《光电探测与信号处理》课程的学生实践能力培养

左绪忠，何恩节，秦炎福，官邦贵

（安徽科技学院电气与电子工程学院，蚌埠233030）

0 引言

改革开放至今，随着社会的快速进步推动着各大领域的迅速发展，科技发展的脚步也逐渐走向了新时代，在新时代的背景下，国家和企业对具有创新型实践人才的需求量也日益增长。同时，2015年5月《中国制造2025》战略的提出是中国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。众所周知，高等本科院校对人才培养在人才强国建设战略中发挥了不可替代的主力军作用，因此高等学校对人才的培养需要顺应时代的发展，工科生的人才培养方向应该由基础理论知识教育逐渐向培养具有创新和实践能力的人才教育转变，人才培养质量要看重学生发现问题、分析问题和解决问题的专业核心能力的培养。最初于2000年被倡议的CDIO工程教育模式符合现阶段人才培养的目标，其要求学生具备构思、设计、发现和运作的工程能力，CDIO的培养大纲主要将工程类毕业生的能力按照工程基础知识、个人能力、人机团队能力以及工程系统能力进行了划分[1]。《光电探测与信号处理》是安徽科技学院光电信息科学与工程专业的学生在大二时必修的一门专业核心课程，该课程涵盖的五部分内容在光电探测领域和信号处理领域都占据着非常重要的地位。本文主要以《光电探测与信号处理》课程为例，针对目前该课程在理论和实践教学过程中存在的一系列问题与不足，我们探索和改革了线上和线下教育资源互补、以竞赛为抓手促进学生动手能力、强调课程设计环节中的仿真实验结果以及引入综合性设计实验四个模块，旨在培养工科毕业生具有解决复杂工程问题的实践能力，从而缩短人才培养质量和国家以及用人企业对复合型人才需求之间的差距。

1 课程理论与实践教学存在的问题

1. 1 理论教学存在的问题

《光电探测与信号处理》课程在2017年的人才培养方案中的理论学时是42学时，考虑到该课程涵盖了大学物理、高等数学和复变函数与积分变换等多门课程的知识，因此学生在有限的课堂时间里对理论知识点的吸收与掌握存在较大的难度。根据CDIO模式下的工程教育要求，目前理论教学还存在以下问题和不足：①理论学时和课程设计学时分配不科学，同时课程设计在教学计划中安排在学期的中期，因此在开展课程设计时，理论教学相当于只完成了一半的教学工作量，这对于学生在课程设计中不能完全合理科学地调用全课程体系的理论知识。②教学资源稀缺，师资较为匮乏，目前能胜任《光电探测与信号处理》这门课程教学的专任教师只有2人，面对快速发展的光电领域，很难形成头脑风暴。③只有线上资源，没有线下资源，学生只能在课堂上被动地学习，在课余时间主动学习课间没有理解的知识的渠道相对较少，因此拓宽线下资源将会很大程度上改善学生的学习环境。

1. 2 实践教学存在的问题

根据人才培养方案和教学大纲的要求，《光电探测与信号处理》这门专业核心课程的实践教学环节主要包括实验演示和操作以及机房的课程设计两个模块。目前实践教学存在的问题主要有：①侧重模仿式实验，忽略了设计性实验。实验演示和操作主要体现为教师首先讲解实验内容、实验原理以及实验操作步骤，其次教师进行实验演示让学生观察实验现象和实验结果，然后学生按照实验讲义和教师的要求重复操作该实验，在整个过程中有很大一部分学生没有深入思考实验原理中的理论知识和认真钻研实验的操作流程，因此模仿式实验的开展不利于学生的思考和动手能力的提高。②注重仿真实验过程，轻视了实验结果。课程实践通常以分组的形式开展，每组在获得题目之后将进行实验仿真，由于课时的限制，我们注重学生对题目的整体分析和解决能力，但是最后汇报答辩时存在较多小组仿真运行结果和题目要求存在较大偏差等现象，说明很多学生在学习的主动性、自主学习能力和自我约束力上存在很多不足。③理论知识学习和学科竞赛环节脱离。学科竞赛既是检验学生理论联系实际能力的一个非常好的平台，也是培养学生实践与创新能力的一个好的机会，目前虽然很多学生理论知识较为扎实但是动手实践与创新的能力较为薄弱，因此吸纳更多具有扎实学识的学生走进实验室参与学科竞赛，这可能对提高工科学生的实践能力有很好的促进作用。

综上所述，该门核心课程在理论教学环节和实践教学环节均存在诸多不足，这对培养具有CDIO现代工程教育背景的应用型本科高校毕业生存在很多弊端。为了改善和提高学生的实践与创新能力，我们基于CDIO模式对现阶段的教学环节进行了探索，旨在培养具有发现问题、分析问题和解决问题的工程实践能力的学生以符合社会和用人单位对创新性人才的需求。

2 基于CDIO模式的《光电探测与信号处理》实践能力培养

2. 1 线上线下教育资源互补

《光电探测与信号处理》课程的内容具有理论知识多，知识范围广，抽象性强等一系列特点，而且该门核心课程的课堂理论教学学时有限，所以学生在课堂上很难准确地吸收和掌握全部课程知识。同时，一部分学生的课堂学习主动性不强和课堂领会能力较为薄弱，最主要表现在上课不能集中注意力。另外，部分学生虽然上课专心听讲，但是由于多媒体教学存在的先天缺陷，导致这部分学生也很难完全掌握课堂上讲授的所有知识点。但是，对于提高学生的实践能力，很重要的一点就是要求学生具备较为专业的理论知识，针对上述存在的问题，我们教学团队利用课堂教学的资源拍摄了全课程的讲授视频，并且将这些视频全部上传至网络对学生开放，学生可以利用课后时间登录网站进行个性化地自主学习，这一点有利于学生熟练掌握在课堂上没有理解的知识点或者加深对知识点的理解，从而对提高学生在实践环节对理论知识点的快速提取起到一个非常重要帮助。因此，线上和线下的教育资源互补、全天候开放式教学模式可以有效地改善学生在理论联系实际环节中所存在的理论知识匮乏的现状。

2. 2 以学科竞赛促进实践能力培养

理论联系实际的能力不仅是检验一个学生对理论知识掌握的熟练程度，而且是检验该学生动手能力强弱的一个很重要的指标[2]。CDIO模式教学旨在培养有构思、设计、实现和运行综合素质的学生，为此，安徽科技学院电气与电子工程学院创办了“精英大舞台”，在这个平台下开设了基于“智能车、电子设计、单片机、光电设计以及大学物理竞赛”为导向的实践实训教育实验室，每年我们都在大一新生中吸收具有不同兴趣的学生进入实验室，通过实验室指导老师和高年级学生的讲解与帮助，让新生尽快地了解和掌握实验仪器和实验项目，再结合学习的专业课程，指导老师会根据实验的内容深入讲解所运用的理论知识以加深学生对理论知识的影响，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的工程能力，然后通过不断地工程技术实践的训练，最终培养具有较高实践与创新能力的竞赛队伍，目前这些实验室已经形成了“传-帮-带”的良好氛围。经过这两年的探索，我们光电信息科学与工程专业项敢亮学生在2019年全国大学生电子设计竞赛中获得了全国二等奖，该奖项也刷新了我院在该项赛事中获奖的最好成绩。当然，这一成绩的取得也直接证明了我们在以“学科竞赛”培养学生的实践能力的道路上迈出了坚实的一步。

2. 3 注重课程设计中的仿真实验结果

课程设计是《光电探测与信号处理》的附属课程，旨在培养学生利用课堂上所学的理论知识解决实际复杂工程问题的能力。课程设计以分组的形式进行，每组4人，通常选取2名成绩较为优秀和2名成绩较为合格的学生搭配分组。以往，指导老师在分配好课程设计题目之后，每组根据题目的要求完成相应的仿真设计，指导老师在课间或课后对学生提出的问题提供可参考的解决方案，主要工作还是由学生自主完成，但是我们在汇报答辩的时候发现很多小组都不能较好地实现题目所要求的功能。光电信息科学与工程专业的学生实践能力主要体现在在给定的条件下，能否自行地写出程序、画出电路和制作实物以解决复杂工程问题[3]。同时，针对以往课程设计在答辩过程中发现存在的不足，现阶段不仅注重仿真实验的设计过程，更看重仿真实验的运行结果。在答辩时，通常要求每个小组中的每名成员在答辩时都要熟练地操作仿真实验中所运用到的Proteus软件，而且能清晰地讲解出电路图的设计与运行时所用的理论知识，针对不能按照要求完成课程设计的小组，在考核中给予较差的评价。注重仿真实验的结果不仅对学生写程序和画电路图提出了更好的要求，而且提高了学生的自主学习能力和团队合作能力，同时还能提高学生在利用所学知识解决实际问题过程中的构思、设计、实现和运行的能力，从而有利于培养具有较高实践能力的工科生。

2. 4 引入综合设计实验凸显创新能力培养

实验课程在压缩之前具有21个实验，部分实验内容出现重叠现象，部分实验现象出现雷同行为，为了保证学生通过基础实验的操作和观察来掌握和加深基本理论知识点，同时结合课程内容的特性，保留了10个最具有代表性的实验作为基础实验项目。另外，为了培养学生的创新与实践能力，引入了超快激光特性研究、三维摄像与显示以及LED封装、测试与设计三个综合设计类实验项目，综合设计类实验依然按照分组进行，指导老师把题目分配给学生之后，让学生查阅相关资料和走进实验室，要求在规定的时间内完成实物的制备与性能的调试，这些项目的引进不仅能激发学生对实验的兴趣，还能加深学生对社会生产实践的理解，更能提高学生动手、创新与实践的能力，这对培养具有创新型思维的工科毕业生有很大的帮助[4]。

3 结语

本文针对我校光电信息科学与工程专业的专业核心课程《光电探测与信号处理》学生工程实践能力较为薄弱的现象，我们基于CDIO模式在线上和线下教育资源互补、以竞赛为抓手促进学生动手能力、强调课程设计环节中的仿真实验结果以及引入综合性设计实验四个方面进行了探索和改革。结果表明：加深了学生对课程的理论知识的理解和掌握，改善了学生理论联系实际的能力，提高了学生解决复杂工程问题的能力，缩短了学生和企业对创新性人才需求之间的差距。总之，我们探索了新形势下地方应用型本科高校中光电信息科学与工程专业学生实践能力培养的新途径，并取得了将为良好的培养效果。