光電子專業綜合訓練實踐教學模式初探

畢衛紅+張保軍+付廣偉+盧啟柱

[摘 要] 結合學科專業特點，積極探索專業綜合訓練實踐教學模式?；贑DIO理念推進工程技術應用型人才培養模式的構建，提升實踐教學占本科教學的權重。以燕山大學信息科學與工程學院光電子專業的專業綜合訓練為研究對象，從專業綜合訓練的目的與意義出發，對現行的專業綜合訓練內容——反射式光纖位移傳感系統和訓練形式進行闡述，同時也對專業綜合訓練改革進行探索與嘗試，旨在為相關專業本科實踐教學的開展、高素質人才培養提供有益的參考。

[關鍵詞] 光電子專業;專業綜合訓練;反射式光纖位移傳感;實踐教學

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

0 引言

光電子專業是以光電信息工程理論與技術為特色的信息類專業，致力于培養融合光、電、信息和計算機等學科的復合型人才。在光電信息工程專業教學中，專業綜合訓練作為一個必修實踐環節，是加強學生工程訓練的重要手段，對培養學生的創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]。發達國家的工科院校十分重視對學生工程實踐能力的培養，如要求學生在工廠進行32個月的生產實訓，幾乎占整個大學學習時間的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系工程實際進行。與發達國家相比，國內工科院校在實踐教學尤其是工程實踐教學方面存在明顯差距，普遍存在著“課程設計簡化、畢業設計軟化、專業綜合訓練與生產實習形式化”的現象[3]。太原科技大學光信息科學與技術專業的專業實驗是將專業課實驗去掉，形成一個64學時的專業綜合實驗課[4]。高朋等人介紹了沈陽師范大學在課外開放實驗與實踐活動中進行專業實踐模塊，與專業實驗課程互為補充[5]。陳順芳等人就咸寧學院光電信息實驗與實踐平臺的構建進行了詳細的闡述[6]，具體實施也是以課外開放實驗的方式進行。

專業綜合訓練起著從課本理論知識向專業實踐能力過渡的橋梁作用，輕視這一教學環節會使學生走向社會后的適應性降低及適應周期加長。因此，提高對這一教學環節重要性的認識，加大對其的投入，加強對該教學環節的建設，對保證這一教學環節有力、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綜合訓練實踐教學目的、內容、模式等方面進行初步探索與研究。

1 專業綜合訓練的目的與意義

光電子專業綜合訓練的目的在于，使學生掌握電子技術和光學基本理論，了解光學原理、光電檢測技術及檢測儀器在生產實際和科學研究中的應用情況;使學生對光源、光電探測器與傳感器等方面的知識有更進一步的認識和掌握。專業綜合訓練是安排在大四的一項教學實踐環節，是在學生學習了本專業的全部專業基礎課和專業課后進行的。通過專業綜合訓練，拓寬學生的知識面，增加感性認識，培養學生進行調查研究、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。

2 燕山大學光電子專業綜合訓練內容與模式

燕山大學信息科學與工程學院光電類共有5個專業實驗室、1個教學示范中心和1個光電類實踐教學基地，基本上能滿足7個教學班級的實踐活動。專業綜合訓練通常是選擇一些難度適中、具有較強應用背景的題目來進行仿真生產。早在2005年就設置了為期1周的專業綜合實驗，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，由于學時較少，所以還是以“設計型”實驗為主。隨著教學改革逐年深入，實踐教學日益受到關注，教育部啟動了“卓越工程師教育培養計劃”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的實踐教學改革，專業綜合實驗學時由1周增加到2周，到2012年增加到4周。這項實踐環節主要是在校內專業實驗室進行，這一點有別于生產實習。

訓練內容為設計制作一光纖位移傳感系統，屬于反射式強度調制光纖傳感器，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。

系統裝置的原理框圖如圖2所示，MCU采用宏晶公司的STC12C5A60S2。實現數控恒流源來驅動LED/LD發光，采用AVAGO公司的T-1527作為光源，探測器采用與之匹配的R-2526，反射光強經過信號處理后進行A/D轉換，最后在LCD1602顯示屏或者數碼管上顯示出來。載有光纖探頭的二維位移調節架可以記錄其位移，這樣便可以得到位移與反射光強的關系，記錄多組數據便可繪制出反射式光纖位移傳感的調制特性曲線，如圖3。由圖3可知，不同驅動電流下的調制特性曲線都在相同位置出現極大值，當位移小于極大值時，為遞增函數，稱之為“前坡”，反之為“后坡”[7]。系統可工作在這兩個區域中，即“前坡”工作區和“后坡”工作區?？梢钥闯?，當在“前坡”工作時，可以有較高的靈敏度;當在“后坡”工作時，可以獲得較寬的動態范圍。圖4為系統儀器的照片。

3 專業綜合訓練的實施形式

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

首先，領取任務書，由指導教師將訓練內容與要求以書面形式發到每個學生手中。教師講解訓練內容、目的和一些具體要求。此部分既要讓學生明確訓練的總體目標，更要讓學生有明確的階段性小目標，讓學生清楚如何查資料、應該查什么樣的資料、要實現什么目標。

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

再次，原理圖與PCB板圖的繪制，讓學生熟悉專業的繪圖制版軟件，并熟悉電路板設計制作的流程。考慮到PCB板的制作成本、生產周期和后期調試問題，并不把學生的版圖拿去工廠進行加工制作，而是在學生設計后期將已做好的PCB板及對應的版圖資料一起發給學生。通過對比、改進、總結，讓學生發現設計中的不足，掌握布局布線的方法與技巧。接著是電路板的焊接與調試。一方面讓學生掌握各種封裝形式元件的焊接工藝及技巧，另一方面更要讓學生掌握硬件調試，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劣，從而讓學生充分認識到調試在整個系統設計中的重要地位。

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

軟件編寫，由于學生已進行過單片機課程設計，對C51單片機編程已具備一定的基礎，所以這部分內容主要體現在功能實現上。要求實現既定基本功能，當然也鼓勵學生進行功能拓展，充分利用MCU內部資源和硬件電路板的各個模塊。經過3天的軟件編寫，發現大部分學生都能實現要求的基本功能，有相當一部分學生對系統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生，老師將軟件功能拆分，指導其分步分塊實現，盡可能地激發其編程熱情，使其縮小與其他同學的差距。

系統性能綜合測試，除了要求學生繪制出不同驅動電流下的反射式位移傳感器的調制特性曲線外，還要求學生測量光源的P-I特性曲線等。進行系統調零、增益調節等功能測試，并評估儀器性能參數。

最后，文檔撰寫，以往學生容易忽視文檔撰寫的重要性，互相抄襲、東拼西湊現象時有發生。為了避免此類情況的發生，教師在訓練之初就反復強調文檔在整個系統設計中的重要性，并將文檔撰寫的質量作為評定成績的一個重要依據。

4 專業綜合訓練模式探尋

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

1）在內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品為載體，并且該產品在行業中具有一定的代表性，與當前主流光電產品特征相近且與專業知識背景密切相關，使學生在光學、電子、機械設計和計算機應用等各方面都能得到綜合鍛煉。這就要求專業綜合訓練與前期大學本科三年所學各科課程有較好的知識點銜接，既包含如應用光學、物理光學、光電子學、光電信息檢測、光輻射、光學材料、光學制造工藝、光學測試等光學類主要專業課程知識運用，也要包含如光學精密設計、光學機械CAD、數字和模擬電路及電子設計自動化工具的運用，還要覆蓋微機原理與接口技術、軟件基礎、程序設計等計算機方面的知識運用，使學生在最大的知識范疇內得到充分的發揮和鍛煉。

2）研發與設計過程滿足“大過程”特征，體現在盡可能多的覆蓋產品制造鏈上的步驟和過程，讓學生對產品選型、市場定位、經濟和技術可行性分析、論證、設計、仿真、加工、裝配、測試檢驗、分析評估等環節和步驟都有感性經歷和體會。

3）在實施過程中必須能夠讓每個學生都擔當企業工人、技術員、管理員等多重角色，人人動手，充分參與生產、研發設計的每個環節。

4）開辟校內專業綜合訓練基地或工程訓練中心。自2005年以來，分別在燕山大學特種光纖研發基地和光電類實踐教學基地進行過實習與訓練。

（下轉第89頁）

5 結束語

專業綜合訓練是學校實踐教學的重要組成部分，是教育教學體系中一個不可缺少的重要環節。專業綜合訓練是培養技能型人才、實現培養目標的主要途徑之一。它不僅是課程教學的總結，更是課程教學的延續。實踐教學如何滿足社會的需求是近幾年各高等院校共同關注的焦點，探討實踐教學改革的思路，有利于推進人才培養進程。

參考文獻

[1]林逸群.光電信息工程專業實習新模式探索和實踐[J].光學技術，2008，12（34）：307-308.

[2]代峰燕，曹建樹.基于CDIO理念的測控專業綜合訓練改革探索[J].實驗室研究與探索，2011，5（30）：88-90.

[3]楊連發，周婭，廖維奇，等.工科類專業綜合訓練現狀及實習模式改革探討[J].中國現代教育裝備，2011，（1）：90-92.

[4]魏計林，王青獅，邱選兵.光信息科學與技術專業實踐教學體系研究[J]. 教育理論與實踐，2013，（6）：50-52.

[5]高朋，黃濤，薛艷霞.光電信息技術實驗與實踐教學體系的建設[J].沈陽師范大學學報，2010，（1）：41-44.

[6]陳順芳，徐四六.光電信息實驗、實踐平臺構建的探究[J].咸寧學院學報，2011，（6）：22-24.

[7]馬玉真，宋方臻.具有補償功能的光纖傳感器結構設計中的仿真分析[J].教育教學論壇，2012，（11）：68-69.