“光電系統設計”課程教學的改革與探索①

李樹發++陳春雷

摘 要：該文介紹了“光電系統設計”課程的特點及目標，結合作者的教學經驗，對該課程進行教學改革與實踐。分析了課程教學中存在的問題及我國高校學生在工程素質能力方面的需求，進行了有機融合的教學探索，以開放的考核方式對學生工程素質能力的培養進行深入研究。

關鍵詞：光電系統設計 課程教學 教學改革

中圖分類號：G642.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（a）-0154-03

光電技術的廣泛應用，已成為推動現代信息社會發展不可或缺的綜合性技術。美國商務部曾說過，誰在光電行業取得主動權，誰就將在21世紀的尖端科技競爭中奪魁。為了適應時代發展和國家經濟建設的需要，全國各大高校非常重視光電專業和光電人才隊伍的建設[1]。近十幾年來，各大高校陸續開設相關專業及擴大招生規模，光電專業人才隊伍的建設不斷壯大。

為了適應社會對光電專業人才的迫切需求，鞏固學生應用光電專業基礎知識，提高學生對光電系統的應用能力和設計能力，筆者學校開設了“光電系統設計”課程。該課程是電子科學與技術本科專業的專業限選課，通過綜合運用各先修課程的理論與知識，圍繞如何提高總體系統性能水平這一主線，通過對信息光電系統和能量光電系統的若干典型設計案例的分析介紹，使學生初步掌握光電系統設計的基礎理論和工程方法，培養學生的創造性和綜合解決實際問題的能力。

盡管在該課程之前，學生已修過應用光學、物理光學、信號與系統、光電檢測與光電傳感器、單片機應用技術等光學、光電子學、電子學的基本原理知識，但缺少綜合應用多門課程知識的能力，特別在具體應用及設計上缺少應有的經驗，難以進行較復雜的系統設計。因此，該課程需要培養學生掌握光電系統設計及制作的一般過程，學會正確使用基本的光電器件，使用輔助軟件進行設計并調試的能力；更為重要的是培養學生綜合應用所學知識的能力、理論聯系實際能力、獨立思考和分析解決問題的能力，為將來更高層次的課程設計及畢業設計夯實基礎。

1 “光電系統設計”教學中存在的主要問題

該課程在教學過程中，主要存在以下幾個方面的問題。

1.1 教材內容與課程體系不匹配

該課程涵蓋光學、光電子和電子學等基礎知識，涉及到光學成像、光電特性、典型光電系統的結構及設計方法等方面，內容非常寬廣。但現有教材的內容過于獨立，如李慶祥等編著的《現代精密儀器設計》過于偏重機械方向[2]，郭培源等編著的《光電檢測技術與應用》以光電儀器的探測部分為主[3]，吳晗平等編著的《光電系統設計基礎》側重于設計應用舉例[4]，不能滿足系統、全面掌握光電系統設計理論和方法，綜合應用各門知識處理實際問題的課程需求。因此，該課程的教學如何克服這些缺陷，彌補學生對提高光電系統設計能力的需求，是“光電系統設計”課程的首要任務。

1.2 傳統的教學及考核與課程需求不匹配

雖然“光電系統設計”這門課程注重基礎知識的綜合把握以及實際問題的解決，但是現有的教學方法主要采用傳統的灌輸式方式，不能很好地啟發學生，也沒有給足學生充分的討論，更缺乏教師與學生的對話交流。此外，該課程以往采用閉卷考試的方式進行考核，側重對記憶性知識的考查，并未達到要求綜合應用所學知識分析、改善已有的光電系統，根據需求設計出一套可以完成特定任務的光電系統的課程目標。當前的教學及考核方式在綜合式、應用式課程需求方面是有缺陷的，過于注重專業知識的講授，輕視學生綜合能力的培養，導致不能較好地培養學生獨立處理問題與創新創造的能力。因此，如何改善教學方法、創新考核方式是該課程的具體任務。

1.3 學生缺乏興趣及工程素質與課程目標不匹配

興趣是學習最好的老師。但該課程涉及的內容較為寬泛，缺乏有機組合，且學生基礎知識水平不均衡，在具體的教學過程中容易使學生喪失興趣，消極學習；隨著知識的日益更新，以現有教材內容為模板的應用舉例不貼合實際，缺乏針對學生在學習及實踐過程中所面臨的具體應用，容易使學生覺得上課無聊、無用而喪失學習的興趣。此外，目前我國本科教育的一個顯著特點是注重培養學生寬厚的專業基礎知識，而忽視培養學生的工程素質[5]。這表現在學生對工程設計缺乏認識，工程意識非常淡薄，缺乏團隊合作精神，缺乏理論結合實際、理論知識轉換為解決實際問題的創新能力。這與該課程的培養目標——具有良好的光電系統設計能力的應用型人才——不匹配，最終會削弱學生畢業后在工作崗位上的競爭力。因此，如何提高學生學習的興趣，學會理論結合實際，學會綜合所學知識解決具體問題是該課程的緊迫任務。

2 教學改革與探索

針對上述存在的問題，筆者在該課程的實際教學中從教材內容、教學體系、考核方式等方面進行改革與探索，以促進教學內容有機融合、改善教學及考核方法為起點，以激發學生主動學習的興趣、啟發學生綜合應用所學知識處理實際問題為目標，改善了教學效果，提高了教學質量。

2.1 促進教學內容與課程體系的有機融合

該課程具有系統性、綜合性的特點，內容涉及到應用光學、物理光學、信號與系統、光電檢測與光電傳感器、單片機應用技術等光學、光電子學、電子學的基本知識。學生需要在以上的獨立課程中具備一定的基礎，且能夠綜合應用以上所學課程的知識解決實際問題，才能在該課程中取得較好的效果，達到該課程的教學目標。但在教學中發現，學生限制在獨立一門課程知識中，而且現有教材內容也是側重某一部分內容，未能做到內容的有機融合[2-4]。因此，需要在授課內容方面進行重新設計，注重教學內容的有機融合，有的放矢，培養學生綜合所學知識解決實際問題的能力。

在教材與教學內容方面，以各門課程知識之間的相互聯系為出發點，科學組織教學內容。該課程主要以《光電檢測技術與應用》[2]和《光電系統設計基礎》[4]為教材藍本，參照光電系統設計的實際過程，按照接收光學信號、轉換信號與信號處理輸出的步驟重新分拆、組合教學內容，做到有的放矢。比如，把教學內容劃分為光學系統——負責接收光學信號，探測系統——負責轉換信號，處理系統——負責信號處理與輸出。在講授方面，做好各分塊內容的邏輯性及銜接，有機融合原有課程內容，擴展及綜合原有知識，做到在有限課時中系統全面地掌握光電系統設計的內容及方法。比如，光學系統包括總體設計、光路布置，典型光學系統設計實例及像差處理；探測系統包括探測基礎知識、光電探測器及熱電探測器等儀器的光電特性及選擇與應用；處理系統包括探測器輸出信號的前置處理、單片機處理。在講授中不依賴、不限制于原有課程知識，鼓勵學生在整體把握的前提下自主學習、復習原有知識，增強理解現有光電系統儀器的設計構造。

通過精心規劃，促進教學內容的有機融合，鼓勵學生綜合應用所學知識解決實際問題，切實有效地提高了教學質量。

2.2 創新教學方法及考核方式

學生是課堂教學的主體，需要激發學生興趣進行自主學習才能促使課堂教學的成功以及達到課程教學的目標。由于該課程有有機融合原有知識及綜合應用所學知識的需要，除了傳統的教學方式，更應創新教學方式，啟發引導學生，激勵學生的創造性思維。比如，在探測系統的講授中，以筆者在科研中所需的激光鎖定系統為例，在課堂上組織學生討論如何做到鎖定激光方向以免漂移，鼓勵學生發揮自已的想法進行設計，進而討論定位、跟蹤、制導等光電系統。在課堂中融入教師的研究課題，不僅豐富了教學內容，拓展了學生視野，更讓學生見識了所學知識的可用性。這激發了學生的興趣，深受學生喜歡。

此外，還需創新考核方式，以檢驗課堂教學及目標的有效性。以往考核通常采用閉卷考試的方式，這對單純的理論知識的考查非常有效，但在應用型課程中成效不高。鑒于該課程的綜合性、應用性及開放性，目標是掌握光電系統設計的基本思想和方法，能夠分析改進現有光電系統儀器，能夠根據需求完成給定任務的光電系統設計。因此，筆者對該課程的考核方式進行改革與探索，以開卷考試+課程設計報告的形式檢驗教學效果。

本小節只討論開卷考試的具體做法，課程設計報告的討論見下節。開卷考試限時2 h，學生可以帶課件與教材。在內容方面，主要考查給定條件下光電系統的參數計算，比如光電制導系統、LED驅動電路系統、太陽能光伏發電系統等。此外，還有開放型題目，如要求設計一套智能路燈系統及物品分揀系統，要求給出設計思路及基本方案。

經過創新教學方式，啟發、引導學生，及改革考核的導向，確實激勵了學生的興趣，提升了學生綜合所學知識處理實際問題的能力。

2.3 加強學生工程素質的培養

針對學生缺少工程素質能力，及該課程的核心是理論聯系實際，綜合應用所學知識解決實際工程問題[6]，筆者在該課程的教學改革中加強對學生工程素質能力的培養，鼓勵學生分析處理實際問題，設計完整的解決方案。

此部分主要以課程設計報告的形式展開，獨立于理論課程而存在，單獨給出一周時間用于完成設計報告。具體做法是，利用光學、光電檢測、電子技術、單片機課程的知識，設計一個小型的光電系統，包括相關的探測部分、電子線路、單片機控制、程序設計、系統仿真、電路板設計等。選題題目有激光準直光電系統設計、測量汽車速度的光電系統設計、非接觸式液面位置光電檢測系統設計、非透明物體長度自動分揀系統設計等具體的工程設計問題。要求學生以4人為一組，可以根據自身的情況選擇單獨完成完整的設計項目或參與組內合作完成完整設計項目，每組至少完成一套完整的設計方案；每位同學都必須認真對待本教學環節，明確各自負責的主攻設計內容，認真合作完成設計或實驗，在規定的時間內撰寫出課程設計報告；最后提交的設計報告應包括的內容有：系統總體設計方案；系統分析與各模塊或單元電路的設計、參數計算、元器件選擇等；完整的系統原理電路圖；所需的元器件清單；仿真調試方案與步驟、相應測量表格與測量結論；完整的系統印刷電路板布線設計圖。

在課程設計報告的完成過程中，學生不僅加深了對理論知識的理解，還學會綜合所學知識解決實際問題，更重要的是增強了團隊合作精神，提升了工程素質能力。

3 結語

在“光電系統設計”的教學改革與探索中，針對存在的問題及該課程的培養目標，從有機融合教材內容、創新教學及考核方式、激勵學生主動學習及培養學生工程素質能力等方面進行了探索。通過有機融合原有知識，綜合應用所學知識，加強對實際應用案例的討論分析，激勵學生主動解決實際問題，切實改善了教學效果，達到了課程目標，提升了學生的工程素質能力。希望我們的教學改革經驗對相關課程的教師與學生有所幫助，對相關課程的開設及教學有一定的參考作用。

參考文獻

[1] 江文杰，曾學文，施建華.《光電技術》課程建設的探索與實踐[J].高等教育研究學報，2009，32（4）：43-45.

[2] 李慶祥，王東生，李玉和，等.現代精密儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2006.

[3] 郭培源，付揚.光電檢測技術與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[4] 吳晗平.光電系統設計基礎[M].北京：科學出版社，2010.

[5] 曹丹華，吳裕斌，武樹斌，等.基于CDIO理念的光電系統課程設計實踐教學改革[J].實驗室研究與探索，2012，31（4）：237-239.

[6] 張準，鐘麗云.基于CDIO理念的光電技術實驗課程設計與實踐[J].實驗室研究與探索，2012，31（8）：367-370.