新工科建設(shè)背景下光電信息科學(xué)與工程專業(yè)實踐教學(xué)改革

金桂，唐政華，丁淑芳，韓滔，蔣純志

（湘南學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院，湖南 郴州 423000）

2017 年，教育部制訂了《新工科研究與實踐項目指南》，決定在我國的高等教育中開展“新工科”建設(shè)，對新工科建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了闡述，并推進(jìn)我國新時期的工程技術(shù)人才培養(yǎng)。實踐教學(xué)對培養(yǎng)大學(xué)生分析問題和解決問題能力、理論應(yīng)用于實踐能力、研究和創(chuàng)新能力方面起到?jīng)Q定性作用，不同于理論教學(xué)，實踐教學(xué)更能發(fā)揮學(xué)生的主體作用、促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建知識體系。光電信息科學(xué)與工程專業(yè)是一個綜合性的專業(yè)，不但要求學(xué)生具有扎實的數(shù)學(xué)、物理、光電子和計算機(jī)方面的理論知識，同時也要求學(xué)生具有較強(qiáng)的工程技術(shù)能力。工程技術(shù)能力的培養(yǎng)在于學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間實踐訓(xùn)練的方式方法，因此，如何建設(shè)專業(yè)實踐課程將直接影響學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)和動手能力的培養(yǎng)。

1 光電信息科學(xué)與工程專業(yè)實踐教學(xué)中存在的問題

1.1 教師工程實踐能力有待提高

高校教師雖然學(xué)歷較高，理論知識扎實，但是對企業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)，行業(yè)最新技術(shù)的變化不太敏感，這也是我們高校開展新工科建設(shè)的難點之一。同時部分教師片面強(qiáng)調(diào)理論教學(xué)，將分組實驗視為對理論課教學(xué)的簡單拓展，進(jìn)而對實驗課的認(rèn)識也簡單化和片面化，導(dǎo)致課程實驗中創(chuàng)新設(shè)計性內(nèi)容較少，也不注重將教師科研成果糅合進(jìn)實驗。實驗教學(xué)方式簡單化：班級為單位指定分組，統(tǒng)一進(jìn)度、統(tǒng)一內(nèi)容、統(tǒng)一時間，這種教學(xué)方式有利于完成基本教學(xué)內(nèi)容，但是不利于開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力。

1.2 實踐課程設(shè)置的問題

實踐教學(xué)內(nèi)容與理論教材缺乏有效配對，實驗教學(xué)的層次感不明顯；專業(yè)實驗室和開放性實驗室場地有限，設(shè)備臺套數(shù)過少，無法滿足學(xué)生創(chuàng)新實踐的需要。很多教學(xué)手段側(cè)重于仿真實驗和軟件開發(fā)，雖然在很大程度上方便了實驗教學(xué)，但是卻無法有效提升學(xué)生的動手能力和工程意識。

2 “新工科”建設(shè)背景下光電信息科學(xué)與工程專業(yè)實踐教學(xué)改革的策略

2.1 “雙師型”師資隊伍建設(shè)

新工科建設(shè)的需要離不開師資隊伍的建設(shè)，我們采用了三個措施有效地鼓勵了教師拓寬實踐知識視野，建設(shè)了“雙師型”師資隊伍。首先，鼓勵教師通過國家資格考試等途徑獲取相應(yīng)的工程師資格證書，提高教學(xué)水平。鼓勵教師到相關(guān)企業(yè)學(xué)習(xí)行業(yè)先進(jìn)技術(shù)，比如，在本地企業(yè)中，湘能華磊光電科技有限公司在LED 外延及封裝方面有國內(nèi)領(lǐng)先的核心技術(shù)，我們選派骨干教師帶領(lǐng)學(xué)生到企業(yè)從事“大功率LED照明技術(shù)研發(fā)”課題研究，提升教師工程研究水平；其次，我們到企業(yè)邀請行業(yè)優(yōu)秀工程師到學(xué)校開課，既向?qū)W生傳播最新的生產(chǎn)技術(shù)知識，培養(yǎng)校內(nèi)教師的實踐能力，校企雙向互動提高學(xué)校的“新工科”師資水平；再次，學(xué)校與企業(yè)組建校企合作科研平臺，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行初步的科研訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生接觸最新的科研方向，促進(jìn)教師科研水平和創(chuàng)新能力提升。通過這幾種方式，專業(yè)教師的實踐能力穩(wěn)步提升，同時雙師型教師占比顯著增加。

2.2 實踐課程體系的分層次建設(shè)

“新工科”人才的培養(yǎng)核心在于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、工程應(yīng)用能力和設(shè)計能力。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，必須大力加強(qiáng)實踐課程的建設(shè)，首先，從教師認(rèn)識上就要加以改變，加強(qiáng)實踐課程學(xué)分在培養(yǎng)方案中的比重，在新的培養(yǎng)方案中改進(jìn)了課程實驗，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)應(yīng)用能力和科研創(chuàng)新能力。建設(shè)了包括課程分組實驗、專業(yè)認(rèn)知實踐、課程設(shè)計、專業(yè)素質(zhì)拓展、專業(yè)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計（論文）在內(nèi)的實踐教學(xué)體系。

（1）光電器件基礎(chǔ)實踐課程建設(shè)。這一層次的實驗項目主要涉及常用的基本光電器件，如光敏電阻、光電二極管（LED），半導(dǎo)體激光器，光電三極管，光電倍增管，PIN 光電二極管，APD 光電二極管，色敏傳感器，熱敏器件等，設(shè)計的實驗項目如LED 恒流驅(qū)動、掃面驅(qū)動、正反向伏安特性、角度特性和光譜特性測試；光電二極管暗電流、光電流、伏安特性、光電特性、光譜特性、時間特性測試；光電三極管光電流、伏安特性、光電特性、時間特性和光譜特性測試；硅光電池短路電流、開路電壓、硅光電池光電特性、伏安特性、負(fù)載特性、時間響應(yīng)和光譜特性測試。本階段的實驗要求學(xué)生具備對不同類型光電器件的基本性能參數(shù)有清晰的掌握，可以綜合運用光電基本理論和常規(guī)技術(shù)手段設(shè)計并解釋試驗系統(tǒng)的能力。

（2）光電器件綜合運用實踐課程建設(shè)。本課程要求掌握不同類型光電器件的應(yīng)用實驗，如熱釋電探測器及光電照明燈控制實驗，光電耦合器測試及應(yīng)用實驗，PSD 位置傳感器實驗，LED 物性綜合實驗，太陽能電池實驗，線陣CCD 光路系統(tǒng)安裝調(diào)試實驗等。主要的項目有：熱釋電探測器及光電照明燈控制實驗，光電耦合器測試及應(yīng)用實驗，PSD 位置傳感器實驗光纖端面處理、耦合及熔接實驗、太陽能電池實驗和液晶電光效應(yīng)實驗。通過這些實驗訓(xùn)練學(xué)生綜合運用理論知識的能力、系統(tǒng)設(shè)計能力和過程設(shè)計能力。

（3）光電器件設(shè)計性實踐課程建設(shè)。光電器件設(shè)計性實踐課程目的是提升學(xué)生對常用的光學(xué)元件、光電傳感器等器件的運用能力，教師通過給出一些綜合設(shè)計性題目，學(xué)生自主在開放性實驗室完成。例如，“基于STC89C52 單片機(jī)的智能搬運小車、消防小車、循跡避障小車設(shè)計與實現(xiàn)”“基于硅光電池的太陽能路燈設(shè)計”“小型光照度計設(shè)計與實現(xiàn)”等，要求學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)閱讀、原理解讀、電路設(shè)計、元器件選擇、做出實物產(chǎn)品并調(diào)試成功，使學(xué)生對一個簡單的綜合電路、綜合光路具備設(shè)計和測試能力，在將來的工作中可以應(yīng)對簡單的技術(shù)設(shè)計和測試。

（4）研究型光電實踐設(shè)計。研究型實驗項目注重創(chuàng)新能力和科學(xué)研究方法的培養(yǎng)，項目分組，以4～5人為宜，綜合運用光電綜合知識設(shè)計實驗方案。比如，“光纖傳感實驗”中的光纖陀螺和馬赫-曾德爾光纖干涉儀和光纖耦合器特性測試實驗：3dB 光纖耦合器特性測試實驗主要是測試激光器和光纖耦合參數(shù)：分光特性和偏振。馬赫-曾德爾光纖干涉儀和光纖陀螺則是引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計和搭建光路，測試馬赫-曾德爾光纖傳感器的相位調(diào)制與解調(diào)。實驗課程主要包括以下階段：第一，是方案的設(shè)計，教師組織學(xué)生學(xué)習(xí)實驗原理，器材說明和使用方法，小組成員討論并設(shè)計試驗方案，“3dB 光纖耦合器的特性測試”實驗的實驗任務(wù)是測試半導(dǎo)體激光器出光閾值、起偏前后的偏振度等特性和3dB 光纖耦合器的特性。教師聽取學(xué)生的學(xué)生的實驗設(shè)計方案并且對方案內(nèi)容進(jìn)行有針對性的提問，鼓勵學(xué)生的發(fā)散性思維培養(yǎng)，如“光纖陀螺”實驗中為什么不能只使用一個3dB 光纖耦合器，有的小組討論后可能使用兩個3dB 光纖耦合器，也可能使用一個偏振分光鏡和一個3dB 光纖耦合器，這就加深了可對“非互易”概念的理解。第二，實驗操作：為培養(yǎng)學(xué)生科研合作和團(tuán)隊精神，教師指導(dǎo)學(xué)生將科研小組以“科研團(tuán)隊”的形式進(jìn)行組員分工合作，并且引導(dǎo)實驗小組根據(jù)自身特長進(jìn)行組員分工，組員互相配合完成實驗。在實驗中，首先要注意的是規(guī)范操作實驗設(shè)備，如半導(dǎo)體激光器開啟步驟是否符合流程、光路的搭建是否正確?？蒲袘B(tài)度第一就是嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范，當(dāng)學(xué)生遇到困難時，首先應(yīng)該互相討論、分析解決問題，而不是急于向老師求助；第三，實驗總結(jié)：對于獲得的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析后，學(xué)生應(yīng)該總結(jié)出相應(yīng)的結(jié)論，首先簡單的口頭匯報，對實驗結(jié)論和現(xiàn)象分析進(jìn)行闡述，口頭匯報后，再以小組為單位提交書面實驗報告，要對實驗原理、系統(tǒng)組成、實驗過程、數(shù)據(jù)分析、實驗結(jié)果進(jìn)行討論。

2.3 學(xué)生科研實踐素質(zhì)的培養(yǎng)

為了加強(qiáng)校企合作，解決本地光電企業(yè)面臨的研發(fā)問題，學(xué)校于投資200 萬元建成了光電子科研實驗室，購買了ZHDS400 高真空有機(jī)/金屬薄膜蒸發(fā)系統(tǒng)、Opolette 355 LD 激光器、2636B 半導(dǎo)體分析測試儀、CS-4 探針臺體、Sirius-SS150A 太陽光模擬測試系統(tǒng)、OTF-1200X-S 化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)、Direct-Q5 UV 純水/超純水一體化系統(tǒng)、KW-4B 勻膠機(jī)、HS40A 攪拌恒溫控制臺、PDC-32G-2 等離子體清洗系統(tǒng)、RTS-8 四探針電導(dǎo)率測試系統(tǒng)、9123A 電熱恒溫干燥烘箱、SK3300H 超聲波清洗機(jī)、OTP15-09 標(biāo)準(zhǔn)阻尼隔振平臺，SWTFG-18通風(fēng)櫥等實驗設(shè)備，組建學(xué)生科研團(tuán)隊，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目和參與教師科研項目研究工作。經(jīng)過三年的運行，已經(jīng)形成了一個老帶新的成熟學(xué)生科研團(tuán)隊，在有機(jī)半導(dǎo)體光電材料與器件、氮化鎵納米線、氧化鋅納米線和有機(jī)鈣鈦礦等領(lǐng)域進(jìn)行了一系列研究，以此為基礎(chǔ)申報了多項國家級和省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。指導(dǎo)學(xué)生寫了一系列的科研論文，在此基礎(chǔ)上形成了良性循環(huán)，學(xué)生的考研錄取率也相應(yīng)大幅度提升。

3 結(jié)語

綜上所述，為了應(yīng)對“新工科”建設(shè)的要求，我們針對光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的實踐教學(xué)進(jìn)行了改革。從師資隊伍建設(shè)、實踐教學(xué)類型、學(xué)生科研素質(zhì)培養(yǎng)3個方面進(jìn)行了教學(xué)改革。結(jié)果表明，我們的探索有效地提升了學(xué)生創(chuàng)新意識和動手能力，有效地提高了光電信息科學(xué)與工程專業(yè)實踐教學(xué)質(zhì)量。