光纤传感技术线上线下混合课程建设探索

2024-03-27初凤红卞正兰薛亮胡安铎李高芳魏春娟朱武

高教学刊 2024年7期

初凤红　卞正兰　薛亮　胡安铎　李高芳　魏春娟　朱武

摘要：光纤传感技术是光电信息科学与工程专业的专业课。课程主要讲述光纤传感技术的基本概念、光纤传感系统的组成、光纤传感技术涉及的原理和效应、光纤传感用光调制技术、FBG传感技术及分布式光纤传感技术等。随着互联网的高速发展，线上和线下混合教学热度逐渐上升，该教学模式可以充分利用互联网的在线教学优势，加强教师和学生的课堂互动。该文探讨在线上和线下混合教学模式下如何提高光纤传感技术教学效果的方法，并将思政因素引入到教学中。

关键词：光纤传感技术；混合式教学；教学探索；在线教学；思政因素

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）07-0106-04

Abstract： Optical Fiber Sensing Technology is a professional course for optoelectronic information science and engineering. The course mainly introduces the basic concepts of optical fiber sensing technology， the composition of optical fiber sensing system， the principles and effects involved in optical fiber sensing technology， optical modulation technology for optical fiber sensing， FBG sensing technology and distributed optical fiber sensing technology. With the rapid development of the Internet， the popularity of online and offline hybrid courses has gradually increased. This teaching model can make full use of the online teaching advantages of the Internet and strengthen the classroom interaction between teachers and students. This paper discusses how to improve the teaching effect of Optical Fiber Sensing Technology under the mixed teaching mode of online and offline， and introduces ideological education into teaching.

Keywords： Optical Fiber Sensing Technology; hybrid course; teaching exploration; online teaching; ideological and political factors

2015年，國务院印发的《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》提出，鼓励学校利用数字教育资源及教育服务平台，对接线上线下教育资源，探索教育的新方式[1]。这给学校教育教学的变革指明了新方向，线上线下混合教学模式的热度逐渐上升。2018年，教育部在《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》中特别指出，应当“以学生发展为中心，通过教学改革促进学习革命，积极推广小班化教学、混合式教学、翻转课堂，大力推进智慧教室建设，构建线上线下相结合的教学模式”[2]。在新型冠状病毒感染疫情期间，各国高校纷纷开启居家远程学习模式，也促使我国高校教师在短时间内加快建设网络学习资源，实行远程授课，并为疫情后的线上/线下混合课程建设打下了基础[3]。

光纤传感技术是目前传感技术的重要分支，光纤传感器具有体积小、抗电磁干扰能力强、电绝缘性能好及可靠性高等优点，特别适用于在强电磁干扰环境中使用。广泛应用在易燃易爆、高电压强磁场环境等许多方面。光电信息科学与工程专业的学生通过光纤传感技术这门课程的学习，可以了解光纤传感技术的原理及现状，为今后从事相关光学传感器设计类工作打下基础。近年来，线上教学已经成为一种有效促进学生进行主动学习的方式。线上教学资源比较丰富，如中国大学慕课平台等能为学生提供很多优质的资源[4]。线上线下结合的教学模式，可以提高教学质量。本文对光纤传感技术线上线下混合课程建设进行了探索，提出了提高教学质量的一些思路。

一光纤传感技术课程简介及教学现状

（一）课程简介

光纤传感技术是上海电力大学光电信息科学与工程学科中的专业核心课，课程内容包括光纤传感技术的基本概念（主要包括光纤的基本概念、光纤传感器概述、光纤传感器工作原理）；光纤传感系统组成；典型光纤传感器（强度调制型、偏振调制型、波长调制型和相位调制型）的工作原理、分布式光纤传感技术及光纤传感器在电力系统中的典型应用。通过光纤传感技术课程的学习，可以使学生掌握光纤传感系统的基本原理及应用领域；培养学生根据具体需求场景及要求选择、设计相应光纤传感器的基本能力，同时了解光纤传感技术发展动态，跟进光纤传感技术的最新进展；学生在光纤传感技术在电力系统中的应用知识讲授和设计光纤气体传感器的小组活动中，能够帮助学生养成严谨的科学思维方式，激发探索精神和创新意识。

课程目标：①能够针对复杂的光纤传感系统，运用光纤传感系统的基础理论知识，分析光纤传感系统的具体工作原理。②能够运用光纤传感系统典型原理、技术及应用，根据具体需求场景及要求选择、设计相应类型的光纤传感器。③培养学生分析问题和解决问题的能力，具有严谨的科学思维，激发学生的探索精神和创新意识。了解光纤传感技术发展动态，跟进光纤传感技术的最新进展。

（二）教学现状

目前，该课程设置一学期共48学时，其中包含理论课36学时，实验课10学时，讨论课2学时，采用线下教学模式。传统的线下教学模式侧重于教师的课堂讲授，即“教”，而对学生的自主“学”重视性不足，其特点在于知识点和教学内容都属于单向传播，不容易激发学习热情和兴趣[5]。所以，拟采取线上线下混合式教学模式以提高教学效果。

二线上线下混合教学实施方案

线上教学模式具有学生学习不受时空限制、自主式学习、灵活度高和学习个性化突出等特点。混合教学模式将线下内容课程结合丰富的线上资源，利用学生碎片化、眼球化的学习方式结合传统性的学习模式，将两者混合和交替使用的一种教学模式。其主要思路是将学生线上学习和线下学习这两者有机结合，进行混合教学[5]。光纤传感技术混合式课程包括线上和线下两部分内容，线上教学平台是知识传授的载体，课堂授课是提炼和精讲重难点、巩固教学效果的关键。线上线下混合教学的具体实施方案为课前教师布置在线预习任务，学生可以自学相关知识点，通过习题等方式提高对相关内容的掌握程度。上课过程中讲解知识点中的重点和难点，并通过案例深化学生对知识点的了解和掌握。课后布置作业，并将光纤传感的相关视频和网上公开课等资源推送给学生，让学生了解光纤传感技术的动态和发展前景。光纤传感技术混合式教学设计如图1所示。

三提高混合式教学效果的相关措施

（一）引入讨论教学环节，提高学生分析问题解决问题的能力

在讲授具体知识点过程中，引入讨论环节。在讨论环节中，学生以小组的方式进行，通过查找资料等确定方案并在课堂上对具体方案进行讲解。通过此过程，不仅锻炼学生查找资料和团队合作能力，还锻炼了学生的语言组织能力。在讨论教学方法中，还可以调动学生的参与意识。学生分组进行相关知识的学习、探索、创新，以完成报告作为重要的目标，在查阅资料互相讨论的过程中，能够激发学生的灵感，提高学生的创新能力，巩固所学的专业知识。课堂以学生为主，培养表达、思辨能力。比如在讲授透射式光纤传感技术知识点时，布置作业让学生设计透射式光纖氢气传感系统。学生通过上网查阅中英文文献，可以了解光纤氢气传感器的种类、工作原理、发展趋势等。根据文献中的相关资料，构建透射式光纤氢气传感系统，了解整个系统的组成包括光源、气室、光电探测器及最重要的氢敏材料。学生不仅了解了光纤传感系统的组成，还意识到一个传感系统需要包括光学、电学、材料学等多学科融合，可以提高学生主动学习本专业之外知识的积极性。在具体方案设计过程中，需要考虑器件选取、敏感材料制备及传感信号的去噪等问题。而这些问题的解决需要查找资料、同学之间研讨，通过这一过程可以进一步提高学生分析问题和解决问题的能力，同时提高团队协作精神。再比如，在讲解光纤反射式位移监测的实例中，让学生自己分析入射光纤和出射光纤距离对耦合的影响，设计整个传感系统，包括光源、传感光纤、探测器的选择等，通过此过程，可以培养学生的逻辑思维能力。

（二）科研与教学互动

将教师从事的与电力系统相关的光纤传感科研工作融入到教学中，让学生了解光纤传感技术在电力系统的应用，培养电力特色人才。例如在讲解电力系统局部放电检测方法中，将教师的科研“基于分布反馈激光器的局部放电监测系统”作为讲解实例。介绍整个系统的工作原理、设计方案、器件选型需要注意的事项等。该系统属于基于相位调制型的干涉式光纤传感器，设计过程中设计光纤干涉仪中如何消除偏振的影响等具体问题。通过该实例的讲解，可以加深学生对相位调制型光纤传感技术的了解。并在具体讲解过程中，可将具体研发过程中遇到的工程问题向同学征询解决方案，比如由于放电引起的振动信号会使得分布反馈激光器的波长发生变化，通过迈克尔逊干涉仪将波长变化转换为相位变化，那么降低迈克尔逊干涉仪的抗振性和隔音性能是必须解决的工程问题。将此问题布置给学生，学生课后可以通过查阅文献、互相讨论等为此问题的解决献计献策，进而提高学生学习的积极性和主动性。

另外，将“基于光纤光栅的输电铁塔健康状态监测系统”课题介绍给学生，该课题涉及铁塔受力分析模型建立、光纤光栅封装方案选择及应变杆件机械结构设计，铁塔关键部件应变信息的采集、传输、分析、显示和数字孪生模型等。整个系统涉及机械、力学、电子学和光学等多个学科。通过对整个系统的讲解，可以培养学生的分析和解决复杂工程问题的能力，提高学生的工程实践创新能力。还可以让学生查阅知网及国网相关数据库中的光纤光栅封装方式，针对铁塔应变监测的具体需求，设计封装方案，以满足工程实际需要。学生可以了解光纤传感课题从文献调研到方案提出及具体实施整个过程，为后续工作及考研打下工程基础。同时，在整个案例讲解及设计的过程中，学生对光纤光栅应变传感器的基本原理、封装方式及解调方案有了深入的认识。

除此之外，还可以鼓励学生参与到教师的科研工作中。通过参与实际课题，学生不仅夯实了理论基础，而且可以培养、锻炼科研能力。

（三）加强教学队伍建设

选派团队中的教师到企业实践锻炼，培育成“双师型”教学团队。定期开展教研讨论会议，比较分析国内外同类院校的教学方法，讨论行业检验标准，改进教学思想、教学观念、教学内容及教学方法和手段。开展团队成员间的批评与自我批评活动，互相促进，共同成长。组建学术研究与工程实践并重的高水平师资团队，教学、科研互动，理论和实践教学紧密结合，注重学生利用理论知识解决现场实际问题的能力和创新能力的培养。并积极组织教师参加国内外光纤传感会议，了解光纤传感的最新动态，并将这些前沿知识融入到教学中。教师还可以参加如全国光电信息科学与工程专业教师研修班，通过学习名师的授课、参加讲课比赛等方式提高教学水平。

将思政元素融入到线上线下教学中，培养学生的爱国主义、吃苦耐劳等精神。实施课程思政，需要教师不断提升自身学科素养和思政素养，打造精湛的业务能力和主流的核心价值观[6-9]。通过思政元素的引入，激发学生崇尚科学、热爱科学、热爱所学专业的意识，并肩负起推动科学进步的神圣使命和社会责任。例如在讲解光纤基础知识时，将《The Breakthrough Birth of Low-Loss Fiber Optics》[10]这篇文献介绍给大家，其中有段话“When the furnace was running in Zimar's lab during summer 1969， Keck recalls， ‘it was hotter than Hades. Yet the team kept working， measuring and learning”讲述了科研人员在如地狱般火热的实验室中拉制光纤的过程。光纤的研制经过了漫长艰苦的过程，经过科学家的不断努力和尝试，终于制备了损耗低的可用于通信的高质量光纤。培养学生吃苦耐劳、迎难而上的精神。在讲解光纤陀螺仪寻北的应用实例中，通过介绍光纤陀螺仪自主寻北系统的原理，讲述寻北过程无须外部参考，进而引出一个国家也同样如此，只有自身强大，才可以不受制于人。表1是光纤传感技术部分思政元素案例。

（四）改进对学生学习成绩的评定方法

结合过程化考核方法，多维考核并非只是期末一次完成，而是贯穿在整个学期中，根据教学内容或时间指定过程化考核的时间安排与次数，综合考虑学生的平时表现与考试情况，给定每次过程化考试成绩，从而最终给定学生的总评成绩。此成绩评定方法科学合理，避免学生考前突击，死记硬背，知其然而不知其所以然的学习状态，激发学生学习的主观能动性，养成善于思考、合理规划的学习习惯。成绩比例可以按表2分配。

光纖传感技术以往的考核方法中，期末成绩占的比例较大。这就使得少数学生存在侥幸心理，通过考前突击等方式通过考试。平时上课存在迟到，甚至早退的现象，上课不认真听讲。因此，这种传统的考核方法不利于学生掌握知识点，更不利于培养学生创新思维能力。通过上述考核方式的改进，真正做到以学习效果为中心，建立及时有效的反馈机制，学生的学习效果会有很大提升，学习的积极性也会得到提高。

四结束语

光纤传感技术这门线上线下混合式课程的特点是以学生为中心的自主学习，将讨论环节融入到教学过程中，并将教师的科研与教学互动、思政元素融入到线上及线下教学过程中。学生通过课程学习，不仅掌握了光纤传感技术相关理论知识，还可以培养学生分析问题、解决问题、大胆质疑和吃苦耐劳等精神。并且能够激发学生的学习兴趣，调动学生学习主体的积极性、主动性，并培养学生团队协作精神，进而提高光纤传感技术这门专业课程的教学质量。

参考文献：

[1] 国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见[EB/OL].https：//www.gov.cn/gongbao/content/2015/content_2897187.htm.

[2] 教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201810/t20181017_351887.html.

[3] 邓萌，方征平，闫红强，等.“互联网＋”背景下高分子物理线上／线下混合课程建设实践[J].高分子通报，2022（4）：84-88.

[4] 王文卉，谭静强，李群，等.基于个性化实践的古生物学及地史学线上线下混合课程建设[J].高教学刊，2021（21）：78-84.

[5] 史转转，吴正颖，吴小帅，等.材料科学学科中的线上线下混合课程建设探索：以无机及分析化学为例[J].教学研究，2022（5）：108-110.

[6] 杜凡宇，杜勇，祝元仲，等.应用型人才培养体系下的线上线下课程混合教学模式探索[J].高教学刊，2021（34）：63-66.

[7] 陈欢.基于混合式教学的“数字电子技术”课程思政研究与实践[J].工业和信息化教育，2022（5）：52-56.

[8] 薛亮，卞正兰，李高芳，等.传感器技术课程思政模式探究[J].高教学刊，2020（18）：164-166.

[9] 聂迎娉，傅安洲.课程思政：大学通识教育改革新视角[J].大学教育科学，2018（5）：38-40.

[10] HEVHT J.The Breakthrough Birth of Low-Loss Fiber Optics[J].Optics and ＰｈｏｔｏｎｉｃｓＮｅｗｓ，２０２０，３１（３）：２６．

基金项目：上海市重点课程建设项目“光纤传感技术线上线下混合式课程”（无编号）