高等农业院校光电类课程的教学实践探索
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摘要：本文通过在农业院校的农业相关专业开展光电类课程的教学实践探索中，提出针对面向农业类的特点，课程从农业的相关性和实用性出发，改革其教学内容、课堂教学组织及实践教学三方面，可以较大程度提高学生的学习兴趣并获得良好的教学效果。
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）04-0221-02
一、引言
针对光电技术在农业机械化工程及农村信息化工程技术中的应用覆盖范围日益扩大，但新能源人才缺口越来越大的现状，如何在高等农业院校中开展和普及光电技术的应用课程已经成为众多农业院校相关本科专业的新课程开设热点。例如，中国农业大学工学院的测控技术与仪器专业开设了光电技术原理、光电检测技术等必修课；华南农业大学工程学院电子科学与技术专业开设了光电类综合课程，另外，农业机械化及其自动化专业增设了光电子技术的必修课，其能源与环境系统工程专业开设了光伏科学技术的必选课；南京农业大学工学院电子科学与技术专业开设了光学信息处理必修课。为了提高光电类课程的教学质量，改进教学效果，提高学生分析和解决实际问题的能力，培养适应现代农业科学技术发展要求的高质量专业人才，同时，针对这些专业的面向农业特点以及课程组本科课堂教学实践的效果，课程组就如何在农业院校开展光电课程的课堂教学，提高课程教学质量方面进行了改革实践。
二、课程教学改革
针对面向农业类的特点，相比普通高校的光电类课程，农业院校光电类课程在教学内容、课堂教学组织以及实践教学方面都应有较大改动，充分体现课程在农业方向上的相关性和实用性。
1.教学内容的改革。现有的光电类课程包括《光电子技术》、《光电子器件》、《光电测试技术》、《光电显示技术》、《光电图像处理》、《光学信息处理》、《光伏科学技术》等。这些课程要求学生有一定的光学基础和电学基础，农业工程专业的学生在光学基础方面比较欠缺，课程架构中缺乏相应的前续课程。相比普通高校的光电类课程，农业院校开设光电类课程在教学内容中，首先一定要增大光学基础部分的讲授，同时，针对光学基础较弱的特点，侧重实用方向的重点和基础理论，避开偏向推导的公式运算，重点讲授公式的适用范围，同时，增加农业机械中光电设计的相关实例，帮助学生理解如何应用所学光学理论。其次，农业院校开设光电类课程的教学内容可以按照农业应用范围分为四大模块进行讲授，包括：光电检测系统、光电图像处理、光伏科学技术和光谱信息处理。光电检测系统侧重于光电直接测试系统的架构和设计；光电图像处理面向CCD和CMOS检测的信号的处理及分析；光伏太阳能发电则基于现有太阳能电池的选择和系统设计；光谱信息处理针对红外光谱在农业上的广泛应用，讲授如何处理不同状态下的红外光谱。课程组的老师针对这四方面对课程教学内容进行相应调整，确立基础及重点理论，选择适合的教材，挑选适当的实例，设计合理的思考题和作业题，引入对口的设计软件等，从而方便学生根据自己的兴趣选择部分模块做深入学习。
2.课堂教学的组织。课题组老师目前的课堂教学主要包含课堂理论教学以及课堂讨论教学两种形式，前者以实用性为教学目标，后者则以启发性为教学目标。①把握基础和重点内容做好课堂理论教学。首先，在四大模块中必有的基础光学内容，这部分内容从辐射度学和光度学的物理量的相互关系展开，教学中增加农业中常用光源的光学量的计算，教会学生如何阅读光学器件的性能参数图表，并根据这些光学参数，选择合适的光源。另外，讲授农业中常用光源，如LED和LD的发光特点以及如何选用合适的光源。最后，讲授光电检测器件的检测原理，并根据相应的光电转换公式选择合适的后续处理电路得到相应的电学物理量（电流或电压）。其次，根据农业院校光电类课程的四大模块的不同特点，确立每个模块的相应核心并围绕核心做好理论讲授，避开偏向推导的公式运算，重点讲授公式的表达意义及适用范围。光电直接测试系统设计适用于农业机械设计和小型农业传感器设计，其核心在于根据适用环境确定测试的对象的物理量，研究对象的农业特性对应的光学特性，找出两者的基本对应关系，选择适合的光电器件，加上相应的工作条件（主要包括电学条件和外界条件），设计出相应电路。光电图像处理面向农产品质量的无损检测以及农业的实时检测，其核心原理在于数字图像处理中取样（量化）、编码、灰度化和二值化、调整对比度、图像平滑度处理、图像增强和图像滤波的算法讲解。光伏太阳能发电可应用在农业灌溉系统以及智能化大棚和温室的能源系统，其核心知识在于根据现有太阳能阵列，根据产生的电能要求，计算出太阳能电池的数量及排列方式，从而选择或设计相应的充放电控制装置将太阳能转化为电能从而为蓄电池充电。光谱信息处理适用于农学信息的获取、作物长势评估、农业灾害监测和农业管理等领域，学习如何分析确定研究所需数据及其类型，设计光谱采集方案，分析并提取目标特征光谱、选择合适的算法对目标光谱进行预处理，建立定量化分析模型、最终对识别效果进行评价，确立模型适用条件和精度。四大模块中的理论知识各有侧重，相互之间没有较大关联，因此，在课堂教学组织中从各自的侧重点和实用性出发，讲解包括选用适合的硬件器件以及数据处理软件的使用。②根据实例组织课堂分析和讨论。首先，教师在实例选择中，应选择具有典型性和指导性的实例，每个实例都应有启发迁移作用，不同实例之间应各有侧重点。另外，教师要结合学生的知识结构，设计引导和启发问题，针对难点问题设计出讨论题目。其次，教师要组织好分析和讨论的环节，获取有效的信息反馈，发现学生学习中的难点问题。按照课前计划，以专题的形式引入讨论的题目，根据学生的课堂反应，给予适当的引导和启发，最好展示学生需要讨论的题目。较好的课堂讨论形式是将学生分成大组，每一组设计不同的实例，同时讨论交流。在给定讨论时间结束后，随即抽取学生代表其所在组回答题目，同时，给相应的点评和补充，并引导出此实例的适用条件和不适用条件。通过设计、引导和讨论，理论知识得到进一步的补充，并能很好地提高学生的学习兴趣，取得较好的教学效果。
3.实践教学的补充。目前，光电类课程在农业类学科课程中所占比例还较低，传统的课程实践时间分配较少，部分院校甚至没有对应的实践安排。解决理论学习远超过实践学习的现状，笔者提出以下解决方法。①邀请在校学生做相关专题讲座，这些学生都是参加过历次光电竞赛或电子设计大赛（光电类）项目的获奖者或优胜者。采用这种形式的实践活动，极大地增强学生的设计自信心，并能从实践中得到更多切实指导。②利用校内开放式专业实验室，开放式实验室不仅为学生们提供更多的实践机会，让学生更好地掌握和巩固专业知识，提高其动手能力和创新实践能力；同时也可充分发挥广大教师的能动作用，和学生一同探究课题，解决理论学习中的问题，增强教师的教学效能感。③参加高校或省内的面向本科生的实践类项目。例如，笔者所在的华南农业大学开展了面向优秀大学本科生的“红满堂计划”，大学生创新实验计划项目以及广东省开展了广东省高等学校大学生创新实验项目。从实验项目选题开始，学生将查找大量的相关文献，自行设计构想出项目基本方案；方案确立的过程实际上也是自我学习和突破的过程，同时，这种形式需要有相应辅导老师作为指导老师，结合指导老师的研究课题，就有很强的实用性，并能为下一步科学研究奠定基础，同时，为将来的科研工作储备了人才。
三、结束语
经过实践和听取学生的课下反映以及课堂评估成绩表，本文认真总结出在农业院校的农业相关专业开展光电类课程的教学应该在确保光学理论基础的情况下加强针对性的模块教学，以相关性和实用性为教学目标，课堂讲授结合理论讲授和实例讨论两部分，鼓励学生参与实践类项目，可以使大多数同学克服专业跨度较大的难题，从而较大程度地提高学生的学习兴趣并获得良好的教学效果。
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基金项目：华南农业大学2011年教育教学改革与研究项目（JG11058）资助
第一作者简介：赵懿琨（1981-），女，讲师，从事高等院校光电方向的多门专业课程讲授，主持并参与了多项相关教改项目，具有较丰富的专业课程教学经验。