光電子專業(yè)綜合訓(xùn)練實踐教學(xué)模式初探

畢衛(wèi)紅+張保軍+付廣偉+盧啟柱

[摘 要] 結(jié)合學(xué)科專業(yè)特點，積極探索專業(yè)綜合訓(xùn)練實踐教學(xué)模式?；贑DIO理念推進工程技術(shù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的構(gòu)建，提升實踐教學(xué)占本科教學(xué)的權(quán)重。以燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院光電子專業(yè)的專業(yè)綜合訓(xùn)練為研究對象，從專業(yè)綜合訓(xùn)練的目的與意義出發(fā)，對現(xiàn)行的專業(yè)綜合訓(xùn)練內(nèi)容——反射式光纖位移傳感系統(tǒng)和訓(xùn)練形式進行闡述，同時也對專業(yè)綜合訓(xùn)練改革進行探索與嘗試，旨在為相關(guān)專業(yè)本科實踐教學(xué)的開展、高素質(zhì)人才培養(yǎng)提供有益的參考。

[關(guān)鍵詞] 光電子專業(yè);專業(yè)綜合訓(xùn)練;反射式光纖位移傳感;實踐教學(xué)

[中圖分類號] G642.44 [文獻標(biāo)志碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）04-0084-03

0 引言

光電子專業(yè)是以光電信息工程理論與技術(shù)為特色的信息類專業(yè)，致力于培養(yǎng)融合光、電、信息和計算機等學(xué)科的復(fù)合型人才。在光電信息工程專業(yè)教學(xué)中，專業(yè)綜合訓(xùn)練作為一個必修實踐環(huán)節(jié)，是加強學(xué)生工程訓(xùn)練的重要手段，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力不可或缺[1]。同時，也是貫徹CDIO理念的重要方式[2]。發(fā)達國家的工科院校十分重視對學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)，如要求學(xué)生在工廠進行32個月的生產(chǎn)實訓(xùn)，幾乎占整個大學(xué)學(xué)習(xí)時間的1/4;而日本明確提出：工科院校4年教育要始終圍繞工程和聯(lián)系工程實際進行。與發(fā)達國家相比，國內(nèi)工科院校在實踐教學(xué)尤其是工程實踐教學(xué)方面存在明顯差距，普遍存在著“課程設(shè)計簡化、畢業(yè)設(shè)計軟化、專業(yè)綜合訓(xùn)練與生產(chǎn)實習(xí)形式化”的現(xiàn)象[3]。太原科技大學(xué)光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)實驗是將專業(yè)課實驗去掉，形成一個64學(xué)時的專業(yè)綜合實驗課[4]。高朋等人介紹了沈陽師范大學(xué)在課外開放實驗與實踐活動中進行專業(yè)實踐模塊，與專業(yè)實驗課程互為補充[5]。陳順芳等人就咸寧學(xué)院光電信息實驗與實踐平臺的構(gòu)建進行了詳細(xì)的闡述[6]，具體實施也是以課外開放實驗的方式進行。

專業(yè)綜合訓(xùn)練起著從課本理論知識向?qū)I(yè)實踐能力過渡的橋梁作用，輕視這一教學(xué)環(huán)節(jié)會使學(xué)生走向社會后的適應(yīng)性降低及適應(yīng)周期加長。因此，提高對這一教學(xué)環(huán)節(jié)重要性的認(rèn)識，加大對其的投入，加強對該教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)，對保證這一教學(xué)環(huán)節(jié)有力、有序、有效地開展，具有極為重要的意義。鑒于此，本文針對光電類專業(yè)綜合訓(xùn)練實踐教學(xué)目的、內(nèi)容、模式等方面進行初步探索與研究。

1 專業(yè)綜合訓(xùn)練的目的與意義

光電子專業(yè)綜合訓(xùn)練的目的在于，使學(xué)生掌握電子技術(shù)和光學(xué)基本理論，了解光學(xué)原理、光電檢測技術(shù)及檢測儀器在生產(chǎn)實際和科學(xué)研究中的應(yīng)用情況;使學(xué)生對光源、光電探測器與傳感器等方面的知識有更進一步的認(rèn)識和掌握。專業(yè)綜合訓(xùn)練是安排在大四的一項教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，是在學(xué)生學(xué)習(xí)了本專業(yè)的全部專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課后進行的。通過專業(yè)綜合訓(xùn)練，拓寬學(xué)生的知識面，增加感性認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生進行調(diào)查研究、分析和解決工程實際問題的能力，為將來的工作打下堅實的基礎(chǔ)。

2 燕山大學(xué)光電子專業(yè)綜合訓(xùn)練內(nèi)容與模式

燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院光電類共有5個專業(yè)實驗室、1個教學(xué)示范中心和1個光電類實踐教學(xué)基地，基本上能滿足7個教學(xué)班級的實踐活動。專業(yè)綜合訓(xùn)練通常是選擇一些難度適中、具有較強應(yīng)用背景的題目來進行仿真生產(chǎn)。早在2005年就設(shè)置了為期1周的專業(yè)綜合實驗，曾先后進行過“CCD綜合實驗”、“光纖F-P干涉儀”、“光纖亮度測溫儀”等實驗，由于學(xué)時較少，所以還是以“設(shè)計型”實驗為主。隨著教學(xué)改革逐年深入，實踐教學(xué)日益受到關(guān)注，教育部啟動了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”試點，引入了國際工程教育改革的最新成果——CDIO工程教育模式與理念，所有這些都推動了燕山大學(xué)的實踐教學(xué)改革，專業(yè)綜合實驗學(xué)時由1周增加到2周，到2012年增加到4周。這項實踐環(huán)節(jié)主要是在校內(nèi)專業(yè)實驗室進行，這一點有別于生產(chǎn)實習(xí)。

訓(xùn)練內(nèi)容為設(shè)計制作一光纖位移傳感系統(tǒng)，屬于反射式強度調(diào)制光纖傳感器，是一種非功能型光纖傳感器。利用待測物理量引起光強變化，通過檢測光強的變化實現(xiàn)對待測物理量的測量，如位移、壓力、振動、表面粗糙度等。反射式光纖探頭如圖1所示。光纖探頭A由兩根光纖組成，一根用于發(fā)射光，一根用于接收反射體反射的光，R是鍍膜的反射體。

系統(tǒng)裝置的原理框圖如圖2所示，MCU采用宏晶公司的STC12C5A60S2。實現(xiàn)數(shù)控恒流源來驅(qū)動LED/LD發(fā)光，采用AVAGO公司的T-1527作為光源，探測器采用與之匹配的R-2526，反射光強經(jīng)過信號處理后進行A/D轉(zhuǎn)換，最后在LCD1602顯示屏或者數(shù)碼管上顯示出來。載有光纖探頭的二維位移調(diào)節(jié)架可以記錄其位移，這樣便可以得到位移與反射光強的關(guān)系，記錄多組數(shù)據(jù)便可繪制出反射式光纖位移傳感的調(diào)制特性曲線，如圖3。由圖3可知，不同驅(qū)動電流下的調(diào)制特性曲線都在相同位置出現(xiàn)極大值，當(dāng)位移小于極大值時，為遞增函數(shù)，稱之為“前坡”，反之為“后坡”[7]。系統(tǒng)可工作在這兩個區(qū)域中，即“前坡”工作區(qū)和“后坡”工作區(qū)?？梢钥闯觯?dāng)在“前坡”工作時，可以有較高的靈敏度;當(dāng)在“后坡”工作時，可以獲得較寬的動態(tài)范圍。圖4為系統(tǒng)儀器的照片。

3 專業(yè)綜合訓(xùn)練的實施形式

專業(yè)綜合訓(xùn)練的實施形式是保證訓(xùn)練成效的重要前提。圖5為專業(yè)綜合訓(xùn)練的流程圖。學(xué)生在校內(nèi)專業(yè)實驗室進行查閱文獻、設(shè)計、元器件選擇、原理圖繪制、PCB板的制作、光纖組件的設(shè)計與制作、焊接、硬件調(diào)試及其軟件編寫、文檔撰寫等工作[3]。

首先，領(lǐng)取任務(wù)書，由指導(dǎo)教師將訓(xùn)練內(nèi)容與要求以書面形式發(fā)到每個學(xué)生手中。教師講解訓(xùn)練內(nèi)容、目的和一些具體要求。此部分既要讓學(xué)生明確訓(xùn)練的總體目標(biāo)，更要讓學(xué)生有明確的階段性小目標(biāo)，讓學(xué)生清楚如何查資料、應(yīng)該查什么樣的資料、要實現(xiàn)什么目標(biāo)。

其次，查閱文獻資料，根據(jù)任務(wù)書的要求進行電路設(shè)計、光學(xué)組件設(shè)計。以往給學(xué)生留出時間查閱文獻資料，只有小部分學(xué)生能按要求完成，效果不理想。針對這一弊病，采取了分小組匯報設(shè)計方案的形式，每3人1組以PPT形式匯報本小組的設(shè)計方案，同時指導(dǎo)老師給出評價。該部分內(nèi)容占學(xué)生成績的一部分，從而極大地調(diào)動了學(xué)生查閱資料的積極性和效率。

再次，原理圖與PCB板圖的繪制，讓學(xué)生熟悉專業(yè)的繪圖制版軟件，并熟悉電路板設(shè)計制作的流程?？紤]到PCB板的制作成本、生產(chǎn)周期和后期調(diào)試問題，并不把學(xué)生的版圖拿去工廠進行加工制作，而是在學(xué)生設(shè)計后期將已做好的PCB板及對應(yīng)的版圖資料一起發(fā)給學(xué)生。通過對比、改進、總結(jié)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足，掌握布局布線的方法與技巧。接著是電路板的焊接與調(diào)試。一方面讓學(xué)生掌握各種封裝形式元件的焊接工藝及技巧，另一方面更要讓學(xué)生掌握硬件調(diào)試，包括電性能測試和一些簡單的測試程序來評估硬件及其焊接工藝的優(yōu)劣，從而讓學(xué)生充分認(rèn)識到調(diào)試在整個系統(tǒng)設(shè)計中的重要地位。

此外，給學(xué)生的光纖組件基本都是半成品，要讓學(xué)生制作光纖接頭。由于系統(tǒng)采用的是粗芯塑料光纖，加工制作的工藝要求比較低，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下基本都能完成并達到要求。

軟件編寫，由于學(xué)生已進行過單片機課程設(shè)計，對C51單片機編程已具備一定的基礎(chǔ)，所以這部分內(nèi)容主要體現(xiàn)在功能實現(xiàn)上。要求實現(xiàn)既定基本功能，當(dāng)然也鼓勵學(xué)生進行功能拓展，充分利用MCU內(nèi)部資源和硬件電路板的各個模塊。經(jīng)過3天的軟件編寫，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生都能實現(xiàn)要求的基本功能，有相當(dāng)一部分學(xué)生對系統(tǒng)進行了各種各樣的擴展，效果甚至超出了老師的想象。對于一些編程能力差的學(xué)生，老師將軟件功能拆分，指導(dǎo)其分步分塊實現(xiàn)，盡可能地激發(fā)其編程熱情，使其縮小與其他同學(xué)的差距。

系統(tǒng)性能綜合測試，除了要求學(xué)生繪制出不同驅(qū)動電流下的反射式位移傳感器的調(diào)制特性曲線外，還要求學(xué)生測量光源的P-I特性曲線等。進行系統(tǒng)調(diào)零、增益調(diào)節(jié)等功能測試，并評估儀器性能參數(shù)。

最后，文檔撰寫，以往學(xué)生容易忽視文檔撰寫的重要性，互相抄襲、東拼西湊現(xiàn)象時有發(fā)生。為了避免此類情況的發(fā)生，教師在訓(xùn)練之初就反復(fù)強調(diào)文檔在整個系統(tǒng)設(shè)計中的重要性，并將文檔撰寫的質(zhì)量作為評定成績的一個重要依據(jù)。

4 專業(yè)綜合訓(xùn)練模式探尋

不斷探尋專業(yè)綜合訓(xùn)練的新模式，是深化本科實踐教育的需要，是培養(yǎng)學(xué)生實踐技能、綜合素質(zhì)的重要保證。燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院光電子工程系對專業(yè)綜合訓(xùn)練的模式進行了初步探尋，具體包括以下幾個方面。

1）在內(nèi)容上選擇與定位一些綜合程度比較高的題目，通常以一個具體的光電產(chǎn)品為載體，并且該產(chǎn)品在行業(yè)中具有一定的代表性，與當(dāng)前主流光電產(chǎn)品特征相近且與專業(yè)知識背景密切相關(guān)，使學(xué)生在光學(xué)、電子、機械設(shè)計和計算機應(yīng)用等各方面都能得到綜合鍛煉。這就要求專業(yè)綜合訓(xùn)練與前期大學(xué)本科三年所學(xué)各科課程有較好的知識點銜接，既包含如應(yīng)用光學(xué)、物理光學(xué)、光電子學(xué)、光電信息檢測、光輻射、光學(xué)材料、光學(xué)制造工藝、光學(xué)測試等光學(xué)類主要專業(yè)課程知識運用，也要包含如光學(xué)精密設(shè)計、光學(xué)機械CAD、數(shù)字和模擬電路及電子設(shè)計自動化工具的運用，還要覆蓋微機原理與接口技術(shù)、軟件基礎(chǔ)、程序設(shè)計等計算機方面的知識運用，使學(xué)生在最大的知識范疇內(nèi)得到充分的發(fā)揮和鍛煉。

2）研發(fā)與設(shè)計過程滿足“大過程”特征，體現(xiàn)在盡可能多的覆蓋產(chǎn)品制造鏈上的步驟和過程，讓學(xué)生對產(chǎn)品選型、市場定位、經(jīng)濟和技術(shù)可行性分析、論證、設(shè)計、仿真、加工、裝配、測試檢驗、分析評估等環(huán)節(jié)和步驟都有感性經(jīng)歷和體會。

3）在實施過程中必須能夠讓每個學(xué)生都擔(dān)當(dāng)企業(yè)工人、技術(shù)員、管理員等多重角色，人人動手，充分參與生產(chǎn)、研發(fā)設(shè)計的每個環(huán)節(jié)。

4）開辟校內(nèi)專業(yè)綜合訓(xùn)練基地或工程訓(xùn)練中心。自2005年以來，分別在燕山大學(xué)特種光纖研發(fā)基地和光電類實踐教學(xué)基地進行過實習(xí)與訓(xùn)練。

（下轉(zhuǎn)第89頁）

5 結(jié)束語

專業(yè)綜合訓(xùn)練是學(xué)校實踐教學(xué)的重要組成部分，是教育教學(xué)體系中一個不可缺少的重要環(huán)節(jié)。專業(yè)綜合訓(xùn)練是培養(yǎng)技能型人才、實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)的主要途徑之一。它不僅是課程教學(xué)的總結(jié)，更是課程教學(xué)的延續(xù)。實踐教學(xué)如何滿足社會的需求是近幾年各高等院校共同關(guān)注的焦點，探討實踐教學(xué)改革的思路，有利于推進人才培養(yǎng)進程。

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