光电子专业综合训练实践教学模式初探

毕卫红+张保军+付广伟+卢启柱

[摘 要] 结合学科专业特点，积极探索专业综合训练实践教学模式。基于CDIO理念推进工程技术应用型人才培养模式的构建，提升实践教学占本科教学的权重。以燕山大学信息科学与工程学院光电子专业的专业综合训练为研究对象，从专业综合训练的目的与意义出发，对现行的专业综合训练内容——反射式光纤位移传感系统和训练形式进行阐述，同时也对专业综合训练改革进行探索与尝试，旨在为相关专业本科实践教学的开展、高素质人才培养提供有益的参考。

[关键词] 光电子专业;专业综合训练;反射式光纤位移传感;实践教学

[中图分类号] G642.44 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634（2014）04-0084-03

0 引言

光电子专业是以光电信息工程理论与技术为特色的信息类专业，致力于培养融合光、电、信息和计算机等学科的复合型人才。在光电信息工程专业教学中，专业综合训练作为一个必修实践环节，是加强学生工程训练的重要手段，对培养学生的创新精神和实践能力不可或缺[1]。同时，也是贯彻CDIO理念的重要方式[2]。发达国家的工科院校十分重视对学生工程实践能力的培养，如要求学生在工厂进行32个月的生产实训，几乎占整个大学学习时间的1/4;而日本明确提出：工科院校4年教育要始终围绕工程和联系工程实际进行。与发达国家相比，国内工科院校在实践教学尤其是工程实践教学方面存在明显差距，普遍存在着“课程设计简化、毕业设计软化、专业综合训练与生产实习形式化”的现象[3]。太原科技大学光信息科学与技术专业的专业实验是将专业课实验去掉，形成一个64学时的专业综合实验课[4]。高朋等人介绍了沈阳师范大学在课外开放实验与实践活动中进行专业实践模块，与专业实验课程互为补充[5]。陈顺芳等人就咸宁学院光电信息实验与实践平台的构建进行了详细的阐述[6]，具体实施也是以课外开放实验的方式进行。

专业综合训练起着从课本理论知识向专业实践能力过渡的桥梁作用，轻视这一教学环节会使学生走向社会后的适应性降低及适应周期加长。因此，提高对这一教学环节重要性的认识，加大对其的投入，加强对该教学环节的建设，对保证这一教学环节有力、有序、有效地开展，具有极为重要的意义。鉴于此，本文针对光电类专业综合训练实践教学目的、内容、模式等方面进行初步探索与研究。

1 专业综合训练的目的与意义

光电子专业综合训练的目的在于，使学生掌握电子技术和光学基本理论，了解光学原理、光电检测技术及检测仪器在生产实际和科学研究中的应用情况;使学生对光源、光电探测器与传感器等方面的知识有更进一步的认识和掌握。专业综合训练是安排在大四的一项教学实践环节，是在学生学习了本专业的全部专业基础课和专业课后进行的。通过专业综合训练，拓宽学生的知识面，增加感性认识，培养学生进行调查研究、分析和解决工程实际问题的能力，为将来的工作打下坚实的基础。

2 燕山大学光电子专业综合训练内容与模式

燕山大学信息科学与工程学院光电类共有5个专业实验室、1个教学示范中心和1个光电类实践教学基地，基本上能满足7个教学班级的实践活动。专业综合训练通常是选择一些难度适中、具有较强应用背景的题目来进行仿真生产。早在2005年就设置了为期1周的专业综合实验，曾先后进行过“CCD综合实验”、“光纤F-P干涉仪”、“光纤亮度测温仪”等实验，由于学时较少，所以还是以“设计型”实验为主。随着教学改革逐年深入，实践教学日益受到关注，教育部启动了“卓越工程师教育培养计划”试点，引入了国际工程教育改革的最新成果——CDIO工程教育模式与理念，所有这些都推动了燕山大学的实践教学改革，专业综合实验学时由1周增加到2周，到2012年增加到4周。这项实践环节主要是在校内专业实验室进行，这一点有别于生产实习。

训练内容为设计制作一光纤位移传感系统，属于反射式强度调制光纤传感器，是一种非功能型光纤传感器。利用待测物理量引起光强变化，通过检测光强的变化实现对待测物理量的测量，如位移、压力、振动、表面粗糙度等。反射式光纤探头如图1所示。光纤探头A由两根光纤组成，一根用于发射光，一根用于接收反射体反射的光，R是镀膜的反射体。

系统装置的原理框图如图2所示，MCU采用宏晶公司的STC12C5A60S2。实现数控恒流源来驱动LED/LD发光，采用AVAGO公司的T-1527作为光源，探测器采用与之匹配的R-2526，反射光强经过信号处理后进行A/D转换，最后在LCD1602显示屏或者数码管上显示出来。载有光纤探头的二维位移调节架可以记录其位移，这样便可以得到位移与反射光强的关系，记录多组数据便可绘制出反射式光纤位移传感的调制特性曲线，如图3。由图3可知，不同驱动电流下的调制特性曲线都在相同位置出现极大值，当位移小于极大值时，为递增函数，称之为“前坡”，反之为“后坡”[7]。系统可工作在这两个区域中，即“前坡”工作区和“后坡”工作区。可以看出，当在“前坡”工作时，可以有较高的灵敏度;当在“后坡”工作时，可以获得较宽的动态范围。图4为系统仪器的照片。

3 专业综合训练的实施形式

专业综合训练的实施形式是保证训练成效的重要前提。图5为专业综合训练的流程图。学生在校内专业实验室进行查阅文献、设计、元器件选择、原理图绘制、PCB板的制作、光纤组件的设计与制作、焊接、硬件调试及其软件编写、文档撰写等工作[3]。

首先，领取任务书，由指导教师将训练内容与要求以书面形式发到每个学生手中。教师讲解训练内容、目的和一些具体要求。此部分既要让学生明确训练的总体目标，更要让学生有明确的阶段性小目标，让学生清楚如何查资料、应该查什么样的资料、要实现什么目标。

其次，查阅文献资料，根据任务书的要求进行电路设计、光学组件设计。以往给学生留出时间查阅文献资料，只有小部分学生能按要求完成，效果不理想。针对这一弊病，采取了分小组汇报设计方案的形式，每3人1组以PPT形式汇报本小组的设计方案，同时指导老师给出评价。该部分内容占学生成绩的一部分，从而极大地调动了学生查阅资料的积极性和效率。

再次，原理图与PCB板图的绘制，让学生熟悉专业的绘图制版软件，并熟悉电路板设计制作的流程。考虑到PCB板的制作成本、生产周期和后期调试问题，并不把学生的版图拿去工厂进行加工制作，而是在学生设计后期将已做好的PCB板及对应的版图资料一起发给学生。通过对比、改进、总结，让学生发现设计中的不足，掌握布局布线的方法与技巧。接着是电路板的焊接与调试。一方面让学生掌握各种封装形式元件的焊接工艺及技巧，另一方面更要让学生掌握硬件调试，包括电性能测试和一些简单的测试程序来评估硬件及其焊接工艺的优劣，从而让学生充分认识到调试在整个系统设计中的重要地位。

此外，给学生的光纤组件基本都是半成品，要让学生制作光纤接头。由于系统采用的是粗芯塑料光纤，加工制作的工艺要求比较低，学生在教师的指导下基本都能完成并达到要求。

软件编写，由于学生已进行过单片机课程设计，对C51单片机编程已具备一定的基础，所以这部分内容主要体现在功能实现上。要求实现既定基本功能，当然也鼓励学生进行功能拓展，充分利用MCU内部资源和硬件电路板的各个模块。经过3天的软件编写，发现大部分学生都能实现要求的基本功能，有相当一部分学生对系统进行了各种各样的扩展，效果甚至超出了老师的想象。对于一些编程能力差的学生，老师将软件功能拆分，指导其分步分块实现，尽可能地激发其编程热情，使其缩小与其他同学的差距。

系统性能综合测试，除了要求学生绘制出不同驱动电流下的反射式位移传感器的调制特性曲线外，还要求学生测量光源的P-I特性曲线等。进行系统调零、增益调节等功能测试，并评估仪器性能参数。

最后，文档撰写，以往学生容易忽视文档撰写的重要性，互相抄袭、东拼西凑现象时有发生。为了避免此类情况的发生，教师在训练之初就反复强调文档在整个系统设计中的重要性，并将文档撰写的质量作为评定成绩的一个重要依据。

4 专业综合训练模式探寻

不断探寻专业综合训练的新模式，是深化本科实践教育的需要，是培养学生实践技能、综合素质的重要保证。燕山大学信息科学与工程学院光电子工程系对专业综合训练的模式进行了初步探寻，具体包括以下几个方面。

1）在内容上选择与定位一些综合程度比较高的题目，通常以一个具体的光电产品为载体，并且该产品在行业中具有一定的代表性，与当前主流光电产品特征相近且与专业知识背景密切相关，使学生在光学、电子、机械设计和计算机应用等各方面都能得到综合锻炼。这就要求专业综合训练与前期大学本科三年所学各科课程有较好的知识点衔接，既包含如应用光学、物理光学、光电子学、光电信息检测、光辐射、光学材料、光学制造工艺、光学测试等光学类主要专业课程知识运用，也要包含如光学精密设计、光学机械CAD、数字和模拟电路及电子设计自动化工具的运用，还要覆盖微机原理与接口技术、软件基础、程序设计等计算机方面的知识运用，使学生在最大的知识范畴内得到充分的发挥和锻炼。

2）研发与设计过程满足“大过程”特征，体现在尽可能多的覆盖产品制造链上的步骤和过程，让学生对产品选型、市场定位、经济和技术可行性分析、论证、设计、仿真、加工、装配、测试检验、分析评估等环节和步骤都有感性经历和体会。

3）在实施过程中必须能够让每个学生都担当企业工人、技术员、管理员等多重角色，人人动手，充分参与生产、研发设计的每个环节。

4）开辟校内专业综合训练基地或工程训练中心。自2005年以来，分别在燕山大学特种光纤研发基地和光电类实践教学基地进行过实习与训练。

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5 结束语

专业综合训练是学校实践教学的重要组成部分，是教育教学体系中一个不可缺少的重要环节。专业综合训练是培养技能型人才、实现培养目标的主要途径之一。它不仅是课程教学的总结，更是课程教学的延续。实践教学如何满足社会的需求是近几年各高等院校共同关注的焦点，探讨实践教学改革的思路，有利于推进人才培养进程。

参考文献

[1]林逸群.光电信息工程专业实习新模式探索和实践[J].光学技术，2008，12（34）：307-308.

[2]代峰燕，曹建树.基于CDIO理念的测控专业综合训练改革探索[J].实验室研究与探索，2011，5（30）：88-90.

[3]杨连发，周娅，廖维奇，等.工科类专业综合训练现状及实习模式改革探讨[J].中国现代教育装备，2011，（1）：90-92.

[4]魏计林，王青狮，邱选兵.光信息科学与技术专业实践教学体系研究[J]. 教育理论与实践，2013，（6）：50-52.

[5]高朋，黄涛，薛艳霞.光电信息技术实验与实践教学体系的建设[J].沈阳师范大学学报，2010，（1）：41-44.

[6]陈顺芳，徐四六.光电信息实验、实践平台构建的探究[J].咸宁学院学报，2011，（6）：22-24.

[7]马玉真，宋方臻.具有补偿功能的光纤传感器结构设计中的仿真分析[J].教育教学论坛，2012，（11）：68-69.