现代化技术手段在实验课中的应用

樊振方，吴素勇，汪之国，谭中奇

(国防科学技术大学， 湖南 长沙　410073)

现代化技术手段在实验课中的应用

樊振方，吴素勇，汪之国，谭中奇

(国防科学技术大学， 湖南 长沙410073)

摘 要：以《高等光电技术实验》教学的切身经历为基础，论述了现代化的技术手段在实验课中的应用。现代化技术手段在实验过程、实验数据处理过程的应用，能够提高实验效率，提高实验数据处理的精度，锻炼学生的工程实践能力。实验室的现代化改造是推进教学改革的重要内容。

关键词：高等光电技术实验；现代化技术手段;教学改革

科学精神、创新思维和实验技能是院校人才培养，特别是工科类研究生培养的三大重要内容。而实验课程是提高实验技能、培养动手能力的重要手段[1]。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[2]。通过实验课，可以将课堂上比较抽象的理论知识具体化、实物化，进而加深学生的知识烙印。对于理工科学生而言，实验课是必不可缺少的一个重要教学环节。实验课开设成功与否是一个专业学科教学水平的重要体现[1]。

随着科学技术的突飞猛进，现代化的电子技术和信息技术已经应用于社会生产生活的方方面面。然而在一些实验课仍然停留在用实验记录纸描点来记录分析数据、用眼睛直接观察来数条纹等比较落后的阶段。一些新的技术手段，例如图像处理技术、集成电路技术及自动化技术等可以完全可以应用在实验课程中，这样可以有效提高实验效率，增强开设实验课的成效，保持课程内容与时俱进。

我国现行高等教育在人才培养模式方面已凸显出与社会发展不相适应，这就要求我国高等教育要以学生个性、社会发展需要为目标，不断塑造大学精神，提高学校办学特色,为社会培养出多方面的专业复合型现代人才[3]。大力推进教学改革是保持高校教育与时俱进及培养符合时代要求人才的必然要求。教学改革往往关注于教学内容、教学过程等方面[4]，而教学手段的改革也是教学改革的重要方面，这一点往往容易被忽视。如何在保留经典实验精髓的基础上，进行实验设备、实验手段及实验过程的现代化改造，以使学生更好地观察到隐藏在实验背后的物理本质是教学改革的必然要求。

1教学体会

下面以几个实验教学案例为例，说明现代化技术手段应用于实验课教学中取得的良好成效。

在机抖激光陀螺的输出信号处理试验中，需要鉴别陀螺输出信号的方向并对输出脉冲数进行可逆计数，同时还要对输出的信号进行数字滤波以滤除抖动成分得到真实角速度输入。如果采用分离的门电路来实现，其工作量是可想而知的。因此本实验采用了NI的可编程板卡PCI-7855R，该板卡板载FPGA拥有大量的可编程数字资源，可以实现鉴向计数、采样和数字滤波。学生直接通过LABVIEW图形化的编程语言对FPGA进行编程，克服了必须有硬件描述语言基础才能对FPGA进行编程的问题。板卡直接插在PCI插槽上，这样可以将数据通过PCI总线无缝传输到电脑上进行处理和显示，省去了中间数据传送的环节，而且数据吞吐量，学生可以直接观察到有抖动调制的原始信号波形，还可以采用不同的数字滤波器直观的看到数字滤波前后信号及其频谱的变化规律。通过该实验学生在掌握激光陀螺输出信号处理技术的基础上，还学习了可编程逻辑器件的使用和滤波器的相关知识，工程实践能力得到了锻炼了。

在激光陀螺的比例因子实验中，以往通过转盘来手动调整并记录记录陀螺转过的角度，这样引入的误差比较大，误差大概在0.1deg的量级，激光陀螺本身的精度被掩盖在测试误差中无法体现。改造后采用高精度的转台代替转盘实现比例因子的测量，转台的转动过程通过编程来精确控制，定位精度可达0.001deg，这样就能减少实验过程中的人为误差因素，从而可以凸显激光陀螺的高精度特性。

在激光面型干涉仪试验中，以往通过眼睛直接观察条纹的变化，边观察边调节，时间久了，容易出现视觉疲劳。通过对实验设备进行改造后，采用高分辨的CCD采集图像，并将图像通过计算机渲染放大呈现在屏幕上。这样一方面可以解放人的眼睛，保护实验者的视力，增强视觉效果；另外一方面条纹间距和条纹数量都可以采用图形处理技术得到，可以实现条纹与面型的精确测量。还可以根据二维的条纹图形采用OpenGL编程等方法描绘出被测物的三维面型，通过对比条纹和三维图像，可以强化学生对实验物理本质的理解。进一步可以采用步进电机来调节被测物的上下和左右方位，实现测量的完全自动化。

除了对于实验过程的改革之外，在实验报告的提交及数据处理等方面同样做了改进。不再要求学生提供纸质的实验报告，而是给他们充分的自由，让他们通过不同方式来展示实验的过程与收获，可以以图表及图文结合的方式，也可以采用动画、音频和视频等形式。实验过程中拍摄的图片和视频都可以做为实验报告的内容。在数据处理方面，不再要求学生采用坐标纸来描点，而是给予他们极大的灵活性，可以采用MATLAB等数学工程软件对记录的原始数据进行处理和分析。相比于原来单纯提交纸质的实验报告，可以激发学生的学习兴趣和创造性。

2现代化技术手段应用于实验课的效果

通过笔者的切身教学体会，将现代化的技术手段应用于实验课之后，至少会带来以下的好处:

2.1提高实验效率

在实验课程的实施过程中，往往实验系统的搭建往往占用了大部分的时间，而对于实验现象的观察只留有少部分时间。采用现代化的技术手段可以明显提高实验的效率，可以减小实验系统的搭建难度，从而将重心转移到实验所体现的物理本质上，提高效率的同时，增强了实验效果。在激光陀螺的读出信号处理实验中采用集成化的FPGA板卡进行教学很好地体现了这一点。

2.2提升学习兴趣

成功的教育应该引导学生主动获取知识，激发学习动力[5]。如果在实验过程中，仍然采用老旧的设备和数据观测处理手段，就不能保证课程的与时俱进，学生做实验时也会觉得索然无味。在实验中增加现代科学技术的大量元素，采用现代化的实验设备和实验技术手段，激发学生学习兴趣的同时，还能够培养学生的工程创新能力和动手能力。在提高学习兴趣的同时，也强化了课程开展的教学效果，实验中的一些错误可以得到及时的自我纠正。采用多种形式而不是采用纸质的实验报告更加符合新时代学生发散思维的特性，在实验报告中学生还能够将自己对实验的改进想法和学习体会与老师进行交流，可以很好的提高学生的主观能动性。

2.3提高实验精准度

实验误差可分为系统误差和随机误差[6]，误差在实验中是不可避免的，但是通过更加先进的技术途径可以大大减少各种误差。以往的实验往往靠眼睛观察来记录数据，然而人眼的观测误差是很大的，在有些情况下甚至会出现错觉。同时以往的仪器设备自动化程度比较低，单纯靠手工调谐，很难达到理想的精度。现代化技术手段的引入可以实现实验仪器的高精度控制，同时可以实现实验数据的高精度处理。例如上述在测量激光陀螺比例因子试验中，通过高精度转台的引入，突出了激光陀螺精度高的特点；在激光面型干涉仪试验中，用计算机来处理CCD采集到的图像计算条纹的变化，相比原来用眼睛数条纹的方法，精度上有了较大的提升。

3对实验室建设的要求

现代化技术手段应用于实验课程能够达到良好的教学效果，而要实现这一点需要从实验室的建设层面着手。作为高校教师应该大力推进教学改革，积极思考如何在实验课的教学目标不变的前提下，大胆改进实验手段和教学方法，而不是每年都机械重复同样的教学内容。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]。实验设备的现代化改造可以通过两个途径来实现：(1)自研，这样方法适用于试验中某些具体细节的改进，可以由任课老师或者由老师带着参与创新实践活动的学生来完成；(2)实验设备引进，高校应在实验室建设和维护上给与充分的支持，在经费充裕的前提下，可以采购更加自动化、智能化的实验仪器设备。实验室的现代化改造虽然增加了实验室建设与维护成本，但却提高了实验课效率、调动了学生积极性，与带来的好处与优点相比，这些投入都是值得的。

4结论

实践性是工程教育的基本特征[8-9]。实验课程是高校教育中培养学生工程素质的重要环节。在保留实验精髓的基础上，结合现代化的科学技术，对于实验设备、实验过程和数据处理等多个环节进行不断的改革创新是保证实验课与时俱进的必然要求。高校应在实验课开设理念、实验室建设、课程内容设计以及教学组织方式等方面保持不断创新，才能保证培养出的学生能够适应时代的要求。

参考文献：

[1]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(1):68-70.

[2]汪之国,吴素勇,毛宏军,等.以培养工程创新能力为核心的实验课教学改革与实践[J].大学物理实验,2014(4):123-125.

[3]胡珺,彭俊艳,周钗美.新时期我国高等教育存在问题及其对策研究[J].经营管理者,2010(9).

[4]胡绍民,罗晖.《激光原理》课程教学体会[J].高等教育研究学报,2012(1):71-73.

[5]刘香楠,于国华.基于新时期下的开放式、创新性教学模式研究[J].商品与质量(消费研究),2015(3):245.

[6]刘兴胜,刘鹰.测量误差的表示方法及其分类[J].计量与测试技术,2015(2):1-2.

[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]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.

[9]关芳，何光宏.基于Internet的大学物理实验教学管理系统的设计[J].大学物理实验，2004(1)：13-17.

Application of Modern Technique in Experimental Course

FAN Zhen-fang，WU Su-yong，WANG Zhi-guo，TAN Zhong-qi

(National University of Defense Technology，Hunan Changsha 410073)

Abstract：Based on the teaching experience of “Higher Optoelectronics technology experiment”,the application of modern technique in experimental course is discussed.Application of modern technique used in the procedure of experiment and data processing can improve the teaching efficiency,enhance the accuracy of experiment,and then the engineering ability of student is excised.Laboratory modernization is an important aspect of promoting education reform.

Key words：higher optoelectronic technology experiment；modern technique；education reform

收稿日期：2015-09-22

文章编号：1007-2934(2016)02-0132-03

中图分类号：G 642.423

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.035