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光纤传感技术课程建设

摘要：随着光纤检测技术的蓬勃发展,光纤传感器技术也出现在各大高校学生选课清单表上.为了满足在现实发展中对光纤传感器技术领域人才的实际需求,对不同专业学生的教学内容也应该各有侧重.本文针对物联网、电子科学与技术、物理类本科生和硕士研究生的不同特点,从教学内容调整、教学方法、人才培养和教师队伍建设方面浅析光纤传感技术课程建设,以期能够建立多维度一体化的课程体系.

关键词：光纤传感技术；课程建设；光纤检测；教学方法；人才培养

光纤传感器是以光纤作为传感材料,将待测值与光纤内的光特性变化联系起来的传感器,自20世纪70年代出现以来,因其质轻、抗电磁干扰能力强、电绝缘、耐高温的特性,成为光学工程、电子科学与技术、检测技术与物联网工程等专业学生需要掌握的技术[1~3].光纤传感技术是一门理论与实践应用紧密结合的学科,要求学生掌握扎实的光学、电学基础,鼓励学生在掌握相关知识的同时学以致用,根据实际需求对掌握的知识灵活运用.这也是课程建设的特色之一.

为适应现代检测技术发展对光纤传感领域人才的不同需求,针对物联网本科生、电子技术类本科生和物理类本科生以及硕士研究生,建立多维度一体化光纤传感器技术课程建设[4].在教学内容上,对传授的课程内容仔细甄选,结合授课对象的专业关注不同侧重点；在教学手段和方法上,大力推进授课方式和考核方式的改革；采用校企结合,培养针对不同岗位的人才；加强教师培训,提高课题组自身教学水平.

一、建立多维度一体化光纤传感

器技术课程建设

《光纤传感器技术》课程建设以教材为中心,教材选用科学出版社出版的李川教授主编的《光纤传感器技术》一书,通过选取书内不同内容,以满足多维度人才的学习要求.该书分为基础篇、原理篇、应用篇三个部分[5].基础篇主要包括光纤传感器的理论基础和器件基础部分,其中理论部分重在物理概念,为光纤器件的分析提供理论方法,包括光纤的光纤理论、模式理论、模式耦合理论、单模光纤的非线性传输特性等；器件基础介绍光纤、光缆、光波导和光纤器件等,用于实现光的激发、传播、交换、分配、控制和探测.原理篇主要讲述了各类型光纤传感器的工作原理,比如强度调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、相位调制性光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、光栅调制型光纤传感器、分布式传感器和特种光纤、集成光学感器,还讲述了复杂条件下多光纤传感器网络与数据融合的多源信息综合技术.应用篇主要依据测量量的分类讲述不同光纤传感器的测量方法,主要有机械量传感器、热工量传感器、电磁量传感器、化学量传感器和生物量传感器,最后还介绍了在物联网产业带动下产生的五大应用领域：智能结构、工业、生物医学、自然生态和人居环境等.

（一）针对物联网专业本科生的课程内容建设应注重原理篇和应用篇

物联网是指通过各种信息传感设备,实时采集需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息,与互联网结合形成一个巨大网络[6,7].考虑到物联网专业的学生主要从整体上掌握物联网产品集成,物联网平台运营,物联网设计等方面知识,又考虑到传感器作为物联网获取信息的主要手段,传感器所采集的可靠性与准确性都会对控制节点处理和传输信息产生影响,因此,学生还是需要学习传感器选型、传感器数据采集工作原理方面的内容.在本课程中我们决定简单介绍光纤和光纤器件,着重讲解各类型传感器工作原理和传感器对不同测量量的测量方法.课程内容涵盖强度型、波长型、偏振型、相位型和分布式光纤传感器的工作原理和检测技术；以及温度、湿度、电流、压力等测量量传感器类型的选择和测量方法；最后以现有的几种典型的光纤传感器应用为例,展示光纤传感器在不同目的和环境中的应用,帮助学生在独立物联网设计时根据理论知识与现实环境选择最佳的传感器.

（二）针对电子科学与技术专业本科生的课程内容建设应注重原理篇侧重应用篇

电子科学与技术专业的学生未来应着重于光纤传感器系统的开发和应用,在课程内容建设上应注重原理篇,侧重应用篇.鉴于电子科学与技术专业学生已经在《光纤技术》课程中学习了有关光纤传输理论、有源和无源光纤器件基本原理、光纤传感器类别和传感原理等内容,在本课程中简述光纤基础篇内容后针对不同光纤传感系统特色,详细介绍各类型光纤传感器的系统构成和调制解调原理,以及针对不同测量量的测量方法.课程内容主要涵盖强度调制原理、波长调制原理、相位调制原理、偏振调制原理以及温度、压力、密度、电压等测量原理；最后以2~3种光纤传感器开发过程为例,启发学生利用现有的原理开发针对不同目的的光纤传感器.

（三）针对物理专业本科生的课程内容建设应注重全面拓展光纤传感器技术知识面

物理专业学生在光学、电学等方面均有良好的知识基础,本课程对于物理类专业学生的教学目标定位在拓展学生知识面,完善知识结构.课程内容建设涵盖基础篇、原理篇、应用篇,简化原理篇和应用篇里面技术类知识,注重理论和物理类基础知识,扩展现有的几种常用传感器的工作原理,比如光纤陀螺[8,9]、光纤水听器[10,11]等.一方面可以把光学和电学方面的知识有效结合起来,另一方面可以帮助学生在相关工作岗位上更快的掌握光纤传感器的使用和维护方法.

（四）针对本专业的硕士研究生课程内容建设应注重系统设计和应用技术

与本科生的课程内容建设相比,研究生的课程内容建设[12]则要提高难度,削减光纤传感器基础知识,以系统设计和应用技术为教学重点.首先,照顾非专业本科生到本专业读跨专业研究生的学生没有任何光纤传感器基础知识,课程教学中首先要简单介绍光纤传感的基础知识,之后以应用最广的几种光纤传感器比如光纤陀螺、光纤水听器、光纤光栅传感器为例,从他它们的应用环境、系统构成、关键技术等方面详细分析,以达到更高的技术指标为目的,建立从理论分析到实践应用的联系.最后几个学时,结束讲解后让学生自己选定一种光纤传感系统,阐明研制过程和技术指标,提高学生独立分析和实践能力.

二、推进教学方法和手段改革创新

在教学方法和手段上,为了避免传统单一的文字和公式讲述,充分发挥学生主观能动性,我们推进了一系列的改革,以及使用大量新手段、新技术,给学生直观的视觉冲击效果,加深学生理解,改进考核方式,从单纯的知识教学拓展到能力和素养的提高.

（一）增加课堂演示环节,充分利用网络资源

光纤传感器技术的课程中充斥着大量原理和公式,枯燥难懂.因此在课程建设中,在课堂上引入演示环节,直接的视觉效果对于加深学生理解原理和公式更有帮助.利用已有的光纤传感系统,重点在于演示结果,但部分光纤传感系统结构复杂,不便于课堂演示,可以充分利用丰富的网络资源比如网易公开课中名师精品课程、实验演示视频,在授课过程中展示给学生.还可以把教学课件、教案等资料传到网上,要求学生在课后巩固环节自主学习；此外,虚拟仪器技术在光纤传感方面的应用发展成熟,用于解调电信号具有很大优势,对于复杂的调制信号解调可以使用电脑软件展示给学生,比如在光纤光栅传感干涉解调技术研究中,利用基于Labview软件平台的虚拟仪器对于采集信号进行滤波降噪处理,调用图表Amphase Spectrum对采集到的两路信号进行计算获得信号相应的相频特性,最终得到两信号的相位差,经计算后得到解调信号[13]；MATLAB等程序软件功能强大,帮助学生理解公式和原理带来的信号图形也是非常直观的.

（二）开展学生分组专题研讨专题课程教学[14]

掌握科学文化知识始终终归是纸上得来终觉浅,教师在做好教学的基础上,应鼓励学生自己动手查找文献、操作程序,设计传感系统.开展分组研讨式教学是要求学生自行结合组队,同时由教师精心准备若干专题,让学生团队自主选择感兴趣的专题并经过准备后在课堂上进行PPT展示.学生展示的同时可以保留自己的疑问与老师同学进行探讨,同时可以由其他同学对所展示的内容提出问题和异议,再由展示同学答疑.整个分组研讨环节完全采用学生为主、教师为辅的形式,提高学生查找文献、独立思考的能力和团队协作精神.研讨专题也可涉及基础知识类、原理分析类、应用技术类等,不仅锻炼了学生在理论方面的分析能力,而且能促进学生对技术问题方面的掌握.

(三)改革考核手段,完善试卷和成绩分析

在传统试卷考核的基础上,加入传感器设计的加分考核项,再加上平时成绩,三项各占总成绩的60%、20%、20%.其中,传感器设计加分考核项由学生自己组队完成,组内成员的成绩依据各自在组里的贡献在整体成绩的基础上下浮动,考核评委由一名授课教师和两名专业课教师担任,整体成绩由三位评委汇总评分.考试结束后,依据学校试卷评阅与归档管理办法,要求教师明确试卷评阅教师责任,采取统一评分标准和集体流水式阅卷.阅卷结束后由课题组组织教师进行试卷和成绩分析,总结经验教训,以便指导后期教学.

三、以光纤传感器技术为支撑,进行校企结合,培养各层次人才

传感器技术是一门实践性较强的专业技术应用课程,对于没有能力提供学生动手实践的实验室场所,与企业合作开发课程,双向根据岗位职业的专门技术和综合能力培养多层次人才是当前工科专业发展的主流趋势[15,16].在校企合作开发课程时,由企业提供校外实训场所,并请企业专业技术人员教学,将行业认证标准融入教学过程,整合教学内容,弥补学校教师企业经验的不足；同时学校教师理论知识扎实,前沿科学掌握较多,可以为企业产品研发提供服务,长期合作,校企可以达到双赢的局面.同时,经历过校企联合培养的毕业生,更能够适应企业岗位需求,降低了企业培训的成本,能够大大提高学生就业率和就业质量.

四、建设高素质教师队伍

教师是教育行业的关键因素,教师素质的高低直接影响教学质量和学生素养的提高[17],因此,教师队伍的建设也是本次课程建设中至关重要的一环.教师是传道、授业、解惑的行业,此处的传道、授业的对象并不单指课堂上的学生.对于刚参加工作的青年教师,普遍没有丰富的教学技能和技巧,但是他们充满热情,思想活跃,课题组应该组织经验丰富的老教师对青年教师进行指导：如何编写教案、编写课件,如何带动学生学习兴趣,如何调动课堂气氛,督促青年教师快速提高教学水平.

除了在课题组内加强自身素质培养,还要鼓励教师定期参加国内外学术交流活动,学习国内外其他学校的教学经验,定期与兄弟院校相互交流,及时获得更新、更好的课程设置和教学安排,弥补自身不足,提高自身素质和教学质量.

完成《光纤传感器技术》课程建设,并不断在实际教学工作中摸索前进,边前进边总结,可进一步提高教学水平,做好教学工作,为学生服务.

参考文献

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