紧密结合军队人才需求建设多层次光纤传感技术系列课程

梁迅 马丽娜 姚琼 张学亮 熊水东

摘要：按照部队在现代化信息战争中对光纤传感技术领域人才的实际需求，2006年起我院在原有研究生课程《光纤传感技术》的基础上，对光学工程专业学员的光纤传感技术课程进行了深度改革。针对技术类本科生、军事指挥类本科生、硕士研究生和博士研究生的不同特点和未来适应部队工作的不同要求，建立了光纤传感系列课程，通过深入教学研究，在多层次一体化课程体系建设、教学方法与手段改革、创新人才培养、教师队伍建设等方面取得了较大成绩。

关键词：光纤传感；军队人才培养；课程建设与改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）09-0065-04

一、引言

光纤传感技术是一门基础理论与工程应用紧密结合、理论与实践能力并重的系统学科，既要求学员有扎实的光学、电学基础，又要求学员能够摆脱课本的束缚、根据实际工程应用灵活运用已学到的知识。为适应这一形势，2006年以来，我们针对技术类本科生、军事指挥类本科生、硕士研究生和博士研究生的不同特点和未来适应部队工作的不同要求，建立了光纤传感技术系列课程。

作为一门应用学科，“学以致用”是光纤传感技术系列课程的特色之一。为此，课程建设非常注重学员对课程知识的实践应用能力培养，在教学实践中，结合课程特点和授课对象的学习特点，大力推进教学方法与手段的研究改革，在多层次一体化课程体系建设、教学方法与手段改革、创新人才培养、教师队伍建设等方面取得了较大成绩，下面分别进行介绍。

二、光纤传感技术多层次一体化课程建设

我校早在上世纪90年代就开设了《光纤传感技术》课程，并作为光纤传感专业研究生的必修专业基础课，为培养光纤传感技术人才起到了不可替代的作用。然而随着光纤传感技术在现代化信息战争中的应用越来越广泛，部队对光纤传感专业的人才数量和质量要求越来越高。我校原有的只针对研究生展开的《光纤传感技术》课程已经远远不能适应培养部队所需人才的紧迫要求。从2004年开始我院开始酝酿对光纤传感技术课程进行深入改革，将授课对象拓展到全校本科生和本院研究生，并从2006年开始实行。经过6年多的系统建设，最终建立起了完备的多层次光纤传感系列课程。

由于本科生和研究生、本专业和非本专业学员、技术类和军事指挥类学员的知识基础和应用方向差异太大，如何科学划分课程层次、清晰明确课程内容、准确定位课程目标是光纤传感系列课程建设的重点和难点。

在广泛调研军队需求、不同类别学员的知识积累和兴趣及国内外学校同专业的课程设置基础上，我们建立起了分别面向本科生和研究生、技术类和军事指挥类、本院专业和全校学员的光纤传感系列课程。新增了技术类《光纤传感技术》、军事指挥类《光纤传感技术》，面向全校本科生专题研讨课《基于虚拟仪器的光纤传感技术》三门课程，原有针对研究生的《光纤传感技术》则改为《光纤传感系统》[1，2]。

（一）建立起针对本院技术类本科生的《光纤传感技术》课程内容体系，以“扎实广泛的技术基础为核心，典型的系统应用为亮点”

考虑到授课学员在学习本课程之前已经在《光纤通信》、《光电检测技术》等课程中对光纤和光纤器件等有初步了解，在本课程中首先介绍光纤传感技术的概念和内涵，然后针对光纤传感系统的特点，介绍光纤、光纤器件、光纤传感原理和光纤传感信号解调原理。这四部分内容涵盖了强度型、偏振型、波长型、相位型和分布式光纤传感的系统构成、传感原理和关键技术，为光纤传感基础知识，具有信息量大、知识点多、覆盖范围广泛的特点；最后以2-3种典型的光纤传感系统为例，向学员示范在系统中如何对基础知识进行灵活应用，启发学员根据学到的基础知识来分析理解新型光纤传感系统。

（二）研究生的《光纤传感系统》课程以“系统应用技术为核心，系统设计为亮点”

与原有的研究生《光纤传感技术》相比，新的课程内容和标准进行了大幅度的改革，突出“系统应用”，大幅度削减了光纤传感基础知识，而是以四大类典型光纤传感系统为授课重点。课程中的四大类典型光纤传感系统选取了目前应用最为广泛或技术难度较高的光纤水听器系统、光纤陀螺系统、分布式光纤传感系统和光纤光栅传感系统，针对每一类对其应用背景、系统组成、系统指标和关键技术进行详细分析，构建课本知识到实际工程应用的技术桥梁。在讲解完每一类典型光纤传感系统后，特别设计了光纤传感系统设计环节，要求学员以分组的形式，根据特定应用背景设计出光纤传感系统，阐明系统特色和关键技术。

课程调整所面临的最大难题在于：学习本课程的研究生既包括本校本专业的学员，也包括来自于外院和外校的本科非光信息专业的学员。对于前者，通过本科生阶段的《光纤传感技术》学习已经具备了良好的基础，在新课程学习中应尽量避免内容重复；对于后者，直接学习典型光纤传感系统中的关键技术存在一定难度，需要对光纤传感基础知识进行介绍。为此，在研究生的《光纤传感系统》课程中，首先设定了3个课时对光纤传感基础知识进行回顾和总结，并点明各部分基础知识所涉及的参考书。同时由于使用了与本科生《光纤传感技术》课程同一系列的教材，为解决学员基础参差不齐的难题提供了有效的解决办法，而面向全校的《基于虚拟仪器的光纤传感技术》则为毕业于本校其他专业的研究生学员提供了学习本课程的基础。

（三）军事指挥类本科生的《光纤传感技术》课程以“完善学员知识结构为重点，突出军事应用特色为亮点”，为学员提供装备相关知识基础

课程针对军事指挥类本科学员培训的主要目标，将军事指挥类本科生《光纤传感技术》课程的主要任务确定为拓展军事指挥类学员的知识面，完善知识结构，了解最新军用传感器技术，一方面可以充分发挥我军现有装备的作战效能，另一方面可以掌握外军作战手段，有效克敌制胜。课程简化了基础知识部分内容，扩充了典型光纤传感部分，特别是注重光纤水听器、光纤陀螺和分布式光纤传感器在军事中的应用，并拓展光纤水听器在声纳系统应用中的相关知识，让学员在进行工作岗位后可以更快的掌握相关装备的使用和维护。

（四）面向研究生的《虚拟光纤传感技术》以“引导学员自主学习为核心，激发学员独立思考为亮点”

课程以光纤传感技术中相干检测技术为背景，以虚拟仪器技术为手段，通过一个具体实例为研讨对象，让学员一边学习新知识，一边动手做实验，一边学会自主学习。课程首先在学员高中已经具备的光学知识基础上讲解干涉型光纤传感的基本内容，然后引导学员自习LabVIEW虚拟仪器语言，通过研讨学习心得让学员掌握LabVIEW基本知识，最后要求学员利用所学知识和工具完成光纤传感中一个典型信号处理问题。整个课程以学员自己动手动脑为主，精选了一门易学好用的虚拟仪器语言LabVIEW，使学员可以在四到五次课的时间内学会，并结合光纤传感技术系列课程的建设成果，让学员可以在课程上针对典型的干涉型光纤传感系统进行信号处理实验，一方面提升了学员的学习的积极性，另一方面加强了学员的自信心，并为学员以后的创新实践奠定了基础。

三、教学方法与手段改革

在教学过程中，在教学方法和教学手段上也进行了一系列的改革，使用了大量的新技术、新手段、和新的教学方式。主要体现在以下几个方面：

（一）充分运用科研成果和虚拟仪器技术的特点，增加了大量的课堂演示实验环节

在光纤传感技术系列课程中引入堂演示实验，对于加深学员对知识的理解效果最为明显。在课程建设中，充分利用所在实验室在光纤传感技术研究上的优势，在每门课程讲授中都加入了1～2个课堂演示实验。

与专门的实验课不同，课堂演示实验的侧重点在实验效果上，通常都是完整的光纤系统，包括光源、光传输链路、光接收模块、显示模块等等，并注重演示效果。以往的光纤系统虽然功能性明显，但结构复杂。近年来，课题组所在的实验室在光纤传感系统的工程可靠性研究上投入了大量精力，一些便携式高可靠性的光纤传感集成模块在科研项目中得到广泛应用；这些科研成果的突破使得在课堂上演示一些复杂的光纤传感系统实验成为可能[5]。另一方面，由于虚拟仪器技术在光纤传感技术中的广泛应用，复杂的信号解调可以通过电脑直观的显示在课堂多媒体系统中，“所见即所得”的方式使得课堂演示实验的效果非常直观和可信。以研究生的《光纤传感系统》课程为例，我们选取了光纤光栅应变系统作为课堂演示实验内容。在硬件上，这套系统的光收发模块为集成化的便携式光纤光栅解调仪，采用法兰盘对接可串接起多个光纤传感阵列；而复杂的信号解调系统则全部通过虚拟仪器技术在电脑上软件实现，解调结果直接显示在电脑程序界面中。通过这套系统，我们完整地演示了光纤传感器设计、光纤传输链路构成、复用光纤传感网络、和光纤传感信号解调等多项知识内容，学员普遍反映通过这一演示实验对光纤传感系统有了清晰深刻的了解。

（二）借鉴国外大学相关专业的教学模式，在考核中引入小型综合设计环节，充分考察学员的综合素质

课题组的两位教员具有国外留学的经历，在课程建设中充分参考国外大学在光纤传感技术课程的教学方法，在作业环节引入小型光纤传感综合设计内容，并将其作为课程考核评价标准的一部分，实现对学员综合素质的培养和考核评价。

光纤传感综合设计参考了香港理工大学和英国南安普顿大学的教学经验，以对知识的综合运用为主要考察目标。本科生光纤传感技术采用适当的综合设计题目难度，重视对知识融会贯通和综合应用能力的考察，一般在授课过程中只进行1次；研究生除了要求基础知识综合应用能力，更注重对实际工程应用系统的完整性和前沿问题的拓展性考察[6]，一般则开设2～3次。综合设计作业由学员分组完成，小组内成员根据资料调研、方案设计、报告撰写等工作内容的不同进行明确分工，并推选一位组员参加课堂专门设置答辩环节。

（三）针对授课内容的层次划分和授课对象的学习特点，科学合理设置研讨专题

研讨式教学我校近年来大力推广的教学方式之一。由于光纤传感技术具有经典与前沿相结合、理论与工程应用相结合的特点，在系列课程建设中，课题组在原有研究生《光纤传感技术》的研讨式专题内容基础上，进行了深入的思考和大胆的拓展，将课程中的研讨专题划分为三大类：经典理论知识的研讨、前沿研究的研讨和学位论文研究方法的研讨。

经典理论知识的研讨要求学员在授课之前对相关内容进行预习，并在课堂上对全体学员讲解自己对该问题的理解。如在进行“光纤干涉仪传感系统”的授课时，要求学员预习时弄明白两个问题：什么是随机相位衰落？什么是偏振诱导信号衰落？进行研讨时不要求学员对这两个问题进行深入剖析，但要求学员用精炼的语言阐明问题的物理含义。学员普遍认为这种研讨专题不是特别复杂，通过预习教材即可，但大部分学员会准备PPT课件，且自愿上讲台讲述的学员一般在以往的学习过程中接触过与该专题相关的研究工作，因此在其课件上还会加入自己以往的工作、自己对该问题的扩展认知及自己尚未弄明白的问题等。这种教学效果是在深入了解学员的知识积累基础上，通过巧妙设置研讨专题取得的。

前沿研究的研讨要求学员进行大量的资料查阅，特别是光纤传感前沿研究课题的查阅。对于某一个问题，由于课堂讲授的时间受限或者教材中没有系统的描述，对该问题的课堂讲授可能不够全面，在这种情况下，教师会提供相关信息，要求学员查阅该文献并进行精读，然后在课堂上进行研讨。这种研讨专题分为两种：一种是教师提供明确的检索信息，由学员查阅到该文献后精度文献，分析文献的精华及不足；另一种则是教师提供所要解决的问题，由学员对该问题进行解读，提炼关键检索信息，进行检索后，对检索文献进行初步分析，总结该问题的研究现状。学员反映这种研讨专题的难度稍大于第一种，但一般稍花时间都能解决。

学位论文研究方法的研讨目的在于：无论是本科生还是研究生，在学习完相应的光纤传感技术课程后马上就要投入到学位论文工作中。通过对这类问题的研讨，学员逐渐掌握了在未来从事学位论文研究中必须具备的研究方法，这类的研讨主要培养学员的仿真计算能力和光纤传感系统的设计能力。例如在讲授完光纤光栅的基本理论之后，学员反映耦合模理论的公式很繁琐，难以一眼看出其中的物理特性，为此，我们安排了相关理论的仿真计算研讨，要求学员根据课堂讲授的公式进行理论仿真，计算光纤光栅反射光谱，并绘制带宽、反射率等关键参数随着光栅参数的变化曲线。学员在课堂研讨时要讲述自己的关键参数设置和仿真结果。通过这种研讨方式，学员对光纤光栅的反射谱特性建立了深入的了解，效果远远好于课堂直接讲授相关结论。

根据光纤传感课程层次划分，不同的光纤传感技术课程对三种研讨专题的应用程度也不相同，本科生的光纤传感技术课程以经典理论知识的研讨为主，并设置1～2次前沿研究的研讨；研究生的光纤传感技术课程则以前沿研究的研讨专题和学位论文研究方法的研讨专题为主，对特别重要的概念设置少量经典理论知识的研讨专题。

四、以光纤传感技术课程为支撑的创新型人才培养

光纤传感技术的应用范围极广，一套实用的光纤传感系统可以很庞大很复杂，也可以很小巧灵活。针对这一特点，课题组教师在学院本科生和研究生的各项教学活动中，积极开展与光纤传感技术相关的各项活动。

针对本科生的光纤传感技术系列课程，在授课结束后，在光电设计大赛、毕业设计等教学活动中开设了大量关于光纤传感技术应用的课题，引起学员浓厚的兴趣和广泛的参与热情。一方面，参与光纤传感技术相关的本科毕业设计学员数量大幅度提高。以技术类本科毕业设计为例，2013、2014年参与光纤传感技术相关课题的学生均达到光信息专业学员总数的50%以上。另一方面，学员完成课题的质量也得到大幅度提升，近年来有8名本科生获得学校创新资助，从侧面反映出光纤传感技术课程教学效果的日渐提高。这些竞赛成果也作为评价授课效果的标准之一，并将学员在课外延拓活动中的效果和意见及时反馈到教学过程中[3，4]。

针对研究生的光纤传感技术系列课程，一方面鼓励学员在课程学习的基础上努力拓展研究深度，在光纤传感研究领域不断创新。在课题组所在实验室所培养的研究生中，有3名研究生获得学校创新资助，1名研究生获得湖南省创新资助，其课题都是光纤传感领域的研究重点和难点。此外还有5项研究生参与申请的光纤传感技术相关专利；另一方面，鼓励学员积极参与到与光纤传感技术相关的科研项目中，在实际工程环境中对课程知识进行融会贯通。目前在光纤信息专业的毕业研究生中，参加过光纤传感相关的湖上或海上试验的学员达到95%以上，为其真正走向工作岗位后充分适应部队对光纤传感技术人才的需要积累了宝贵的经验。

五、高素质教师队伍建设

作为教育的重要媒介，教师是活动中的主要因素。教员整体素质的高低，直接影响着教学质量的高低。因此，建立一支教学水平高、结构合理的高素质师资队伍显得尤为重要。

（一）从教学和科研两个方面锤炼教师队伍，使教师的教学水平和科研能力相互促进共同提高

科学研究是教师工作的重要组成部分，是提高教学水平的重要手段，也是提高自身素质的重要途径。对于光纤传感技术系列课程而言，学即能致用是其重要特点之一，教学和科研的相互促进作用尤为明显。课题组全部教员均参加了多个重大科研项目。通过重大科研项目的历练，教员的学术水平得到很大的提高，一方面教员接触了学术前沿，开拓了学术视野，经历了科研实践，在课堂教学中自然会将科研最新成果、专业发展动向带进课堂，另一方面，教员在参与重大科研项目时对光纤传感的技术内容有了更加深刻的认知，对于在课堂上清楚明白的讲好各个知识点至关重要。同时，通过教学活动中对课程内容的反复推敲及与学员之间展开的研讨交流，可以加深教员对技术环节的领悟，甚至激发教员的灵感。通过在科研和教学两个方面同时锤炼，促进教师知识更新和自身进步，提高教师的创新能力和教学质量，将真正做到科研教学一体化。

（二）鼓励教员进行对外交流，充分借鉴国内外同类专业课程的教学经验

课题组有两名教员具有国（境）外留学经历，其他教员也多次参加国内外的学术活动和教学活动交流，在课程建设过程中充分利用了这一优势。在教员已经带回的国外大学教学经验的基础上，鼓励教员在回到学校后仍然定期与留学单位交流，及时获取留学单位最新的课程设置和教学安排信息，并通过交流，不断补充自身的不足，更新课程内容，丰富教学手段，提高自身教学水平。在对外学术活动交流中，有意识的了解其他院校同类专业课程的教学情况，对于感兴趣的单位积极主动与对方联系进行实际考察。活跃的对外交流活动极大地激发了教师的教学热情，并不断提高其教学水平。

（三）加强青年教师的教学技能培训

目前，课题组教员是一支相对年轻化的队伍，很多才刚刚博士毕业，青年教师充满热情，思想活跃，比较了解学员的思想，与学员进行交流方面具有优势。但是，他们大多没有经过系统的教学技能训练，普遍缺乏教学经验。为了使青年教师尽快掌握教学技能，提高业务能力与水平，课题组指定认真负责、教学经验丰富的老教师担当青年教师的导师，对青年教师实行“一对一”的“传、帮、带”指导，指导青年教师备课、编写教案；采取措施督促教员投入足够的精力。教员上岗前，必须经过教研室、系所、学院三级试讲，每次授课必须重新编写教案、编写课件、编制教学日历；在教学过程中，教学指导委员会、督导组、院系领导经常性听查课，督促教学水平的提高。

通过从科研和教学两方面锤炼教学队伍，课题组教员自身水平得到了大大提高，多次在全军和全校获得教学优秀奖，其中获军队院校育才奖1人次，优秀研究生导师奖3次，校本科“研究型”教学比赛三等奖1人次，校研究生教学优秀三等奖1人次，教员在国内教学期刊上发表高水平教学论文10篇，课题组已经成为了一支能独立承担授课任务的高水平教师队伍。

参考文献：

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[2]孟洲，姚琼，曹春燕，梁迅，张学亮.光纤信息技术本硕博系列课程体系研究与实践探索[J].高等教育研究学报，2012，35（1）：50-53.

[3]周建华，邱琪，周晓军，光纤通信实验教学改革探讨[J].电子科技大学学报社科版，2003，5（2）：89-91.

[4]胡昌奎，杨应平，黎敏，刘辛，易迎彦，光电信息类专业光纤系列课程教学内容与课程体系的改革[J].高等理科教育，2008，（2）：16-18.

[5]时书丽，曾子铭，计算机辅助教学在光纤通信专业课程中的应用[J].辽宁大学学报自然科学版，2006，33（4）：374-377.

[6]王占新，开放式教学在《光纤通信》课程中的实践与探索[J].科教导刊，2011，（9上）：84-85.