光電信息專業校內模塊化實習實訓平臺的建設與探討

徐中輝，汪峰，陳妍，吳軍，楊書新，王利強

摘要：光電實習實訓是光電信息科學與工程本科生培養方案中不可缺少的重要教學環節，是理論與實踐相結合的有效途徑。本文探討在建設校外實習實訓基地存在客觀困難時，構建光電信息專業校內模塊化實習實訓平臺的可行性。該實習實訓平臺不同的模塊可以讓學生通過模擬在企業運營中的生產、裝配、檢測等真實工位進行輪崗實踐，掌握產品的制作流程與工藝，熟悉生產設備、工裝卡具、檢測設備的主要技術參數，熟悉產品種類、性能、規格及產品使用范圍。最終讓實現以社會需求為導向，以實際工程為背景，以工程技術為主線，將職業標準中對職業崗位的知識、能力和職業素質的要求內化于學校教學，全面系統地模擬工程實際的教學目標。

關鍵詞：光電信息；模塊化；實習實訓；實踐能力

中圖分類號：G424.4；O439 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）35-0223-05

一、引言

光電信息技術是由光學、光電子、微電子等技術結合而成的多學科綜合技術，涉及光信息的輻射、傳輸、探測以及光電信息的轉換、存儲、處理與顯示等眾多的內容。隨著全球經濟的迅猛增長及科學技術水平的不斷飛躍，作為21世紀信息技術發展的熱點和競爭焦點的光電產業已成為信息時代的技術基礎和不可或缺的新興產業。近年來，隨著光電信息技術產業的迅速發展，對從業人員和人才的需求逐年增多，因而對光電信息技術基本知識的需求量也在逐漸增加。光電信息技術以其極快的響應速度、極寬的頻寬、極大的信息容量以及極高的信息效率和分辨率推動著現代信息技術的發展，從而使光電信息產業在市場中的份額也逐年增加。在技術發達國家，與光電信息技術相關產業的產值已占國民經濟總產值的一半以上，從業人員逐年增多，競爭力也越來越強。

在此背景下，教育部為適應國內外光電信息技術和產業迅速發展對人才培養的需求，于2009年制定并發布了《全國高等學校光電信息科學與工程類專業指導性專業規范（征求意見稿）》，明確了該類專業的發展戰略和專業規范，對本科教學的培養目標教育內容課程體系等方面進行了宏觀說明，建議各個學校根據自己的傳統與特色進行課程設置。光電信息科學與工程專業強調理論學習與具體實踐相結合，要求學習者有堅實的物理、數學基礎和縝密的思維能力。為提高學生的實踐能力和創新精神，光電信息科學與工程專業必須加強實踐性環節的教學，采用頂層設計的方法，總體構建實踐性環節教學體系，著重培養學生的實踐能力。

二、校內模塊化光電實習實訓平臺建設

光電信息校外實習基地作為高校實踐教學的重要場所在高校人才培養過程中起到了重要的作用，但是在市場經濟條件下，企業更加重視經濟效益，由于學生生產實踐經驗不足、動手能力不強等原因，高校學生實習會對企業經濟效益有影響，而企業無法從中獲得自身的利益，有時還會造成企業人力、物力的支出和生產成本的增加，挫傷了企業參與學校實習教學的積極性，使得學校與實習基地的合作方式僵化，合作層次低，無法保證實習基地穩定而高效地為學校實習教學服務。這使得校外實習基地的建設和實際運行時碰到不少困難，光電信息專業校內模塊化實習實訓平臺的建設是解決這種困境的一種有效途徑，學校可以利用現有試驗設備和條件根據光電信息專業的知識特點建立模塊化的實習實訓平臺，如圖1所示，光電信息專業校內模塊化光電實習實訓平臺包含激光原理技術及應用、光電器件的設計與測試、光纖光學原理技術及應用、應用光譜學實踐系統、光學器件組裝及檢測和光學機械設計及測量等六大模塊。

1.激光原理技術及應用模塊。激光技術是20世紀與原子能、半導體及計算機齊名的四項重大發明之一。幾十年來，以激光器為基礎的激光技術在我國得到了迅速的發展，現已廣泛用于工業生產、通訊、信息處理、醫療衛生、軍事、文化教育以及科學研究等各個領域，取得了很好的經濟效益和社會效益，對國民經濟及社會發展將發揮愈來愈重要的作用。

近幾年國內激光產業發展迅猛，年均增長率達15%以上，激光產業需要大量高素質技術技能型人才。但目前激光專業人才培養和激光企業崗位人才需求存在差距，具體表現為培養的激光專業低端人才多、中高端人才缺乏。主要是由于激光產業的快速發展和新技術、新工藝不斷涌現，激光企業的人才需求變化較大，激光專業人才培養與激光企業需求沒有有效對接，學生從學校獲得的知識、能力滿足不了激光企業中、高級崗位，如產品調試、售后、工藝、設計等崗位對知識及能力的要求。

激光原理技術及應用模塊針對激光產業巨大的專業人才需求，結合光電信息科學與工程的人才培養計劃，緊扣課本核心知識點、貼合行業測試標準讓、針對實際應用場景，使學生掌握不同類型激光器的原理、構造，激光器光電參數測試方法，熟悉激光加工、激光顯示等行業應用，在強化專業知識的基礎上，提高學生動手能力。激光原理技術及應用模塊（詳細見圖2所示）包括半導體激光器制造、固體激光器制造、激光器光譜特性測量、光束質量分析、激光功率測量、半導體激光器參數測量、RGB激光合束、激光顯示應用、光纖激光器制造、光纖激光打標、激光焊接、激光切割等內容。

2.光電器件的設計與測試模塊。隨著人類社會進入信息時代，光與電子一起成為信息的基本載體，光電子學在現代信息技術中發揮越來越重要的作用。以光電子技術為基礎的光電子器件極大地擴大了光學工程技術在人類生活中的作用，構成了現代光學產業的重要組成部分，極大地推進了人類社會的發展。目前光通信產業發展迅猛，光電子器件是光通信系統的基礎與核心，其質量直接關系到整個系統、分系統、單機產品的質量。

針對光電子器件產業的市場需求，結合光電信息科學與工程專業卓越工程師的培養計劃，綜合應用光纖制備技術、激光焊接技術、可靠性測試技術，制備光通訊行業中廣泛使用的光纖耦合半導體激光器、光纖耦合探測器及光纖跳線等其他無源器件，并用這些器件設計光通訊系統。根據實際生產線的工藝環節與過程，光電器件的設計與測試模塊包括光纖切割與光纖插針制備、光纖端面研磨、光纖端面檢測、器件外觀尺寸檢驗及光電特性測試、器件裝配與顯微鏡檢驗、光電子器件光纖耦合、三自由度激光焊接、通訊器件工程訓練、光電特性參數測量和溫度測試等內容。

3.光纖光學原理技術及應用模塊。隨著網絡化信息時代的到來，人們對信息的需求與日俱增，如何提升信息的傳輸帶寬與抗電磁干擾能力一直是各國通信領域所關注的焦點。寬帶城域網是我國信息化建設的熱點，密集波分復用的巨大帶寬和傳輸數據的透明性，無疑是當今光纖應用領域的首選技術。光通信是一種以光波為傳輸媒質的通信方式，由于其具有傳輸帶寬大、傳輸損耗低，傳輸速度快等特點，使光通信技術在通信基礎網絡建設中占據著主導地位，并承載著通信網絡中80%以上的信息流量。未來傳輸網絡的最終目標，是構建全光網絡，即在接入網、城域網、骨干網完全實現“光纖傳輸代替銅線傳輸”。骨干網和城域網已經基本實現了全光化，部分網絡發展較快的區域，也實現了部分接入層的光進銅退。

針對目前光電相關專業創新人才培養模式與培養應用型技術人才的教改重點及迫切需求，在結合教學大綱基礎上，以《光纖光學》、《光網絡通信與技術》等課本知識為架構，光通信行業應用為背景，實際企業產線工藝為依托，建立光纖光學原理技術及應用模塊，使學生可以由淺入深地觸及光通信的器件、搭建、測試等各工程應用領域實際，實現從理論到行業工藝的對接。該模塊包括光通信器件基礎訓練、光纖熔接訓練、光時域反射儀訓練、光無源器件測試、摻鉺光纖放大器特性測量、光纖通信鏈路測試、光纖通信網絡測試、可見光通信測試、LiFi室內定位與信息推送、平面光波導分束器制備、波分復用器制備等內容。

4.應用光譜學實踐系統模塊。光譜學是光學的一個分支學科，它主要研究各種物質的光譜的產生及其同物質之間的相互作用。光譜是電磁輻射按照波長的有序排列，根據實驗條件的不同，各個輻射波長都具有各自的特征強度。通過光譜的研究，人們可以得到原子、分子等的能級結構、能級壽命、電子的組態、分子的幾何形狀、化學鍵的性質、反應動力學等多方面物質結構的知識。光譜學并不僅是一門基礎科學，在日常應用中它也是一種重要的定性、定量測量方法，廣泛應用于農業、醫藥、環保、化工、印刷、紡織、新能源和半導體工業中。

特別是隨著微型電子電路和網絡技術的發展，過去只能在實驗室內完成的光譜學檢測手段，現在可以工業在線和現場檢測，拓展了其新的應用領域。光纖光譜儀作為一種成本低、小型化、穩定性高的分析儀器，具有其他技術難以比擬的優勢，成為我國民生與工農業領域不可或缺的重要設備，國內不少院校開始開設相關課程以滿足光譜產業化發展的人才需求。

針對這個現狀，應用光譜學實踐系統模塊是一套光學理論結合行業實踐的光譜創新實訓系統，通過這套系統，讓光電專業學生提前了解理論應用于實踐過程中的問題，并可以作為教師和學生面對廣闊應用的科研開發平臺。應用光譜學實踐系統模塊包括光度學測量、輻射度學與絕對輻射校準、反射顏色測量、LED光源色度學測量、透射測量與濾光片測量、分光光度法測量、熒光光譜測量、薄膜測厚、原子發射光譜測量、拉曼光譜測量及物質鑒別等內容。

5.光學器件組裝及檢測模塊。近幾年來，隨著相機、手機、電腦等光電產品在日常生活中的普及率越來越高，對光電產品需求的增加進一步推動了光學元件產業的發展。未來幾年手機制造行業對光學玻璃產品以及其他光學元器件的需求將會繼續高速增長。此外在安全監控、體感游戲機、指紋/掌紋辨識器、LED照明、生物醫療、智能電視等行業，對于光學元件的需求也呈上升趨勢。

光學元器件的裝配與測試行業的技術含量較高，但生產自動化程度不高，工人工藝技術和生產管理水平直接影響產品質量和良品率的高低，因此光學元器件的檢驗與裝配各工序要求非常精細，需要具有豐富的光學知識、熟練掌握光學工藝的工程師。作為光電信息專業的學生只有掌握光學器件加工及檢測的基礎知識與技能，接受基礎光學設計及制作的應用訓練，學習光電信息行業中光電產品設計及制造方法，才能成為光電信息行業及相關領域的核心人才。

針對光電信息專業推出光學器件組裝與檢驗實訓系統，集成光電產業內主要行業的光學元器件的檢測與裝配方法，緊貼《工程光學》、《光電檢測》、《光學設計》、《應用光學》、《光纖光學》等教材的核心知識點，結合光電產品設計、生產思路，合理分配學生操作、動手內容，嚴格執行工廠內部員工管理規則，實現從原理—設計—裝配—測試一整套生產流程，完成企業工程師的初步培養。光學器件組裝及檢測模塊包括光學元件清潔包裝與光潔度檢測、光學元件外形與面型檢測、光學元件拋光面形位公差檢測、光學棱鏡角度檢測；光學系統焦距、傳遞函數檢測；光學系統像差檢測、光學系統刀口儀檢測像差；分光、偏振、衍射光學元件檢測、光學鏡頭投影檢測、光學鏡頭組裝、視覺外形檢測、光學元件偏心檢測、鏡片鍍膜檢測，等等內容。

6.光學機械設計及測量模塊。機器視覺技術是一項新興產業，自起步發展至今，機器視覺在中國經歷了三個發展階段，其功能以及應用范圍隨著工業自動化的發展也在逐漸完善和推廣。而在世界范圍內，機器視覺已經為人類解決了許多重大問題，由于機器視覺自身領域的特點，目前應用于工業、農業、交通運輸業、新興行業等多領域，創造了人工無法比擬的經濟和社會價值。如今，中國正成為世界機器視覺發展最活躍的地區之一，應用范圍涵蓋了工業、農業、醫藥、軍事、航天、氣象、天文、公安、交通、安全、科研等國民經濟的各個行業。其重要原因是中國已經成為全球制造業的加工中心，高要求的零部件加工及其相應的先進生產線，使許多具有國際先進水平的機器視覺系統和應用經驗也進入了中國。

“中國制造2025”的概念越來越深入人心，機器視覺產業競爭的不斷加劇，大型機器視覺企業間并購整合與資本運作日趨頻繁，國內優秀的機器視覺生產企業愈來愈重視對行業市場的研究，特別是對企業發展環境和客戶需求趨勢變化的深入研究。一大批國內優秀的機器視覺品牌迅速崛起，逐漸成為機器視覺產業中的翹楚。目前國內機器視覺企業主要位于珠三角、長三角及環渤海地區，企業重點分布在廣東、浙江、江蘇、上海和北京等省市。現今在中國，機器視覺企業主要為民營企業，公司規模大多為中小規模企業，在規模上目前還難以與國外的主流公司產品競爭，只有提升自己的創新水平，才能形成真正的核心競爭力，占有更多的市場份額，在眾多國內機器視覺品牌中脫穎而出。國內機器視覺市場2011年開始啟動，2013年開始呈現爆發式增長，2014年中國市場規模80億，2015年預計200億甚至更多。

光學機械設計及測量綜合實訓系統，緊貼《視覺測量》、《光電檢測》、《圖像檢測技術》等教材核心知識點。實訓內容從機器視覺的構成原理出發，包括光源、鏡頭、相機（包括CCD相機和CMOS相機）相關訓練內容，以及機器視覺在現實工業上的相關實例應用。通過學習與操作該實訓系統，可以使學生感受實際光機電控制系統的組成、功能及控制原理，全面掌握光機電一體化技術的應用開發和集成技術，激發學生的學習興趣，鍛煉學生的創新及研發能力，從而使學生更能勝任將來的工作崗位，為自動化行業輸出更多的高新技術人才，助力行業新發展。光學機械設計及測量包括CCD基礎訓練、照明光源測試、成像鏡頭選取與標定訓練、工件二維尺寸檢測、機器視覺識別與定位、被動立體視覺與三維顯示、三維體感與人機交互訓練、面結構光投影三維數字化測量、3D打印訓練、智能相機參數實訓、視覺引導機器手臂實訓等內容。

三、結語

光電實習實訓是光電信息科學與工程本科生培養方案中不可缺少的重要教學環節，是理論與實踐相結合的有效途徑。為貫徹教育部“面向工程、寬基礎、強能力、重應用”的培養方針，以社會需求為導向，以實際工程為背景，以工程技術為主線，將職業標準中對職業崗位的知識、能力和職業素質的要求內化于學校教學，全面系統地模擬工程實際，在建設校外實習實訓基地存在客觀困難的時候，構建光電信息專業校內模塊化實習實訓平臺，該實習實訓平臺可以讓學生通過在企業運營中的生產、裝配、檢測等真實工位進行輪崗實踐，讓學生初步掌握產品的制作流程與工藝，熟悉生產設備、工裝卡具、檢測設備的主要技術參數，熟悉產品種類、性能、規格及產品使用范圍，最終讓學生了解光電企業典型產品生產的全過程。

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