無線光通信技術(shù)篇1

近年來，社會飛速發(fā)展的同時，通信技術(shù)也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。隨著社會的日益復(fù)雜，人們對通信的傳輸速率有了更高的要求，無線光通信技術(shù)作為通信技術(shù)中的一種，對人們的生產(chǎn)與生活有著重要的影響。就目前來看，廣域網(wǎng)中大部分信息都是通過光纖進(jìn)行傳輸?shù)?。無線光通信系統(tǒng)的構(gòu)成

一、無線光通信系統(tǒng)的構(gòu)成

無線光通信系統(tǒng)主要就是利用光信號進(jìn)行信息的傳輸，如果在收發(fā)機之間信號傳輸路徑暢通，并且光發(fā)射功率充足，就能實現(xiàn)信息的有效傳輸。無線光通信系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是發(fā)射機、信道和接收機。一般只要信號傳輸是點對點形式，就能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工通信。而無線光通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信息傳輸，依靠的就是光電轉(zhuǎn)換。發(fā)射機用來發(fā)射光源，信道用做傳輸通道，當(dāng)經(jīng)過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的光源流經(jīng)信道之后，被接收機望遠(yuǎn)鏡接收，當(dāng)光信號收集完成之后，光信號就會聚焦在光電檢測器中，此時光信號被轉(zhuǎn)換成了電信號，完成信號的傳輸。需要注意的是，不同波長的信號，在大氣中擁有不同的透過率，此時采用高透過率的波段更加合適。通常情況下，如果無線光通信系統(tǒng)是FSO系統(tǒng)，則使用的波長大約在850nm。另外，有的系統(tǒng)為了獲得較大的系統(tǒng)功率，可能會選擇1500nm的波長。

二、無線光通信技術(shù)的優(yōu)勢

（1）頻帶寬，速率高。無線光通信的頻帶相對來說較寬，并且在傳輸信號時傳輸速率非常高。光纖通信的頻帶寬度實際上與無線光通信的頻帶寬度沒有較大區(qū)別，只是傳輸介質(zhì)不同而已。通過觀察無線光通信的電磁波譜圖發(fā)現(xiàn)，光波的頻率既包含了紅外光和可見光，還包含了紫外光，這證明無線光通信的頻率資源很廣。另外，由于這些頻率不會受到地域的限制，不需要支付額外費用，因此具有一定的經(jīng)濟(jì)性。（2）容量大、功耗低。無線光通信系統(tǒng)具有容量大、功耗低的特點，這主要是因為，光波的頻率很高，因此可以承載大量的信息。又因為激光具有良好的方向性，即使發(fā)射的功率很小，也能夠進(jìn)行信息傳輸，通信終端的功耗非常低。（3）部署鏈路快捷。無線光通信系統(tǒng)最常見的就是FSO系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)快速部署鏈路，因為FSO設(shè)備對安裝環(huán)境沒有較大要求，因此可以在多個地方進(jìn)行部署，可以實現(xiàn)空對地、空對空的信息傳輸。并且部署無線光通信設(shè)備操作相對簡單，只需耗用幾個小時就可以完成，另外，該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)支出也很少。（4）傳輸保密好。無線光通信系統(tǒng)具有良好的保密性，這主要與系統(tǒng)使用的光的波長有關(guān)，通常選擇1550nm波長的光，該波長的光不易被發(fā)現(xiàn)，并且該波長的光束很窄，而被調(diào)至傳輸?shù)墓庑盘柋旧硪部梢约用?，所以信息被盜的可能性很小。

三、無線光通信技術(shù)的應(yīng)用

【摘要】通信工程作為我國的基礎(chǔ)建設(shè)工程，對新時代下我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著很大的促進(jìn)作用，尤其是有線傳輸技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的有力支柱。基于此，論文對通信工程中有線傳輸技術(shù)的應(yīng)用以及發(fā)展作了相關(guān)的研究分析。

【關(guān)鍵詞】通信工程；有線傳輸技術(shù)；應(yīng)用

1引言

社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展對各行各業(yè)都產(chǎn)生了很大的影響，通信領(lǐng)域也不例外。隨著有線傳輸技術(shù)越來越成熟，有線傳輸技術(shù)也有了更加廣泛的應(yīng)用，并在社會各行各業(yè)中擔(dān)任了更加重要的角色，加大推動了通信技術(shù)行業(yè)的發(fā)展。

2通信傳輸技術(shù)的特點

2.1產(chǎn)品輕量化

產(chǎn)品輕量化主要指的是數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備輕量化，其體積、重量、尺寸都變得更小，這也使得原材料的使用也較少，降低了生產(chǎn)成本，富余的資金也可以用于技術(shù)研發(fā)，提高技術(shù)應(yīng)用水平。

【摘要】光纖技術(shù)作為通信工程中發(fā)展較好的重要技術(shù)，在信息傳輸過程中能夠?qū)p耗降到最低，從而保證信息傳輸?shù)馁|(zhì)量。同時，光纖傳輸還具有抗干擾性強、信息傳輸量大等特點，在我國通信工程中得到了廣泛的應(yīng)用。論文分析了通信工程中光纖技術(shù)的優(yōu)點、應(yīng)用和發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】光纖技術(shù)；通信工程；發(fā)展趨勢

1引言

光纖技術(shù)在我國通信工程中的應(yīng)用范圍十分寬廣，隨著我國科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，光纖技術(shù)也在朝著提高傳輸信息效率、質(zhì)量和穩(wěn)定性的方向發(fā)展。光纖技術(shù)極大地改善了人們的生活質(zhì)量，因此，本文對其特點、應(yīng)用和發(fā)展趨勢進(jìn)行探討。

2通信工程中光纖技術(shù)的優(yōu)點

2.1小巧、輕便、易安裝，材料來源廣泛

通常情況下，光纖體積較小、質(zhì)量輕、方便攜帶和安裝，這也是許多人愿意應(yīng)用光纖技術(shù)的原因。光纖材料主要有石英、玻璃、塑料3種，它們的來源都十分廣泛，減少了金屬銅的使用，有利于環(huán)境的保護(hù).

本文作者：劉雁 藍(lán)嵐翎 許云麗 曾曙光 李晶 王飛 黃瑤 單位：三峽大學(xué)理學(xué)院 三峽大學(xué)文學(xué)與傳媒學(xué)院

全世界光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模己達(dá)1萬億美元，國外光電子產(chǎn)業(yè)主要集中在美國、西歐和日本等國家和地區(qū)。近十年來，中國光電子技術(shù)產(chǎn)品市場的年增長率始終保持兩位數(shù)的高速增長。隨著信息光電子技術(shù)、激光加工、激光醫(yī)療、顯示、照明等光電技術(shù)的快速發(fā)展，我國已經(jīng)形成市場可觀、發(fā)展?jié)摿薮蟮墓怆娮赢a(chǎn)業(yè)。2006年，《國家信息產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展“十一五”規(guī)劃和2020年中長期規(guī)劃綱要》明確提出，未來5～15年15個領(lǐng)域發(fā)展的重點技術(shù)中就包括了光電子技術(shù)，聲明要重點發(fā)展激光器、光電探測器、光傳輸和光傳感設(shè)備、微光機電系統(tǒng)、半導(dǎo)體照明等產(chǎn)品。[6]2010年10月，國務(wù)院正式《國務(wù)院關(guān)于加快培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，進(jìn)一步明確了光電產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，包括新型顯示器件、LED等在內(nèi)的細(xì)分產(chǎn)業(yè)都在國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中明確提到。[7]可見，在光電產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)和生產(chǎn)能力快速提高的情況下，對光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才的需求量也將逐年增大。

光信息科學(xué)與技術(shù)具有旺盛的生命力，處于高速發(fā)展時期。目前，在光通信、光電檢測、光電照明、光學(xué)元件與系統(tǒng)、光伏產(chǎn)業(yè)、激光技術(shù)、光學(xué)設(shè)計、光學(xué)材料等方面都有廣闊的應(yīng)用前景，對社會的發(fā)展和貢獻(xiàn)不可估量。作為高校，除了科研、教學(xué)，還要服務(wù)于社會，服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，這些不僅體現(xiàn)在科學(xué)研究和教師兼職方面，也體現(xiàn)在人才培養(yǎng)目標(biāo)和方案上。光信息科學(xué)與技術(shù)同光學(xué)、機械、電子、材料、計算機、自動控制等多學(xué)科的知識息息相關(guān)，但也不能面面俱到，所以十分有必要結(jié)合當(dāng)?shù)仄髽I(yè)的發(fā)展，調(diào)整學(xué)科的發(fā)展、人才培養(yǎng)計劃，為地方經(jīng)濟(jì)服務(wù)，加強科學(xué)研究，引領(lǐng)社會的發(fā)展。三峽大學(xué)地處湖北省域副中心城市的宜昌，經(jīng)濟(jì)活躍，交通方便?，F(xiàn)在高鐵開通后，宜昌到武漢的時間已經(jīng)減少到2小時左右。隨著國內(nèi)光電照明、太陽能、光電顯示產(chǎn)業(yè)如火如荼地發(fā)展。宜昌太陽能、光電照明等光電企業(yè)也有較大的發(fā)展，如中國南玻集團(tuán)宜昌南玻硅材料有限公司（一期項目已累計投資20多億元，專門從事高純多晶硅材料、太陽能硅片及電池片生產(chǎn)的大型制造企業(yè)）等等一大批光電企業(yè)。這些企業(yè)主要集中在光伏產(chǎn)業(yè)、節(jié)能照明、LED、光學(xué)冷加工等方面。這些光電企業(yè)有著旺盛的人員需求，對本專業(yè)產(chǎn)業(yè)人才的培養(yǎng)具有十分重要的意義。2011年出臺的《宜昌市科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃（2011至2015年）》明確提出，在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的發(fā)展方向要圍繞光電子產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)開發(fā)，搶占背景光源行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新制高點，加快液晶照明燈、LED背光源及照明產(chǎn)業(yè)化。圍繞太陽能技術(shù)開發(fā)，加快太陽能熱水系統(tǒng)產(chǎn)品系列開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。[8]由此可見，在地方政府的扶持下光電子相關(guān)產(chǎn)業(yè)會得到快速發(fā)展，這些都為光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)結(jié)合本地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)提供了難得的機遇。根據(jù)三峽大學(xué)理學(xué)院發(fā)展的需要，結(jié)合產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)措施如下：

改革本科教學(xué)培養(yǎng)方案，加強專業(yè)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，鞏固專業(yè)思想教育光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)需要學(xué)生在系統(tǒng)、扎實的理論基礎(chǔ)和在光電子技術(shù)、光通信及應(yīng)用等方面具有較寬廣的專業(yè)知識、較強實踐動手能力，并成為在電光源、光學(xué)設(shè)計、光學(xué)材料、光纖通信等專業(yè)領(lǐng)域中的一個或兩個方向具有特色的人才。畢業(yè)生能在光信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)及其相關(guān)領(lǐng)域從事信息科學(xué)與技術(shù)的研究、設(shè)計、集成及開發(fā)、制造、技術(shù)管理等方面工作的應(yīng)用型人才。因此要加強幾何光學(xué)中的光學(xué)設(shè)計、模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)、光電檢測技術(shù)、機械原理和設(shè)計等課程的實踐環(huán)節(jié)，同時要加強專業(yè)思想教育，了解社會發(fā)展的動態(tài)，密切了解光電信息的最新發(fā)展和應(yīng)用，掌握一些主流軟件的應(yīng)用。另外，為了使培養(yǎng)方案切合社會發(fā)展的實際，我們廣泛征求本地企業(yè)的意見，積極邀請了相關(guān)企業(yè)參與了光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案的修訂工作。

加大力度開展實驗教學(xué)，開足基本實驗，充分利用專業(yè)實驗，開展創(chuàng)新實踐要加強實踐的教學(xué)，更新教學(xué)設(shè)備和教學(xué)內(nèi)容，加強電路設(shè)計和光學(xué)設(shè)計方面的實踐教學(xué)，充實實驗室設(shè)備，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。條件允許的情況下，將安排學(xué)生到實習(xí)基地完成相關(guān)實驗。另外，創(chuàng)新實驗室的設(shè)立為學(xué)生創(chuàng)新實踐的培養(yǎng)提供了良好的工作平臺。雖然這個方面的工作才剛開始，但是已經(jīng)受到學(xué)生的積極評價。

拓展實習(xí)基地的實踐教學(xué)，提升專業(yè)技能在目前聯(lián)系的實習(xí)基地基礎(chǔ)上，增強與當(dāng)?shù)毓怆娖髽I(yè)聯(lián)系，經(jīng)常參觀了解企業(yè)的發(fā)展和社會需求，同時能爭取進(jìn)入相關(guān)企業(yè)實習(xí)，鍛煉培養(yǎng)專業(yè)能力。我們已經(jīng)同宜昌勁森光電（主要從事液晶背景光源、CCFL液晶民用照明及LED民用照明開發(fā)、制造、銷售的高新技術(shù)企業(yè)）、中船重工388廠（光學(xué)冷加工、光電系統(tǒng)）、匡通照明（LED封裝）等相關(guān)的光電企業(yè)建立了實質(zhì)的合作關(guān)系。陸續(xù)有學(xué)生進(jìn)入上述企業(yè)實習(xí)，一些優(yōu)秀的學(xué)生也相繼進(jìn)入這些企業(yè)工作。教師參與了勁森照明新型節(jié)能燈具的開發(fā)。與匡通照明組建了聯(lián)合的工程試驗中心，投入1000萬元左右，很快試驗設(shè)備就將到位。這些不僅僅提高了教師的科研能力，反過來又提高了教師的教學(xué)水平，同時也為本專業(yè)的學(xué)生實習(xí)提供了一個良好的實踐平臺。實習(xí)基地的建立是一個長期的過程，需要與生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行有效地溝通，制訂實習(xí)項目，并且跟蹤學(xué)生對實習(xí)的反饋，建立有效的實習(xí)效果的評估體制，保證學(xué)生的生產(chǎn)實踐能力得到實質(zhì)的訓(xùn)練。學(xué)生實習(xí)基地的進(jìn)一步拓展一直是迫切的需要，多方位多角度的實習(xí)訓(xùn)練對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)有利，有助于學(xué)生進(jìn)一步深刻了解產(chǎn)業(yè)界對本專業(yè)的要求，反過來會激勵學(xué)生對本專業(yè)的學(xué)習(xí)欲望。

人才培養(yǎng)與科研開發(fā)相結(jié)合人才培養(yǎng)能力與科研能力息息相關(guān)，科研不僅能提高教師的教學(xué)能力，也增強學(xué)生對專業(yè)的信心。在橫向科研項目上，盡可能讓部分能力強的學(xué)生參與進(jìn)來，直接培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能。實踐證明，學(xué)生參與科研項目是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的及其有效的手段。比如學(xué)生的畢業(yè)論文有些涉及到大壩光纖傳感、節(jié)能燈設(shè)計等實踐性很強的課題。鼓勵學(xué)生申請學(xué)校針對學(xué)生的創(chuàng)新基金項目，雖然經(jīng)費不多，但是對學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是十分有益的，同時也提高了學(xué)生參與科研的熱情。隨著相關(guān)科研能力的快速提高，可以預(yù)見未來的幾年內(nèi)，伴隨著學(xué)生進(jìn)入實驗室，至少有一部分本科生的科研能力也會得到極大的提高。#p#分頁標(biāo)題#e#

摘要：

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，社會和用人單位對通信工程專業(yè)畢業(yè)生的要求越來越高，本文結(jié)合高校通信工程專業(yè)的辦學(xué)實際，分析了目前通信工程專業(yè)在課程體系安排中存在的問題，并從課程設(shè)置、專業(yè)特色、實踐教學(xué)等方面提出了優(yōu)化該專業(yè)課程的方案，從而滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要。

關(guān)鍵詞：

通信工程；課程體系；實踐改革

1通信工程專業(yè)課程體系改革的必要性

隨著通信技術(shù)迅速發(fā)展和革新，社會和用人單位越來越要求人才具有一定的綜合素質(zhì)能力并熟練掌握通信技術(shù)，所以迅速發(fā)展的通信技術(shù)對傳統(tǒng)的高校通信工程專業(yè)發(fā)展帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。以一些高校的通信工程專業(yè)為例，傳統(tǒng)的通信工程專業(yè)課程體系存在以下幾方面的問題：

1.1課程體系結(jié)構(gòu)不合理

摘要:針對信息光電子學(xué)課程教學(xué)中存在的“實踐環(huán)節(jié)缺乏”、“教學(xué)模式單一”的現(xiàn)狀,系統(tǒng)研究該課程仿真案例教學(xué)平臺的建設(shè)與實踐,通過拆分“信息光電子學(xué)”課程重難點形成層次化教學(xué)內(nèi)容,利用虛擬仿真軟件開發(fā)應(yīng)用于該課程的仿真實驗與案例教學(xué)微課資源,促進(jìn)理論與實踐一體化,借助翻轉(zhuǎn)課堂開展仿真案例教學(xué)平臺實踐,強化學(xué)生自主學(xué)習(xí)與知識應(yīng)用.實踐表明,仿真案例教學(xué)平臺的建設(shè)不但很好解決了理論與實踐脫節(jié)的問題,還能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力.

關(guān)鍵詞:信息光電子學(xué);虛擬仿真技術(shù);案例教學(xué);微課;翻轉(zhuǎn)課堂

0引言

案例教學(xué)是指借用經(jīng)典性和針對性的案例指導(dǎo)教學(xué)的一種開放互動的教學(xué)方式[1~4],它主要以學(xué)生為主體,通過“思考創(chuàng)見”的方式來提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力.這種案例教學(xué)方式注重師生雙向交流,能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性,易于學(xué)習(xí)和理解,已被許多高校列入教學(xué)改革計劃.隨著虛擬仿真技術(shù)的迅猛發(fā)展,仿真案例教學(xué)也應(yīng)運而生.仿真案例教學(xué)是將虛擬仿真技術(shù)引入案例教學(xué)中的一種教學(xué)模式[5~6].相比于傳統(tǒng)的案例教學(xué),仿真案例教學(xué)不僅內(nèi)容豐富靈活,更重要的是它解決了實驗受硬件設(shè)備條件和場地限制的問題,彌補了實驗的空白.同時,仿真案例教學(xué)將抽象的理論知識與可視的圖形相結(jié)合,也便于學(xué)生理解理論知識.近年來,很多高校提出對仿真案例教學(xué)進(jìn)行改革,如中國石油大學(xué)對“滲流物理實驗”的仿真案例教學(xué)模式進(jìn)行探索[7],安徽理工大學(xué)對單片機原理及接口技術(shù)的仿真案例教學(xué)模式進(jìn)行研究實踐[8].本課題組也開展了信號與系統(tǒng)的仿真案例教學(xué)研究應(yīng)用[9~10],突出對學(xué)生理論和實踐的培養(yǎng),強調(diào)理論與實踐的相互聯(lián)系,在教學(xué)方面取得了顯著成效.目前,仿真案例教學(xué)的改革與實踐在本科生課程中進(jìn)行得比較多,在研究生課程中的探索較少,但仿真案例教學(xué)對改革理論性較強的研究生課程教學(xué)有著至關(guān)重要的作用,故需對此進(jìn)行研究.信息光電子學(xué)是一門在研究光與物質(zhì)相互作用的過程中發(fā)展起來的新興課程,具有基礎(chǔ)理論與前沿研究相結(jié)合的特點,是信息與通信工程學(xué)科“光通信與信息器件方向”研究生從事研究和開發(fā)工作所必須掌握的專業(yè)基礎(chǔ)課程.信息光電子學(xué)課程包含許多復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo),具有“較強的理論性”;只有理論授課環(huán)節(jié),從而導(dǎo)致“理論與實踐脫節(jié)”;教學(xué)模式也是以教師在課堂上傳授知識、學(xué)生被動接收知識為主,導(dǎo)致“教學(xué)方式比較單一”.這些問題阻礙了研究生在本課程學(xué)習(xí)中主觀能動性的發(fā)揮.為了改變信息光電子學(xué)的“教難學(xué)更難”的教學(xué)現(xiàn)狀,本文擬基于虛擬仿真軟件設(shè)計教學(xué)案例微課,建立理論與實踐一體化的信息光電子學(xué)仿真案例教學(xué)平臺,并在此基礎(chǔ)上開展翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)實踐,充分強化學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位,促進(jìn)教學(xué)過程中理論、實踐與科研的有機融合.

1建設(shè)仿真案例教學(xué)平臺,實現(xiàn)理論與實踐的交融

信息光電子學(xué)課程全面介紹了光電子系統(tǒng)信息傳遞與處理各個環(huán)節(jié)的基本概念、基本原理與基礎(chǔ)應(yīng)用.這門課程知識點眾多,內(nèi)容復(fù)雜抽象.為了使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)這門課程,首先對信息光電子學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)行研究和拆分,確定每個章節(jié)的重點和框架,具體如圖1所示.按照信息的傳輸處理環(huán)節(jié)將信息光電子學(xué)分為“光源”、“信息加載”、“光信息傳輸”、“光信號接收”、“光信息處理儲存”五個部分.“光源”部分主要包括“激光原理與技術(shù)”,講述光源的種類和激光的產(chǎn)生.“信息加載”部分主要包括“光信息系統(tǒng)的信號加載與控制”,講述光的調(diào)制,為學(xué)習(xí)光傳輸打下基礎(chǔ).“光信號傳輸”包括“光學(xué)基礎(chǔ)知識與光場傳播規(guī)律”和“光波導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ)”兩部分,主要講解光信號的傳輸規(guī)律和傳輸通道.“光信號接收”部分包括“光電探測技術(shù)”和“光電顯示技術(shù)”兩部分,詳細(xì)描述提取以及轉(zhuǎn)換電信號的各環(huán)節(jié).“光信號處理儲存”部分包括“光盤與光儲存技術(shù)”,講述對接收到的信號進(jìn)行記錄與儲存的過程.在對信息光電子學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)行研究和拆解分析之后,針對本課程教學(xué)存在“理論與公式較多”、“缺乏實驗教學(xué)環(huán)節(jié)”等問題,構(gòu)建如圖2所示仿真案例教學(xué)平臺方案,加強學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中理論與實踐的聯(lián)系.該仿真案例教學(xué)平臺主要思想是,針對拆解知識點利用仿真技術(shù)設(shè)計出虛擬實驗微課,模糊理論教學(xué)和實踐教學(xué)的界限,將理論教學(xué)和實踐教學(xué)真正融為一體.通過認(rèn)真研究教材,挖掘光電方向的實驗室資源,同時結(jié)合國內(nèi)外信息光電子學(xué)的最新研究動態(tài),基于Matlab和Mathematica等仿真軟件設(shè)計出包括“麥克斯韋方程組”、“高斯光束”、“偏振光學(xué)”、“平面光波導(dǎo)”、“光纖”、“光子自旋霍爾效應(yīng)”等核心內(nèi)容的虛擬實驗微課及其配套內(nèi)容.這些仿真案例教學(xué)既利用虛擬實驗加深了對課程重難點內(nèi)容的理解,又借助學(xué)科實驗室資源開發(fā)了實物實驗,彌補了實物實驗環(huán)節(jié)的空白,將教與學(xué)融為一體.因此應(yīng)用這種仿真案例教學(xué)平臺,很好地解決了教學(xué)模式單一的問題,又使得理論與實踐相結(jié)合,提高了學(xué)生的科研能力.接下來,以“麥克斯韋方程組”教學(xué)為例,簡要說明仿真案例教學(xué)平臺微課資源的開發(fā)思路.“麥克斯韋方程組”是理解宏觀電磁現(xiàn)象的核心內(nèi)容,在信息光電子學(xué)課程中屬于重難點,學(xué)生僅從方程組的形式上難以將麥克斯韋方程組的理論與實際應(yīng)用相聯(lián)系.從理論知識出發(fā),我們設(shè)計了電磁場在均勻介質(zhì)中傳輸?shù)姆抡鎸嶒?并在仿真軟件Matlab中利用時域有限差分算法對均勻介質(zhì)中的麥克斯韋方程組進(jìn)行求解,不同時刻的場強分布如圖3所示.圖3動態(tài)描述出點光源在這種介質(zhì)中的傳輸情況,也可以形象地反映介質(zhì)參數(shù)和光源設(shè)置改變后的傳輸特性,結(jié)合國內(nèi)外“麥克斯韋方程組”的最新研究動態(tài),將其制作成仿真案例教學(xué)微課.這樣使得研究生可以更全面更形象地理解麥克斯韋方程組,更好地將課程與科研結(jié)合,提升自身的主觀能動性.

2借助翻轉(zhuǎn)課堂模式,培養(yǎng)學(xué)習(xí)的主觀能動性

【摘要】《光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計》是一門實踐性很強的專業(yè)技能課。本文從課程的課堂教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、實驗教學(xué)內(nèi)容選取、課程設(shè)計綜合實訓(xùn)以及工程項目設(shè)計強化訓(xùn)練幾個環(huán)節(jié)詳細(xì)描述了本課程對光學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用復(fù)合型人才的培養(yǎng)路線和方法，極大地提高了學(xué)生光學(xué)設(shè)計的能力和水平，增強了學(xué)生的專業(yè)歸屬感，培養(yǎng)效果和社會反饋良好。

【關(guān)鍵詞】光學(xué)設(shè)計；優(yōu)化；項目；訓(xùn)練；專業(yè)技能

在目前光電信息科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的時代，光與電的結(jié)合改變了人類社會信息獲取、信息轉(zhuǎn)換、信息貯存、傳輸與交流的方式，有著無限的發(fā)展空間和前景。作為信息采集和獲取的最前端系統(tǒng)——光學(xué)系統(tǒng)，它的設(shè)計雖基于傳統(tǒng)經(jīng)典光學(xué)理論，但設(shè)計理念、設(shè)計方法和內(nèi)容隨著時代變遷都在發(fā)生著巨大改變。課程建設(shè)在高校本科教學(xué)中有著舉足輕重的地位，直接影響著高校人才培養(yǎng)質(zhì)量?！豆鈱W(xué)系統(tǒng)設(shè)計》是許多工科高等院校光電信息、光學(xué)工程專業(yè)、電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、測控技術(shù)與儀器等專業(yè)的主修課程，也是一門實踐性、實用性特別強的專業(yè)課程。南陽理工學(xué)院地處久負(fù)盛名、擁有數(shù)百家光電企業(yè)的南陽光谷，服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和為地方企業(yè)輸送光學(xué)領(lǐng)域優(yōu)秀的工程設(shè)計人才是南陽理工學(xué)院辦學(xué)宗旨和社會使命，也是檢驗高校教書育人“四個回歸”質(zhì)量成效的重要途徑。因此，《光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計》課程內(nèi)容建設(shè)決定了畢業(yè)生光學(xué)設(shè)計能力和水平，這也是他們將來從事光學(xué)技術(shù)研究和走向光學(xué)工程師崗位的敲門磚。

一、課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化和實施

《光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計》課程自2012級開始相繼在我院兩個專業(yè)共三個班級開設(shè)。其前置課程主要包括幾何光學(xué)、物理光學(xué)、計算機基礎(chǔ)、工程制圖等，后續(xù)主要延伸至各種實際動手能力訓(xùn)練的課堂實驗、課程綜合實訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計、各級各類大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目申報和實施、外部光學(xué)工程項目承接等，也為光電檢測系統(tǒng)、光通信系統(tǒng)等相關(guān)課程技術(shù)服務(wù)?！豆鈱W(xué)系統(tǒng)設(shè)計》自開課以來，一直圍繞以上各層級專業(yè)能力的培養(yǎng)，循序漸進(jìn)，不斷完善和明確培養(yǎng)目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，探索和改革教學(xué)方法，致力于把學(xué)生培養(yǎng)成既具有一定理論基礎(chǔ)又具有較強工程設(shè)計實戰(zhàn)能力的復(fù)合型人才。1.課堂教學(xué)優(yōu)化。《光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計》是建立在光學(xué)成像基本原理、典型光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、像差理論、光學(xué)衍射受限等理論基礎(chǔ)之上的一門專業(yè)平臺技能課。課堂教學(xué)內(nèi)容選取主要遵循“實用為主，夠用為度”的原則。在我院安排的有限的24個理論學(xué)時里，精研教學(xué)內(nèi)容，尊重教材，又不局限于教材，以最合理的章節(jié)順序講授，按學(xué)生最易接受的方式不斷進(jìn)行內(nèi)容優(yōu)化。首先使學(xué)生了解光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計流程、光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評價方法以及光學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計布局，在面對產(chǎn)品客戶的使用規(guī)格和功能需求時知道如何應(yīng)對。其次，世界上形形色色的光學(xué)產(chǎn)品都是從為數(shù)不多的經(jīng)典光學(xué)系統(tǒng)中演變而出，比如投影機鏡頭可從顯微物鏡系統(tǒng)演變，大地測量儀、激光擴束可從望遠(yuǎn)系統(tǒng)演變，因此典型光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計、典型光學(xué)系統(tǒng)如望遠(yuǎn)、顯微物鏡設(shè)計、目鏡設(shè)計、照相物鏡設(shè)計都是講授重點。在此過程中，計算機輔助設(shè)計軟件ZEMAX的操作使用也貫穿于整個課堂，這是新時代的高速計算分析工具，以幫助所有系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)。光學(xué)制圖是光學(xué)設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)果的工程表達(dá)，也是產(chǎn)品制造的依據(jù)，是課堂教學(xué)不可缺少的部分。設(shè)計課的特點是課堂上隨時會進(jìn)行設(shè)計演示和案例導(dǎo)入，多媒體課件中融入了大量的圖形、符號和顏色管理以及Zemax文件的鏈接。課堂上學(xué)生隨著老師的講授內(nèi)容和講授節(jié)奏在電腦旁邊聽邊學(xué)邊做。老師傳授學(xué)生在設(shè)計過程中如何分析問題和解決問題，如何形成對光學(xué)知識體系整體的思考和理解，收到很好的教學(xué)反饋。2.實驗教學(xué)內(nèi)容構(gòu)思?！豆鈱W(xué)系統(tǒng)設(shè)計》的課程特點是實踐性強，實驗學(xué)時與理論學(xué)時占比非常大。如何在有限的實驗學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生掌握各種類型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的技巧和能力，這就需要統(tǒng)籌合理安排實驗教學(xué)內(nèi)容。光學(xué)設(shè)計實際上就是使用計算機工具軟件，在一定的系統(tǒng)起點上，不斷調(diào)整光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)成用戶提出的功能要求和成像要求。前面講過當(dāng)今世界千千萬萬類型的光學(xué)系統(tǒng)都是從一些典型系統(tǒng)中派生出來的。從典型光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計出發(fā)，遇到實際的工程系統(tǒng)也會知道如何分析和設(shè)計。在此思路指導(dǎo)下制訂出了有主有次、有難有易的課程實驗項目，實驗一為ZEMAX軟件操作及光學(xué)設(shè)計輸入和像質(zhì)優(yōu)化過程演練；實驗二為離軸折轉(zhuǎn)的牛頓天文望遠(yuǎn)物鏡的設(shè)計和仿真；實驗三按反向光路設(shè)計一目鏡系統(tǒng)，訓(xùn)練如何設(shè)置變量和對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行約束控制等；實驗四設(shè)計一照相物鏡，難度增加，需設(shè)計技巧；實驗五繪制一光學(xué)零件工程圖紙并標(biāo)注合理公差和技術(shù)要求。以上這些實驗內(nèi)容使16個學(xué)時的課堂訓(xùn)練真正地實現(xiàn)高負(fù)荷運轉(zhuǎn)，學(xué)生較全面地掌握了典型光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計流程和基本方法。實驗教學(xué)完成了應(yīng)用型人才培養(yǎng)初級層次。通過學(xué)生設(shè)計性實驗完成情況和效果測評，證明這樣的實驗項目構(gòu)思是成功的。3.課程設(shè)計實訓(xùn)內(nèi)容探索。實踐教學(xué)是高等教育人才培養(yǎng)永恒的主題，要培養(yǎng)出符合工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)、適應(yīng)當(dāng)今社會快速發(fā)展的光電產(chǎn)業(yè)格局的光學(xué)設(shè)計高級應(yīng)用型人才，工程綜合實訓(xùn)環(huán)節(jié)必不要少。課程設(shè)計工程實訓(xùn)一般持續(xù)兩周及8周不等，實訓(xùn)任務(wù)也不同于課堂實驗環(huán)節(jié)。首先光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)具有工程背景；其次是設(shè)計難度增加，要考慮工程因素；再次學(xué)生必須自己從圖書館、國家專利庫或其它資料庫中查閱尋找初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化和創(chuàng)新。首先讓學(xué)生真實地體會一下光學(xué)系統(tǒng)的制造流程，每人組裝一臺望遠(yuǎn)鏡，加深對光學(xué)產(chǎn)品的認(rèn)知，了解光學(xué)系統(tǒng)各組成部分的功能，了解設(shè)計和組裝差錯會對產(chǎn)品產(chǎn)生什么樣的影響，這是課程設(shè)計實訓(xùn)的第一步。第二步，光學(xué)工程設(shè)計任務(wù)下達(dá)，學(xué)生分組完成各自的設(shè)計任務(wù)。工程訓(xùn)練題目多來自于教師以往設(shè)計案例，或市場上或某些光電企業(yè)普通產(chǎn)品規(guī)格要求，具有多類型性，有效地擴展和提升了前置的實驗教學(xué)內(nèi)容。以小米智能攝像機光學(xué)鏡頭的設(shè)計訓(xùn)練來說，此為南陽某光學(xué)企業(yè)現(xiàn)行量產(chǎn)供應(yīng)產(chǎn)品，焦距4mm，傳感器1/3，F(xiàn)數(shù)2.4；光學(xué)長度小于22mm，鏡片小于5片，成像要求1M。此任務(wù)要求學(xué)生首先分析尋找合適的初始光學(xué)結(jié)構(gòu)方案，然后按照像差理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和像差平衡校正，最終達(dá)到工程化要求。對于沒有工作經(jīng)驗的學(xué)生來說，初始結(jié)構(gòu)的選取會是他們面臨的第一個難題。接下來是90度大視場角帶出的大像差的校正難點，需要學(xué)生更多的專業(yè)知識和經(jīng)驗累積。4.工程項目設(shè)計強化訓(xùn)練。光學(xué)設(shè)計無頂峰。在經(jīng)歷了幾個階段的學(xué)習(xí)和實訓(xùn)后，學(xué)生雖然對設(shè)計理念、設(shè)計流程、設(shè)計技巧有了一定的掌握。但光學(xué)系統(tǒng)很多時候是功能迥異的復(fù)雜工程，并不是單一的物鏡或目鏡光路或單一的消像差。實際的工程設(shè)計還要考慮客戶的使用環(huán)境、使用條件，考慮制造工藝和成本，考慮國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或其它優(yōu)勢競爭因素等。學(xué)生要想在畢業(yè)后快速適應(yīng)光電行業(yè)光學(xué)工程師崗位，還需要不斷加強設(shè)計訓(xùn)練，甚至去光電企業(yè)實習(xí)。訓(xùn)練項目主要有四類。（1）開放實驗室項目，利用開放實驗室條件和學(xué)生長時間在實驗室研究學(xué)習(xí)規(guī)律，為他們在學(xué)校申請光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計類項目，如“工業(yè)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計”題目，并獲得一定經(jīng)費資助。（2）大學(xué)生國家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目，如2017年協(xié)助四位學(xué)生申請到國家大創(chuàng)項目“車載寬視角高清系列攝像鏡頭設(shè)計與開發(fā)”，為學(xué)校贏得了榮譽，豐富了課程內(nèi)容。（3）外接工程項目，如“廣告用投影機”項目，指導(dǎo)14級學(xué)生幫客戶完成照明和投影光學(xué)系統(tǒng)工程設(shè)計，得到用戶認(rèn)可。（4）畢業(yè)設(shè)計課題，最近三年共有30人左右申請了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)研究課題，有的項目成果還整理發(fā)表了期刊科技論文，增強了學(xué)生自信。光學(xué)設(shè)計強化訓(xùn)練項目在內(nèi)容上也體現(xiàn)了三個特征：（1）復(fù)合性特征，如工業(yè)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)包括攝像物鏡設(shè)計、轉(zhuǎn)像透鏡設(shè)計和目鏡設(shè)計，相互之間銜接，初期的方案制作就很考驗學(xué)生的專業(yè)水平。（2）多類別特征，研發(fā)項目從攝影光學(xué)系統(tǒng)到投影系統(tǒng)，從激光掃描系統(tǒng)到紅外微光系統(tǒng)，從定焦到變焦系統(tǒng)等。大大擴展了學(xué)生畢業(yè)后從業(yè)就業(yè)的范圍。（3）系列性特征，如車載寬視角系列鏡頭研發(fā)，焦距規(guī)格系列包含2.8、3.6等，清晰度包含720P、1080等，使學(xué)生的設(shè)計訓(xùn)練思路明晰。

二、結(jié)束語

《光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計》教學(xué)內(nèi)容經(jīng)過一系列的精挑細(xì)選、優(yōu)化探索，逐步實現(xiàn)了理論指導(dǎo)、軟件輔助、課堂訓(xùn)練、工程項目設(shè)計實戰(zhàn)為主干的科學(xué)培育路線。學(xué)生通過這門課程的學(xué)習(xí)，是真真正正掌握了一門專業(yè)技能。近幾年畢業(yè)生中從事光學(xué)設(shè)計工作相關(guān)人員激增，考取光學(xué)工程專業(yè)研究生人數(shù)暴漲，企業(yè)用人反饋良好，極大地增強了在校學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣和就業(yè)信心。今后，我們?nèi)詫⒉煌跣?，不辱使命，繼續(xù)在教學(xué)實踐活動中探索更加優(yōu)化的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，為社會培養(yǎng)更加優(yōu)秀的光學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)人才。