光电系统创新设计实验教学与实践

熊铁军+郦文忠+黄凯

摘要：“光电系统创新设计实验”课是应用物理学专业一门综合性与应用性较强的实验课程。本文结合社会发展需求和教学实践，针对光电系统创新设计实验课程的特点，提出采用理论与实践相结合。通过光电基础实验、方案设计和实物制作深化创新设计的方法，结合作品建立多元考核制度等方式构建新的光电系统创新设计实验教学模式。

关键词：光电系统；创新设计；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）34-0270-02

一、引言

在知识经济下社会对创新应用型人才的迫切需求，工科高校应着重于提高大学生的综合素质和创新实践能力，主动适应社会对人才的需求，重点培养大学生创造性地学习能力和创新思维的方法，让大学生在实践中质疑、探索、求新求变、追求创新、追求卓越、善于批判和探究，善于发明和创新，把大学生创新、创造能力的提升放在一个重要的位置[1]。光电创新设计实验是应用物理学专业学生重要的综合性和应用性实践课，也是学生的必修课。

二、注重理论基础与知识储备

光电系统创新设计实验课程是继《大学物理》、《半导体物理》、《半导体器件》、《数字电路基础》等课程后的高层次的必修专业基础实验课程，是在学生入学后学习专业基础课的同时进行的一个理论联系实际的实践性教学环节。本实践课程侧重于对学生基本知识和基本技能的训练，强调的是有较强的应用能力和动手能力，为今后实际工作奠定基础。为了达到预期效果，顺利进行光电系统创新设计实验课程需对之前所学基础知识和理论进行复习和巩固，并启发学生的自主学习能动性，提高学生自学能力。为了达到好的实验课堂效果必须提前利用PPT总结、归纳知识重点和要点，给学生有较强的知识回顾映像。鼓励学生查阅相关专业期刊，上网搜索相应信息，了解光电的最新发展动态。

三、结合理论完成实验训练

通过对传感器和相应电路实验的了解、掌握，为后续的光电系统电路方案的编写、电路的设计奠定应用理论基础。本课程的实训内容为利用光敏電阻的光控灯实验（2学时）、利用红外发射接收二极管的红外遥控实验和红外转速计实验（4学时）、利用铂热电阻的数字温度计实验（2学时）。光控灯实验目的是了解和掌握光敏电阻特性，利用光敏电阻控制灯应用原理和电路原理，尤其是电路负载的控制方法。红外遥控实验和红外转速计实验目的是了解和掌握红外发射接收二极管的特性，其应用电路原理和特性，尤其是了解掌握红外遥控电路设计方法和要点，如编码和解码的原理方法；另外，红外转速计实验中的单片机系统的硬件和软件应用方法的了解和掌握，尤其是红外信号的运算放大器处理方法和C语言定时运算的编程方法。数字温度计实验目的是了解和掌握温度传感器的基本特性、电路组成、工作原理，尤其是温度信号的采集和信号的处理。

四、发挥潜能与创新设计

利用所学的理论和专业知识对特定的要求、条件和题目进行方案电路设计。为达到好的教学效果，在进行方案编写和电路设计时师生应进行互动，学生可查阅相关资料，以老师为辅，学生为主，必要时老师可以进行提示。考虑到学生第一次做光电设计实验，难度较大，课时有限，对理论与实际应用的生疏感，有待进一步多练习来消除。此外，电路的方案设计要求电路简单经济、功能齐全、效果好、电路工作稳定等特点。对于理论知识不足的学生，要求他们一开始就能设计出切实可行的设计方案和电路是不现实的，因此，指导老师要进行必要的提示或指引来解决，并对电路设计错误或不合理的原因进行分析。本课程的设计题目为利用光敏电阻实现220VAC灯光控制电路设计（4学时）、利用红外发射接收二极管的光电计数报警电路设计（4学时）、利用热敏电阻实现温度范围发光控制电路设计（4学时）。

五、结合设计方案进行实物制作

实验进行中，老师要逐一检查评价学生初步拟定的光电设计方案，设计电路，肯定合理部分，指出存在的问题。然后，学生开始选择领取电子元件，结合电路进行焊接。焊接时以不超过3人为一组，经过焊接检验自己设计方案的合理性、可操作性和完善性。在这一过程中，学生通常会遇到种种困难，暴露出自己的方案中存在的问题。这是正常现象，因为任何科学实验都要经过多次反复，何况是学生。出现问题之后老师会结合学生普遍存在的问题进行指导性讲解，允许并鼓励学生改进、完善设计思路，拟出切实可行的完整设计电路，并在此基础上正式开始焊接电路。（1）电路的焊接是对学生动手能力的锻炼和培养，要求焊接时无假焊、无虚焊，焊点要均匀美观，焊点不要太大或太小，电子元件按照电路设计原理图顺序布置。在放置电子元件时要注意元器件的极性和方向，要防止过多的连接线和交叉线，以防止电路出现短路现象发生。（2）电路的调试是电路制作的重要环节，通过调试能够发现电路设计和制作中存在的各种问题。学生第一次进行这样的电路调试应在老师的指导下进行，首先，将各单元电路与直流电源断开，从输入级开始逐一通电检查，并将示波器接入，观察示波器信号波形是否与理论设计曲线一致，若发现异常情况立即断电检查；其次，要了解和掌握各种电子测量仪器的正确使用，对于不会使用电子测量仪器的学生，指导老师要给予指导。最后，电路作品一定要调试成功，达到光电系统设计的正确结果。

六、结合作品建立多元化评分机制

老师应树立正确的课程考核观，将教学与考核过程紧密地联系起来。把课程考核的目的定位在“以评促学，以评促教”，即一方面激发学生学习的兴趣，引导学生积极主动地学习；另一方面检查老师教学效果，督促老师改进教学工作，提高教学质量[2]。电子实物作品制作的好坏体现了学生的动手能力、审美能力、逻辑思维能力、遇到问题的处理能力以及处理同学间关系的能力，结合作品建立多元化评分机制是对学生设计实验综合能力的考评、评价和认可。多元化评分机制就是注重学生个人能力的考评，实物制作是考核的重点部分，光电系统创新设计评分机制共分三个部分，第一部分是光电系统的方案设计和电路设计，它占设计实验总分的30%，它的内容包括实验目的、设计要求、电路原理图设计、电路参数的计算等方面；第二部分是光电系统的电路实物制作，它是对电路设计原理图是否合理正确的检验，是电路变成实物的必然过程，它占设计实验总分的40%，它的内容包括电路实物元器件摆放布置是否合理正确、实物外观是否美观、电路调试是否一次调试成功、焊接是否正确等，若电路实物出现短路、元器件出现爆裂、单元电路无信号输出等将酌情扣分处理；第三部分是光电系统创新设计的实验报告，它占设计实验总分的30%，设计实验报告是设计实验工作的全面总结，一份好的设计实验报告应当是完整的，简明扼要，突出重点，字迹工整，它的内容包括摘要、前言、电路原理图、电路的工作过程、电路实物焊接、电路调试和最后结果、附照片等。

七、结束语

随着科技不断发展和光电技术不断推陈出新，光电技术已深入到生活、工作的各方面，并且光电技术是信息科学技术的基础。结合光电系统创新设计实验这门课程，教师只有提高学生的实际动手能力，在理论和实践中不断摸索创新，采用灵活多样的教学方法，将新思想和新方法教给我们的学生，并尽可能激发学生学习兴趣，培养出具有创新意识、知识全面、工作能力强的适应社会需求的人才。

参考文献：

[1]陈中，理工科大学生创新实践能力培养的路径探究，教育理论与实践[J].2016，（15）.

[2]殷雄，普通本科院校课程多元化考核模式探析，中国成人教育[J].2016，（5）.