实验自主时间自由全过程考核

时间：2023-03-09 理论教育版权反馈

【摘要】：探索实验课程考核的新方法。把计划中由教师主导进行的实验改造经费交给学生自主设计、改造实验使用。在期末安排大约3个单元时间，同时开设11个实验。学生到实验室后，随机抽签决定完成11个实验中某1个实验的实际操作。实际上，自主决定实验内容反而是对学生的一大考验。

实验自主时间自由全过程考核——“光信息综合实验”

郑晓东　李海峰　张冬仙　郑臻荣　林远芳
光电信息工程学系

一、课程简介

1.课程类别

专业课程

2.学科类别

工学—光学工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:通过本实验课程的学习，使学生融会贯通所学专业知识，深入理解工程光学的基本原理并能实际运用，进一步拓宽现代光学的知识面；掌握基本实验方法、技术和应用；熟悉常用光学和电子器件的配置、调整、调试、组合等实验技术，并能对结果进行综合分析和评价；提高学生用实验方法研究光学问题的综合能力。

（2）教学内容:本课程是针对“光电信息科学与工程类专业”人才培养要求设置的综合性光学实验课。其主要包括两部分内容，第一部分介绍常用装置、器件及基本实验技术；第二部分开设光信息记录与技术、光信息调制与技术、光信息处理与技术以及光学量精密测试等四块共11个实验。光信息记录与技术部分有全息光栅、全息透镜设计、制备和性能测试等；光信息调制与技术部分有声光调制和晶体的横向电光效应等；光信息处理与技术部分有光学图像的相加减及液晶光阀用于图像实时处理等；光学量精密测试部分有自组装光谱仪、光学样品的微纳米性能测量和透明薄膜的光学常数测量等。

除此之外，本课程设有自主设计实验环节。按照学生自愿报名、择优选择的原则，每年安排25%～30%的同学开展自主选题的设计型实验。

4.教学对象

信息工程（光电）专业四年级本科学生。每年开设2个教学班，每班人数70人左右。

5.课程学时与教学场景

（1）课程时数:课堂教学10学时，实验教学44学时。

（2）教学场景:多媒教室，信息光学实验室，系本科生竞赛创新实践基地。

二、课程教学重点解决的问题

（1）光学工程的专业课程涉及大量的数学、物理、电子学基础。学生从开始接触基本光学知识，到能够在具体研究或工程设计问题中灵活运用知识需要比较漫长的过程。国外常称之为专业的学习曲线（Learning curve）很长。本课程所要达到的目的是:学生学习了必要的专业基础课后，通过本综合实验课将所学的多门专业基础课的知识串联起来，通过在综合性实验中实际应用，巩固、加深对课堂知识的理解，提高学生灵活运用知识的能力。

（2）在教学实践中我们发现，尽管投入不少经费和精力改善实验条件、建设课程网站、改进实验装置，但硬件条件的改善似乎对调动学生的学习积极性作用不大。因为四年级学生的考试成绩不再影响其保送读研究生、出国等近期目标。部分学生将更多精力用于联系出国、考研、找工作。存在实验前不预习、实验中遇到问题不思考、实验后不总结、实验报告雷同等问题。如何调动高年级学生的学习自觉性和主动性是本课程教学需要解决的另一个问题。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

（1）本改革的实施策略首先是将教学过程从“教师、课堂、结果的旧三中心”，向“新三中心”转变，即教学要素结构中以学生为中心、过程组织上以活动为中心、教学质量向过程控制为中心转变。从重视常规实验的实验步骤、实验结果、实验报告向重视课外研究和学习活动的设计性、连续性、综合性和复杂性转变。从以课堂教学、常规实验为主转变为以课外讨论与引导及课外设计与研究为主。

（2）探索实验课程考核的新方法。参照美国麻省理工学院（MIT）、伊利诺伊大学相关实验课程的考核方法，探索在实验预习、实验方案设计、实验过程评价、实验结果展示、实验报告等全过程跟踪的成绩评价模式。从重视期末考试，即产品的最终检验转变到重视整个教育流程中各个环节的质量控制。

2.具体实施方法举例

（1）改变思路，从以教师为主的实验改革变为以学生为主的实验改革，实现教学要素结构从教师为中心向学生为中心转变，使实验内容更加符合学生的兴趣和需要，避免了教师投入大量经费与精力进行实验设备升级改造，但学生并不领情的现象。

在实验开始之前的课堂教学阶段就将实验装置中目前存在的问题、可以改进的方向告诉学生，鼓励学生根据自己的兴趣设计、改造现有实验内容和实验装置。把计划中由教师主导进行的实验改造经费交给学生自主设计、改造实验使用。

（2）通过实验内容自主选择的教学方式，实现了教学内容从以课本为中心向以经验为中心转变。每年选择约10组，约30个同学进行这种方式的教学探索，从结果看学生的实际研究内容已远远超过了课本内容的范围。学生完全可以根据自己小组的爱好提出自主实验设计内容。

具体做法是经过初步课堂教学之后，指导教师将目前实验装置中所存在的问题介绍给学生，学生分成2～3人的研究小组，在完成常规实验的同时，对实验装置所存在的问题提出改进方案，方案提交课程组讨论后提出方案修改意见。课程组根据学生提出的具体研究内容给予300～1500元不等的项目研究经费。学生利用一个短学期的时间对所选定的项目进行研究。我们将一个常规实验分解成装置调整、信号检测、动作控制、数据采集等不同的部分，由不同小组的同学提出解决或改进方案并进行研究。最后，各小组将结果合成，形成一个有一定成效的实验改革方案和更新的实验装置。由此来实现教学过程的自主性、探索性、过程性、协作性、长期性、非功利性，鼓励创新、允许失败。

（3）充分利用系本科生竞赛创新实践基地，学生可在整个学期内的任何时间到创新基地进行实验研究，时间完全自由，由此可实现实验课程向以创新活动为中心的教学过程转变。

（4）探索全过程、全方位的实验成绩评价方式，实现更准确、更重视过程的实验成绩评价方法，将学生的学习行为引导到重视预习、实验过程、实验报告、结果的口头报告、书写的格式等各个细节上，避免学生仅在期末突击复习应付考试的教学弊病。

在实验开始之前，学生需要通过课程网站预先设定的实验准入考试环节，保证学生在开始实验前已经对实验内容有所了解。除常规的平时实验表现、实验报告、期末考试等成绩评定环节外，我们还设有期末操作考环节。在期末安排大约3个单元时间，同时开设11个实验。学生可以根据自己的空余时间选择一个时间单元来参加操作考试。学生到实验室后，随机抽签决定完成11个实验中某1个实验的实际操作。操作考试之前学生需要对所有实验的操作进行全面准备。

3.教学方法特点分析

本案例的实施重在转变思路，将以往以教师为主改进实验方案的教学改革转变为以学生为主体的实验改革。具体包括:

（1）实验内容自主:只要学生愿意，完全可以自主决定实验内容。实际上，自主决定实验内容反而是对学生的一大考验。只有平时实验认真、勤于思考、有独立见解的学生才能够提出切合实际的实验题目。正如爱因斯坦所说的:“The formulation of a problem is often more essential than its solution！”平时不注意积累的同学，往往不知道自己能提出什么自主实验题目。

（2）实验时间自由:学生自主选择的实验内容需要学生投入比常规实验多得多的时间。由于有学生竞赛实践基地作支撑，学生可以在基地内利用基地所提供的各种条件开展自己的自主实验研究，大大扩展了学生从事课外创新活动的时间自由度。

（3）全过程监控:期末考试仅占总成绩的20%，其他还包括实验前的考试准入、实验表现、实验报告、期末操作考、答辩及研究报告等环节。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

课程采用全过程监控的考核手段。根据学生是否选择自主设计实验，成绩评定分两种类型。

参加常规实验的考核内容为:实验准入考试、实验平时表现、实验报告、期末考试、期末实验操作考试。参加完操作考，有的学生感叹:“一学期学的东西好像都在这半天中得到了升华。”可见，抽签决定实验内容，一人独立重复已经做过的实验内容对于学生巩固课程内容具有非常好的效果。

参加自主实验的同学，除秋学期的常规实验的平时成绩和实验报告外，还包括自主实验的立项申请书、期中检查、期末实验装置演示和答辩、研究报告环节的成绩。

2.支撑手段

为实现本案例的改革措施，我们充分利用了以下教学支撑手段:

（1）经验丰富的教学指导团队。开放的实验选题对指导教师是一个考验。以学生为中心的转变，不再是教师熟悉什么就给学生讲什么，而是学生想学什么就需要在哪些方面给学生指导或帮助。指导教师必须紧跟学生的兴趣，不断充实新知识，否则就无法为学生提供有效的指导。

（2）开放的实验条件。因为没有固定的、已知答案的固定技术路线，自主选择的实验项目往往需要学生经历大量失败、走很多弯路，投入比常规实验多得多的时间。实验室需要开放，随时为学生提供各种装置、器材、零件及仪器设备。

（3）创新实践基地。创新基地不仅为学生提供了全天候的活动场地，而且备有机械加工、光学和电子测试设备、仪表及常用元器件。基地还备有多个白板等供学生随时进行讨论。

（4）经费支持。现阶段主要由教师的教改项目实现经费支持。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

改革取得了令人满意的效果。学生的主动性、创造性得到了充分发挥，不同志趣、不同特长的同学都能够在课程学习中找到自己发挥的空间。下面是杜鑫鹏小组和陈晓钰小组所写的收获和改进建议。

杜鑫鹏小组:“对于本次实验，组员都表现出了强烈的兴趣。由于是第一次能够在课程中获得难能可贵的动手机会，我们都倍感珍惜。软件仿真，硬件电路焊接，每一步虽然艰辛，但是由于我们的投入，都顺利解决了困难，完成了预期目标。多少次重新布线，多少次重新设计，多少次顶着凛冽的寒风在教三的实验室熬夜奋战，这一切，虽然辛苦，但是现在看来，就如同战士的勋章，正是由于这些阴霾的日子，我们收获的果实才显得更为甜蜜。

这次设计型实验，不论是在理论知识还是在动手能力方面都获益匪浅。往常从书本上学习到的知识，总是苦于无法深刻体会它在实际中的应用方式，而这次实验则是一次很好的实践机会。从最开始的方案设计，到后来的元器件选择，一步步从查找资料、选择可借鉴的方案、动手搭建系统、反复调试完善……直到最后实现预定的目标，这其中的每一个环节都在不断考查和刷新着我们头脑中对相关知识的掌握和理解……实验中的每次成功、每个进展，都既是对理论知识的验证，又是对其了解的进一步加深；而每次遇阻、每个困难，也既是对我们知识领域存在缺陷的提醒，也是促使我们对掌握的理论知识进行灵活运用以解决问题的契机。”

陈晓钰小组:“如果说之前学习的课程是一件件被我们收集起的工具，那么这个实验成果就是我们按照心中所描绘的蓝图、用这些工具建造出来的，虽然它的设计中仍存在种种缺陷，然而这其中的每一处构思、每一处布局、每一处不起眼的边边角角，都凝聚着我们的努力。不同于解答课本习题时的解法一、解法二……在真正自己动手实践的过程中，似乎每一种情况都暗示着无限种可能的解决方法，而在一次又一次的权衡与取舍中，我们无论是在解决问题的方法还是在面对挑战的心态上，都有了很大提高。

没有什么比成功达到我们预定的目标更好的奖励。感谢老师为我们提供了这样一次难得的学习机会。”

自主性实验教学对提高学生灵活运用知识的能力有了大幅度提高，在毕业设计阶段学生们都能够快速进入课题，并在较短时间内取得比较好的研究结果。比如:刘珂新同学的毕业设计结果已经发表在浙大Top期刊上:

Kexin Liu等:Interaction between two one-way waveguides，IEEE J.of Quantum Electronics，Vol.48（2012），pp.1059-1064.

李杨、郑赪同学等的毕业设计内容也都发表了EI收录的论文。

图1是学生自己构建的设计实验的照片，计算机是学生自己的笔记本。