光電專業綜合課程設計實踐教學研究

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［摘要］專業綜合課程設計作為光電信息科學與工程專業的主干課程，在教學過程中貫徹以學生為中心的教育理念，重在培養學生解決復雜工程問題的能力。結果表明，通過教學改革，設計內容的復雜性和系統性得到提升，教學方法上更注重對學生創新意識和團隊協作能力的培養，并提高了課程目標達成度，為教學工作的持續改進提供了重要參考。

［關鍵詞］綜合課程設計；復雜工程問題；創新能力培養

為培養學生解決復雜工程問題的能力，“光電專業綜合課程設計”不斷凝練專業特色，充分體現綜合性和創新性，并注重學生綜合能力和創新能力的培養。該課程安排在四年制本科第七學期，時間為三周，是本科階段的大型綜合教學環節之一。在上一學年的實踐教學中暴露出課程建設中的不足之處，如設計內容不能充分體現復雜工程問題的特征，且以學生為中心的教育理念貫徹不深入等[1]，因此在教學內容和方法上需持續改進。

一、專業綜合課程設計存在的問題分析

（一）設計內容的復雜性和系統性有待加強。為體現設計內容的綜合性，原設計題目選擇“基于CCD的微小尺寸測量系統”，設計內容包括系統總體設計、光學設計、光電信號探測、光電信息處理等內容。在設計內容安排上，由于側重于知識點覆蓋的全面性，而設計內容的復雜性有所欠缺。復雜工程問題的第一個特征是“必須運用深入的工程原理經過分析才可能得到解決”[2]，而該題目采用了基本的光學原理測量物體的尺寸，在數學模型和工程原理方面相對簡單，難題體現出“深入的工程原理”。在設計內容的系統性上也有不足，由于系統結構比較簡單，光學系統與測量方案的設計內容相關性較小，因此光學系統設計在設計內容中相對獨立，整個設計內容的知識體系比較分散，設計內容的復雜性和系統性有待加強。（二）培養創新意識和團隊協作能力的重視程度不足。按照最新創新性實踐教學的要求，應該貫徹以學生為中心教學理念，教師只作為輔助，學生應該通過自主學習，充分利用教材、圖書館、實驗室、網絡等教學科研資源，獨立完成綜合課程設計的工作。目前，基于現有實驗條件和學生的實踐基礎，為了使學生明確設計目的和設計過程，教學方式采用定時定點的教學模式，教師在教學中起主導作用，學生只需按照指導書內容，按部就班完成設計和實驗工作，不能充分調動學生的積極性和自主創新意識。此外，對學生團隊協作能力的培養不夠。專業綜合課程設計的組織工作相對復雜，工作量較大，是一個運用多種專門知識的過程，需要小組成員同心協力、分工合作解決眾多富于挑戰的難題和技術細節，鍛煉學生的團隊合作能力。但目前的實踐教學考核中，主要注重每個學生的對各項內容的完成情況，卻沒有考慮小組成員的團隊協作情況，因此組織形式和考核方法需要進一步改革。

二、教學內容和方法的改進方案分析

（一）加強設計內容的復雜性和系統性。針對現有設計內容較分散的問題，應該根據光電信息類專業本科培養計劃，圍繞如何培養學生全面設計“光電信息系統”的能力目標，梳理專業的知識點，形成知識拓撲和能力拓撲圖，研究并凝練出綜合性和邏輯性強的設計內容。經過分析論證，確定以“雙目立體視覺測量系統設計”作為題目，能夠體現復雜工程問題的典型特征。首先，設計內容必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決。雙目立體視覺測量系統是典型的復雜工程系統：相機成像模型涉及了世界坐標系、攝像機坐標系、圖像坐標系以及像素坐標系的轉換；系統標定原理采用雙目標定方法，得到左右攝像機的相對位置關系；信息處理采用三維輪廓測量和重建原理。要求學生從系統角度出發，經過深入的工程原理分析，建立整個系統的模型，完成整個測量系統的仿真分析。其次，設計內容具有較高的綜合性和系統性，包含多個相互關聯的子問題。設計內容包括了光學設計、精密機械設計、三維測量技術、圖像處理技術等方面專業知識。子系統包括了成像子系統、投影系統、數據處理子系統、標定子系統等，這些子系統相互關聯，具有綜合性和系統性。再次，系統設計存在綜合性和沖突性兩方面，沖突性體現在某些技術方面，比如光學系統設計中，測量范圍增加和三維輪廓測量精度下降之間的矛盾。為獲取精確的三維信息，需要針對不同的測試對象設計相應的系統結構，光學投影可采用不同形式的結構光，輪廓解算可采用移相法、單幅圖解包裹或特征點匹配等方法，系統標定也由多種方案可選。可見，由于測試對象的不同和測試系統的復雜性，不同分組的學生得到的系統模型未必一致，因此要求各組學生獨立分析、建模和實現，有利于培養學生分析和解決問題的能力。（二）注重培養創新意識和團隊協作能力。針對以往設計指導書中設計內容固定，容易出現的設計雷同現象，教師只講設計思想，給出設計指標要求，讓學生自己查找資料、確定方案。在方案設計上給學生提供了更大的自主權，使學生相對獨立地進行實踐，有利于發揮學生的主觀能動性。按照設計課題分組集中輔導，指導教師進行集體和個別答疑，增強教學的互動性，對學生提出的問題，教師提出建議，供學生參考，引導他們積極思考與探索，以便獨立解決實際問題。此外，探索提升學生團隊協作能力的教學方法。實施過程中，課程設計組織以課程組為單位，學生按設計課題內容和興趣編組。如一個教學班可以分成7個設計組，每組4人，分別完成系統建模、光學系統設計、實驗系統設計和圖像處理軟件4個方向的內容，相互協調、共同推進設計工作。而且7個設計組之間則自然形成競爭關系。以上措施有利于鍛煉學生的競爭意識和團隊協作能力。

三、改進方案實施與效果

根據以上改進方案，優化并制定了詳細的綜合課程設計內容和步驟，并形成了設計指導書。教學過程組織實施過程分為分析、設計和實施三個階段，具體教學安排如下。第一，總體設計內容分析，集中授課4學時；第二，系統參數設計分組輔導；第三，開展實驗，集中授課2學時，分組輔導與驗收。選取了2015級的一個班作為試點，采用新的設計內容和教學方法，從實施效果來看，學生能夠在團隊中承擔相應的職責，完成相應的設計任務。課程結束后，對試點班的28個學生進行了一次問卷調查，調查結果顯示，學生對專業綜合課程設計的內容普遍感興趣，認為能夠體現專業特色，而且提升了創新意識和團隊協作能力，對畢業后就業有很大幫助。在期末專業綜合課程設計課程目標達成度評價中，課程目標總體達成度0.752，高于上一學年的0.743，說明通過教學改革，促進了課程目標的達成，提升了教學質量。

四、結語

通過專業綜合課程設計的教學改革，分析了當前存在的問題，重新制定了設計內容，并改進了教學方法。結果表明，改進后的設計內容更能體現專業綜合課程設計的復雜性和系統性，且有利于培養學生的創新意識和團隊協作意識，有助于培養學生解決光電信息技術領域復雜工程問題的能力。

參考文獻

［1］張夢冉,王雪艷,申永康.基于OBE理念構建基礎工程課程教學模式探索與實踐［J］.教育教學論壇,2020(8):264-265.

［2］李睿,曹榮敏,于鏑.培養解決復雜工程問題能力的新工科實踐教學研究［J］.教育教學論壇,2020(13):84-85.

作者:聶亮 張維光 吳慎將 單位:西安工業大學