基于CDIO模式的《光电探测与信号处理》课程教学改革

左绪忠，何恩节，秦炎福，官邦贵，高海涛

（安徽科技学院电气与电子工程学院，凤阳 233100）

0 引言

随着国家创新驱动发展战略的提出，目前国家和企业对创新型技能人才的需求日益增长，因此高等本科院校的人才培养也应该逐渐由基础理论知识教育向理论知识传授为基础，创新和实践能力培养为重点的教育方式转变，具体的人才培养目标就是要强调学生的综合素质和专业核心能力的培养[1]。所以，针对本科生的专业课和专业核心课的教学就需要着重在教学内容、教学模式以及评价体系等方面进行优化与创新，切实从社会对人才的需求类型为出发点，最终培养出具有创新和实践能力的人才。

CDIO工程教育模式最初于2000年被倡议，经过四年的探索，在2004年被提出的国际工程教育改革的结果，其中CDIO中的四个字母分别代表了构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）以及运作（Operate），它是以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动、实践、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲主要将工程类毕业生的能力划分为四个层面，即工程基础知识、个人能力、人际团队能力以及工程系统能力。大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标[2]。

《光电探测与信号处理》是我校光电信息科学与工程与电子科学与技术专业的一门专业核心课程，其重要性不言而喻。该课程的教学内容主要分为五部分，第一章简单地介绍光电探测基础，为学习后面的章节内容提供最为基础和必要的教学内容；第二章主要介绍点探测器的工作原理与负载电路的设计思路和方案，其中点探测器主要涵盖了光子和光热两大类型的探测器；第三章介绍了直接探测和间接探测的原理以及这两种探测体制的系统性能与最佳信号的处理方法；第四章主要讲授光电成像的一些特点和CCD等像探测器的功能；第五章简要地概述了最佳接收机和理想接收机信号检测理论。

1 《光电探测与信号处理》教学过程中存在的问题

1.1 理论教学存在的问题

根据学院指定的人才培养方案，我们课程组编写了较为详细的理论教学大纲，其中电子科学与技术专业的理论学时为42学时。目前，国内的很多高等院校对于该类课程的教学主要还是把更多的精力集中在课堂的理论教学上，教学内容一般是侧重理论知识点的推导和讲解，这样不仅不能调动教师在课堂上的积极性，也导致了学生在课堂上很为被动。在实施该课程的教学改革之前，理论教学主要存在以下几点问题：

（1）理论知识讲解过多。由于太过于注重教学内容的完整性，没有把具体实例中所用到的基本原理、思想、方法和项目经验讲解透彻，这样不仅忽视了理论知识在工程实践中的运用，也失去了该课程教学内容的实用性和趣味性，不利于培养学生的工程应用能力。

（2）教学计划陈旧。课堂上的理论教学内容与科技发展以及社会需求脱节现象较为严重，学生对《光电探测与信号处理》中知识点的学习局限于课本，很难深刻理解和熟练掌握知识的精髓与本质，学生不能熟练地对出现的问题用所学的知识进行解释，导致了学生所学的知识点无法与技术企业的需求契合。（3）考核方式单一。通常情况下，我们制定的考核方式为闭卷考试和平时成绩分别占理论最终成绩的80%和20%，这样就会导致部分学生虽然上课没有缺勤，但课后学习主动性不强，不能积极调动学生学习的自觉性，同时这种考核方式也不能准确地反映学生的学习水平。

1.2 实践教学存在的问题

光电探测与信号处理课程的实践学习主要包含课程实验和课程设计两个模块，其中课程实验有18个学时，课程实践有20个学时。教学改革之前，课程实验主要存在的问题有：（1）实验数量较多。在有限的18个学时里开展了接近20个实验，部分实验原理具有重叠性。（2）侧重实验现象的观察，忽视对现象本质的理解。同样，课程设计主要存在的问题有：（1）题目灵活性不强。通常都是老师布置题目，学生按照4人一组进行分组，部分学生在完成课程设计任务时表现出慵懒的状态。（2）与社会脱节显现严重。尽管课程设计的题目都来源于现实生活中的实例，但是由于侧重点不同，导致课程设计的内容与目前社会以及技术性企业对创新型人才的需求方向还存在较大的差距。

总而言之，现阶段的传统教学已经远远不能迅速地适应社会与企业对创新型技术性人才的需求。针对上述存在的情况，我们基于CDIO现代工程教育理念对《光电探测与信号处理》课程进行了系统的教学内容优化和教学模式创新。

2 基于CDIO模式的《光电探测与信号处理》理论教学内容优化

2.1 传统教学与多媒体教学有机结合

《光电探测与信号处理》课程中理论推导较多，知识面广泛，抽象性较强，我们把传统教学与多媒体课件教学有机融合起来，可以把理论知识点、图像、声音、动画、视频以及程序等信息穿插在教学活动中，通过实际案例的讲解，把知识点更加生动逼真地穿透到整个案例的设计与运行中，这样不仅能加深学生对知识点的理解与吸收，也有助于培养学生对工程项目整个流程的兴趣。同时，利用多媒体教学可以节省由于板书、公式推导以及作图而消耗的时间，从而增加单位学时时间内的授课信息量，一方面可以更加详尽地阐述知识点，另一方面解决了该课程普遍存在的教学内容多与学时少之间的矛盾[3]。

2.2 有机融入教师科研成果

《光电探测与信号处理》课程中讲到的诸多知识点都是在多功能薄膜器件中实现运用，而器件的制备与合成手段对器件的性能有着很大的影响。我们通过把自身在科研活动中制备的多功能器件分享给学生，重点讲解器件的制备条件、制备细节、制备过程、性能调试等，这样可以提高课堂教学的多样性，也让学生对科研活动产生浓厚的兴趣，科研本身就是以构思、设计、实现与运作为流程的一类活动，这样不仅能加深学生对知识点在器件中运用的理解，更能培养学生的CDIO工程思维。

3 基于CDIO模式的《光电探测与信号处理》实践教学内容优化

3.1 课程实验教学内容优化

压缩实验数量，重组实验项目，加大设计性实验的比例。实验教学内容优化之前，《光电探测与信号处理》课程实验含有21个小实验，现将部分原理重叠的实验进行系统化整理，保留部分具有代表性的10个实验，同时引入了三维摄像与显示综合实验、超快激光特性研究综合实验与LED封装、测试与设计综合实验，这样既唤起了学生对实验的兴趣，也为学生提供了构思、设计、实现与运行实验项目的平台，有利于学生对生产实践的理解，缩小学生对企业需求之间的差距。同时，淡化实验现象观察，侧重理论解释。我们要求学生在实验报告中不但要写出观察到的实验现象，更要求学生对观察到的实验现象进行理论解释。

3.2 课程设计教学内容优化

针对课程设计过程所存在的问题，我们在教学过程中增加了项目设计与运行的演示环节。在课程设计教学内容优化之前，我们通常直接将题目分配给学生，然后学生分组自行讨论、研究与设计。这样存在一定的弊端，由于前期的教学都是在课堂中进行的，很多学生在课余时间没有自行地对软件进行操作，因此部分学生对软件还较为陌生。为此，在开展课程设计之前，教师先选取一个具有代表性的题目，与学生一起分析、讨论与研究并制定一个科学合理的解决方案，然后带着学生一起操作软件，这样可以让学生熟悉软件的操作也达到对项目预锻炼的目的[4]。同时，我们创建了符合CDIO模式的课程设计题目数据库以提高学生的设计兴趣。由于课程设计题目多样化，现在由原来的四人一组改为二人一组，而且每两人中均含有一个学习成绩较好和一个学习成绩较差的学生，让自我效能感发挥最大价值，防止成绩较差的学生在完成项目过程中消极怠慢，从而让学生能真正地参与到课程设计中去，培养和提高学生在完成项目过程中构思、设计、实现与运行的意识和能力。

4 基于CDIO模式的《光电探测与信号处理》教学模式创新

4.1 建立校企合作平台

我校的光电信息科学与工程专业目前在京东方、美菱以及创维等多家技术类企业取得了实习基地，企业对项目的要求通常很高，因此对学生提出的要求就很高，我们以此为契机，将企业中资深的工程师引入到教学中，使学生在学习理论知识的过程中掌握原理应用、理解知识的重要性以加强学生学习的紧迫性；同时，我们将企业的实际项目也引入到教学中，让专业工程师对一个具体的案例进行剖析分解，详细讲解一个工程项目完成所需要经历的流程，培养学生对工程项目的构思、设计与运行意识[5]。从而体现了CDIO模式下“学以致用”和“基于项目的教育与学习”的精髓。

4.2 设计翻转课堂

传统的教学模式下，都是教师在讲台上讲解，学生在下面被动地接受，这样很难调动学生的学习积极性。为此，我们在教学过程中设计了翻转课堂，在完成每章节的学习结束后，我们随机抽取2个学生对讲过的知识点和实践案例分别进行归纳总结和剖析，并要求学生完成相应的PPT设计，翻转角色，教师扮演学生的角色，学生扮演教师的角色。“翻转课堂”对学生的学习过程进行了重构。“信息传递”是学生在课前进行的，教师不仅提供了视频，还可以提供专业辅导；“吸收内化”是在课堂上通过互动来完成的，教师能够提前了解学生的学习困难，在课堂上给予有效的辅导，同学之间的相互交流更有助于促进学生知识的吸收内化过程。翻转课堂本质上就是要求学生具备构思、设计、实现与运行的实践能力，因此这一教学模式的改革符合CDIO工程教育模式。

4.3 积极改革各类考核方式

考核是检验教学效果以及评价教学质量的一个重要指标，科学合理的考核方式与方法也是CDIO模式的标准之一，因此考核方式必须涵盖对学生的构思、设计、实现与运行产品的能力有机结合起来[5]。为此，我们做了如下几点改革：（1）课程教学的全程考核。在传统的考核方式背景下，很多学生平时学习动力不足、课后复习不及时、考试之前突击复习等现象明显，针对上述现象，我们在每章内容讲解完以后以布置论文和小项目的形式让学生进行巩固学习，并对上交材料的考核成绩纳入到最终成绩里面去。（2）加大项目教学与实践环节的考核力度。课堂上增加项目教学的权重，培养学生项目意识。根据课程学习的内容，分阶段布置相关项目，让学生在实验室完成项目的编写和调试，着重考察编写原理所对应的知识点，现场对学生的项目进行逐个验收，指出项目设计的不足并要求改进，这样不仅让学生学会把理论知识和实践应用紧密联系起来，也提高了学生分析问题、发现问题以及解决问题的能力，也满足了CDIO模式下对《光电探测与信号处理》工程教学的要求。（3）综合性设计实验实行答辩考核。邀请相关学科的教师一起参与答辩，教师在考核过程中对学生所做的产品项目的整体思路、设计原理和关键技术进行详细的讲解，取代过去单独以实验操作和实验报告考核的方式，这样激发学生对实验的兴趣也加深了对知识点的理解，也为学生创建了协同、创新与合作的学习平台。

5 结语

本文针对我校在《光电探测与信号处理》课程教学中存在的部分问题，同时分析了当前教学内容和教学模式与社会对创新型技术人才需求之间的差距，并借鉴了国内很多高校在CDIO模式下的教学改革经验，我们探索了基于CDIO模式下的《光电探测与信号处理》课程教学改革。改革后的实践证明：优化后的教学内容进一步激发了学生的学习兴趣，创新后的教学模式进一步提高了学生的工程能力。总之，通过上述优化与创新，能让学生真正地融入到课堂教学与课程实践中去，从而该课程的教学质量也有了显著的改善。

[1]张国斌，张树军，刘春城，刘悦，徐增梅，基于CDIO模式的学生实践能力的培养[J].实验室科学，2014（1）:126-127.

[2]田海梅，朱保平，陈爱萍，基于CDIO模式的综合项目改革的实践[J].实验技术与管理，2011（4）:130-132.

[3]陈文杰，任立军，张林，杨锋，新加坡理工学院基于CDIO模式的项目教学改革[J].职业技术教育，2009（35）:91-93.

[4]马睿，张玉英，邵兰洁，莫德举，基于CDIO模式的软件工程专业培养模式的探索[J].学科建设，2011（8）:134-135.

[5]才智，赵春刚，顾泽元，基于CDIO模式的软件工程课程教学改革[J].内蒙古师范大学学报，2013（9）:83-85.