《光电信息技术实验》金课建设实践

盛宇柯，李 海，杨初平

（华南农业大学电子工程学院（人工智能学院），广东广州 510642）

2018 年6 月，教育部在新时代全国高等学校本科教育工作会议上提出打造“金课”，表明国家高度重视课堂教学在人才培养中的重要作用，标志着我国高等教育的发展已经进入了提高质量、提升内涵的发展新时代。其根据课程的不同特点，对“金课”分类建设提出指导意见，提出建设“线下金课、线上金课、线上线下混合金课、虚拟仿真金课和社会实践金课”等五类金课。如何建设金课并提高课程教学质量，是现阶段摆在每位教师面前的一项重要任务，也激发了广大教师的建设热情，促使其积极开展金课建设实践探索。

一、金课建设标准的认识

金课建设需要一个目标，一个标准。关于“金课”建设的标准问题，教育部提出了“金课”的标准为“两性一度”，即“高阶性、创新性、挑战度”。

（一）高阶性

高阶性要求课堂教育不仅要传授知识，还要实现传授知识、培养能力、提高素质的有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。通常的课堂教学，对于理论课程，传授知识是主要任务，通过课堂讲解对相关理论的基本原理和性质给予剖析，课后通过章节配套的思考题增进学生对知识点的充分理解，也通过配套习题实现对基本计算的掌握；对于实验课程，通过教师课堂上讲解，学生实现对实验相关原理的理解，通过教师对实验仪器结构、功能的讲解演示，学生掌握仪器的使用要领，然后学生小组通过对实验步骤和测量要求的理解，独立完成基本实验操作，课后完成实验报告。金课建设提出一定要重视能力培养和素质提高。因此，高阶性指明了课程建设的方向。

（二）创新性

创新性要求每门课程内容不仅要具有所在学科的基本原理，也要有反映相关科学和技术的前沿性和时代性的知识窗口，使学生在掌握基础知识的基础上通过这扇窗口了解相关学科和技术的前沿发展。教学形式要呈现先进性和互动性，学习过程不仅有基本操作，学习过程和结果也要具有探索性和个性化。

（三）挑战度

挑战度指课程要有一定难度，需要跳一跳才能够得着。教师要认真把课程相关资料准备好，使备课内容、课程作业要求具有挑战度，对学生课下学习有较高要求；学生要按照教师的要求，通过自己跳一跳、加把劲把每次课程作业完成好，并在完成的过程中实现知识、能力和素质的提升。如此，通过完整课程的学习实现金课的培养目标。

从以上对金课“两性一度”的内涵的理解，可以看出高阶性、创新性和挑战度三者是相辅相成的；高阶性是金课的目标，高阶性的实现需要通过对教学过程的精心设计和安排，把创新性和挑战度贯穿到课程的教学过程中；创新性和挑战度的实现需要教师发挥积极性，更需要发挥学生的学习积极性。

金课建设目标虽然相同，但金课建设没有现成、固定的模式可供参考。金课建设贵在实践，贵在探索，贵在百花齐放，贵在教材建设、课堂讲授、课后作业的高要求。只要有利于实现金课的“两性一度”目标，教学实践上的任何尝试均值得支持。由于专业实验课程在学生专业能力培养中具有理论联系实际的作用，利于培养学生的创新能力，因此，我们结合实际情况在专业实验课程开展金课建设试点，为其他专业实验课程的金课建设积累有益经验。

二、金课建设实践

（一）课程特点

《光电信息技术实验》是光电信息科学与工程专业的专业实验课，包含10 个实验项目，分别是：“阿贝成像与空间滤波实验”“θ 调制实验”“利用光栅滤波实现图像相加”“利用复合光栅实现光学微分”“马曾干涉仪实验”“数字全息及实时光学再现实验”“2D 激光位移传感实验”“光学三维形貌测量实验”“数字式光学传递函数测量与像质评价实验”“电子散斑干涉测量离面位移实验”。实验理论涉及《物理光学》《信息光学》《工程光学》《光电子技术》等专业课程的内容，实验设备的构成包括光路设计、光电信息转换采集、机械电动控制、数据处理软件应用等，每套实验设备就是一个小型的光、电、计算机软件一体的系统。这些是实现金课建设的基础。

（二）传统实践课程教学

过去，实验讲义是按照实验目的、实验仪器、实验原理、实验内容、实验步骤等结构组织起来的；实验过程就是学生按照实验内容和实验步骤完成实验相关的测量内容；实验报告就是按通常报告的撰写规范完成。在实施实验教学过程中，学生理解了实验原理，掌握了实验仪器的结构、功能和使用方法，同时对知识的认知实现从理论到实践的联系，但教学过程比较平淡，创新性和挑战性没有体现出来。

（三）金课建设的实践

按照金课建设的“两性一度”要求，教学团队重新思考分析专业培养目标，对每个实验项目进行细致的剖析，认为可以实现创新性和挑战度的着力点很多：实验内容综合性强，有硬件——光路设计、光电信息转换，有软件——光电系统的控制和数据采集处理；光路设计是实现测量过程光信号有效传递的基础，不仅涉及对光信号光路传播的认识，也涉及对各个光学元件功能的认识以及光路结构布置；光电信息转换需要掌握各种光电信号探测的性能和特点；作为光电检测系统的核心——系统软件，无论是软件功能的模仿设计还是有创意和有特色的设计，创新性和挑战度的落脚点均可以有效设计。因此，教师可以结合本实验课程的特点开展金课建设。笔者通过两年的教学实践，总结如下实现金课标准的做法。

1.关于高阶性的体现。本实验的教学目的不再局限于传统教学过程，即按实验原理、实验步骤以及测量要求，操作实验仪器，完成数据的记录和处理、撰写实验报告就算完成实验教学过程和教学目标。高阶性的目标确定为通过本课程学习，学生掌握光电计算机一体化系统结构设计的专业能力，特别是系统的核心部分——软件的编写。于是本实验课程的金课建设实践要突出光路结构设计、光电信号转换、数据采集和处理软件的编写训练；教材编写上以突出上述三点对实验讲义重新组织，重视光路结构和光路功能的描述；教学过程中从系统融合角度即硬件结构和软件功能一体化角度讲解实验系统。

2.关于创新性和挑战度的体现。课程引入几点具有创新性和挑战度的安排：教学团队挑选了三个典型的光机电一体化实验项目：“2D 激光位移传感实验”“光学三维形貌测量实验”“数字式光学传递函数测量与像质评价实验”；学生的实验报告需要从光信号传递和测量角度比较详细地讲解光路设计的依据，可以查阅文献，可以与教师讨论；学生需要比较完整地理解实验上所用的光电信号传感器的特点，它是光电检测系统实现精密测量的基础；布置具有挑战度的实验作业的做法——结合实验系统软件的功能，编写类似功能的软件，原因就是光电计算机一体化系统中光电信号采集和处理是核心部分，系统软件是系统的灵魂。这样安排能够使实验课后作业突出挑战性要求：学生不仅要完成相应的实验报告，还需要在教师提供的基本功能软件基础上结合对实验的理解和讨论，以小组为单位完善与实验系统对应且具有一定特色功能的软件，也就是学生必须自己设计相应实验系统的控制和数据处理软件。

3.助力实现创新性和挑战度的教学基础建设。学生虽然已经学习了若干专业基础课，有电子信号处理基础，有光电信号转换基础，有初步编程能力，但从系统的角度来理解并设计一个光电系统，对学生来说是一片空白的。因此，学生一下子进入到开发光电检测系统软件的阶段，其难度可想而知，这时需要给学生提供一些帮助，使其跳一跳够得着，课程的培养效果才更加明显。这也是教学团队在实现金课目标过程需要着力对教学过程进行精心设计的环节。如果这个环节设计安排合理，通过本实验系列有的放矢地进行训练，学生将具备良好的光电系统设计能力、良好的系统设计思维、良好的光电计算机一体化意识，对于后续面向学生实践能力培养的课程设计训练具有良好的教学示范和引导作用。基于这个目的，在《光电信息技术实验》教学过程重视系统结构和功能关联，重视光、电、光电转换和与数据处理软件系统的融合。为了助力实现课程的创新性和挑战度，教学团队编制出分层次系列光电系统基础软件框架，录制了软件设计的教学视频，演示光电检测系统软件的设计流程。学生可以从零基础开始分阶段学习训练，首先理解三个典型光电系统的控制要求、数据采集和处理要求；接着演示系统软件界面的设计，界面是人机交互的窗口，是学生可以发挥个人聪明才智的环节；最后是界面上各个功能的算法实现。系列软件框架把光电系统软件的设计过程进行分解，从简单到复杂，从实现数据处理的算法冗余到算法优化，可以有效锻炼学生的编程能力。学生在这个基础上可以完善软件信息处理功能，可以优化软件功能结构。

4.为了检验金课建设效果，实验课程结束时，教学团队专门安排一个光电检测系统设计经验交流会，让每组学生上台展示并讲解所设计的光电检测系统软件的界面、功能结构安排、数据处理算法实现，学生间相互比较切磋，相互启发；教师分别对各个作品进行点评；最后学生投票选出优秀作品：可以是优秀软件界面设计，可以是优秀数据处理算法，可以是优秀软件系统，分别给予表彰。

实践证明，上述讲义内容和教学安排学生喜欢接受，实验课程挑战度作业布置虽然提供光电系统数据处理基础软件库作为垫脚石，但也只是提供一个基本软件框架，不仅体现光电检测系统特点的数据处理、输出、显示等功能需要学生完成，而且在作业考核上也有突出软件特色的压力和动力。学生普遍认为这种教学安排能够培养自己的专业综合能力，进而较快地掌握有关光电检测系统整体结构初步设计的专业技能。

三、金课建设体会

第一，金课的标准是“两性一度”，在具体课程的金课建设实践中，根据课程的培养目标和对学生整体素质的了解，选择落实“两性一度”的培养点和具体实现机制，是实现金课目标的前提。教学团队针对学生不同的能力特点，在完成挑战度作业时分解出三个不同的挑战度：第一个层次是基本完成，即实现光电检测系统软件的基本功能，对界面结构和数据处理算法优化方面不做要求；第二个层次是按质完成，即软件除了实现基本功能，对界面结构和数据处理算法优化有所体现；第三层次是超质完成，即软件除了基本功能，还有特色功能，界面结构和算法优化表现优异。实践证明，第一个层次学生都能达到，少数学生甚至可以达到第三个层次。

第二，课程在落实“两性一度”的过程，可以分阶段实现，一步一个阶梯，让学生小步跳跃着实现整体挑战度的各个分段培养目标，不至于一下子给学生提出过高的挑战度。在我们设计的挑战度作业中，教学团队按学生从零基础开始，从简单到复杂，编写演示光电系统软件设计系列教学视频，学生通过视频学习从界面设计开始逐步进入到数据处理算法设计。

第三，课程要提供合适的基础学习资料，助力创新性和挑战度的实现，而不是让学生在一穷二白的条件上去实践。我们的教学团队设计的系列软件框架和教学视频，就是这样的体现。

第四，实现金课目标没有捷径可走，也没有通用的建设模式；同一门课程实现金课标准的具体做法可以不同，但目标是一致的；金课建设过程需要教师因地制宜、因材施教。

总之，只要每位教师本着为国家培养优秀人才的宏大目标，主动积极作为，每一门课程都可以建设为金课。