实验是新工科专业光电信息科学与工程的必修专业基础课程，目的是培养学生运用专业知识分析问题和解决问题的能力，提升学生的实验操作能力、科研探索能力和创新能力，以满足新工科背景下的实验教学要求。针对传统光学与光电子实验教学中存在的不足，我们提出了针对创新能力培养的光学与光电子实验教学模式，在基础实验的基础上，增加创新实验设计，来实现课程内容的创新。将混合教学模式引入授课过程中，以学生为中心，引导学生自主学习，进行创新实验探索。并且优化课程考核方法，更加注重教学过程中学生自主学习能力、创新能力的考核。从实验设计到最后考核学生全程参与，激发学生的积极性，引导学生自主学习，并且开拓思维，进行创新性实验探索研究。教学取得良好效果，学生参与度高，对专业知识的掌握更加牢固，培养了学生分析问题和解决问题的能力，提升了学生的科研探索能力和创新能力，为新工科创新人才培养提供了有力支持。
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