研究生专业技术课程科教融合的创新实践探索

2024-04-18宋凝芳张祖琛王夏霄潘雄杨合高福宇宋佳洁刘晓欣

高教学刊 2024年8期

宋凝芳张祖琛王夏霄潘雄杨合高福宇宋佳洁刘晓欣

摘要：研究生教育是我国高等教育体系的重要组成部分，肩负着培养具备创新能力的科技领域人才的神圣使命。在新工科背景下，如何实现课堂教学与科学研究融合、达到学术素养和工程能力共同提升的培养目标，已成为高校教育教学改革面临的新课题。该文选取北京航空航天大学仪器科学与技术和光学工程两个一级学科开设的专业技术课微弱信号检测与处理，阐述在研究生专业技术课程教学中，通过融入本学科在国内具有影响力和技术优势的光纤陀螺、光纤电流互感器、空芯光纤微弱散射光检测三个典型科研实例，进行科教融合、提高教学质量的创新实践探索。

关键词：科教融合;创新实践;微弱信号检测与处理;教学改革;人才培养

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）08-0050-04

Abstract： Postgraduate education is an essential component of China's higher education system， bearing the sacred mission of cultivating innovative talents in the field of science and technology. In the context of the emerging engineering education， achieving the goal of integrating classroom teaching with scientific research and enhancing both academic literacy and engineering competence has become a new challenge for higher education teaching reforms. In this paper， the integration of science and education is explored with the specialized technical course Weak Signal Detection and Processing offered in the primary disciplines of Instrument Science and Technology and Optical Engineering at Beihang University. Three domestically influential and technologically superior research examples， fiber optic gyroscopes， fiber optic current sensors， and weak scattered light detection using hollow-core optical fibers are introduced in the course teaching， aiming to enhance the quality of teaching through the fusion of science and education.

Keywords： science-education integration; innovative practices; Weak Signal Detection and Processing; educational reform; talent development

科教融合是世界一流大学的核心办学理念[1]，是实现教育、科技、人才一体化发展的重要途径[2]，更是我国实现科技强国的必经道路。中国高等教育正在从传统教学过渡到科教并重，再向科教融合发展，这是时代赋予我国大学教育的核心命题[3]。研究生教育作为高等教育的重要组成部分，肩负着培养具有创新能力的科技领军复合型人才的重要使命。这些人才应当具备扎实的理论基础和实践经验，面对涉及到多学科交叉的复杂应用问题能够用科学的思维去解决。同时更需要這些人才具备深厚的家国情怀和使命感，以及人类命运共同体意识，国际视野和全球竞争力[4]。因此，如何在研究生教育中建立学术素养提升与工程能力训练并重的培养模式，构建符合新工科背景中“新理念”“新模式”“新方法”“新内容”“新质量”的“五新”教育体系平台[5]，成为重要课题。作为北京航空航天大学仪器科学与技术和光学工程两个一级A类学科专业技术课微弱信号检测与处理的任课教师团队，一直坚持“国内领先、世界知名”的培养目标，突出航空航天特色和学科工程能力优势，注重将科研中的创新成果同步融入研究生教学;坚持基础理论创新、核心技术可控、学术前沿并进和高端领域覆盖的发展理念，通过承担国家重大战略任务、参与国家专业技术体系与发展目标规划，服务国防及国民经济主战场，形成了光纤陀螺与自主导航、空间光电技术及应用、光学测量与仪器技术及微纳光子与微光机电系统等特色和优势鲜明的学科方向。团队以“学以致用”作为教学方针，发挥服务国家装备型号产品任务优势，将行业实践应用知识融入进教学内容中，搭建协同育人科教融合平台，实现高层次科技人才培养。本文以微弱信号检测与处理课程为例，讨论在科教融合背景下对课程内容、教学过程的革新实践，旨在为新工科背景下人才创新实践能力的培养模式升级提供新的思考。

一课程简介及学情分析

精密科学仪器被誉为“高端制造业桂冠明珠”，其在科学研究中的作用不可或缺，几乎所有科学领域的研究都离不开科学仪器的支持。绝大多数诺贝尔物理学奖、化学奖、生物学或医学奖的科学发现，都借助了高端科学仪器的辅助。然后，我国在高端精密科学仪器方面仍然面临一定的挑战。我国每年用于购置仪器和设备的费用占总科研经费的25%以上，大部分高端精密科学仪器依赖进口。早在“十二五”规划期间，国家就通过一系列专项计划支持高端精密仪器的原始创新和集成创新，以突破技术封锁和垄断，解决自主创新中的“瓶颈”问题。这些努力旨在实现高端精密仪器和设备的国产化和自主可控，从而减少对进口仪器的依赖，提高我国在科学研究和高端制造业领域的核心竞争力。

仪器性能的不断提升得益于检测技术的持续进步。无论采取何种检测手段，其目标都集中在提高两个方面：检测精度和检测速度。这两个方面的进步对于仪器性能的优化至关重要。提高检测精度意味着增强仪器的灵敏度、分辨率、准确性和稳定性。高精度的检测使得仪器能够更加敏锐地感知目标信号，扩大了动态范围。这对于实际应用中捕捉微弱信号变化的情况至关重要。提升检测速度意味着仪器能够更快速地响应和处理检测信号。这对于实时应用和对快速瞬变或随机性影响的检测非常重要。在实现这两个目标的过程中，仪器需要具备快速识别、分辨和抑制噪声的能力。

微弱信号检测（Weak Signal Detection， WSD）技术是一种利用电子学和信号处理方法从噪声中提取有用的微弱信号的技术，是精密仪器和光学测量领域的重要分支。自然界众多的微弱量都是非电量（弱光、弱磁、弱声、微位移、微振动和微压力），需要通过传感器转换成电流或电压信号。由于信号微弱性，加之传感器的本底噪声、固有噪声、额外噪声、测量方法和偶然误差等因素的影响，传统的检测方法无法实现有用信号的检测。而微弱信号检测的关键在于从噪声中提取出有用的信息，并使得测量的下限低于噪声水平。这是微弱信号检测与非微弱信号检测之间的本质区别。微弱信号检测与处理作为一门强实践性质的课程，传统的以课堂讲授理论的教学方法变得不再适用，需要与实际应用紧密结合[6]。如何让学生从被动灌输到主动探究，并做到将教学内容拓展到实践中去成为该课程亟待解决的问题。

二科教融合方案实践过程

微弱信号检测与处理课程作为北京航空航天大学的仪器科学与技术及光学工程两个一级学科中的必修专业技术课程，一直以其实用性和专业性而闻名，已经开设十余年。每年吸引超过百名学生选修。最初面向传统的电子电气类、控制类、仪器类专业的学生，如今已经扩展到涵盖仪器科学、光学、生物医学等多个领域的学生群体。学生在选修这门课程时，需要具备随机过程、误差理论、信号与系统、电工基础、模拟电路和数字电路及自动控制原理等必备的基础知识，存在大量的理论公式推导、数学方法分析。对于非电子电气类学生而言，如不具备相关基础知识的储备，选修微弱信号检测课程会略显吃力。并且在常规的理论知识学习后，学生在实际科研工作中面对具体对象，可能仍然无从下手，缺乏解决实际问题的能力。为了解决研究生培养方案和教学体系不适和缺乏科教平台完成从理论到实践的拓展这两个问题，教学团队结合多年的科研教学活动，深入探索和尝试对微弱信号检测与处理课程的授课内容进行改革，课程教学力求彰显北航特色，追求课程内容的创新性和实用性，精心思考和设计教学内容，采用以科研带动教学，教学反哺科研的创新教学理念，课程建设向学思结合、知行统一转变。打破传统只注重知识体系的完整性、理论性，将项目引导、模块递进的理念注入课程体系、注重能力的灵活培养，让课程更贴近社会生产需求，实现课程与实际工程应用领域需求的无缝隙接轨。

在教学设计中配合光纤陀螺、光纤电流互感器、空芯光纤微弱散射光检测等本学科在国内具有影响力和技术优势的典型项目应用和案例，引导学生深入了解微弱光、磁、应变和位移等信号检测的主要特征，并分析在实际复杂场景下噪声的来源和性质，拓宽学生视野的同时，帮助学生更好地理解教学内容的应用，实现在真环境下，学习真理论，开展真科研，做到真实践。

（一）通过数字闭环光纤陀螺实例，深刻理解低噪声放大器设计

微弱信号检测的目的是抑制噪声、提高信噪比，从被噪声淹没的信号中提取有用信息。然而，往往在传感器中，敏感单元作为信号源，输出的信号过于微弱，不具备被常规电子系统处理的条件。为了解决这个问题，需要通过低噪声放大器对待检测信号进行放大。在干涉式数字闭环光纤陀螺中，将敏感的角速率信息通过干涉效应转换为光强信号，再经过光电转换形成电信号。然而，此时的电信号却淹没在mV级噪声下，变得十分微弱，仅有uV级大小。本课程以数字闭环光纤陀螺的低噪声前置放大电路设计为例，详细介绍低噪声放大器设计技术在实际工程应用中的落地。通过实例引导学生重视寄生效应和寄生参数对检测性能的影响，并养成从PCB设计、电源完整性、频谱管理、接地与屏蔽等方面进行考虑的思维体系。数字闭环光纤陀螺凭借其测量精度高、动态范围广及灵敏度高等诸多优点被广泛应用于惯性测量和导航领域中。然而，随着光纤陀螺向轻小型和组件电路一体化设计的方向发展，电路的噪声和干扰成为限制轻小型光纤陀螺检测精度的关键问题。在授课过程中，先安排试验环节让学生自己进行陀螺真实输出数据的采集，以建立信号与噪声的基本概念。接着，带领学生一起分析输出噪声的特性，通过建立数学模型，使学生掌握散粒噪声、背向反射和散射噪声、偏振噪声、Faraday效应和Kerr效应限制光纤陀螺灵敏度的机理。让学生意识到设计出低噪声、高增益、宽带宽的前置放大器电路在整个数字闭环处理过程中的重要性。通过电路实例分析，引导学生从基于级联的噪声最小化匹配理论基本概念出发，探讨如何从噪声传递与抑制的角度进行设计最优化，如何选择合适的电路拓扑结构、有源及无源的器件和低噪声直流工作点等参数，从而掌握低噪声放大器设计过程。整个教学环节结合实例，采用讲授、分析、对比的方法，引导学生掌握噪声匹配基本概念和低噪声放大器设计过程，深入理解干扰抑制对检测电路正常工作和系统性能提升的重要影响，面对未来实际问题中时具备信号处理环节级联时的系统性思维。

（二）通过数字闭环光纤电流互感器实例，熟练掌握相关检测

在微弱信号检测与处理课程中，基于相关检测原理的锁定放大技术是实现微弱信号提取的关键技术之一。为了帮助学生更好地理解和掌握这一检测过程，以北京航空航天大学最早提出的数字闭环光纤电流互感器为例，对锁定放大技术在实际系统中的应用进行详细阐述。数字闭环光纤电流互感器基于光纤干涉测量原理，通过数字化信号处理和反馈控制技术，实现对电流信号的高精度测量和输出。该技术具有抗干扰能力强、动态范围大及绝缘特性好等优点，在对高电压和大电流等应用中具有显著的优势。在教学中，将重点从光纤干涉测量、方波调制解调和输出滤波三个方面引导学生理解和掌握微弱信号的高精度检测和测量方法：首先，由于微弱的电流信号很难直接测量，通过法拉第效应敏感導线中电流产生的磁场和Sagnac效应，将其转换为光信号以实现测量。以光纤作为信号传感及传输介质，相较于传统电流测量，光纤具有更高的绝缘特性和高带宽特性。其次，引入方波调制技术，通过方波调制将待测电流信号调制到高频，在频域上将输出信号的频谱由低频区迁移到高频区，有效抑制了低频1/f噪声的干扰。同时，将干涉仪输出由相位的余弦函数变为正弦函数，使小电流测量处于灵敏度最高的检测点，可以提供电流方向的判断。随后，通过数字化的相敏检测技术对调制信号进行解调，在频域上将输出信号的频谱由高频迁移回低频。在实际实现过程中，数字化的相敏检测的参考信号为方波，在工程实际应用中采用逻辑开关信号，实现非常简单。最后，对解调后的信号进行低通滤波，滤波的时间常数直接影响信噪比的提升。同时也指出，对于50 Hz交流电流信号的测量，滤波的时间常数直接影响测量带宽，因此需要综合考虑以选择合适的滤波时间。在整个教学过程中，通过数字闭环光纤电流传感器这一实际工程应用实例，学生将更深入地了解数字锁定放大技术的实际应用过程，在今后的科研实践中能够有效利用课堂学习的理论知识提供宝贵的参考，培养学生系统性思维和实践能力。

（三）通过空芯光纤周向散射光分布式测量实例，灵活运用雪崩二极管弱光检测

由于有高精度、高实时性、主动性和无接触测量等优点，光学测量已经成为目前普遍的探测手段，覆盖了分布式声波探测、形状传感、油气探测等多个领域。为了满足科研需求，课程进一步拓展了理论课程，增加了微弱光信号检测的教学内容，并将理论知识与科研实践相结合。在这一部分的授课过程中，除对典型的弱光检测器件、方法及应用介绍外，还结合实验室开展的空芯光纤微弱散射光检测系统为学生开展实验讲解式教学。空芯光子晶体光纤作为一种新型光纤，具有优良的稳定性，但其较大的损耗限制了光纤的应用发展。空芯光子晶体光纤的损耗主要来源于散射，而测量其周向散射光不仅可以判断光纤结构的均匀性，还能确定光纤损耗特性。然而，其散射光在最小方向的强度信号约比传输光弱约-150 dB，导致准确的周向分布式测量变得难以实现。为了解决这个问题，采用雪崩二极管与光子计数背景光扣除法来应用于空芯光纤的周向散射光测试。通过圆柱聚焦将一定的区域的散射光汇聚，搭建黑箱降低系统的背景光噪声。雪崩二极管与遮光板构成了探测系统，通过不同角度遮光与未遮光条件下的积分，可以进一步降低背景光与杂散光噪声，从而实现周向散射光分布的测试。在弱光信号检测过程中，通过结合空芯光纤散射光测试的实例，让学生能更直观地了解弱光信号检测所需的检测环境与探测器。学生将认识到遮光板在实现微弱光信号检测中的作用及其与理论的对应关系，包括但不限于光子计数中的背景光扣除、降低外部背景光和光纤泄露杂散光放入影响、抑制温度致雪崩二极管检测误差等。这些实验也能为学生展示出光学试验必要的条件与方法，为学生进入实验室开展科研试验奠定基础。

除了教学设计上的内容革新，在课程考核中，考虑到传统理论测试对学生能力评估的单一性，结合微弱信号检测课程的教学特色，形成了以“实践问题分析+前沿文献调研+课题理论测试”的考核方式，旨在评估学生知识，能力及素养三位一体[1，7]的科研能力，进一步提高学生的学习兴趣，增强学生的主动探究精神，根植学生深入钻研难点、挖掘问题本质的科研价值观。

三结束语

研究生教育要实现科教融合和协同创新，必须摒弃传统的“科教分离”教育观念，将课堂教学与科研活动紧密结合[8]。其主要使命是培养符合国家需求的复合型创新人才，因此，研究生教育应借“人才培养”这一纽带，将科研和教学有机结合到一起[9]，坚持以科研促进教学，以教学反哺科研为导向。在微弱信号检测与处理课程案例中，始终保持教学内容的设置与该学科的科研特点和研究方向紧密契合，充分发挥平台承担国家重大战略任务的实践优势，瞄准“急用、管用、实用”高层次科技人才培养目标。为实现这一目标，该课程一直秉持“以学生为中心、以问题为导向、持续改进”的基本理念，鼓励并保障学生全方位参与到平台提供的各项科研活动中[10]，让学生在学习过程中体验从课程学习到实际应用、从理论知识掌握到实际问题解决的全过程，真正实现从学习一门课程到掌握一项本领，为步入科研工作的第一步奠定坚实基础。经过十多年的教学体验和经验积累，该课程不仅在学术教育上取得了显著成绩，还在培养高水平创新人才方面发挥着积极作用。学生在这门课程中夯实了理论基础知识，掌握了解决科研工作中相关问题所需的技能，在面对实际问题时能够有条不紊地进行逻辑思考，做出科学合理的研究方案。教学团队坚定地将科教融合的改革实践不断推进，致力于培养更多基础扎实、素质高、责任心强且具有国际竞争力的创新人才，以满足国家发展的需求。

参考文献：

[1] 马海泉，任焕霞.科教融合与全面提高高等教育质量——北京师范大学校长钟秉林访谈录[J].中国高校科技，2012（5）：4-6，11.

[2] 吴岳良，王艳芬，肖作敏，等.服务国家战略需求培养拔尖创新人才——中国科学院大学科教融合办学的制度逻辑与发展实践[J].中国科学院院刊，2023，38（5）：685-692.

[3] 周光礼，马海泉.科教融合：高等教育理念的变革与创新[J].中国高教研究，2012（8）：15-23.

[4] 王艳芬，刘继安，吴岳良，等.深化科教融合，培养未来科技领军人才[J].中国科学院院刊，2023，38（5）：693-699.

[5] 解志文，高旭，冯永军.新工科背景下“三结合”科教融合育人模式的探索与研究[J].山西青年，2022（15）：4-6.

[6] 牛丹，仰燕兰，王晓俊，等.基于问题的学习在微弱信号检测课程教学改革的应用[C]//2015年全国自动化教育学术年会论文集，2015：945-948.

[7] 于贺伟，程屾，张兴宇，等.科教融合背景下专业综合实验教学改革——以能源与动力工程专业为例[J].高教学刊，2023，9（18）：138-141.

[8] 王淑芳，薛嬌，马海泉.科教融合协同创新以开放的思维迎接新的教育革新——对话中国海洋大学校长吴德星[J].中国高校科技，2012（11）：6-10.

[9] 张中强，唐翔，蒋艳.基于科研反哺教学理念的高校科教融合机制研究.[J]教育探索，2014（1）：79-80.

[10] 邹晓东，韩旭，姚威.科教融合：高校办学新常态[J].高等工程教育研究，2016（1）：43-50.

基金项目：2022年北京航空航天大学卓越工程师产教联合培养专项“航天特色的仪器光电类卓越工程师人才培养模式探索”（4313044）;2021年北京航空航天大学研究生精品课程建设项目“微弱信号检测与处理”（4313036）