“光电系统设计”课程教学的改革与探索①

李树发++陈春雷

摘 要：该文介绍了“光电系统设计”课程的特点及目标，结合作者的教学经验，对该课程进行教学改革与实践。分析了课程教学中存在的问题及我国高校学生在工程素质能力方面的需求，进行了有机融合的教学探索，以开放的考核方式对学生工程素质能力的培养进行深入研究。

关键词：光电系统设计 课程教学 教学改革

中图分类号：G642.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）05（a）-0154-03

光电技术的广泛应用，已成为推动现代信息社会发展不可或缺的综合性技术。美国商务部曾说过，谁在光电行业取得主动权，谁就将在21世纪的尖端科技竞争中夺魁。为了适应时代发展和国家经济建设的需要，全国各大高校非常重视光电专业和光电人才队伍的建设[1]。近十几年来，各大高校陆续开设相关专业及扩大招生规模，光电专业人才队伍的建设不断壮大。

为了适应社会对光电专业人才的迫切需求，巩固学生应用光电专业基础知识，提高学生对光电系统的应用能力和设计能力，笔者学校开设了“光电系统设计”课程。该课程是电子科学与技术本科专业的专业限选课，通过综合运用各先修课程的理论与知识，围绕如何提高总体系统性能水平这一主线，通过对信息光电系统和能量光电系统的若干典型设计案例的分析介绍，使学生初步掌握光电系统设计的基础理论和工程方法，培养学生的创造性和综合解决实际问题的能力。

尽管在该课程之前，学生已修过应用光学、物理光学、信号与系统、光电检测与光电传感器、单片机应用技术等光学、光电子学、电子学的基本原理知识，但缺少综合应用多门课程知识的能力，特别在具体应用及设计上缺少应有的经验，难以进行较复杂的系统设计。因此，该课程需要培养学生掌握光电系统设计及制作的一般过程，学会正确使用基本的光电器件，使用辅助软件进行设计并调试的能力；更为重要的是培养学生综合应用所学知识的能力、理论联系实际能力、独立思考和分析解决问题的能力，为将来更高层次的课程设计及毕业设计夯实基础。

1 “光电系统设计”教学中存在的主要问题

该课程在教学过程中，主要存在以下几个方面的问题。

1.1 教材内容与课程体系不匹配

该课程涵盖光学、光电子和电子学等基础知识，涉及到光学成像、光电特性、典型光电系统的结构及设计方法等方面，内容非常宽广。但现有教材的内容过于独立，如李庆祥等编著的《现代精密仪器设计》过于偏重机械方向[2]，郭培源等编著的《光电检测技术与应用》以光电仪器的探测部分为主[3]，吴晗平等编著的《光电系统设计基础》侧重于设计应用举例[4]，不能满足系统、全面掌握光电系统设计理论和方法，综合应用各门知识处理实际问题的课程需求。因此，该课程的教学如何克服这些缺陷，弥补学生对提高光电系统设计能力的需求，是“光电系统设计”课程的首要任务。

1.2 传统的教学及考核与课程需求不匹配

虽然“光电系统设计”这门课程注重基础知识的综合把握以及实际问题的解决，但是现有的教学方法主要采用传统的灌输式方式，不能很好地启发学生，也没有给足学生充分的讨论，更缺乏教师与学生的对话交流。此外，该课程以往采用闭卷考试的方式进行考核，侧重对记忆性知识的考查，并未达到要求综合应用所学知识分析、改善已有的光电系统，根据需求设计出一套可以完成特定任务的光电系统的课程目标。当前的教学及考核方式在综合式、应用式课程需求方面是有缺陷的，过于注重专业知识的讲授，轻视学生综合能力的培養，导致不能较好地培养学生独立处理问题与创新创造的能力。因此，如何改善教学方法、创新考核方式是该课程的具体任务。

1.3 学生缺乏兴趣及工程素质与课程目标不匹配

兴趣是学习最好的老师。但该课程涉及的内容较为宽泛，缺乏有机组合，且学生基础知识水平不均衡，在具体的教学过程中容易使学生丧失兴趣，消极学习；随着知识的日益更新，以现有教材内容为模板的应用举例不贴合实际，缺乏针对学生在学习及实践过程中所面临的具体应用，容易使学生觉得上课无聊、无用而丧失学习的兴趣。此外，目前我国本科教育的一个显著特点是注重培养学生宽厚的专业基础知识，而忽视培养学生的工程素质[5]。这表现在学生对工程设计缺乏认识，工程意识非常淡薄，缺乏团队合作精神，缺乏理论结合实际、理论知识转换为解决实际问题的创新能力。这与该课程的培养目标——具有良好的光电系统设计能力的应用型人才——不匹配，最终会削弱学生毕业后在工作岗位上的竞争力。因此，如何提高学生学习的兴趣，学会理论结合实际，学会综合所学知识解决具体问题是该课程的紧迫任务。

2 教学改革与探索

针对上述存在的问题，笔者在该课程的实际教学中从教材内容、教学体系、考核方式等方面进行改革与探索，以促进教学内容有机融合、改善教学及考核方法为起点，以激发学生主动学习的兴趣、启发学生综合应用所学知识处理实际问题为目标，改善了教学效果，提高了教学质量。

2.1 促进教学内容与课程体系的有机融合

该课程具有系统性、综合性的特点，内容涉及到应用光学、物理光学、信号与系统、光电检测与光电传感器、单片机应用技术等光学、光电子学、电子学的基本知识。学生需要在以上的独立课程中具备一定的基础，且能够综合应用以上所学课程的知识解决实际问题，才能在该课程中取得较好的效果，达到该课程的教学目标。但在教学中发现，学生限制在独立一门课程知识中，而且现有教材内容也是侧重某一部分内容，未能做到内容的有机融合[2-4]。因此，需要在授课内容方面进行重新设计，注重教学内容的有机融合，有的放矢，培养学生综合所学知识解决实际问题的能力。

在教材与教学内容方面，以各门课程知识之间的相互联系为出发点，科学组织教学内容。该课程主要以《光电检测技术与应用》[2]和《光电系统设计基础》[4]为教材蓝本，参照光电系统设计的实际过程，按照接收光学信号、转换信号与信号处理输出的步骤重新分拆、组合教学内容，做到有的放矢。比如，把教学内容划分为光学系统——负责接收光学信号，探测系统——负责转换信号，处理系统——负责信号处理与输出。在讲授方面，做好各分块内容的逻辑性及衔接，有机融合原有课程内容，扩展及综合原有知识，做到在有限课时中系统全面地掌握光电系统设计的内容及方法。比如，光学系统包括总体设计、光路布置，典型光学系统设计实例及像差处理；探测系统包括探测基础知识、光电探测器及热电探测器等仪器的光电特性及选择与应用；处理系统包括探测器输出信号的前置处理、单片机处理。在讲授中不依赖、不限制于原有课程知识，鼓励学生在整体把握的前提下自主学习、复习原有知识，增强理解现有光电系统仪器的设计构造。

通过精心规划，促进教学内容的有机融合，鼓励学生综合应用所学知识解决实际问题，切实有效地提高了教学质量。

2.2 创新教学方法及考核方式

学生是课堂教学的主体，需要激发学生兴趣进行自主学习才能促使课堂教学的成功以及达到课程教学的目标。由于该课程有有机融合原有知识及综合应用所学知识的需要，除了传统的教学方式，更应创新教学方式，启发引导学生，激励学生的创造性思维。比如，在探测系统的讲授中，以笔者在科研中所需的激光锁定系统为例，在课堂上组织学生讨论如何做到锁定激光方向以免漂移，鼓励学生发挥自已的想法进行设计，进而讨论定位、跟踪、制导等光电系统。在课堂中融入教师的研究课题，不仅丰富了教学内容，拓展了学生视野，更让学生见识了所学知识的可用性。这激发了学生的興趣，深受学生喜欢。

此外，还需创新考核方式，以检验课堂教学及目标的有效性。以往考核通常采用闭卷考试的方式，这对单纯的理论知识的考查非常有效，但在应用型课程中成效不高。鉴于该课程的综合性、应用性及开放性，目标是掌握光电系统设计的基本思想和方法，能够分析改进现有光电系统仪器，能够根据需求完成给定任务的光电系统设计。因此，笔者对该课程的考核方式进行改革与探索，以开卷考试+课程设计报告的形式检验教学效果。

本小节只讨论开卷考试的具体做法，课程设计报告的讨论见下节。开卷考试限时2 h，学生可以带课件与教材。在内容方面，主要考查给定条件下光电系统的参数计算，比如光电制导系统、LED驱动电路系统、太阳能光伏发电系统等。此外，还有开放型题目，如要求设计一套智能路灯系统及物品分拣系统，要求给出设计思路及基本方案。

经过创新教学方式，启发、引导学生，及改革考核的导向，确实激励了学生的兴趣，提升了学生综合所学知识处理实际问题的能力。

2.3 加强学生工程素质的培养

针对学生缺少工程素质能力，及该课程的核心是理论联系实际，综合应用所学知识解决实际工程问题[6]，笔者在该课程的教学改革中加强对学生工程素质能力的培养，鼓励学生分析处理实际问题，设计完整的解决方案。

此部分主要以课程设计报告的形式展开，独立于理论课程而存在，单独给出一周时间用于完成设计报告。具体做法是，利用光学、光电检测、电子技术、单片机课程的知识，设计一个小型的光电系统，包括相关的探测部分、电子线路、单片机控制、程序设计、系统仿真、电路板设计等。选题题目有激光准直光电系统设计、测量汽车速度的光电系统设计、非接触式液面位置光电检测系统设计、非透明物体长度自动分拣系统设计等具体的工程设计问题。要求学生以4人为一组，可以根据自身的情况选择单独完成完整的设计项目或参与组内合作完成完整设计项目，每组至少完成一套完整的设计方案；每位同学都必须认真对待本教学环节，明确各自负责的主攻设计内容，认真合作完成设计或实验，在规定的时间内撰写出课程设计报告；最后提交的设计报告应包括的内容有：系统总体设计方案；系统分析与各模块或单元电路的设计、参数计算、元器件选择等；完整的系统原理电路图；所需的元器件清单；仿真调试方案与步骤、相应测量表格与测量结论；完整的系统印刷电路板布线设计图。

在课程设计报告的完成过程中，学生不仅加深了对理论知识的理解，还学会综合所学知识解决实际问题，更重要的是增强了团队合作精神，提升了工程素质能力。

3 结语

在“光电系统设计”的教学改革与探索中，针对存在的问题及该课程的培养目标，从有机融合教材内容、创新教学及考核方式、激励学生主动学习及培养学生工程素质能力等方面进行了探索。通过有机融合原有知识，综合应用所学知识，加强对实际应用案例的讨论分析，激励学生主动解决实际问题，切实改善了教学效果，达到了课程目标，提升了学生的工程素质能力。希望我们的教学改革经验对相关课程的教师与学生有所帮助，对相关课程的开设及教学有一定的参考作用。

参考文献

[1] 江文杰，曾学文，施建华.《光电技术》课程建设的探索与实践[J].高等教育研究学报，2009，32（4）：43-45.

[2] 李庆祥，王东生，李玉和，等.现代精密仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2006.

[3] 郭培源，付扬.光电检测技术与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[4] 吴晗平.光电系统设计基础[M].北京：科学出版社，2010.

[5] 曹丹华，吴裕斌，武树斌，等.基于CDIO理念的光电系统课程设计实践教学改革[J].实验室研究与探索，2012，31（4）：237-239.

[6] 张准，钟丽云.基于CDIO理念的光电技术实验课程设计与实践[J].实验室研究与探索，2012，31（8）：367-370.