海洋技術(shù)專業(yè)光電類課程建設(shè)實踐與思考

中圖分類號：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2025）20-0101-04

Abstract：Thisarticlediscussesthepracticeandreflectionofthecourseconstructionofoptoelectronicinthemajorof marinetechnology，andconstructsacourseknowledgesystemcenteredonthecompositionstructureandinformationfowoffiber opticunderwatercousticetetiotesitproosalasifdteaingbilirted，nddivrsfdtegatiteaing modeland pointsoutateachingecologyconstructionmethodbyatractingtopresearcherssharingtheirexperienceinthecourse， demonstratingadvancedresearchachievementstothestudentsandtakingadvantagesofleadingresearchplatformstobenefit students in extracurricular practice， in order to provide reference for domestic peers.

Keywords：oceanoptoelectronic technology;curiculumconstruction；teaching models；knowledgeframework；coursepractice

海洋技術(shù)專業(yè)具有強(qiáng)交叉、重創(chuàng)新、厚實踐的典型特點，涉及物理學(xué)、海洋科學(xué)、海洋工程和計算機(jī)科學(xué)等多個學(xué)科，在人才培養(yǎng)方案特別是課程體系設(shè)計上，往往面臨多個學(xué)科方向?qū)I(yè)課程如何匹配、各層次課程學(xué)時如何平衡、理論與實踐環(huán)節(jié)如何銜接等困惑[-4]。國內(nèi)外開設(shè)相關(guān)專業(yè)的院校多會結(jié)合自身學(xué)科優(yōu)勢或重點科研方向，在專業(yè)課程體系設(shè)計上，合理取舍，凝練重點，凸顯特色[5-8]。

2017年，新組建的國防科技大學(xué)（以下簡稱“我校”氣象海洋學(xué)院成立，為凸顯學(xué)院光纖水聲探測方向的科研特色，借力學(xué)校光學(xué)工程 A+ 學(xué)科的資源優(yōu)勢，夯實學(xué)員在海洋光電領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)，在第一輪海洋科學(xué)學(xué)科海洋技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案中專門設(shè)計了光學(xué)基礎(chǔ)（48學(xué)時）海洋光電技術(shù)導(dǎo)論（32學(xué)時）和海洋光電探測實踐（20學(xué)時）三門專業(yè)必修課程。前兩門課程為理論課程，重點講授幾何光學(xué)、波動光學(xué)、光與物質(zhì)相互作用、光的量子性等基礎(chǔ)光學(xué)理論和光源、光電探測器、光信號的調(diào)制與解調(diào)等光電技術(shù)原理及應(yīng)用方面的知識；第三門課程為實踐課程，主要進(jìn)行關(guān)鍵光電元器件和模塊的性能測試、典型光電探測系統(tǒng)的搭建和實驗現(xiàn)象分析等，與前序理論課程緊密銜接，相互支撐，形成了一個相對獨(dú)立、要素齊備的光電類課程教學(xué)模塊，取得了較好的教學(xué)效果。但在實踐過程中，仍暴露出一些實際問題。一是三門課程開設(shè)時間跨度大（分別設(shè)置在大二下、大三下和大四下），學(xué)員對所學(xué)知識遺忘嚴(yán)重，導(dǎo)致后續(xù)課程授課效果不佳；二是學(xué)員總課時量偏大，對難度相對較大的光電類課程，存在畏難情緒，精力投入不夠，部分自驅(qū)力和自律性不足的中等及偏下學(xué)員學(xué)習(xí)效果較差；三是課程建設(shè)與優(yōu)勢科研資源融合不夠，我校特色的光纖水聲探測方向的科研成果對課堂教學(xué)反哺不夠，國內(nèi)領(lǐng)先水平的科研平臺對人才實踐能力培養(yǎng)的支撐力度不夠。2020年，學(xué)院組織開展了第二輪人才培養(yǎng)方案論證，對第一版人才培養(yǎng)方案進(jìn)行了修改完善，主要是進(jìn)一步優(yōu)化各層次課程課時分布，加強(qiáng)實踐教學(xué)，進(jìn)一步突出我校海洋領(lǐng)域科研特色，響應(yīng)國家海洋戰(zhàn)略和人才亟需。經(jīng)過多輪研討，本著“精簡學(xué)時、突出特色、強(qiáng)化實踐\"的原則，教學(xué)組決定將第一輪人才培養(yǎng)方案中的三門光學(xué)課程合并為一門兩類課程（海洋光電基礎(chǔ)（中文）和海洋光電基礎(chǔ)（英文）），實踐教學(xué)環(huán)節(jié)穿插安排到理論課程中，綜合實驗部分整合到海洋技術(shù)綜合實踐，光電類課程總學(xué)時從100學(xué)時壓縮到72學(xué)時，力爭取得更好的人才培養(yǎng)效果]。在此背景下，結(jié)合多年的教學(xué)實踐，本文主要探討優(yōu)化設(shè)計后的海洋光電基礎(chǔ)課程在知識體系構(gòu)建、教學(xué)模式優(yōu)化、教學(xué)生態(tài)打造方面的思考與探索，以期與同行分享交流。

一 聚焦人才培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建緊跟前沿、特色鮮明的課程知識體系

瞄準(zhǔn)“熟練掌握海洋技術(shù)專業(yè)領(lǐng)域和首次任職崗位領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論、基本知識、基本方法和基本技能，系統(tǒng)了解物理海洋學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，掌握海洋物理學(xué)分析的基本方法和專業(yè)技能，具有從事海洋探測裝備開發(fā)與應(yīng)用、海洋信息綜合處理等領(lǐng)域的實際工作能力和科學(xué)研究初步能力\"這一人才培養(yǎng)目標(biāo)，海洋光電基礎(chǔ)課程圍繞海洋光電探測系統(tǒng)，講授海洋探測領(lǐng)域的光電基礎(chǔ)理論知識和前沿應(yīng)用技術(shù)，使學(xué)員對海洋光電探測技術(shù)涉及的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)知識有比較系統(tǒng)的理解和認(rèn)識，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，并為后續(xù)在該領(lǐng)域的深造和崗位任職奠定基礎(chǔ)。

課程總學(xué)時64學(xué)時，其中實踐學(xué)時4學(xué)時，前序課程為大學(xué)物理和數(shù)學(xué)物理方法，后續(xù)課程包括海洋探測技術(shù)和海洋技術(shù)綜合實踐（圖1）。在課程知識體系構(gòu)建上，主要是需要解決三個方面的問題：一是如何增強(qiáng)課程知識結(jié)構(gòu)的體系性和邏輯性，避免課程內(nèi)容零散雜亂，學(xué)員難以消化吸收；二是如何與前序課程有效銜接，避免知識點重疊和知識斷點問題；三是如何與光學(xué)工程專業(yè)課程區(qū)分開，結(jié)合優(yōu)勢科研方向，突出學(xué)科特色。

為解決上述三個方面的問題，教學(xué)組首先構(gòu)建了課程的知識體系。瞄準(zhǔn)“可以理解、設(shè)計和應(yīng)用典型光電探測系統(tǒng)”這一課程目標(biāo)，聚焦到學(xué)院優(yōu)勢科研方向一一光纖水聲探測，圍繞光電探測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和信息流程這一主線，課程設(shè)計了如下知識模塊， ① 光的調(diào)制：原理、器件和應(yīng)用； ② 光電探測系統(tǒng)中的光源及其特性； ③ 光學(xué)系統(tǒng)（透鏡模組）； ④ 光波在介質(zhì)中的傳輸； ⑤ 典型光電探測器原理及特性； ⑥ 相干探測與非相干探測。其中，光波在介質(zhì)中的傳輸重點介紹三個部分的內(nèi)容： ① 光的吸收、色散和散射； ② 光纖及光纖器件； ③ 光在海水中的傳播。同時，為理解相干探測技術(shù)，課程需講授波動光學(xué)的相關(guān)知識；為理解和掌握非相干探測系統(tǒng)的原理和應(yīng)用，課程需涵蓋光譜學(xué)和輻射度量學(xué)的相關(guān)知識作為支撐。對于光學(xué)系統(tǒng)（透鏡模組）而言，課程需涵蓋幾何光學(xué)的相關(guān)知識。

在此基礎(chǔ)上，教學(xué)組結(jié)合前序和后續(xù)課程教學(xué)安排，對課程知識體系進(jìn)一步凝練，形成了海洋光電基礎(chǔ)課程的教學(xué)大綱，見表1。第一章，安排2學(xué)時，主要對課程的背景、光電探測系統(tǒng)的基本概念以及課程的章節(jié)安排和學(xué)習(xí)要求進(jìn)行學(xué)習(xí)。第二章，安排14學(xué)時，主要是對學(xué)習(xí)相干探測系統(tǒng)所必須的波動光學(xué)基礎(chǔ)理論進(jìn)行學(xué)習(xí)。考慮到前序課程大學(xué)物理已系統(tǒng)講授了光波的電磁理論、干涉和衍射等波動光學(xué)方面的基礎(chǔ)理論，本門課程在授課內(nèi)容設(shè)計上，一方面鞏固提高電磁理論基礎(chǔ)、復(fù)振幅概念和應(yīng)用、波的疊加原理等核心知識點，另一方面重點結(jié)合實際相干探測系統(tǒng)，在大學(xué)物理所學(xué)知識的基礎(chǔ)上，引出相干條件與觀測條件的關(guān)系、相干性、多光束干涉和法珀干涉儀等概念的討論，并在法珀干涉儀的基礎(chǔ)上，介紹光譜的基本概念，作為學(xué)員拓展學(xué)習(xí)光譜學(xué)相關(guān)知識的基礎(chǔ)。第三章和第四章，均安排8學(xué)時，對光電探測系統(tǒng)中的光源和光電探測器進(jìn)行介紹和討論，重點是使學(xué)員理解和掌握各種光源和光電探測器的原理和特性，為理解和設(shè)計光電探測系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)。在第三章介紹光源特性參數(shù)時，簡要介紹輻射度量學(xué)的基本知識。第五章，安排10學(xué)時，對光在介質(zhì)中的傳輸規(guī)律和特性進(jìn)行學(xué)習(xí)，圍繞海洋光電探測系統(tǒng)涉及的光在海水中和光纖中的傳播展開，重點介紹光纖及光纖器件的原理和應(yīng)用，為學(xué)員理解光纖水聲探測系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)，介紹海水的光學(xué)性質(zhì)和輻射傳遞理論，為學(xué)員理解光學(xué)遙感、水下激光雷達(dá)、水下藍(lán)綠激光通信等系統(tǒng)和技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。第六章，安排12學(xué)時，學(xué)習(xí)光學(xué)信號的調(diào)制：原理、器件和應(yīng)用，重點需學(xué)員理解和掌握光學(xué)信號調(diào)制的基本原理和方法以及各類光學(xué)調(diào)制器件的原理和應(yīng)用。第七章，安排4學(xué)時，介紹光電探測系統(tǒng)的兩種基本類型一一相干探測和非相干探測，重點介紹其工作原理及各自特性，為學(xué)員根據(jù)不同應(yīng)用場景設(shè)計海洋光電探測系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)。第八章，安排2學(xué)時，介紹光電探測技術(shù)在海洋中的應(yīng)用，重點介紹光學(xué)水聲探測系統(tǒng)，需學(xué)員理解系統(tǒng)的工作原理、關(guān)鍵元器件選型以及系統(tǒng)工作特性分析的基本方法，是對本課程所學(xué)知識的綜合運(yùn)用和拔高。另外，課程還安排了4學(xué)時的實踐環(huán)節(jié)，需學(xué)員圍繞海洋光電探測系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)，分組進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研并完成口頭報告，培養(yǎng)學(xué)員的英文文獻(xiàn)調(diào)研、綜述和學(xué)術(shù)報告能力，提高課程的前沿性 的相關(guān)內(nèi)容。和高階性。受限總課時安排，本門課程未涵蓋幾何光學(xué)的相關(guān)內(nèi)容。

為突出學(xué)科特色，與光學(xué)工程專業(yè)同類型課程明顯區(qū)分，課程在教學(xué)大綱設(shè)計上以實際應(yīng)用為引導(dǎo)，吸收整合了光學(xué)工程專業(yè)物理光學(xué)、激光原理和技術(shù)、光電子技術(shù)等多門課程的核心知識點，并進(jìn)一步對知識點進(jìn)行體系性梳理和科學(xué)整合，使得課程對海洋技術(shù)專業(yè)學(xué)生適用性更強(qiáng)，在有限的學(xué)時范圍內(nèi)，掌握將來深造或從事相關(guān)工作所必需的光電知識。另一方面，將課程知識點與海洋應(yīng)用實際需求結(jié)合起來，以實際應(yīng)用案例分析作為基本概念和基本方法學(xué)習(xí)的引子。例如，以光纖水聲探測系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用為背景，將光源、光電探測器、光信號的調(diào)制解調(diào)等知識點的學(xué)習(xí)串聯(lián)起來，以水下激光雷達(dá)、水下藍(lán)綠激光通信等應(yīng)用為案例，將光在海水中的傳輸特性和規(guī)律具象起來，建立形象生動的物理圖像，加深學(xué)員理解。

二 錨定“金課”建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，打造能力導(dǎo)向、多元融合的教學(xué)模式

教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，由于缺乏足夠的前序知識和扎實的數(shù)理基礎(chǔ)，學(xué)員對課程體系中難度相對較大的光電類課程普遍存在畏難情緒，特別是部分自驅(qū)力和自律性不足的中等及偏下學(xué)員學(xué)習(xí)效果較差。

針對這一問題，教學(xué)組將學(xué)員按照培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)習(xí)基礎(chǔ)分為了兩個教學(xué)班。普通教學(xué)班進(jìn)行中文授課，在上述課程設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)一步精簡課時，從64學(xué)時壓縮到48學(xué)時，刪除了輻射度量學(xué)、衍射、光波導(dǎo)電磁理論、海水中的輻射傳遞理論和模擬學(xué)術(shù)會議等內(nèi)容，減輕學(xué)員學(xué)習(xí)壓力，提升學(xué)習(xí)效果；重點教學(xué)班進(jìn)行雙語授課，對學(xué)有余力的學(xué)員提高課程“兩性一度”，在專業(yè)知識學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)員英文文獻(xiàn)閱讀、寫作和報告能力。

另一方面，科學(xué)運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段和理念，針對不同知識點設(shè)計不同的教學(xué)模式。針對波動光學(xué)相關(guān)知識點，鑒于學(xué)員已經(jīng)具備一定的基礎(chǔ)，考慮采用“翻轉(zhuǎn)課堂\"教學(xué)模式，第一課時以學(xué)員講授為主，鞏固復(fù)習(xí)基礎(chǔ)知識，第二課時以教員組織課堂討論為主，引導(dǎo)學(xué)員課前預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，對\"相干性\"\"多光束干涉\"\"法珀干涉儀\"等高階知識點進(jìn)行研討式教學(xué)，提高課堂教學(xué)效率，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，消除“面面俱到”“滿堂灌輸\"等被動式教學(xué)方式的弊端。針對光源、光電探測器、調(diào)制器件等相關(guān)知識點，選取便攜式實驗設(shè)備，在課堂采取現(xiàn)場演示、動手體會、對比分析等方法，幫助學(xué)員建立直觀的物理圖像，加深對知識點的認(rèn)識。針對光信號的調(diào)制和解調(diào)、相干探測、非相干探測等理論性較強(qiáng)、數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多的知識點，采取多媒體講授、板書講解和現(xiàn)場實驗的方式進(jìn)行教學(xué)。教員利用預(yù)先編寫好的算法程序，演示各種不同算法的實現(xiàn)過程和實驗現(xiàn)象，幫助學(xué)員加深對相關(guān)理論的理解和認(rèn)識。針對光電探測系統(tǒng)在海洋中的應(yīng)用，建設(shè)在線虛擬仿真系統(tǒng)，使得學(xué)員可自主在線操作，對海洋光電探測系統(tǒng)的基本組成、原理以及工作特性進(jìn)行虛擬實驗分析，加深對相關(guān)知識點的認(rèn)識和理解。

最后，創(chuàng)新考核方式，改變過往完全依賴終結(jié)性考試對學(xué)員學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評價的方式，豐富考核手段和考核維度，加強(qiáng)過程考核。本課程實踐過程中，考核方式設(shè)計為終結(jié)性閉卷考試（占比 50% ）實踐環(huán)節(jié)（占比30% 和平時表現(xiàn)（ 20% ），分別對學(xué)員的理論學(xué)習(xí)情況、實踐應(yīng)用和創(chuàng)新能力、課程投入度等方面進(jìn)行考核。在后續(xù)實踐過程中，教學(xué)組將結(jié)合學(xué)員反饋和課程建設(shè)進(jìn)度，進(jìn)一步優(yōu)化考試方式。

三 借力科研優(yōu)勢資源，培育虛實結(jié)合、多維一體的教學(xué)生態(tài)

在課程資源建設(shè)上，充分發(fā)揮學(xué)院在海洋觀探測特別是光纖水聲探測方向的科研優(yōu)勢，從“教研團(tuán)隊向課堂聚力、科研成果向課堂反哺、科研平臺向?qū)嵺`教學(xué)助力\"三個方面，打造一個虛實結(jié)合、多維一體的海洋光電探測課程教學(xué)生態(tài)。在教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)上，以教學(xué)骨干老師為主體，吸納科研骨干參與到課程備課和課程實踐環(huán)節(jié)，通過學(xué)術(shù)研討、學(xué)術(shù)報告等形式，為課堂引入本領(lǐng)域前沿?zé)狳c，拓寬學(xué)員視野，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)動力。另一方面，學(xué)院在“十三五”各類條件建設(shè)中安排了相應(yīng)經(jīng)費(fèi)進(jìn)行課程虛擬仿真實驗條件建設(shè)，借助“數(shù)字孿生\"技術(shù)，克服課堂上大型儀器裝備無法展示、真實海洋環(huán)境無法復(fù)現(xiàn)的難題，將團(tuán)隊最新科研成果生動形象地帶人課堂，讓學(xué)員沉浸式學(xué)習(xí)，在提高基礎(chǔ)理論知識學(xué)習(xí)效果的同時，增強(qiáng)學(xué)員民族自豪感，激發(fā)學(xué)員投身海洋探測事業(yè)的熱情和決心。最后，以課程內(nèi)容為牽引，鼓勵和組織學(xué)員組團(tuán)參與“互聯(lián)網(wǎng) +<sup>：</sup> ”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽等課外實踐活動，進(jìn)而推動學(xué)院現(xiàn)有的國內(nèi)領(lǐng)先的科研平臺資源向?qū)嵺`教學(xué)助力，充分發(fā)揮學(xué)院光纖聲納系統(tǒng)測量條件、湖上實驗條件、海上實驗條件的優(yōu)勢，打造成一個課內(nèi)課外相結(jié)合、教學(xué)科研相融合的教學(xué)生態(tài)。

四 結(jié)束語

本文論述了教學(xué)組在海洋光電類課程教學(xué)實踐過程中的一些具體措施和思考，重點結(jié)合學(xué)院人才培養(yǎng)目標(biāo)和科研特色，構(gòu)建了課程的知識體系和教學(xué)大綱，并探討了在創(chuàng)新教學(xué)模式和豐富教學(xué)生態(tài)方面的努力和嘗試。受限于教學(xué)周期，部分措施和想法尚在建設(shè)和實踐過程中，實施效果尚待驗證。希望本文的相關(guān)探討對國內(nèi)其他高校涉海專業(yè)光電類課程的建設(shè)有所幫助。

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