羅朝明,唐 鵬,劉碩卿,宋益飛,程望斌,劉 靖

(湖南理工學院 信息科學與工程學院,湖南 岳陽 414006)

0 引言

案例教學是指借用經典性和針對性的案例指導教學的一種開放互動的教學方式[1～4],它主要以學生為主體,通過“思考創(chuàng)見”的方式來提升學生的學習能力.這種案例教學方式注重師生雙向交流,能調動學生學習主動性,易于學習和理解,已被許多高校列入教學改革計劃.隨著虛擬仿真技術的迅猛發(fā)展,仿真案例教學也應運而生.仿真案例教學是將虛擬仿真技術引入案例教學中的一種教學模式[5～6].相比于傳統(tǒng)的案例教學,仿真案例教學不僅內容豐富靈活,更重要的是它解決了實驗受硬件設備條件和場地限制的問題,彌補了實驗的空白.同時,仿真案例教學將抽象的理論知識與可視的圖形相結合,也便于學生理解理論知識.近年來,很多高校提出對仿真案例教學進行改革,如中國石油大學對“滲流物理實驗”的仿真案例教學模式進行探索[7],安徽理工大學對單片機原理及接口技術的仿真案例教學模式進行研究實踐[8].本課題組也開展了信號與系統(tǒng)的仿真案例教學研究應用[9～10],突出對學生理論和實踐的培養(yǎng),強調理論與實踐的相互聯(lián)系,在教學方面取得了顯著成效.目前,仿真案例教學的改革與實踐在本科生課程中進行得比較多,在研究生課程中的探索較少,但仿真案例教學對改革理論性較強的研究生課程教學有著至關重要的作用,故需對此進行研究.

信息光電子學是一門在研究光與物質相互作用的過程中發(fā)展起來的新興課程,具有基礎理論與前沿研究相結合的特點,是信息與通信工程學科“光通信與信息器件方向”研究生從事研究和開發(fā)工作所必須掌握的專業(yè)基礎課程.信息光電子學課程包含許多復雜的數學公式推導,具有“較強的理論性”;只有理論授課環(huán)節(jié),從而導致“理論與實踐脫節(jié)”;教學模式也是以教師在課堂上傳授知識、學生被動接收知識為主,導致“教學方式比較單一”.這些問題阻礙了研究生在本課程學習中主觀能動性的發(fā)揮.為了改變信息光電子學的“教難學更難”的教學現狀,本文擬基于虛擬仿真軟件設計教學案例微課,建立理論與實踐一體化的信息光電子學仿真案例教學平臺,并在此基礎上開展翻轉課堂的教學實踐,充分強化學生在學習過程中的主體地位,促進教學過程中理論、實踐與科研的有機融合.

1 建設仿真案例教學平臺,實現理論與實踐的交融

信息光電子學課程全面介紹了光電子系統(tǒng)信息傳遞與處理各個環(huán)節(jié)的基本概念、基本原理與基礎應用.這門課程知識點眾多,內容復雜抽象.為了使學生更好地學習這門課程,首先對信息光電子學課程內容進行研究和拆分,確定每個章節(jié)的重點和框架,具體如圖1所示.按照信息的傳輸處理環(huán)節(jié)將信息光電子學分為“光源”、“信息加載”、“光信息傳輸”、“光信號接收”、“光信息處理儲存”五個部分.“光源”部分主要包括“激光原理與技術”,講述光源的種類和激光的產生.“信息加載”部分主要包括“光信息系統(tǒng)的信號加載與控制”,講述光的調制,為學習光傳輸打下基礎.“光信號傳輸”包括“光學基礎知識與光場傳播規(guī)律”和“光波導技術基礎”兩部分,主要講解光信號的傳輸規(guī)律和傳輸通道.“光信號接收”部分包括“光電探測技術”和“光電顯示技術”兩部分,詳細描述提取以及轉換電信號的各環(huán)節(jié).“光信號處理儲存”部分包括“光盤與光儲存技術”,講述對接收到的信號進行記錄與儲存的過程.

圖1 信息光電子學課程框架

在對信息光電子學課程內容進行研究和拆解分析之后,針對本課程教學存在“理論與公式較多”、“缺乏實驗教學環(huán)節(jié)”等問題,構建如圖2所示仿真案例教學平臺方案,加強學生在學習過程中理論與實踐的聯(lián)系.該仿真案例教學平臺主要思想是,針對拆解知識點利用仿真技術設計出虛擬實驗微課,模糊理論教學和實踐教學的界限,將理論教學和實踐教學真正融為一體.通過認真研究教材,挖掘光電方向的實驗室資源,同時結合國內外信息光電子學的最新研究動態(tài),基于Matlab 和Mathematica 等仿真軟件設計出包括“麥克斯韋方程組”、“高斯光束”、“偏振光學”、“平面光波導”、“光纖”、“光子自旋霍爾效應”等核心內容的虛擬實驗微課及其配套內容.這些仿真案例教學既利用虛擬實驗加深了對課程重難點內容的理解,又借助學科實驗室資源開發(fā)了實物實驗,彌補了實物實驗環(huán)節(jié)的空白,將教與學融為一體.因此應用這種仿真案例教學平臺,很好地解決了教學模式單一的問題,又使得理論與實踐相結合,提高了學生的科研能力.

圖2 仿真案例教學平臺建設方案

接下來,以“麥克斯韋方程組”教學為例,簡要說明仿真案例教學平臺微課資源的開發(fā)思路.“麥克斯韋方程組”是理解宏觀電磁現象的核心內容,在信息光電子學課程中屬于重難點,學生僅從方程組的形式上難以將麥克斯韋方程組的理論與實際應用相聯(lián)系.從理論知識出發(fā),我們設計了電磁場在均勻介質中傳輸的仿真實驗,并在仿真軟件Matlab 中利用時域有限差分算法對均勻介質中的麥克斯韋方程組進行求解,不同時刻的場強分布如圖3所示.圖3 動態(tài)描述出點光源在這種介質中的傳輸情況,也可以形象地反映介質參數和光源設置改變后的傳輸特性,結合國內外“麥克斯韋方程組”的最新研究動態(tài),將其制作成仿真案例教學微課.這樣使得研究生可以更全面更形象地理解麥克斯韋方程組,更好地將課程與科研結合,提升自身的主觀能動性.

圖3 電磁場在均勻介質傳輸過程中不同時刻的場強分布

2 借助翻轉課堂模式,培養(yǎng)學習的主觀能動性

仿真案例教學平臺一定程度上模糊了實踐教學與理論教學的界限,但鑒于研究生學習目的性強的特點,它的實踐模式還有待改進,因此本課題組引入了翻轉課堂對仿真案例教學平臺進行實踐.翻轉課堂是重新劃分或者組織課內以及課外的應用實踐,讓學生在教學中能夠掌握主動權的一種課程教學模式[11～15],其流程如圖4所示.課前,教師在仿真案例教學平臺發(fā)布線上微課,引導學生對課程內容進行自主學習和思考,從而達到知識傳遞的效果;課堂上,通過寫作討論的形式對課前預習過程中產生的疑慮進行解答,以達到知識內化;課后,教師通過線上平臺進行考核,從而達到知識鞏固的效果,并根據考核結果進行個性化教學,對學生的創(chuàng)新能力進行拓展提高.同樣以“麥克斯韋方程組”為例,對翻轉課堂教學模式進行講解.課前,教師將“麥克斯韋方程組”的相關微課上傳到仿真案例教學平臺;學生根據自己的時間對麥克斯方程組相關理論知識進行學習,仿真電磁場在均勻介質中的傳輸過程,同時對疑難問題進行自主思考以及探索.課上,教師與學生以寫作討論的形式對仿真電磁場在均勻介質傳輸過程中遇到的問題進行探討.課后,教師根據探討結果在網絡平臺設置專屬問題,例如“談談你對麥克斯韋方程組的理解”,以掌握學生對麥克斯韋方程組的學習效果,并且及時調整教學計劃,培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新能力.通過翻轉課堂對仿真案例教學平臺進行實踐,學生可以在線上有選擇地自主學習,線下與教師對疑難問題進行討論,從而可以充分體現學生在學習過程中的主體地位,完成教學中理論、實踐與科研的有機結合.

圖4 翻轉課堂教學模式框架

3 結束語

根據學校在信息光電子學課程方面對研究生的培養(yǎng)要求,秉持以學生為本、以現代教育理念為先導的思想,通過引入仿真案例教學對該課程進行改革與實踐.借助虛擬仿真技術開發(fā)微課資源,建立仿真案例教學平臺,并引入翻轉課堂教學模式,對建立起的仿真案例教學平臺進行應用,強化理論與實踐結合,提高學生動手科研能力.這種教學改革方案有效地改善了“實踐環(huán)節(jié)缺乏”、“教學模式單一”的問題,激發(fā)了學生的學習興趣,提高了學生的主觀能動性.自教學改革以來,本課題組指導學生公開發(fā)表高水平SCI 論文11 篇;獲研究生科研創(chuàng)新項目省級立項4 項,校級項目3 項;畢業(yè)的研究生中,獲省級優(yōu)秀碩士論文1篇,校級優(yōu)秀碩士論文1 篇并被推薦參評省級優(yōu)秀論文;獲“華為杯”全國數學建模大賽二等獎3 次,湖南省數學建模大賽三等獎2 次.