面向新工科的光电检测技术混合式课程构建

江俊峰，刘铁根，刘 琨

（天津大学 a.精密仪器与光电子工程学院；b.光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072）

2017年起，教育部积极推进新工科建设，以满足新一轮科技革命与产业变革的人才需求。这对教育教学的思想和实践均提出了新的要求［1］。光电检测技术是光电信息技术的重要分支，在工业、农业、商业、军事及日常生活中都有着广泛的应用，是当今科学研究与应用的热点。因此，天津大学自2000年开设“光电检测技术与系统”课程以来，即定位其为光电信息方向本科专业的核心课程，是学生进行创新性思维训练的重要途径，多年来取得了不错的育人效果，成为科技和产业单位高度认可的一门核心专业课。但如何面向新工科，继续深化光电检测技术的教学与实践，是达成新一轮科技革命与产业变革形势下人才培养目标的关键。

一、“光电检测技术与系统”教学现状及问题

“光电检测技术与系统”教学内容包括光电信息检测技术及系统、光电衍射检测技术与系统、光电扫描检测技术与系统、光电干涉检测技术与系统、光纤传感检测技术与系统以及光谱检测技术等六个模块。在教学实践中，我们发现存在以下问题：（1）学生感觉难度较大，这是因为“光电检测技术与系统”是一门综合性非常强的课程，所学过的前序课程如“高等数学”“工程光学”等的教学内容均会体现在系统构成原理与分析中，因此不同于以往课程学习内容相对独立单一的情况，该门课程实际上考查了学生综合运用以往知识的能力，学习难度加大。（2）学生课程考试不适应。由于“光电检测技术与系统”侧重于系统总体的设计，且注重与实际结合，学生需要对实际应用进行思考，以往偏重记忆式、突击型的学习方法失效了。（3）在毕业设计中发现，不少学生在遇到光电检测技术领域的实际问题时，仍然不能很好地入手解决。这显然难以适应新形势下国家对人才的培养目标。

因此，知识讲授为主、教师课堂讲授为主、课程非设计型实验为主的教学方式不能完全满足新工科发展要求。

二、“光电检测技术与系统”混合式课程的构建与完善

传统教学形成路径遵循“技术成熟—教学内容—课堂教学”的顺序，使得教学知识点老化的问题难以克服。在新工科背景下，学校开展以科研为主线的教学方法研究与实践。课程教学中将天津大学精密仪器与光电子工程学院在光电检测技术上的优秀科研成果和科研过程引入教学中，让学生了解到如何灵活应用所学知识，通过以此主线贯穿整个教学过程，让学生在教学过程中体会到科研方法和科学思维。根据以科研为主线的教学需要，开展了多层次、多类型的课程线上和线下资源建设，充分利用国家视频公开课、国家著作出版基金、混合式在线课程建设项目，为学生构建全方位的学习资料池。

（一）融合科研成果和科研过程形成教学案例

以光电干涉检测教学方面为例，我校引入基于低相干技术的白光保偏光纤分布式偏振耦合检测仪的科研成果作为教学案例，并按科研过程讲述每一个教学内容。（1）进行根据需求确定科研方案的研究性学习。在教学时首先提问并介绍航空、航海、航天和国防工业中等如何实现自主导航，进而提问自主导航技术的角加速度测量方案都有哪些，激发并引导学生发散思考，最后聚焦到保偏光纤陀螺。向学生阐述光纤陀螺是由宽带光源、保偏光纤耦合器、多功能集成光器件、保偏光纤环和光电探测器组成的光学结构，结合萨格纳克干涉仪结构阐明保偏光纤陀螺的理想工作过程。在学生理解基本工作过程后，抛出光学结构可能存在什么样的不完美，引导学生对实际应用中的器件及其组装的思考，帮助学生从学习“具有理想完美器件和工艺的理想系统”到分析“非理想完美器件和工艺的实际系统”转变，让学生学会对系统构建进行探究分析，最后引导学生集中到技术问题“保偏光纤环偏振耦合点对光纤陀螺精度提高的困扰”，并向学生提出“如何定位偏振耦合点和测量偏振耦合强度”的问题，让学生通过回顾相干光和低相干光的各自优势给出解决思路。在学生思考讨论的基础上，自然过渡到基于低相干技术的白光保偏光纤分布式偏振耦合检测仪讲解上。（2）进行从粗略方案到方案细化的研究工作过程再现型讲授。通过给出仪器设计方案图、3D组装图和实物图，让学生进一步从原理上深化下去。重点分析仪器的偏振调整光学结构，在学生回顾前序课程“物理光学”中讲授的半波片知识的基础上，分析半波片量化自动调整的设计机理，看到理论知识如何在偏振态旋转的实际需求上发挥作用。给出光源光谱参数的影响，实际检测结果的分析，例如灌胶环与未灌胶环的测量结果对比，对光纤在线起偏器、Y波导器件、保偏耦合器等偏振光无源器件的测试结果，直观显示耦合强度大小如何体现了它们的保偏或起偏能力。

（二）多层次课程线上资源建设

建设的线上资源包括国家视频公开课“物联网与现代生活”、智慧树平台运行的混合式在线课程“光电检测技术与系统”（2022年3月入选国家高等教育智慧平台）和学堂在线平台运行的在线课程“光电检测技术”等。

线上资源“物联网与现代生活”由国家973计划首席科学家刘铁根教授、中国科学院院士姚建铨教授、国家自然科学杰出青年基金获得者马建国教授录制授课视频，由“物联网的概念与发展历程”“智慧城市与物联网”“信息化技术的发展与物联网”“工业物联网——发展与挑战”和“物联网与光纤传感网”等5集视频课程组成，全面介绍物联网的概念与发展历程、智慧城市、物联网中的信息技术、工业物联网、物联网与光纤传感网，显示出光电检测技术在前沿中的广泛应用，上线以来累计播放57万次。

线上资源“光电检测技术与系统”由智慧树平台运行，由江俊峰教授、刘铁根教授、刘琨教授、王双副教授、张学智副教授5位教师录制授课视频，尤勐、黄锐两位实验教师录制实验教学视频，包括《走进光电检测技术与系统》《第一章：光电信息与图像检测技术及系统》《第二章：光电衍射检测技术与系统》《第三章：光电扫描检测技术与系统》《第四章：光电干涉检测技术与系统》《第五章：光纤传感检测技术与系统》《第六章：光谱检测技术》和《第七章：光电检测技术科研案例》8个视频组成。到2022年7月，网络累计教学互动7 188次。

线上资源“光电检测技术”由学堂在线平台运行，将光电检测教学与仪器化、产业化等工程实践相结合，注意科学思想方法的提炼和教授，并将光电检测教学与科学普及相结合，使不同层次的学生都能有所收获。江俊峰教授、刘铁根教授、张学智副教授等完成了课程线上资源建设工作。它包括“课程内容及要求”“光电检测技术综述”“第一阶段作业”“天津大学光电仪器新进展”“第二阶段作业”“第一次学生报告”“第二次学生报告”“第三次学生报告”“期末考试”等9个教学环节。2020年秋上线以来，学生参与人数近3 000人。

线上资源对光电检测进行全景式的介绍，具体从原理、技术、系统构成和典型应用等综合的角度出发，对光电检测技术的涉及领域、知识构架、思维方式和学科热点加以全面的阐释和引导。

（三）系列科研型教材的撰写

系统撰写了系列科研型教材，形成了较完整的教材体系。2009年出版了普通高等教育规划教材《光电检测技术与系统》，在此基础上，2017年更新出版了《光电检测技术与系统（第2版）》，包括综述、光电检测系统的关键器件、光电信息检测技术与系统、光电图像检测技术与系统、光电干涉检测技术与系统、光电衍射检测技术与系统、光电扫描技术工程、光纤传感检测技术与系统、光谱检测技术与系统等9章内容，覆盖了光电检测技术的各个方面。该书作为主要教材使用。

出版《光学防伪检测技术》《分立式光纤传感技术与系统》和《光纤传感网》等专注于某一个研究方向的教学参考书，帮助学生深入进行专题研究。例如，教学参考书《光学防伪检测技术》第4章详细介绍了光学信息处理防伪检测技术；第5章介绍了光学全息防伪检测技术；第6章介绍了光学频率转换的光电防伪检测技术；第8章介绍了基于光扫描的防伪检测技术。教学参考书《分立式光纤传感技术与系统》进一步拓展了光纤传感检测内容，第5章更为详尽地介绍了光纤光栅的原理、制作方法、传感机制和解调系统构建；第6章详细介绍了光纤法珀传感器的结构、制作方法、传感原理、解调系统构建和应用技术；第7章深入介绍了Sagnac干涉仪传感器中的光纤陀螺、光纤电流互感器、光纤水听器等的设计和应用；第10章专门探讨实际应用，如大坝结构健康监测、动力电缆温度监测等应用。

撰写英文参考教材Optical Fiber Sensing Technology: Principles,Techniques and Applications并由世界著名的Wiley-VCH出版社出版，为学生国际化视野的拓宽打下基础，增强学生外文文献技术吸收能力。该英文教材总共19章，内容涵盖了实用光纤传感系统在系统开发的各个环节，如光纤光栅传感器的封装及其在航天极端环境的应用、光纤硅基微腔传感器及其航空大气压力下的应用、双MZ光纤分布式振动传感及其在周界安全监测上的应用、基于相位OTDR的分布式声传感技术。这些可以帮助学生跳出传统学习以原理为主的知识型学习，了解航空航天等实际重大需求和前沿技术，使学生看到科研过程及技术的分化发展。

（四）混合式课程教学实践

线下课堂教学主要从光电检测技术概述、光电检测技术案例两个板块进行面授教学，师生深入互动，使学生能对光电检测技术的定位和作用具有全面深入的了解和参与。同时，配合改革的实验教学方式，通过建立科研式实验教学模式下的开放性实验，提高学生实验主动性［2］。根据科研型教学需求，定制实验装置，例如，结合分离间隙衍射测量和反射衍射测量方法设计了一体化教学仪器，并与天津市拓普仪器公司联合开发教学仪器，让学生在学过的基本衍射原理之外看到了衍射检测技术如何根据实际进行衍生。最后，通过高效利用线上教学软件进行快速随堂分析测试，允许学生搜索各种线上线下资源进行解答，将学生的注意力集中在问题导向的思考分析上，而非传统的知识记忆和知识背诵。

三、“光电检测技术与系统”混合式课程改革效果

根据上述改革思路，进行了“光电检测技术与系统”教学实践，学生反映良好，获得了传统课堂教学难以得到的学习经历。线上资源使得学生能够不受时空限制，便于反复思考理解。科研课题的案例研究激发出相当一部分学生的科学研究兴趣，创新能力得到培养。学生们在后续的毕业设计中对依托国家级前沿课题的选择非常踊跃，如锂离子电池光纤微腔温度压力传感器研究、掺铥光纤环腔氨气定量分析、中红外掺铒光纤激光器、压缩感知光频域反射分布式动态应变传感研究、基于深度学习的一维时序信号扩展与预测算法研究等。

混合式课程改革起到了预期桥梁的作用，促进学生由单纯依赖课本的知识记忆型学习方式向从事前沿课题研究（攻读研究生学位）或开展应用研究（进入企业）的研究型学习方式转变。此方面的教学实践获得了2021年度天津大学教学成果一等奖和2021年度天津大学研究生教育教学成果奖一等奖。

结语

“光电检测技术与系统”是一门光电信息专业及相关专业的重要专业核心课程，致力于依托光电检测技术培养学生的科研方法和科研基本技能，通过进行混合式课程构建与完善，实现了支持本硕博贯通学习的教学模式。同时，开展面向新工科的以科研为主线的教学实践，取得了良好效果，学生的科学素养获得显著提升，为工程创新能力的不断提高打下了基础。