新工科背景下应用型本科人才工程实践与创新能力培养的探索——以电子科技大学中山学院光电信息科学与工程专业为例

刘凯，王红航，刘黎明，刘根据，迟峰，高玉梅

（电子科技大学中山学院 电子信息学院，广东 中山）

为加快建设和发展新工科，培养具有创新创业意识的“新工科”人才，近年来电子科技大学中山学院结合地方产业发展对应用型专业人才的需求，创新工程教育方式与手段，着力加强实践基地建设。众所周知，LED照明产业已发展为中山的支柱产业，仅中山古镇的LED灯饰产销量就占了全国的60%之多。因此，中山的LED照明产业对光电类专业人才有强劲的需求。在此背景下，2016年学校将原电子科学与技术专业的“光源与照明”方向上进行升级，申报设置光电信息科学与工程专业，并通过教育部批准审核，2017年开始招生。该专业开设了LED照明与光电显示特色方向，以培养厚基础、重实践的高素质应用型本科人才为目标[1]。2018年，该专业立项开始广东省高等学校特色专业建设，进一步凸显“实践+创新”的应用型人才培养特色[2]。

传统的实践形式是带学生到真实的生产线实践，目的是通过真实的生产环境和作业规范，让学生理解产品如何生产和制备，通过亲手生产制作，提高学生的实践动手能力[3-4]。但在实践活动中，企业和学校对学生实习目标不能达成一致[5-6]。学校希望学生在企业能够理论联系实际，通过动手实践，增长自己的才干，提升自己的本领。企业却把利润放在首位，把学生当产线工人来用，无暇培训指导学生。这样的实践形式得不到学校和学生的支持。

我校前期的生产实践环节是通过装配收音机来实现提升学生的实践能力，该实践过程没有生产规范，也没有其它强制约束手段，后期的实践考核仅凭收音机是否能正常工作和一份实践报告，没有后期的质量跟踪，学生抱着玩的心态，对错无所谓，不能形成对真正产品的认知和敬畏，达不到“新工科”人才培养的目的。

为更好地培养学生的工程能力，我校实验中心投资100万元建成的“电子工程实训基地”，将电子产品的生产线搬到学校。这种实践形式学校可以自主安排理论课程和生产实习，但是学生课内实践产品与真正的产品还有很大的距离。一方面企业订单对时效性要求高，需要一周甚至几天之内完成，学生课内实践产品难以满足企业时效性要求；另一方面市场对学生生产的产品有顾虑，也不能真正放心使用，致使我们的产品无法真正走向市场。

为提高光电专业学生的工程实践创新能力，光电科研教学团队的教师们一直在寻找合适的实践实训项目。合适的项目要求为：在项目实施的过程中，教师可以主导产品的整个研发和生产过程，学生可以在教师的指导下全程参与工程实训课程，并且最终的产品能够被市场接受。

一 借助产学研走出困境

（一） 工程实训课程产品调研

光电科研教学团队在调研过程中，了解到校内明德楼的楼梯间节能灯损坏率很高，节能灯和人工成本都很高。该楼梯采用声光控制系统，用节能灯作为电光源，这个系统引入的目的是节能环保，但是实际使用的时候却问题频出。首先节能灯寿命短，同学们学习相关活动造成节能灯频繁启动，致使节能灯寿命仅能维持大概3个月。其次节能灯成本高，明德楼1600只灯，一年需要更换的数量为6400只灯，每只灯的仓库价格为9.00元，一年共需费用为5.76万元。

鉴于LED灯节能环保、寿命长，光电科研教学团队决定用7W LED球形灯作为明德楼楼梯灯的替代产品。

LED灯具电光转换效率为100lm/W，而节能灯为75lm/W，7W LED灯和13W节能灯发出的光通量等同，LED灯更节能；LED灯珠寿命大约10万小时，为节能灯的100倍；优化设计电源控制LED灯，可以延长LED灯的寿命。预估明德楼一年用LED球形灯的费用为2.88万元，共计节约费用为2.88万元，LED球形灯提供三年质保，三年共节约费用为14.4万元，同时节约人工成本。以上只是明德楼的楼梯灯成本核算状况，继明德楼后，厚德楼、1~4号教学楼、实验楼和行政楼等，整个中山学院用到楼梯灯的地方都可以使用LED灯替代。

（二） 工程实训课程产品研发

光电科研教学团队教师综合分析市面上7W LED球形灯的性能指标，总结出项目的主攻方向：（1）芯片选型；（2）灯具散热；（3）灯具发光质量。楼梯灯对LED的显色指数和色温要求均不高，考虑到节能效果，团队选择LG 5630灯珠。

LED是将电能转化为光能的器件，但因为电光转换效率比较低，大部分的电能转换为热能，而这些热如果不能有效散去，将直接影响LED的光色电性能指标，从而影响其光效和寿命，因此LED灯具设计的首要因素便是散热。在实际的设计中，团队主要通过对LED灯结构的选择以及工艺的改善来解决LED灯的散热问题。通过调研7W LED球形灯的各种外壳结构，决定采用塑包铝外壳结构，这种结构的优点是：外壳里层是铝材质，便于散热；外层是塑料，绝缘效果好，且塑料方便制作固定PCB板的卡槽。缺点是要解决球形灯的整体散热问题，尤其是驱动电路的散热。为了解决球形灯的整体散热问题，我们尝试在灯具内部灌散热胶，在灯具内部的铝表面涂碳纳米管材料，将外部塑料变为镂空结构等等，通过使用杭州虹普的TP200多路温度巡检仪检测各种方案下LED灯珠PCB板、LED电源驱动板和LED灯具内外表面的温度，结果表明这些措施均可以有效降低LED灯具的温度。结合量产、模具费用和成本等各种因素的影响，团队最终选择在灯具内部灌散热胶来实现LED灯具的散热。同时，在工艺上采取一系列措施来帮助LED灯具散热，比如：将LED灯珠PCB板的铝基板厚度由0.3mm增加到0.5mm，使用导热的粘合剂，将外层塑料变为导热塑料等等。

封装好的LED灯珠光效可以达到130lm/W，但是LED灯珠是点光源，灯光刺眼、眩光，对人眼的伤害极大。前期团队使用带磨砂面的亚克力罩，使得光在灯罩内发生漫反射，可以消除眩光，达到较好的用户体验；但光损失达到17%，违背了LED节能的初衷。后期团队使用纳米高漫反射反光涂层，涂层对光线的全反射率极高，在波长380~1020 nm范围内，反射率均在97%以上。涂层的使用使得LED光线几乎可以全部反射出来，光损失较低，进一步实现节能高效的目标。

（三） 工程实训课程设计

工程实训课程从研发方案设计、生产品质控制、生产测试、使用过程的质量跟进和可靠性统计等方面设计学生的生产实践环节，让学生对项目有整体的系统的认识[7-8]。课程一方面训练学生的科研思维，即针对某个实际问题，提出解决问题的办法，并付诸行动的一系列过程。另一方面训练学生理论联系实际的能力。学生在这个过程中，会碰到各种问题，通过将理论知识点和具体的问题相结合，提高学生的思考能力和实践动手能力，从而提高他们对知识的理解程度。最后训练学生处理问题的思路。比如学生关注LED灯的显色指数，假设这个参数性能指标不理想，该用什么样的手段提升这个参数，提升这个参数以后会对其它参数产生什么影响，如何处理各个参数之间的互相影响。工程实训课程，通过学生的全程参与，训练学生的观察能力、分析和解决问题能力，让学生理解产品的面世过程和影响产品性能的各种因素，培养学生的工程实践创新性思维，夯实就业基础。

电子工程实训基地组建的电子产品中试生产线，完全按照企业化的生产工艺流程设计，具有40个工位，能完成电子电路的PCB制作、SMT表面贴装、DIP插件焊接、功能测试等流程。工程实训课程按班上课，每班40人，课程32课时共8次课。在基本操作课堂上，为让学生学习到扎实的基本功，避免出现虚焊、连锡、锡尖及锡渣等现象，光电科研教学团队专门设计“焊接训练板”，训练板设计不同的封装形式，如插针式、贴片式1206、0805和0603，QFP和TQFP封装，从大到小，从易到难。教师从焊接的基本操作流程开始教授，同时传授热风枪、烙铁的使用技巧和烙铁头的保养方法。每个同学都要在焊接技术上过关之后，才能进入到生产实践环节。生产实践环节包括LED驱动电源板上电子元器件的焊接、灯具的组装和测试，为了保证生产实践的规范性，教师带领学生专门制作7W LED球形灯作业指导书，规范学生在制备时的每一步操作，保证产品的良率。

为完成学校明德楼楼梯灯生产，工程实训课程又追加了球形灯封胶、总检等流程；同时整合电子薄膜与集成器件国家重点实验室中山分实验室中LED的相关测试设备对LED的光色电性能参数及寿命进行测试。

（四） 工程实训课程特色

电子科技大学中山学院的工程实训课程，是在新工科背景下对工程教育的探索和实践。工程实训课程配套的电子工程实训基地，产线制度严谨，生产操作规范，是真正的生产线；学生态度认真，完全按照规范进行操作，对自己对同伴要求严格，在实践中培养企业精神；工程实训课程研发生产的7W LED球泡灯提供给学校后勤使用，走向了市场，是真正的产品，受市场的规范和约束。在工程实训课堂上，学生可以亲身经历一次科学研究的全过程，亲身经历一次产品诞生的全过程，这为提升学生的创新思维能力，锻炼团队协作能力，增强知识运用能力提高了非常好的机会。

二 借助产学研对于人才培养的效果

7W LED球形灯项目经过持续研发和工艺改善，取得阶段性的成果。经第三方权威机构检测，球形灯各项性能指标均符合国家标准，且处于业界领先，并且获得两项国家发明专利。球形灯在小批量试用后，质量得到学校后勤保障部肯定，成为我校楼梯间的指定用灯。教学团队与学校后勤保障部签订长期供应协议，该协议通过将学生实训的球形灯卖给学校后勤保障部，将科研、教学和市场联系起来，实现科研成果-理论教学-实践教学-成品质量检验-推向市场一条完整的产学研体系，做到协同创新，资源共享；实现产教融合，促进理论与实践紧密结合，创新人才培养模式，提高学校高素质应用型人才的培养质量。

我们的工程实训课程采用了新型的项目浸润式教学模式，该教学模式以学生为教学核心、以教师为指导，强调教师的引导作用以及学生的主体地位，强调学生动手操作、主动学习和自主思考问题，该教学模式可以增强学生之间的探讨活动和师生的互动性，培养学生的创新精神，改变传统教学模式带来的问题。球形灯项目研发过程中，教师引导学生不断提出问题、解决问题，使得学生能参与项目的调研、数据测试和分析、驱动电路的设计、LED灯珠板和整灯的散热方案选择，给学生宝贵的科研实践。球形灯项目制备过程中，教师引导学生设计焊接训练板、定制作业指导书，使得学生能参与教师的课程设计中，理解教师在教学中的良苦用心，在小组作业过程中，更好地传达教师的想法，更高效完成实践教学环节。

本课程教学团队的教师获得了学生的高度评价，评教分连续四年位列学院第一。根据课后反馈，学生充分肯定的教学效果主要体现在三个方面：（1）借助产学研，进入实际的研发环境中，有助于提升学生后续科研创新能力；（2）参与完成整个项目，有助于提升学生的科研项目管理能力；（3）通过工程实训，拥有了产品产线的经历，增强了实践能力，为下一步进入企业工作奠定基础。

三 结语

论文借助工程实训课程的教学改革，践行新工科的工程教育理念。通过对传统实践教学课程的剖析，引出工程实训课程的必要性。依托LED灯开发项目开设工程实训课程，让光电专业学生亲身经历实施科研项目和开发产品的全过程，使其对产品和工程有更深刻的认识和领会，有效提高了学生的工程实践与创新能力，有力促进了产学研协同创新。本文的探索有助于提高应用型人才培养工作质量，满足地方产业发展对专业人才的需求，也为新工科背景下应用型本科人才的工程实践与创新能力培养提供了新思路。