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［摘要］结合“高等光电技术实验”课程中“光纤传感实验”模块的教学实践，从实验内容设计、教学方法和教学手段等方面运用启发式教学和创新性教学方式，为提高教学质量和培养创新型人才进行了有益的教改探索。
研究生教育属于国民教育序列中的高等教育，与本科和中小学等阶段的教育不同，其本质是培养研究者的教育，其目的是培养国家创新人才和提高国家科技竞争力[1，2]。对于工科院校而言，实验课程作为连接理论与实践的桥梁，是研究生教育中不可或缺的组成部分，对于培养学员的科研能力、工程实践能力和创新能力具有极为重要的作用[3]。然而当前实验教学还存在诸多问题，诸如：（1）内容设置上，实验步骤过于详尽，学员按部就班，启发性不足；（2）授课过程中，多数实验单线程运作，开放性和创新性不足；（3）参与教学的学员本科教育背景参差不齐，知识技能储备差异较大；（4）实验考核形式偏于单一。为满足新形势下光学工程学科研究生人才培养的要求，针对通常实验教学中存在的问题和不足，国防科技大学前沿交叉学科学院投入了大量的人力和物力，构建了以光电技术为核心的研究生实验教学和创新实践活动平台，依托该平台开设研究生核心课程“高等光电技术实验”，推动了构建光学工程学科完善的人才培养体系[1]。
一、实验内容的设计
从现行课程框架和已建设的条件来看，“高等光电技术实验”中“光纤传感实验”模块按照先器件后系统的方式进行设计，内容涵盖了3dB光纤耦合器和马赫—曾德光纤干涉仪。首先完成半导体激光器的耦合和起偏，然后使用光功率计来获取不同偏振态的线偏振光进入1级3dB耦合器后的输出功率比值，最后搭建马赫—曾德干涉仪，并使用光电探测器和NI采集电路测试环境温度的变化。针对研究生实验动手能力和创新能力培养的需要，为了更好地运用启发式教学和创新性教学来促进教研结合，在内容设置上注重考虑如下两个方面。1.以教促研。自主学习实验器件的使用。启发式教育的形式之一是设置情景问题引人入胜，即教员要有意识地给学员提供一些具有思维含量、引人入胜的问题，如困惑的问题、意外的问题、奇妙的问题、疑难的问题等，去启发学员的思维。“光纤传感技术实验”主要是针对低年级研究生开设的，对于绝大多数低年级研究生来说，光纤耦合模块、光电探测器模块、NI采集卡模块都是新鲜且陌生的。在授课教员的引导、鼓励和帮助下，研究生学员根据模块中器件型号查阅相关资料，并以2~3人实验小组的形式参考器件实物开展讨论。这样既能激发学员的求知欲和实验兴趣，也能加深了学员对该实验器件的理解和认识，锻炼其快速查询和阅读器材资料的能力，对于研究生课题的开展和研究大有裨益。2.寓教于研。创新性内容的设计。一般实验课是演示型或验证型，按照事先安排的详尽实验步骤，观察到与理论预期一致的现象即可完成实验。尽管这种方式可以加深学员对于理论知识的理解和锻炼其动手能力，然而按部就班的过程、已知的实验预期使得学员的创新能力得不到充分的训练和培养。为此，实验中增加了“疑问”“复述”和“拓展”环节。“疑问”环节是指在实验讲义中预埋部分存在“错误”步骤，这些“错误”环节可能导致实验结果出错，但又不至于产生安全和器件损坏等问题。开始实验前教员会提醒学员，但并不指明“错误”位置。“复述”环节是指在分块开展的实验过程中，在阅读实验讲义后开展2~3人小组讨论，随机抽取1人复述拟开展实验的步骤、各步骤的缘由和目的以及各步骤中所用光学元件的作用。“拓展”环节是指在实验中挑选若干部分，鼓励学员在不损坏器件的前提下安全的探索备选方案。例如激光耦合后的起偏部分，拟利用所提供的非偏振分束器、偏振分束器、1/4波片和1/2波片得到一束优化的偏振方向可控的线偏振光，在实验步骤中给出错误的器件顺序，要求学员“复述”和分析各器件作用，鼓励学员提供额外的备选方案。例如马赫-曾德光纤干涉仪部分，要求学员“复述”系统各部分组成和作用，鼓励学员将带有调制信号的参考臂和感知外界参数的信号臂互换来比较实验结果。
二、教学方式的探索
对于“光纤传感技术”实验模块，每2~3名学员为一组配备一名指导教师开展实验，师生之间有很好的交流和互动的机会。该实验模块总学时和单次每次授课的学时都比较充分，实验内容被分割为2个子模块以及多个更小的实验单元，这样既可以灵活控制实验各单元的进度，便于预定教学目的的实现，也为启发式教学和创新性教学提供了充足的课堂时间，用于鼓励学员积极思考和开拓创新。1.设置问题和自主式学习的引导。设置问题，启发学员思考，鼓励学员资助学习和动手操作，是提升学员实验积极性和培养创新能力的常用手段。通过实验内容的改进，整个实验模块相当于一个小的科技问题，其中的子模块和实验单元从浅入深，逐层递进。教员为学员提供所必需的实验器材，说明实验的基本规则，以防止安全事故和实验器件损坏。根据所提供的主要器件，由学员自己查阅器件资料，自行讨论和研究怎么高效地耦合激光和实现光束优化后的起偏，怎么理解3dB耦合器分束比随线偏振方向变化的规律，怎么搭建和使用光纤传感系统感知温度变化，等等。在讨论过程中，实验教员进行旁听和必要的引导；在充分讨论后，由学员自己复述实验思路和详细缘由。2.半开放式的实验过程。半开放式的实验过程，是促进学员积极思考和勇于创新的重要方式，可以在保证教学任务的前提下，培养学员的创新能力。如前所述，笔者在实验内容中设置了“疑问”“复述”和“拓展”环节。学员在阅读实验讲义时会思考各实验步骤的合理性，并在教员的引导和监督下开展小组讨论和“复述”，并在“拓展”环节中积极尝试备选方案。“拓展”环节中的实验部分没有唯一的标准答案，鼓励学员提出解决问题的方案，勇于试错。3.因材施教。在实验教学中，笔者注意到参与教学的部分学员来自非光学类专业或者属于工作后再教育的状况，这些学员对基础知识的理解程度和基本技能的掌握程度都明显不足。在实验教学过程中，教员会有针对性地就光纤基础知识和基本操作进行重点讲述，以帮助这些学员快速掌握，有利于小组讨论和实验开展。
三、考核手段
实验课的考核是检验学员学习效果最常用的手段之一。在“光纤传感技术”实验模块开展过程中，采取了四种考核手段相结合的方式。考核手段一是在实验过程中与学员进行关键知识点的交流，观察其对于实验背景知识的认知程度，这部分成绩占10%。考核手段二是在实验过程中观察每组学员的积极程度和动手能力，这部分成绩占20%。考核手段三是传统的实验报告，主要考察对实验结果的分析和解释能力，占40%。考核手段四是在45分钟内书面回答实验常识类问题、有序完成所设定的实验内容并进行分析以及对实验习惯进行考察，该部分占30%。
四、结语
针对研究生教育中存在启发性不足、学员自主创新环节偏少等问题，对“高等光电技术实验”课程中的“光纤传感实验”模块进行了实验内容和教学方式的改进，使得该课程的教学过程更为丰富多样，充分激发了学员实践动手的热情和开拓创新的精神。希望本文探索的实验内容和教学方式，能够为光学工程学科或其他学科实验教学的开展提供一定的借鉴。
参考文献
［1］谭中奇,梁永辉,毛宏军,等.研究生光电技术实验课程教学探索与实践［J］.教育教学论坛,2015(22):106-108.
［2］谭中奇,张振宇,杨开勇.研究生专业课程教学设计的思考［J］.高等教育研究学报,2013,36(4):96-98.
［3］刘琳,李国华.“研教互动”模式在高校创新性实验教学中的探索［J］.西部素质教育,2019,5(03):145-147.
作者:韩翔 肖光宗 谭中奇 刘进 梁永辉 单位:国防科技大学