“光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)的改革與探索①

李樹發(fā)++陳春雷

摘 要：該文介紹了“光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程的特點(diǎn)及目標(biāo)，結(jié)合作者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該課程進(jìn)行教學(xué)改革與實(shí)踐。分析了課程教學(xué)中存在的問題及我國(guó)高校學(xué)生在工程素質(zhì)能力方面的需求，進(jìn)行了有機(jī)融合的教學(xué)探索，以開放的考核方式對(duì)學(xué)生工程素質(zhì)能力的培養(yǎng)進(jìn)行深入研究。

關(guān)鍵詞：光電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課程教學(xué) 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）05（a）-0154-03

光電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，已成為推動(dòng)現(xiàn)代信息社會(huì)發(fā)展不可或缺的綜合性技術(shù)。美國(guó)商務(wù)部曾說過，誰(shuí)在光電行業(yè)取得主動(dòng)權(quán)，誰(shuí)就將在21世紀(jì)的尖端科技競(jìng)爭(zhēng)中奪魁。為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展和國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，全國(guó)各大高校非常重視光電專業(yè)和光電人才隊(duì)伍的建設(shè)[1]。近十幾年來(lái)，各大高校陸續(xù)開設(shè)相關(guān)專業(yè)及擴(kuò)大招生規(guī)模，光電專業(yè)人才隊(duì)伍的建設(shè)不斷壯大。

為了適應(yīng)社會(huì)對(duì)光電專業(yè)人才的迫切需求，鞏固學(xué)生應(yīng)用光電專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)生對(duì)光電系統(tǒng)的應(yīng)用能力和設(shè)計(jì)能力，筆者學(xué)校開設(shè)了“光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程。該課程是電子科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的專業(yè)限選課，通過綜合運(yùn)用各先修課程的理論與知識(shí)，圍繞如何提高總體系統(tǒng)性能水平這一主線，通過對(duì)信息光電系統(tǒng)和能量光電系統(tǒng)的若干典型設(shè)計(jì)案例的分析介紹，使學(xué)生初步掌握光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論和工程方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性和綜合解決實(shí)際問題的能力。

盡管在該課程之前，學(xué)生已修過應(yīng)用光學(xué)、物理光學(xué)、信號(hào)與系統(tǒng)、光電檢測(cè)與光電傳感器、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)等光學(xué)、光電子學(xué)、電子學(xué)的基本原理知識(shí)，但缺少綜合應(yīng)用多門課程知識(shí)的能力，特別在具體應(yīng)用及設(shè)計(jì)上缺少應(yīng)有的經(jīng)驗(yàn)，難以進(jìn)行較復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，該課程需要培養(yǎng)學(xué)生掌握光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制作的一般過程，學(xué)會(huì)正確使用基本的光電器件，使用輔助軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)并調(diào)試的能力；更為重要的是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力、獨(dú)立思考和分析解決問題的能力，為將來(lái)更高層次的課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)夯實(shí)基礎(chǔ)。

1 “光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)”教學(xué)中存在的主要問題

該課程在教學(xué)過程中，主要存在以下幾個(gè)方面的問題。

1.1 教材內(nèi)容與課程體系不匹配

該課程涵蓋光學(xué)、光電子和電子學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)，涉及到光學(xué)成像、光電特性、典型光電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法等方面，內(nèi)容非常寬廣。但現(xiàn)有教材的內(nèi)容過于獨(dú)立，如李慶祥等編著的《現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)》過于偏重機(jī)械方向[2]，郭培源等編著的《光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用》以光電儀器的探測(cè)部分為主[3]，吳晗平等編著的《光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》側(cè)重于設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例[4]，不能滿足系統(tǒng)、全面掌握光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和方法，綜合應(yīng)用各門知識(shí)處理實(shí)際問題的課程需求。因此，該課程的教學(xué)如何克服這些缺陷，彌補(bǔ)學(xué)生對(duì)提高光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的需求，是“光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程的首要任務(wù)。

1.2 傳統(tǒng)的教學(xué)及考核與課程需求不匹配

雖然“光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)”這門課程注重基礎(chǔ)知識(shí)的綜合把握以及實(shí)際問題的解決，但是現(xiàn)有的教學(xué)方法主要采用傳統(tǒng)的灌輸式方式，不能很好地啟發(fā)學(xué)生，也沒有給足學(xué)生充分的討論，更缺乏教師與學(xué)生的對(duì)話交流。此外，該課程以往采用閉卷考試的方式進(jìn)行考核，側(cè)重對(duì)記憶性知識(shí)的考查，并未達(dá)到要求綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析、改善已有的光電系統(tǒng)，根據(jù)需求設(shè)計(jì)出一套可以完成特定任務(wù)的光電系統(tǒng)的課程目標(biāo)。當(dāng)前的教學(xué)及考核方式在綜合式、應(yīng)用式課程需求方面是有缺陷的，過于注重專業(yè)知識(shí)的講授，輕視學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致不能較好地培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立處理問題與創(chuàng)新創(chuàng)造的能力。因此，如何改善教學(xué)方法、創(chuàng)新考核方式是該課程的具體任務(wù)。

1.3 學(xué)生缺乏興趣及工程素質(zhì)與課程目標(biāo)不匹配

興趣是學(xué)習(xí)最好的老師。但該課程涉及的內(nèi)容較為寬泛，缺乏有機(jī)組合，且學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)水平不均衡，在具體的教學(xué)過程中容易使學(xué)生喪失興趣，消極學(xué)習(xí)；隨著知識(shí)的日益更新，以現(xiàn)有教材內(nèi)容為模板的應(yīng)用舉例不貼合實(shí)際，缺乏針對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)及實(shí)踐過程中所面臨的具體應(yīng)用，容易使學(xué)生覺得上課無(wú)聊、無(wú)用而喪失學(xué)習(xí)的興趣。此外，目前我國(guó)本科教育的一個(gè)顯著特點(diǎn)是注重培養(yǎng)學(xué)生寬厚的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，而忽視培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)[5]。這表現(xiàn)在學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)缺乏認(rèn)識(shí)，工程意識(shí)非常淡薄，缺乏團(tuán)隊(duì)合作精神，缺乏理論結(jié)合實(shí)際、理論知識(shí)轉(zhuǎn)換為解決實(shí)際問題的創(chuàng)新能力。這與該課程的培養(yǎng)目標(biāo)——具有良好的光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的應(yīng)用型人才——不匹配，最終會(huì)削弱學(xué)生畢業(yè)后在工作崗位上的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)會(huì)理論結(jié)合實(shí)際，學(xué)會(huì)綜合所學(xué)知識(shí)解決具體問題是該課程的緊迫任務(wù)。

2 教學(xué)改革與探索

針對(duì)上述存在的問題，筆者在該課程的實(shí)際教學(xué)中從教材內(nèi)容、教學(xué)體系、考核方式等方面進(jìn)行改革與探索，以促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融合、改善教學(xué)及考核方法為起點(diǎn)，以激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣、啟發(fā)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)處理實(shí)際問題為目標(biāo)，改善了教學(xué)效果，提高了教學(xué)質(zhì)量。

2.1 促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容與課程體系的有機(jī)融合

該課程具有系統(tǒng)性、綜合性的特點(diǎn)，內(nèi)容涉及到應(yīng)用光學(xué)、物理光學(xué)、信號(hào)與系統(tǒng)、光電檢測(cè)與光電傳感器、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)等光學(xué)、光電子學(xué)、電子學(xué)的基本知識(shí)。學(xué)生需要在以上的獨(dú)立課程中具備一定的基礎(chǔ)，且能夠綜合應(yīng)用以上所學(xué)課程的知識(shí)解決實(shí)際問題，才能在該課程中取得較好的效果，達(dá)到該課程的教學(xué)目標(biāo)。但在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生限制在獨(dú)立一門課程知識(shí)中，而且現(xiàn)有教材內(nèi)容也是側(cè)重某一部分內(nèi)容，未能做到內(nèi)容的有機(jī)融合[2-4]。因此，需要在授課內(nèi)容方面進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，注重教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)融合，有的放矢，培養(yǎng)學(xué)生綜合所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

在教材與教學(xué)內(nèi)容方面，以各門課程知識(shí)之間的相互聯(lián)系為出發(fā)點(diǎn)，科學(xué)組織教學(xué)內(nèi)容。該課程主要以《光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用》[2]和《光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》[4]為教材藍(lán)本，參照光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際過程，按照接收光學(xué)信號(hào)、轉(zhuǎn)換信號(hào)與信號(hào)處理輸出的步驟重新分拆、組合教學(xué)內(nèi)容，做到有的放矢。比如，把教學(xué)內(nèi)容劃分為光學(xué)系統(tǒng)——負(fù)責(zé)接收光學(xué)信號(hào)，探測(cè)系統(tǒng)——負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換信號(hào)，處理系統(tǒng)——負(fù)責(zé)信號(hào)處理與輸出。在講授方面，做好各分塊內(nèi)容的邏輯性及銜接，有機(jī)融合原有課程內(nèi)容，擴(kuò)展及綜合原有知識(shí)，做到在有限課時(shí)中系統(tǒng)全面地掌握光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容及方法。比如，光學(xué)系統(tǒng)包括總體設(shè)計(jì)、光路布置，典型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例及像差處理；探測(cè)系統(tǒng)包括探測(cè)基礎(chǔ)知識(shí)、光電探測(cè)器及熱電探測(cè)器等儀器的光電特性及選擇與應(yīng)用；處理系統(tǒng)包括探測(cè)器輸出信號(hào)的前置處理、單片機(jī)處理。在講授中不依賴、不限制于原有課程知識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生在整體把握的前提下自主學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)原有知識(shí)，增強(qiáng)理解現(xiàn)有光電系統(tǒng)儀器的設(shè)計(jì)構(gòu)造。

通過精心規(guī)劃，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)融合，鼓勵(lì)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，切實(shí)有效地提高了教學(xué)質(zhì)量。

2.2 創(chuàng)新教學(xué)方法及考核方式

學(xué)生是課堂教學(xué)的主體，需要激發(fā)學(xué)生興趣進(jìn)行自主學(xué)習(xí)才能促使課堂教學(xué)的成功以及達(dá)到課程教學(xué)的目標(biāo)。由于該課程有有機(jī)融合原有知識(shí)及綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的需要，除了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，更應(yīng)創(chuàng)新教學(xué)方式，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生，激勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。比如，在探測(cè)系統(tǒng)的講授中，以筆者在科研中所需的激光鎖定系統(tǒng)為例，在課堂上組織學(xué)生討論如何做到鎖定激光方向以免漂移，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮自已的想法進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而討論定位、跟蹤、制導(dǎo)等光電系統(tǒng)。在課堂中融入教師的研究課題，不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容，拓展了學(xué)生視野，更讓學(xué)生見識(shí)了所學(xué)知識(shí)的可用性。這激發(fā)了學(xué)生的興趣，深受學(xué)生喜歡。

此外，還需創(chuàng)新考核方式，以檢驗(yàn)課堂教學(xué)及目標(biāo)的有效性。以往考核通常采用閉卷考試的方式，這對(duì)單純的理論知識(shí)的考查非常有效，但在應(yīng)用型課程中成效不高。鑒于該課程的綜合性、應(yīng)用性及開放性，目標(biāo)是掌握光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想和方法，能夠分析改進(jìn)現(xiàn)有光電系統(tǒng)儀器，能夠根據(jù)需求完成給定任務(wù)的光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，筆者對(duì)該課程的考核方式進(jìn)行改革與探索，以開卷考試+課程設(shè)計(jì)報(bào)告的形式檢驗(yàn)教學(xué)效果。

本小節(jié)只討論開卷考試的具體做法，課程設(shè)計(jì)報(bào)告的討論見下節(jié)。開卷考試限時(shí)2 h，學(xué)生可以帶課件與教材。在內(nèi)容方面，主要考查給定條件下光電系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算，比如光電制導(dǎo)系統(tǒng)、LED驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)、太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)等。此外，還有開放型題目，如要求設(shè)計(jì)一套智能路燈系統(tǒng)及物品分揀系統(tǒng)，要求給出設(shè)計(jì)思路及基本方案。

經(jīng)過創(chuàng)新教學(xué)方式，啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生，及改革考核的導(dǎo)向，確實(shí)激勵(lì)了學(xué)生的興趣，提升了學(xué)生綜合所學(xué)知識(shí)處理實(shí)際問題的能力。

2.3 加強(qiáng)學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)

針對(duì)學(xué)生缺少工程素質(zhì)能力，及該課程的核心是理論聯(lián)系實(shí)際，綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問題[6]，筆者在該課程的教學(xué)改革中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生工程素質(zhì)能力的培養(yǎng)，鼓勵(lì)學(xué)生分析處理實(shí)際問題，設(shè)計(jì)完整的解決方案。

此部分主要以課程設(shè)計(jì)報(bào)告的形式展開，獨(dú)立于理論課程而存在，單獨(dú)給出一周時(shí)間用于完成設(shè)計(jì)報(bào)告。具體做法是，利用光學(xué)、光電檢測(cè)、電子技術(shù)、單片機(jī)課程的知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)小型的光電系統(tǒng)，包括相關(guān)的探測(cè)部分、電子線路、單片機(jī)控制、程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、電路板設(shè)計(jì)等。選題題目有激光準(zhǔn)直光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)量汽車速度的光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、非接觸式液面位置光電檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、非透明物體長(zhǎng)度自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)等具體的工程設(shè)計(jì)問題。要求學(xué)生以4人為一組，可以根據(jù)自身的情況選擇單獨(dú)完成完整的設(shè)計(jì)項(xiàng)目或參與組內(nèi)合作完成完整設(shè)計(jì)項(xiàng)目，每組至少完成一套完整的設(shè)計(jì)方案；每位同學(xué)都必須認(rèn)真對(duì)待本教學(xué)環(huán)節(jié)，明確各自負(fù)責(zé)的主攻設(shè)計(jì)內(nèi)容，認(rèn)真合作完成設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)撰寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告；最后提交的設(shè)計(jì)報(bào)告應(yīng)包括的內(nèi)容有：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案；系統(tǒng)分析與各模塊或單元電路的設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、元器件選擇等；完整的系統(tǒng)原理電路圖；所需的元器件清單；仿真調(diào)試方案與步驟、相應(yīng)測(cè)量表格與測(cè)量結(jié)論；完整的系統(tǒng)印刷電路板布線設(shè)計(jì)圖。

在課程設(shè)計(jì)報(bào)告的完成過程中，學(xué)生不僅加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，還學(xué)會(huì)綜合所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，更重要的是增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作精神，提升了工程素質(zhì)能力。

3 結(jié)語(yǔ)

在“光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的教學(xué)改革與探索中，針對(duì)存在的問題及該課程的培養(yǎng)目標(biāo)，從有機(jī)融合教材內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)及考核方式、激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)及培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)能力等方面進(jìn)行了探索。通過有機(jī)融合原有知識(shí)，綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用案例的討論分析，激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)解決實(shí)際問題，切實(shí)改善了教學(xué)效果，達(dá)到了課程目標(biāo)，提升了學(xué)生的工程素質(zhì)能力。希望我們的教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)對(duì)相關(guān)課程的教師與學(xué)生有所幫助，對(duì)相關(guān)課程的開設(shè)及教學(xué)有一定的參考作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 江文杰，曾學(xué)文，施建華.《光電技術(shù)》課程建設(shè)的探索與實(shí)踐[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2009，32（4）：43-45.

[2] 李慶祥，王東生，李玉和，等.現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[3] 郭培源，付揚(yáng).光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4] 吳晗平.光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[5] 曹丹華，吳裕斌，武樹斌，等.基于CDIO理念的光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（4）：237-239.

[6] 張準(zhǔn)，鐘麗云.基于CDIO理念的光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（8）：367-370.