光电信息科学与工程自主设计实验教学模式探索

　　摘要:光电信息科学与工程实验课是专业必修课程，传统的实验教学模式主要通过演示和验证的手段来学习光电信息科学与工程专业的基础知识和理论。为了提高学生的创新思维、创新能力，在学习基础理论、基础实验和综合实验后，增加了自主设计实验内容，由学生提出实验设计方案、搭建实验系统、完成实验操作、记录实验过程、撰写实验报告、进行交流讨论。自主设计实验可有效激发学生的实验兴趣、提高学生主动学习意识和学习能力，为培养创新型人才奠定基础。

　　关键词:光电信息实验;自主设计实验;本科实验教学

　　实验教学是理论联系实际的重要教学环节，是培养本科生实践能力的重要组成部分。专业实验教学是在学生学习专业理论知识的基础上更高级别的实验教学课程，目的是培养学生运用专业知识分析问题和解决问题的能力，为专业理论知识的理解和掌握提供有力的实践支撑[1-2]。近年来，随着社会对创新型人才需求的日益增长，很多的高校不断探索实验教学改革的方法，旨在培养更多高素质的创新型人才[3-5]。

　　1光电信息科学与工程实验课程设置

　　“光电信息科学与工程实验”开设在本科生大四的秋季学期，学生已经学习了“光电子技术”、“光纤通信基础”、“光谱分析技术”、“现代测量技术”、“激光原理及传感器基础”等专业核心课程，具备了学习专业实验课及自主设计实验的理论知识，同时通过对专业实验课程的学习为完成毕业设计打下良好的基础。因此“光电信息科学与工程实验”课程安排如下:课程设计为72学时，其中56学时为基础型实验及综合型实验，另外16个学时为自主设计实验课程。基础实验包括:虚拟仪器3个实验项目、光纤光学基础2个实验项目;综合型实验包含:光纤通信技术3个实验项目、光纤传感技术2个实验项目、激光光谱测量技术2实验项目。学生在完成上述实验后，以4人组成实验团队，在查阅相关文献的基础上，组内讨论确定自主设计实验的方向，教师只做可行性的指导。各实验团队制定实验方案，填写实验所需的实验设备及耗材信息，由团队组长做开题报告，开题通过后方可使用实验室相应设备并记录使用情况，经过4次实验操作并完成设计实验内容，最后撰写实验报告进行答辩。图1为光电信息科学与工程专业自主设计实验的总体框架。

　　2自主设计实验平台

　　我校光电信息科学与工程实验室成立于2002年，实验内容经过十余年开设的实验课程不断筛选，并结合近年来学科发展和科研成果新开设相关实验项目，大部分实验内容均由从事专业实验教学和科研的教师进行设计，反应出独具特色的实验教学思想。目前光电信息科学与工程专业实验室包含以下五个可自主设计实验的教学平台。

　　2.1虚拟仪器自主设计实验平台

　　虚拟仪器实验开设3个基础实验项目:虚拟仪器程序设计实验、数字图像处理、图像采集与测试。通过以上实验的学习，学生能够理解虚拟仪器的概念，初步掌握Labview的运行机制、数据类型、数据运算、程序结构和程序设计的实现方式;理解图像工程中的基本概念和方法;掌握灰度图像分割、几何特征测量等基本测量技术。学生可根据感兴趣的相关实验内容进行自主设计实验包括:虚拟仪器数据采集实验、工件尺寸测量实验、车辆信息识别实验、人脸识别实验、彩色色彩识别实验、条形码识别实验、双目立体视觉实验等。

　　2.2光纤光学自主设计实验平台

　　光纤光学实验目前开设2个基础实验项目:光纤模场的观测和固定连接方法、光纤无源器件的损耗测量。通过光纤基础实验的学习，掌握区别单模和多模光纤的方法，了解光纤模场的分布特性，掌握光纤熔接机的工作原理和使用方法;掌握光纤无源器件损耗的测量方法。学生在掌握光纤光学基础实验知识后，可自主设计光纤端面观测实验、光纤数值孔径测量实验、光纤准直实验、光纤耦合实验、光纤干涉等光纤光学基础实验。

　　2.3光纤通信自主设计实验平台

　　光纤通信实验开设3个综合型实验项目:光纤波分复用通信、掺铒光纤放大器原理及光谱特性测试、微波光纤传输。通过光纤通信实验的学习，学生可以掌握WDM器件的工作原理和性能参数的测试方法;掌握如何组装掺铒光纤放大器(EDFA)，熟悉DFB激光器泵浦源的光谱和输出功率测试;掌握微波光纤传输的基础概念和系统结构，学习微波光调制的工作原理[6]。学生通过光纤通信综合型实验学习后，可根据兴趣自主设计光纤在不同介质中复合光调制和解调实验，光接收端机灵敏度及动态测量实验，音频和视频信号调制和解调实验，模拟信号光纤传输实验，计算数据光纤传输等相关实验。

　　2.4光纤传感自主设计实验平台

　　光纤传感实验开设2个综合型实验项目:基于光纤布拉格光栅(FBG)的应变和温度传感器、基于光纤法布里-珀罗干涉仪(EFPI)的应变和温度传感器。通过上述实验的学习，学生掌握光纤传感器的原理，了解FBG的基础结构和光谱特性，掌握利用FBG传感器进行温度和应变测量的方法，学习光纤传感器的标定方法;掌握EFPI的基础结构和光谱特性，了解EFPI传感器的光谱解调方法。通过对光纤传感器实验的学习，学生可自主设计光纤解调技术实验，光纤F-P传感器的设计与制作实验，一维光纤加速度传感器的设计及性能测试等实验。

　　2.5激光光谱测量自主设计实验平台

　　激光光谱测量实验包括2个综合型实验项目:可调谐CO2分子激光器及其输出特性研究、光声光谱微量气体检测技术。通过激光光谱测量实验项目的学习，从实践的角度掌握CO2激光器的基础原理、组成结构和输出光谱特性，学习CO2激光器光学谐振腔的调整和激光光谱的选频方式;掌握光声光谱气体检测技术的基本原理，学习基于CO2激光器和共振式光声池的微量气体检测方法。通过对CO2激光器和气体检测技术的学习，学生可自主设计近红外气体吸收光谱测量实验、多组分气体光声光谱测量实验、半开腔纵向共振光声池设计等实验。

　　3自主设计实验具体实施过程

　　3.1查阅文献、确定方案

　　自主设计实验的培养目标是提高学生灵活运用专业知识能力和创新实践能力，激发学生自主学习的兴趣[7]。学生经过基础和综合实验的学习后进行总结和交流，选择自己感兴趣的实验平台为基础，以4人为小组成立实验团队，例如小组团队选择光纤F-P传感器的制作实验，教师可在实验准备之前给予研究建议，鼓励学生查阅光纤F-P传感器应用的场合，传感器的特征参数指标有哪些，传感器制作过程中需要使用到哪些仪器，传感器如何进行封装和性能测试等相关知识，之后学生开始查阅相关文献资料，经过小组充分讨论后，制定实验初步设计方案。为完善学生的实验设计方案，由指导教师组织开题答辩，学生通过准备PPT的方式介绍实验设计的应用背景、实验目的、实验仪器、实验方法、实验步骤及预期实验结果等。教师根据实验室目前条件及实验设计方案进行可行性指导和分析，提出修改意见，对不可行的实验设计方案要求学生重新设计和修改。答辩结束后，各小组根据教师建议进一步完善实验设计方案。

　　3.2实验实施、积极交流

　　自主设计实验的顺利实施，要依托于现有的实验教学平台，实验团队根据列出的详细实验设备及耗材清单，自主完成实验系统的搭建，自主实施整个实验，自主记录实验数据，自主维护实验室，自主撰写实验报告。实验团队成员进行分工协作，共同完成整个实验过程，在开展自主设计实验期间，实验室面向学生完全开放，学生在实验空间和时间上获得完全自由，指导教师负责实验实施过程中必要的指导、实验室的安全与秩序维护、记录实验设备的使用情况、监督学生将使用过的仪器设备进行整理，培养学生良好的实验态度和习惯。由于整个实验过程由学生完全主导，实验难度的提升也极大地提高了学生对专业理论知识和实验技巧方法学习的积极性，学生在实验过程中会碰见诸多问题，这时学生会主动与指导教师进行沟通交流，针对实验的难点和重点问题进行讨论和分析。在自主实验设计和实施过程中，学生往往会表现出更高的实践热情，在实验操作中更加认真思考、努力攻克实验中遇见的每个问题，初步形成严谨、务实的科学实验态度。

　　3.3撰写报告、成果考核

　　学生在实验实施过程中记录实验现象和原始数据，利用专业数据处理软件进行绘图、计算，实验现象可进行拍照或录像方式进行保存。实验报告的格式可根据学生实验过程中实际情况进行撰写以下内容:(1)文献查阅情况和总结;(2)实验设计方案;(3)搭建的实验系统是否完善?怎样改进?(4)实验过程中遇见的难题，如何解决?(5)实验数据处理方法;(6)未来展望和实验系统是否还能进一步优化?撰写实验报告情况为实验考核的重要依据，但不是唯一考核标准，实验成绩评定是贯穿整个实验过程的，结合自主设计实验的特点，制定客观、公正、严格的考核方式应分别包括以下几个方面:出勤努力程度、文献查阅情况、实验方案设计、实验系统搭建、实验问题解决、实验数据记录、实验报告完整、实验答辩情况等多个方面进行综合评价。具体评分标准如表1所示。

　　4自主设计实验的安全思考

　　4.1实验实施过程的安全问题

　　自主设计实验实施过程中，实验室对学生是完全开放的，学生自由进出实验室的机会增加，接触到有毒气体、实验药品、激光设备、光学精密仪器的机会增多，并且在开放实验室期间学生流动性大，容易造成设备物品安全隐患甚至人身安全事故。学生对实验安全意识薄弱，大四的学生随着进出实验室的时间增多，学生对实验室安全问题、实验规范和实验守则的遵守容易停留于形式上，对实验室内存在的潜在危险认知度不高，尤其对实验室物理性危险、化学性危险和生物性危险的紧急处理措施不够了解[8]。自主设计实验需要学生自己搭建实验系统，学生由于不熟悉仪器设备的使用，可能会出现错误操作或违规操作实验设备等情况，导致实验设备损坏或实验无法进行。因此，采取切实有效的安全培训教育方法是解决安全问题的重要手段。

　　4.2建立实验室安全培训机制

　　在学生进入实验室之前的第一课，需有指导教师组织进行实验安全教育，通过安全专题讲座结合PPT讲解的形式进行，并且在涉及有毒气体和药品的专业实验中增加答题环节，增强学生保护自身的安全意识，同时实验室每个房间都配备灭火器，每位学生都应学习如何正确使用灭火器的方法，让学生动手去实际操作，提高处理紧急情况的应变能力。实验室内还配备安全护具，比如护目眼镜、防尘口罩、实验手套、实验服等，指导教师应在实验开始之前指导学生如何正确使用实验护具，确保实验的安全顺利进行。另外还需提高安全教育的频次，每季度定期进行安全培训和消防演习，扩大教育的群体，提高学生安全意识[9]。同时提高学生安全应急技能教育，应急技能是事故发生后，为保证人身安全、延缓事故危害继续扩大的重要手段，包括如何救助他人、如何使用安全防护设施、如何进行安全撤离等，邀请学校保卫处的工作人员进行现场指导和应急演习，提高师生应急能力，保证人身安全。

　　4.3强化实验室安全监控设备

　　安全监控设备是实验室安全强有力的保障，监控设备的稳定性、准确率、灵敏度是保证能否在安全事故发生的第一时间进行报警的重要指标，在监控设备预警后，教师和学生可迅速采取相应的措施和手段，避免事故的进一步发展[10]。例如实验过程中会用到一些有毒或易爆的气体，可将气体钢瓶放置在带有气体监测系统的气柜中并保持负压状态，当有气体泄漏时会进行报警，师生可快速进行紧急处理，防止危险发生。此外实验室应安装视频监控系统和门禁系统，可保证人员流动性较大的实验室安全，实验设备应增加安全报警系统，当学生操作不当时可直接报警终止实验，保护学生的人身安全。拥有完善的监控设备的同时，教师和学生应定期巡查、维护和保养监控系统的正常运行，避免事故发生时出现无法使用或意外停机等情况。

　　5结语

　　通过对光电信息科学与工程专业近十余年的实验课程的不断改革和发展，目前形成以实验教学平台为基础，通过自主设计实验教学培养学生独立思考、科学严谨的创新实践思想，学生作为实验教学的主体，从被动接受学习转变为主动探索学习，充分调动学生学习专业实验的兴趣，使学生参与到整个实验教学过程中，提高学生运用所学知识解决问题、分析问题的能力，有效提高教学质量和效果。

　　参考文献(References):

　　[1]杨萍萍，袁朋，李建亮，等.案例式实验教学在“乳的卫生检验”中的应用[J].实验室科学，2018，21(2):145-147.

　　[2]卢素敏，刘秀均，郭玉高，等.化工原理流体力学自主设计性实验的教学实践[J].实验室科学，2015，18(2):24-26.

　　[3]高淑贞，蔡印，牛立刚，等.本科生开放性创新实验的探索与实践[J].实验室研究与探索，2018，37(7):216-218.

　　[4]吕绿洲，林海，陈秀枝，等.环境工程专业实验课程改革与实践[J].实验技术与管理，2017，34(11):221-224.

　　[5]谢明波，刘慧龙.环境工程实验课程的自主设计式改革[J].实验室研究与探索，2019，38(2):185-188.

　　[6]韩秀友，赵明山，谷一英，等.微波光纤传输专业实验设计与实践[J]，实验室科学，2015，18(3):17-22.

　　陶鹏程，周新磊，陈珂，黄火林，韩秀友