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摘要:针对信息光电子学课程教学中存在的“实践环节缺乏”、“教学模式单一”的现状,系统研究该课程仿真案例教学平台的建设与实践,通过拆分“信息光电子学”课程重难点形成层次化教学内容,利用虚拟仿真软件开发应用于该课程的仿真实验与案例教学微课资源,促进理论与实践一体化,借助翻转课堂开展仿真案例教学平台实践,强化学生自主学习与知识应用.实践表明,仿真案例教学平台的建设不但很好解决了理论与实践脱节的问题,还能充分调动学生的学习兴趣,培养学生的科研创新能力.
关键词:信息光电子学;虚拟仿真技术;案例教学;微课;翻转课堂
0引言
案例教学是指借用经典性和针对性的案例指导教学的一种开放互动的教学方式[1~4],它主要以学生为主体,通过“思考创见”的方式来提升学生的学习能力.这种案例教学方式注重师生双向交流,能调动学生学习主动性,易于学习和理解,已被许多高校列入教学改革计划.随着虚拟仿真技术的迅猛发展,仿真案例教学也应运而生.仿真案例教学是将虚拟仿真技术引入案例教学中的一种教学模式[5~6].相比于传统的案例教学,仿真案例教学不仅内容丰富灵活,更重要的是它解决了实验受硬件设备条件和场地限制的问题,弥补了实验的空白.同时,仿真案例教学将抽象的理论知识与可视的图形相结合,也便于学生理解理论知识.近年来,很多高校提出对仿真案例教学进行改革,如中国石油大学对“渗流物理实验”的仿真案例教学模式进行探索[7],安徽理工大学对单片机原理及接口技术的仿真案例教学模式进行研究实践[8].本课题组也开展了信号与系统的仿真案例教学研究应用[9~10],突出对学生理论和实践的培养,强调理论与实践的相互联系,在教学方面取得了显著成效.目前,仿真案例教学的改革与实践在本科生课程中进行得比较多,在研究生课程中的探索较少,但仿真案例教学对改革理论性较强的研究生课程教学有着至关重要的作用,故需对此进行研究.信息光电子学是一门在研究光与物质相互作用的过程中发展起来的新兴课程,具有基础理论与前沿研究相结合的特点,是信息与通信工程学科“光通信与信息器件方向”研究生从事研究和开发工作所必须掌握的专业基础课程.信息光电子学课程包含许多复杂的数学公式推导,具有“较强的理论性”;只有理论授课环节,从而导致“理论与实践脱节”;教学模式也是以教师在课堂上传授知识、学生被动接收知识为主,导致“教学方式比较单一”.这些问题阻碍了研究生在本课程学习中主观能动性的发挥.为了改变信息光电子学的“教难学更难”的教学现状,本文拟基于虚拟仿真软件设计教学案例微课,建立理论与实践一体化的信息光电子学仿真案例教学平台,并在此基础上开展翻转课堂的教学实践,充分强化学生在学习过程中的主体地位,促进教学过程中理论、实践与科研的有机融合.
1建设仿真案例教学平台,实现理论与实践的交融
信息光电子学课程全面介绍了光电子系统信息传递与处理各个环节的基本概念、基本原理与基础应用.这门课程知识点众多,内容复杂抽象.为了使学生更好地学习这门课程,首先对信息光电子学课程内容进行研究和拆分,确定每个章节的重点和框架,具体如图1所示.按照信息的传输处理环节将信息光电子学分为“光源”、“信息加载”、“光信息传输”、“光信号接收”、“光信息处理储存”五个部分.“光源”部分主要包括“激光原理与技术”,讲述光源的种类和激光的产生.“信息加载”部分主要包括“光信息系统的信号加载与控制”,讲述光的调制,为学习光传输打下基础.“光信号传输”包括“光学基础知识与光场传播规律”和“光波导技术基础”两部分,主要讲解光信号的传输规律和传输通道.“光信号接收”部分包括“光电探测技术”和“光电显示技术”两部分,详细描述提取以及转换电信号的各环节.“光信号处理储存”部分包括“光盘与光储存技术”,讲述对接收到的信号进行记录与储存的过程.在对信息光电子学课程内容进行研究和拆解分析之后,针对本课程教学存在“理论与公式较多”、“缺乏实验教学环节”等问题,构建如图2所示仿真案例教学平台方案,加强学生在学习过程中理论与实践的联系.该仿真案例教学平台主要思想是,针对拆解知识点利用仿真技术设计出虚拟实验微课,模糊理论教学和实践教学的界限,将理论教学和实践教学真正融为一体.通过认真研究教材,挖掘光电方向的实验室资源,同时结合国内外信息光电子学的最新研究动态,基于Matlab和Mathematica等仿真软件设计出包括“麦克斯韦方程组”、“高斯光束”、“偏振光学”、“平面光波导”、“光纤”、“光子自旋霍尔效应”等核心内容的虚拟实验微课及其配套内容.这些仿真案例教学既利用虚拟实验加深了对课程重难点内容的理解,又借助学科实验室资源开发了实物实验,弥补了实物实验环节的空白,将教与学融为一体.因此应用这种仿真案例教学平台,很好地解决了教学模式单一的问题,又使得理论与实践相结合,提高了学生的科研能力.接下来,以“麦克斯韦方程组”教学为例,简要说明仿真案例教学平台微课资源的开发思路.“麦克斯韦方程组”是理解宏观电磁现象的核心内容,在信息光电子学课程中属于重难点,学生仅从方程组的形式上难以将麦克斯韦方程组的理论与实际应用相联系.从理论知识出发,我们设计了电磁场在均匀介质中传输的仿真实验,并在仿真软件Matlab中利用时域有限差分算法对均匀介质中的麦克斯韦方程组进行求解,不同时刻的场强分布如图3所示.图3动态描述出点光源在这种介质中的传输情况,也可以形象地反映介质参数和光源设置改变后的传输特性,结合国内外“麦克斯韦方程组”的最新研究动态,将其制作成仿真案例教学微课.这样使得研究生可以更全面更形象地理解麦克斯韦方程组,更好地将课程与科研结合,提升自身的主观能动性.
2借助翻转课堂模式,培养学习的主观能动性
仿真案例教学平台一定程度上模糊了实践教学与理论教学的界限,但鉴于研究生学习目的性强的特点,它的实践模式还有待改进,因此本课题组引入了翻转课堂对仿真案例教学平台进行实践.翻转课堂是重新划分或者组织课内以及课外的应用实践,让学生在教学中能够掌握主动权的一种课程教学模式[11~15],其流程如图4所示.课前,教师在仿真案例教学平台线上微课,引导学生对课程内容进行自主学习和思考,从而达到知识传递的效果;课堂上,通过写作讨论的形式对课前预习过程中产生的疑虑进行解答,以达到知识内化;课后,教师通过线上平台进行考核,从而达到知识巩固的效果,并根据考核结果进行个性化教学,对学生的创新能力进行拓展提高.同样以“麦克斯韦方程组”为例,对翻转课堂教学模式进行讲解.课前,教师将“麦克斯韦方程组”的相关微课上传到仿真案例教学平台;学生根据自己的时间对麦克斯方程组相关理论知识进行学习,仿真电磁场在均匀介质中的传输过程,同时对疑难问题进行自主思考以及探索.课上,教师与学生以写作讨论的形式对仿真电磁场在均匀介质传输过程中遇到的问题进行探讨.课后,教师根据探讨结果在网络平台设置专属问题,例如“谈谈你对麦克斯韦方程组的理解”,以掌握学生对麦克斯韦方程组的学习效果,并且及时调整教学计划,培养学生的科研创新能力.通过翻转课堂对仿真案例教学平台进行实践,学生可以在线上有选择地自主学习,线下与教师对疑难问题进行讨论,从而可以充分体现学生在学习过程中的主体地位,完成教学中理论、实践与科研的有机结合.
3结束语
根据学校在信息光电子学课程方面对研究生的培养要求,秉持以学生为本、以现代教育理念为先导的思想,通过引入仿真案例教学对该课程进行改革与实践.借助虚拟仿真技术开发微课资源,建立仿真案例教学平台,并引入翻转课堂教学模式,对建立起的仿真案例教学平台进行应用,强化理论与实践结合,提高学生动手科研能力.这种教学改革方案有效地改善了“实践环节缺乏”、“教学模式单一”的问题,激发了学生的学习兴趣,提高了学生的主观能动性.自教学改革以来,本课题组指导学生公开发表高水平SCI论文11篇;获研究生科研创新项目省级立项4项,校级项目3项;毕业的研究生中,获省级优秀硕士论文1篇,校级优秀硕士论文1篇并被推荐参评省级优秀论文;获“华为杯”全国数学建模大赛二等奖3次,湖南省数学建模大赛三等奖2次.
作者:罗朝明 唐鹏 刘硕卿 宋益飞 程望斌 刘靖 单位:湖南理工学院信息科学与工程学院
