光电检测实验的教学改革探讨

曹洁萍，曾志娟，张敏敏

（华南师范大学信息光电子科技学院 广东 广州 510006）

理论教学与实验教学是理工科学生掌握知识与技术不可欠缺的课程，都是教学活动的重要组成部分。理论教学是以理论知识教材为主要内容，以课堂讲授为主要形式的教学活动，其出发点主要让学生能够系统性掌握和了解经典成熟的基础知识以及前沿知识要点。理论的教学内容一般基于科研人员经过多年验证在特定条件形成的自然科学规律、最佳技术方案或者技术参数，但由于内容相对抽象，对于绝大多数本科生来说，只能依靠记忆和理解掌握理论知识。实验教学是一种实践性教学形式，学生使用仪器设备，通过设置特定的实验条件引起实验对象理化特征的变化，进而观察、记录、测量与分析实验现象，最终获得知识与操作能力。实验教学课程多数是验证经典的理论知识，其内容经过绝大多数科研人员的质疑和验证，因此其实验内容与实践操作较为成熟。实践教学旨在使学生掌握专业所需的实践技能，着重培养学生发现问题、分析问题、解决问题的基本能力。因此，通过实验教学与理论教学课程不仅可以让学生理解和掌握基础的理论知识，同时也有助于提高学生的实践动手能力。

然而，由于不同学校存在对实验课程教学大纲要求、仪器配置、实验课程经费投入强度、实验场地大小和教师队伍数量与结构等差异，导致同一个学科乃至同一门实验课程设计内容与教学效果在不同学校间呈现显著的不同[1-4]。除了上述指标化条件影响之外，教学手段和考核方式等教师的个体化设计也决定着实验课的教学效果。本论文将以华南师范大学信息光电子科技学院的光电检测实验课程为例，通过对光电检测实验课程的教学内容、教学手段和教学评价三个方面的分析，探讨光电检测实验课程改革的教学效果。

光电检测技术涉及光学、电子技术、光电转换技术、计算机等多个知识要点[5]。光电检测技术虽然知识面广且复杂，但由于其非接触、高灵敏、高精度、高速等优点，目前成为最受欢迎的检测手段之一，在工业、农业、食品、医疗和军事等多个领域有着广泛的应用[6]。光电检测实验是继光电检测技术与器件理论课之后开设的独立实验课，旨在通过实验方法使学生掌握光电器件的基本操作和应用，最终能够利用光电器件和设备独立设计光电系统，进一步加深学生对光电检测理论知识的理解，强化实践操作。因此在保证教学质量的基本前提下，适当对实验教学内容和教学手段进行创新以及教学评价进行改革，有助于带动学生上课的积极性，提高学生对实验课程的兴趣，激发学生的创新思维和实践能力。

1 课程现状及存在的问题

光电检测实验的主要内容包括光电器件的特性参数测试、光电发射和接收器件的应用、光电系统的搭建等10个实验模块。目前光电探测实验大部分教学内容为理论验证性实验，缺乏趣味性和新颖性。在科技快速发展的时代，光电检测实验教学的内容和器材并没有得到相应的更新；其次，教学模式主要是遵循传统的方式，学生课前预习，教师课中对实验内容和主要操作等进行全面讲解，学生按照实验指导书一步一步操作完成。由于实验操作简单，并不需要对实验原理有太多思考即可完成实验，导致学生处于被动学习，积极的学生能够自觉思考实验过程中遇到的问题并自行解决，但大部分学生仍把实验当成一项任务，草率地完成实验提交实验报告，并没有吸收相关的知识。在实验教学考核方面，主要根据学生完成实验操作和报告的情况来评分，较难全面反映学生的实践能力和创新能力，也无法让学生对实验中遇到的难点进行深入的思考和解决，无法加深学生对光电基础知识的理解，不利于提高学生实践能力和解决问题的能力，无法激发学生的创新、探索兴趣，因此不能有效达到实验教学目的。

2 改革内容

2.1 明确目标

2021年初，光电检测实验根据培养方案规定的专业人才培养目标和毕业要求，对教学大纲进行了重新调整，新教学大纲增加了具体的课程目标，且课程目标能够与毕业要求对应。课程目标主要分为知识目标、能力目标和素养目标。知识目标包括掌握光学、电子学、光电转换理论基础知识和各类光电探测器的工作原理，光电系统常用的光源特性，光学调制器的应用和光电探测方法的应用等多个知识点。能力目标包括锻炼学生在光电系统的搭建、自动化领域、检测应用的实践能力。即从信号的获取、处理等整个光电探测系统的搭建，训练学生对复杂的综合性工程问题进行深入研讨、分析与解决的能力，达到能够运用现有知识和技能创新搭建光电系统的目的。素养目标则包含了解光电实验室的安全知识与管理，以及对突发情况的处理方法。与团队协作解决实验遇到的问题，培养学生的团队合作精神和沟通能力。能对实验结果进行完好的表达与逻辑性分析，表达能力，精益求精的创作精神，拥有良好的实验素养，严谨的学习态度和自信心。大纲详细地说明了教学内容、要求及进度安排，每个单元都有相应的知识点支撑课程目标，便于教师根据单元的主要内容、学习目标，教学方式等进行备课。

2.2 丰富教学内容

在教学内容上，保留原有的验证性实验和应用性实验，将同类型的验证性实验（如光敏电阻、光电二极管和光电三极管的特性研究）和应用性实验（如透射式和光耦式光电开光）进行合并讲解与操作，帮助学生更好地理解不同光电器件的结构、原理及应用场景。同时增加当前科技前沿领域的相关内容作为设计型实验模块，例如吸收光谱、荧光光谱，这些能够进行微弱光信号检测的技术广泛应用于工业、环境、食品、医疗、农业等领域。在设计型模块中，以学生为主导，教师负责引导答疑，由学生自由选择材料、器件进行光电检测系统的搭建、光电性能的研究，并对实验结果进行深入的分析，最终完成一个完整的书面设计报告。通过设计性实验使学生体验到科研式实验的过程，同时熟悉微弱光电信号检测的原理、操作、平台搭建，培养学生解决实际应用问题的能力以及创新能力。光谱技术在现实生活中有着广泛应用，掌握现代光谱检测技术使得学生在未来工作中添加一项专业技能，因此能够提高学生的学习兴趣和积极性。

2.3 扩展教学手段

在教学手段方面，改革之前主要是传统的教学方式，学生课前预习，教师课上对实验内容和主要操作等进行全面讲解，并演示实验步骤，学生再具体按照实验指导书一步一步操作完成。改革后，教师提前要求学生结合光电检测虚拟仿真软件学习实验课前知识。虚拟仿真实验教学是教育信息化的有效手段，用于实验教学可以补充实体教育的不足，相较于线下实验，虚拟仿真实验更为方便，学生可以随时访问平台，进行预习复习，琢磨、消化、拓展。但是虚拟仿真实验的体验感和实际达到的实验效果还有很多欠缺，因此目前还是无法代替实际实验。例如，在实体实验中，教师可非常直观地看到学生的实验情况，而虚拟仿真实验则存在空间的隔离，教师无法第一时间掌握学生的知识掌握情况以及实践操作能力，毕竟网上操作和实际动手操作存在较大差异。因此，针对目前光电检测实验的现状，结合基础和最新的光电探测技术及其应用，对学生开展光电检测虚拟仿真与线下实验结合教学。

虚拟仿真软件包括元器件仿真、实验仿真和训练仿真，元器件仿真包含常见的光电器件的结构和原理，形象的仿真动图有助于学生加深对光电检测理论知识的理解，同时掌握实验理论数据，有利于对实验数据的分析。实验仿真包含光电器件的工作电路演示与连接，通过仿真实验的操作，使学生初步了解实验的关键步骤与目的，进入实验室后不会盲目按照实验步骤操作，而是有目的地、有条不紊地进行实验。训练仿真包含应用性实验的操作练习，帮助学生了解相关光电器件的应用场景。学生可通过虚拟仿真软件进行实验原理、实验操作、理论数据等相关知识的储备，为后续进入实验室进行线下实验操作打下牢固的基础，达到事半功倍、节约时间、提高实验效率的效果。

另一方面，课前明确告知学生，在实验操作过程中教师将随时抽查学生正在操作的实验原理等内容，具体考察内容由教师向学生即时提问，有了目标和压力后，可以提高学生预习的效果。在实验课中教师对实验原理进行讲解，并介绍主要设备的用途，然后由学生按照实验要求进行操作，这就需要学生对每一个步骤、每一个器件预先进行详细了解，否则无法在规定的时间内完成实验。同时，建立QQ或者微信群，使学生可以随时与教师讨论知识点，教师及时给予学生反馈，避免学生知识点积压，逐渐失去学习兴趣。通过网络向学生展示优质的光电检测技术资料，科普相关知识，拓宽学生的知识面，以弥补实验设备更新不及时导致的技术落后问题。利用丰富的网络资源使学生不再局限于实验室现有的设备，能够通过网络了解学习更先进的知识和技术，与时俱进，为将来进入社会接触企业中的先进技术打下基础。

实践发现，在虚拟仿真实验平台预习的学生理论知识更扎实，进行线下实验操作也更熟练，效率更高，这种线上线下结合的实验教学模式，弥补了实体教学中仪器设备限制的缺陷，也解决了教师无法直观观察学生实操情况的弊端，使学生在虚拟仿真平台上学习的知识得到升华与巩固。而通过网络及时答疑，能提高学生学习的积极性，分享的科技前沿知识等能够让部分学生得到启发，培养其创新思维。

2.4 多元化考核方式

在考核评价方式方面，首先，通过学生对实验原理等内容的回答和实验预习报告，教师给出预习成绩。其次，通过对学生的实验操作进行观察与提问，使学生牢记每个实验步骤的意义，然后给出实验操作分数，这部分分数能够反应学生的实践能力和解决问题的能力。最后，学生按照要求完成实验报告和设计报告，设计报告要求按照科技论文的要求进行撰写，让学生体验科研实验的过程（设计、实践、论文撰写），教师根据学生实验报告以及设计报告的完整度和完成质量给分。学生最终成绩为实验预习（20%）+实验操作（20%）+实验报告（60%）的综合评分，能较全面地反映学生的光电基础知识和实践能力。

3 结语

本论文分析了光电检测实验课程的现状，以培养学生的工程实践能力和创新能力为目的，对教学大纲进行修订，明确教学内容与目标；丰富教学内容，增加科技前沿知识点；扩展教学手段，采用线上线下结合的实验教学方式；多元化考核方式，综合考虑学生自学能力、实验操作能力、思考能力以及解决问题能力等全面反映学生的实验情况。改革和实践表明，丰富的教学内容有助于提高学生上课的兴趣与积极性，线上线下结合的教学手段有利于学生主动学习，提高自学能力和学习效率，多元化的考核方式较能全面反映学生对该门实验课程的掌握程度，调研结果表明大部分学生对该考核方式都给予了肯定的评价。经过两年多的实践，该课程的改革和实践取得了较好的成效，对于如何通过实验课程进一步提高学生的科技创新能力，笔者将持续关注与探讨。