設(shè)計(jì)實(shí)踐在光電成像原理教學(xué)中的應(yīng)用

蘇麗娟，袁艷

摘要：光電成像原理課程覆蓋了多個(gè)學(xué)科知識，其理論知識點(diǎn)多、技術(shù)性強(qiáng)，單純的課堂講授的模式不利于學(xué)生掌握知識要點(diǎn)和理論聯(lián)系實(shí)際。針對專業(yè)體系、課程要點(diǎn)和學(xué)生特點(diǎn)，提出了一種結(jié)合課堂講授與設(shè)計(jì)實(shí)踐的教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生自主梳理課程知識點(diǎn)、熟悉專業(yè)知識，激發(fā)學(xué)生主觀能動性開展自由探索，使學(xué)生充分體會理論聯(lián)系實(shí)際的含義，獲得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：光電成像原理；實(shí)踐教學(xué)；教學(xué)模式

中圖分類號： G61 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（b）-0000-00

一、引言

光電成像技術(shù)是適應(yīng)信息社會對圖像信息的需求而發(fā)展的新興分支學(xué)科[1]，主要研究圖像傳輸及獲取、光電轉(zhuǎn)換及存儲、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析等多個(gè)方面。針對儀器學(xué)科光電類專業(yè)開設(shè)的《光電成像原理》課程內(nèi)容涉及多門學(xué)科知識，其中包括光學(xué)、輻射度量學(xué)、圖像探測理論、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)等。課程教學(xué)的目的是使學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握光電成像技術(shù)的相關(guān)知識和應(yīng)用技術(shù)，進(jìn)而獲取本專業(yè)視野，訓(xùn)練個(gè)人專業(yè)的知識能力，為其在相關(guān)領(lǐng)域工作和發(fā)展打下基礎(chǔ)。

二、當(dāng)前的教學(xué)問題

目前，光電成像原理這門課程采用的課本為2006年出版的《光電成像原理與技術(shù)》（白廷柱等編著），覆蓋光電成像技術(shù)領(lǐng)域的基本原理、公式推導(dǎo)、器件特性參數(shù)以及技術(shù)應(yīng)用等知識，旨在培養(yǎng)學(xué)生“理論聯(lián)系實(shí)際的能力”。但是，實(shí)際教學(xué)中，由于課程內(nèi)容理論性很強(qiáng)且包含非常多的公式、概念、繁復(fù)的應(yīng)用器件及系統(tǒng)，本科生在學(xué)習(xí)過程中感覺難度大、理解困難、枯燥乏味。此外，由于絕大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中被動接受教師課堂講授的知識，缺乏主觀能動性，對課程涉及的知識割裂式學(xué)習(xí)，無法融會貫通知識體系，對課程內(nèi)容停留在了書本層面的各個(gè)獨(dú)立章節(jié)，不能與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來。

因此，教學(xué)過程中需要教師開展實(shí)踐教學(xué)[2，3]，訓(xùn)練學(xué)生思維邏輯能力，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)各個(gè)體系知識串聯(lián)起來并積累理論聯(lián)系實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，使學(xué)生具備學(xué)科專業(yè)背景下的知識技能。

三、設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)模式探索與實(shí)踐

針對《光電成像原理》中包括了詳細(xì)的知識體系和豐富的實(shí)踐案例，可作為理論和實(shí)踐應(yīng)用結(jié)合時(shí)的借鑒，我們探索一套帶設(shè)計(jì)性的教學(xué)模式應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)過程中。設(shè)計(jì)教學(xué)是指在教學(xué)過程中，針對光電成像技術(shù)某一類應(yīng)用系統(tǒng)給學(xué)生布置設(shè)計(jì)問題，指導(dǎo)學(xué)生在課后通過完成設(shè)計(jì)實(shí)踐任務(wù)完成對知識體系的梳理。在設(shè)計(jì)題目中留出探索、思考和發(fā)揮的空間，使學(xué)生可以自由的探索、自我調(diào)研學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生思辨能力的培養(yǎng)。在實(shí)踐該教學(xué)方法時(shí)，需要注意以下幾個(gè)方面。

（一） 實(shí)踐問題的設(shè)計(jì)

首先，實(shí)踐教學(xué)的終極目的是培養(yǎng)學(xué)生獲取具備高深的專業(yè)素質(zhì)能力，掌握專業(yè)知識與技能結(jié)構(gòu)，因此實(shí)踐問題應(yīng)達(dá)到學(xué)科專業(yè)技能的綜合性訓(xùn)練效果。在設(shè)計(jì)實(shí)踐問題時(shí)，應(yīng)覆蓋更廣泛的知識技能應(yīng)用需求，使學(xué)生能將在本學(xué)科不同專業(yè)課程中所學(xué)的知識結(jié)合起來。在此基礎(chǔ)上，幫助學(xué)生建立一個(gè)本學(xué)科專業(yè)體系應(yīng)用的背景意識，使學(xué)生擺脫常見的“不知所學(xué)為何用”的茫然狀態(tài)，有助于學(xué)生日后選擇專業(yè)深造方向。在實(shí)際教學(xué)過程中，我們布置了兩個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)踐問題，分別為“微光夜視成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)”和“遙感光電成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。這兩個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容，都涉及了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分，涉及儀器專業(yè)中學(xué)生必修的工程光學(xué)部分知識。學(xué)生在完成設(shè)計(jì)任務(wù)后，會理解為什么專業(yè)課程要學(xué)習(xí)各個(gè)課程，明白各個(gè)專業(yè)課之間存在的有機(jī)聯(lián)系，從而發(fā)出“讓我知道了現(xiàn)實(shí)需求中對于知識儲備的需求”的感慨。

其次，實(shí)踐教學(xué)要使學(xué)生梳理所學(xué)內(nèi)容，回顧各個(gè)知識要點(diǎn)，從而鞏固其對課程知識體系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，因此實(shí)踐問題應(yīng)包含光電成像原理中不同的知識要點(diǎn)。以“微光夜視成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為例，學(xué)生要完成設(shè)計(jì)實(shí)踐，需貫穿課本中目標(biāo)識別準(zhǔn)則、輻射源、大氣輻射傳輸理論、像管原理選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證等諸多知識要點(diǎn)。在解決設(shè)計(jì)問題后，學(xué)生會“意識到自己知識學(xué)習(xí)的不連貫性，知識與知識之間的聯(lián)系過于稀少”，深入的了解所學(xué)知識的聯(lián)系，理解理論知識在與實(shí)踐相結(jié)合時(shí)涉及多個(gè)方面，明白“一個(gè)參數(shù)需要符合的常常不止一個(gè)條件”。

再次，實(shí)踐教學(xué)要培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)分析的能力，因此實(shí)踐問題應(yīng)盡量讓學(xué)生自主參與問題內(nèi)容的發(fā)掘。同樣以“微光夜視成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為例，問題為“在無月晴朗夜晚，大氣質(zhì)量優(yōu)良條件下，能夠識別距離500m開外置于山林背景中的卡車”。該問題中，只有500m為明確給出的參數(shù)，其他的參數(shù)需要學(xué)生通過分析問題并查閱相關(guān)資料獲取。例如，學(xué)生需要根據(jù)“無月晴朗夜晚”確定光源照度，依據(jù)“大氣質(zhì)量優(yōu)良”估計(jì)能見度距離，參照“識別”分析探測理論的約翰遜準(zhǔn)則，根據(jù)生活常識估計(jì)“卡車”的高度，計(jì)算大氣輻射傳輸系數(shù)時(shí)考慮到“山林背景”的影響。經(jīng)過這一研究過程，調(diào)動學(xué)生的自主完成各個(gè)參數(shù)的選擇和確認(rèn)，從而達(dá)到知識梳理和鞏固的效果。

最后，實(shí)踐教學(xué)要培養(yǎng)學(xué)生自由探索問題、發(fā)散思維的能力，因此實(shí)踐問題應(yīng)給學(xué)生留有發(fā)揮的空間。因此，設(shè)計(jì)題目沒有限定設(shè)計(jì)哪一類型的光學(xué)系統(tǒng)、選擇哪種型號的像管或者CCD元件等。只是在布置任務(wù)時(shí)，要求學(xué)生完成的設(shè)計(jì)報(bào)告應(yīng)該主要包括設(shè)計(jì)依據(jù)、設(shè)計(jì)參數(shù)及過程、設(shè)計(jì)結(jié)果分析討論等主要內(nèi)容。在實(shí)際過程教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生發(fā)揮了主觀能動性，自主調(diào)研并分析了成像系統(tǒng)的主要組成部分、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多種方案及優(yōu)缺點(diǎn)、像管的發(fā)展歷程和選型依據(jù)、各個(gè)分系統(tǒng)的可行性和特點(diǎn)、光電器件的原理和特性參數(shù)、影響系統(tǒng)性能的因素。

（二） 發(fā)揮教師引導(dǎo)作用

實(shí)踐教學(xué)雖然以學(xué)生為主體，但是教師在教學(xué)過程中應(yīng)該發(fā)揮引導(dǎo)作用，對相關(guān)知識的教學(xué)要有條理，對關(guān)鍵知識點(diǎn)穿針引線，對于生疏知識還要做出相關(guān)的教學(xué)示范。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)涉及的內(nèi)容較多、學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間和精力有限，教師將知識進(jìn)行講解，可指導(dǎo)學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)積累有效的知識，避免走過多的彎路，使學(xué)生可將更多的精力發(fā)揮到發(fā)散思維上。

例如，在布置“微光夜視成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)”任務(wù)前，布置學(xué)生完成課后關(guān)于大氣傳輸相關(guān)習(xí)題的計(jì)算、系統(tǒng)探測目標(biāo)能力計(jì)算等習(xí)題。在課堂上，示范某個(gè)微光夜視儀的物鏡、目鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)過程，使學(xué)生有參考和模仿的依據(jù)。這類示范會使學(xué)生掌握一部分設(shè)計(jì)程序、設(shè)計(jì)方法等基本知識，使學(xué)生在開始設(shè)計(jì)前具有部分參考經(jīng)驗(yàn)，從而避免學(xué)生因?yàn)槟玫揭粋€(gè)全新的題目，感覺無從下手，進(jìn)而產(chǎn)生畏懼心理放棄學(xué)習(xí)研究和拓展思維，導(dǎo)致無法達(dá)到培養(yǎng)實(shí)踐和探索能力的教學(xué)目的。

教師的引導(dǎo)作用還包括對學(xué)生的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)報(bào)告評判上。學(xué)生在完成第一個(gè)設(shè)計(jì)題目時(shí)，會暴露出一些問題，因此需要及時(shí)指出報(bào)告中存在的問題，如提煉信息能力有待加強(qiáng)、調(diào)研查找資料的能力不足等。此外，目前的本科生在整個(gè)大學(xué)階段，絕大多數(shù)只在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)接受論文撰寫方面的培訓(xùn)，因此本課程應(yīng)針對學(xué)生完成的報(bào)告分析學(xué)生在總結(jié)、撰寫報(bào)告中存在的問題，鼓勵他們在下一個(gè)報(bào)告中進(jìn)行改進(jìn)，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的目的。

（三） 鼓勵學(xué)生積極互動

學(xué)生在完成實(shí)踐任務(wù)時(shí)，個(gè)人思維容易受限，因此需要鼓勵學(xué)生之間開展互動討論。每個(gè)學(xué)生都有自己獨(dú)到的思路，因此教師在要求學(xué)生保證實(shí)踐報(bào)告的獨(dú)立性前提下，還應(yīng)鼓勵學(xué)生相互討論。此外，教師還可在課后提供固定的答疑時(shí)間，鼓勵學(xué)生就相關(guān)的疑問向老師提出問題，學(xué)生也可提出自己對問題的不同見解，教師與學(xué)生就相關(guān)問題進(jìn)行分析和討論，并將結(jié)果分享給全班同學(xué)，從而達(dá)到鼓勵自主學(xué)習(xí)、主動思考的教學(xué)目的。

（四） 教學(xué)效果

我們在已經(jīng)連續(xù)兩個(gè)學(xué)期依據(jù)上述方法開展了設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐，絕大多數(shù)的學(xué)生都完成了實(shí)踐任務(wù)的基本要求，達(dá)到了的知識點(diǎn)梳理和鞏固的目的，反映在考試上就是相關(guān)知識要點(diǎn)的掌握效果超過了未實(shí)施該教學(xué)方法的學(xué)期。此外，部分學(xué)生更被激發(fā)了積極主動性，針對系統(tǒng)的各個(gè)部分開展了充分的調(diào)研、分析和討論，每個(gè)學(xué)生的探索結(jié)果不盡相同，但是各有亮點(diǎn)，達(dá)到了開闊學(xué)生思路、培養(yǎng)學(xué)生自主能力的教學(xué)目的。

四、結(jié)束語

針對儀器光電學(xué)科本科課程《光電成像原理》的課程內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，我們摸索并實(shí)踐了一套結(jié)合應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教學(xué)方法，可以引導(dǎo)學(xué)生自主梳理課程知識體系、培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)知識、鍛煉學(xué)生發(fā)散思維和調(diào)研分析的能力。這樣的教學(xué)方法可隨著課程知識的變革進(jìn)行改進(jìn)和完善，可以提高學(xué)生的專業(yè)能力，有助于課程教學(xué)質(zhì)量的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]白廷柱.光電成像原理與技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2]時(shí)偉. 論大學(xué)時(shí)間教學(xué)體系[J].高等教育研究， 2013， 34（7）， 61-64.

[3]王源遠(yuǎn)， 王麗萍， 高校實(shí)踐教學(xué)的理論認(rèn)識和實(shí)踐研究[J]， 2013， 30（1）， 11-14.