以培养工程创新能力为核心的实验课教学改革与实践

汪之国，吴素勇，毛宏军，樊振方，谭中奇

(国防科学技术大学，湖南长沙 410073)

我国已是世界上高等工程教育规模最大的国家，但与党和国家提出的建设创新型国家的目标和走中国特色新型工业化道路的战略的要求相比，工程教育质量还有待提高［1］。在此背景下，教育部于2010年启动了“卓越工程师教育培养计划”，其中一个重要内容就是强化培养学生的工程能力和创新能力［2］。实验课程作为联系理论与实践的桥梁，是培养学生工程能力和创新能力的重要途径和基础环节，而当前实验课程教学还存在不少问题，例如［3］:(1)形式上，验证性和演示性实验多，创新性实验少，综合性不够;(2)教师缺乏工程背景和实践能力。为了满足我校光学工程一级学科人才培养的需要，针对通常实验课程教学中存在的各种问题，我院投入大量人力物力建设了《高等光电技术实验》课程［4］。根据过去三年的教学实践，从实验内容、教学方法、教师队伍建设等方面进行了改进，使之能够较好地适应工程创新能力培养的需要。本文以其中的“激光陀螺技术”模块为例进行介绍。

1 实验内容设计

“激光陀螺技术”模块按综合性实验进行设计，内容涵盖了激光陀螺原理、环形激光器搭建、信号处理、误差分析和基本应用。首先，利用反射镜、气体放电管等光学元件搭建出一台环形激光器，然后用光电探测器、放大电路和信号处理电路来获取环形激光器所敏感的角速度信息，完成原理样机的搭建。最后对激光陀螺原理样机的比例因子进行标定，并用来测量电动转台旋转的角度［5］。针对工程创新能力培养的需要，在内容设计上着重考虑了如下两个方面:

1.1 注重学科交叉和知识的有机融合

工程教育的特点之一是综合性［6］，即一个工程涉及到多个专业或学科，因此在实验内容设计时也尽量将相关学科的知识有机地、符合逻辑地融合在一起。“激光陀螺技术”模块涉及到力学中的角动量守恒定律和牛顿运动定律，电子线路基础中的三极管和滞回比较器，激光原理中自再现、激光模式、激光器实现条件、注入锁定，数字信号处理中采样、放大、滤波，光学测量中干涉，传感器的输入输出特性等多个专业的原理和概念。通过将这些原理和概念有机地穿插在整个实验过程中，促进了学生对所学理论知识的深入理解和综合把握。

2 设置创新性实验内容

一般实验课为演示型或验证型，观察到与理论预期一致的现象即可完成实验，这尽管对增强学生对知识的理解以及锻炼动手能力已经足够，但体现不出创新能力的培养。为此，在实验中增加了若干“关卡”，增大了对工程能力和创新性的要求，如果学生不能够提出创造性的解决方案将无法获得正确的数据，因而也就无法完成实验。

例如在信号中特意混入了幅度非常大的共模噪声，使信噪比大大降低，导致用常规方法无法得到正确的信息和数据。为了解决该问题，学生首先应掌握信噪比的概念，并在光束合光时尽可能使光能得到充分利用以使信号幅度调到最大。然后一步一步探究噪声源、分析噪声的特征，找到共模噪声的特点，然后采用差分的方法抑制共模噪声。最后利用滞回比较器将正弦波转换为方波来进一步减小噪声的干扰。增大信号幅度、抑制共模噪声和滞回比较必须同时采用才能够获得正确的数据，这3点既考察了学生对所学知识的掌握程度，也锻炼了创造性解决实际问题的能力。

3 教学方法与手段

3.1 研究式和启发式教学

对每个实验模块，每2～3个学生为一组并配一个指导教师进行实验，这就提供了非常好的互动机会，同时实验课本身也特别适合进行研究式和启发式教学。因此，的实验课教学是以研究式为主导，在中间的关键点上穿插启发式提问，并重视学生的独立性和主动性，强调师生之间的互动。

研究式教学是提高学生创新能力的重要方法。通过实验内容的改进，整个实验模块相当于一个小型科研项目。实验开始时给学生提供各个光学元器件和测试仪器，由学生自己研究怎么搭建一台激光陀螺样机，并利用它测出载体任意的转角，其中转角大小由教师任意给定以便考核样机的测量精度。在实验过程中，学生根据实验原理独立地开展实验，并解决若干小问题。在关键步骤或涉及关键概念处，教师会进行启发式提问，来进一步强化学生对基本知识或原理的掌握。例如激光谐振腔调整时，就会对激光自再现原理和激光器三大基本构成进行提问;在光合束干涉时，会对双光束干涉的条件进行提问，并让学生去分析两束任意光束合束至少所需的反射镜和分束镜的调节维度。

3.2 实验习惯的培养

良好的实验习惯在科研和工程实践中非常重要，在这方面加强了规范和教育。实验习惯涉及到安全性、实验操作和数据记录规范性。在实验开始前，首先进行安全教育，对用电安全、激光防护、仪器仪表爱护、化学试剂安全等进行详细的讲解，使学生建立安全意识并在实践中严格遵守。在实验过程中，对操作不规范之处及时指出，例如激光反射镜是激光器的核心器件，如果发现学生拿纸片紧贴在激光反射镜前判断光束方向，这时就要及时制止并就激光反射镜的重要性以及保护知识进行启发式提问。对实验过程中产生的现象或数据，引导学生根据科学规范来及时记录。

3.3 考核手段

实验课程的目标是培养学生的工程创新能力，因此采用如下三个手段:考核手段一是在实验过程中涉及到关键知识点时进行口试，即问即答完全体现了学生对基础知识的掌握和对问题的认识，这部分成绩占15%;考核手段二针对操作能力和解决问题的实践能力，这部分成绩占45%;考核手段三是传统的实验报告，主要考察对结果进行分析和解释的能力，占40%。

4 结合本学院的工程研究优势

本学院激光陀螺研究所是国内领先的激光陀螺研制和生产单位，在工程研究方面具有深厚的历史积淀，可为“激光陀螺技术”实验模块的建设提供良好的支持，主要体现在培养授课教师的工程实践能力和建设开放式的教学体系。

4.1 提高教师的工程实践背景

为了培养学生的工程素质，教师应首先保证自己具备良好的工程素质和实践能力。只有这样，教师才能在教学中发挥主导作用，才能更好地将学生引导到工程实践中去。但实际上，教师学历高但缺乏工程背景和实践经验是我国高等工程教育的一大问题，因此提高教师队伍的工程实践能力是高等工程教育改革的一项重要内容［7］。为此，非常关注教师的工程背景和实践经验，并依托本单位的激光陀螺研制和生产基地，安排教师亲自参与到激光陀螺科研和生产第一线去学习，从而提高了教师自身的工程实践能力。《高等光电技术实验》实验模块共有9个，其中绝大部分教师都有丰富的工程实践能力，曾经或正在参与到激光陀螺或惯性导航系统的研制和生产。

4.2 构建开放式实验教学体系

让学生真正进入到工业生产环境是提升学生工程实践效能的重要环节［8］，因此依托本院激光陀螺研究所的“学生创新研究基地”，将“激光陀螺技术”模块的实验内容进一步扩展到工业生产和科研中。“学生创新研究基地”提供了多种激光陀螺以及基于激光陀螺的惯导系统等装置，学生在这里可以对激光陀螺涉及的多种技术和激光陀螺典型应用等开展深入研究。这种开放的实验教学体系可以达到增加学生的兴趣、拓展学生的知识面的目的:通过了解激光陀螺在多种领域的重要应用，学生对实验课程的学习热情将会大大激发;通过了解激光陀螺惯导系统的原理，对激光陀螺本身也会具有更深入的认识。进一步地，有兴趣的学生还可在“学生创新研究基地”中对激光陀螺工程研制和生产中涉及的问题进行研究，从而更好地进行工程创新能力的训练。

5 结 论

针对我国工程教育中普遍存在的自主创新环节不多、学生实践能力偏弱、教师工程背景不足、教学偏学术化等问题，对实验课程进行了改革。实践表明，经过本实验课程的学习训练，学生既掌握了基本原理、又锻炼了动手操作能力，还培养了综合利用所学知识去创造性地解决问题的科研素养，基本达到了通过实验教学培养工程创新能力的目标。

［1］张学洪，王文，徐建平.新时期高等工程教育改革的对策［J］.高等工程教育研究，2012(3):53-56.

［2］教育部启动实施＂卓越工程师教育培养计划＂［J］.中国大学教学，2010(7):4-5.

［3］马丽霞，屈晓阳，顾勇飞.创新型实验教学体系的构建［J］.中国大学教学，2010(10):67-69.

［4］谭中奇，姜广文，谢文科，等.浅谈研究生课程《高等光电技术实验》的教学体会［J］.高等教育研究学报，2012，35(1):68-70.

［5］汪之国，施建华，张斌，等.环形激光器用于角速度测量的实验研究［J］.物理实验，2013，33(2):25-28.

［6］朱高峰.工程教育中的几个理念问题［J］.高等工程教育研究，2011(1):1-5.

［7］张学洪，王文，徐建平.新时期高等工程教育改革的对策［J］.高等工程教育研究，2012(3):53-56.

［8］董发勤，彭煜，晏斌，等.建构开放式实践教学体系强化学生实践和创新能力［J］.中国大学教学，2011(10):67-69.

［9］冷雪松，王艳东，姜丽娜，等.基于卓越工程师培养计划的大学物理实验教学改革［J］.大学物理实验，2012(1).