何文森，楊華軍，江 萍

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610054）

1 大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地

“空間光通信創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”是電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)類本科專業(yè)教育的一門創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程。

2009年在電子科技大學(xué)有關(guān)部門的高度重視和大力支持下，建立了大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地。服務(wù)對象主要面向研究生、基科班和各年級的本科生。大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地通過構(gòu)建以強(qiáng)化學(xué)生動手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和編程設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)為核心的多元化創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺，成為組織與引導(dǎo)學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、科學(xué)研究與設(shè)計(jì)創(chuàng)新的重要教學(xué)場所［1－4］，為教學(xué)提供一流的空間光通信創(chuàng)新實(shí)踐、計(jì)算機(jī)仿真及編程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)平臺。教學(xué)結(jié)構(gòu)主要向以大學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主導(dǎo)、以交互式信息系統(tǒng)為媒介、教師與學(xué)生互動的全新教學(xué)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變［5－9］?！翱臻g光通信創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”作為該基地支持的主要課程之一，為教學(xué)深化改革打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對教學(xué)模式和教學(xué)方法提出了新的要求。

本教學(xué)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)著一批國家級基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，同時(shí)也承擔(dān)重要的應(yīng)用型科研任務(wù)?！把芯啃痛髮W(xué)應(yīng)該遵循研究型教學(xué)模式，實(shí)行教學(xué)與研究相結(jié)合，人才培養(yǎng)與學(xué)科建設(shè)有機(jī)結(jié)合”［10］。通過近幾年探索與實(shí)踐，形成了一套相對完善的開展科技創(chuàng)新活動的機(jī)制和方法［11－12］：

（1）建立了一套嚴(yán)格的教師與學(xué)生共管大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地的規(guī)章制度；

（2）在內(nèi)容上定期開展前沿講座，介紹科研領(lǐng)域發(fā)展的最新動態(tài)，拓寬學(xué)生視野；

（3）定期進(jìn)行綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)及大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目講評，實(shí)行教師與學(xué)生的良性互動，鼓勵學(xué)生發(fā)表高質(zhì)量的論文，并實(shí)行獎勵制度；

（4）在硬件和軟件建設(shè)上實(shí)行目標(biāo)任務(wù)制；

（5）開展創(chuàng)新基地活動采用導(dǎo)師制，實(shí)行研教、競教結(jié)合方式，在開展的各項(xiàng)活動中注重挖掘?qū)W生的創(chuàng)新意識、培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)和動手能力，鼓勵學(xué)生在實(shí)踐過程中不斷提出問題、挑戰(zhàn)自己；

（6）教師實(shí)行年終考核制。

實(shí)踐表明，開展對本科生的科研訓(xùn)練是提高大學(xué)本科教育教學(xué)質(zhì)量的重要手段之一，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力研究型人才的有效途徑，是研究型教學(xué)模式的主要驅(qū)動力。研究型教學(xué)在改革本科教育體系、提升本科教學(xué)質(zhì)量方面發(fā)揮著重要作用。

2 銜接性、漸進(jìn)性和可操作性

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇是設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌_展的一個(gè)很重要的因素，我們根據(jù)自身的教學(xué)特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)條件，開設(shè)了具有一定特色、操作性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目十幾項(xiàng)。例如無線激光大氣通信實(shí)驗(yàn)、光學(xué)天線偏軸理論建模仿真實(shí)驗(yàn)、光學(xué)天線偏軸與熱膨脹實(shí)驗(yàn)、高精度激光準(zhǔn)直光傳輸理論建模與實(shí)驗(yàn)、光學(xué)天線與光纖耦合激光傳輸理論建模與實(shí)驗(yàn)、高精度光纖耦合激光傳輸理論建模與實(shí)驗(yàn)、光信號在不同介質(zhì)中的無線傳輸測試實(shí)驗(yàn)、光電探測器特性實(shí)驗(yàn)、電尋址空間光參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)、卡塞格倫光學(xué)天線光傳輸特性測試實(shí)驗(yàn)等。

為了提高學(xué)生運(yùn)用所掌握的知識和查閱相關(guān)文獻(xiàn)的能力，順利地完成實(shí)驗(yàn)，我們在選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)做了綜合考慮：

（1）難易程度要適中，即從基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的過渡；

（2）在規(guī)定的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，大部分學(xué)生能獨(dú)立完成；

（3）選用常用的光學(xué)測試儀器設(shè)備及有所了解的光學(xué)元器件等；

（4）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)具有一定的綜合性、創(chuàng)新性。

總之，實(shí)驗(yàn)的可操作性要強(qiáng)，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中要注重與教材的銜接性與漸進(jìn)性，讓學(xué)生力所能及。例如光學(xué)系統(tǒng)像差測試實(shí)驗(yàn)，作為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生學(xué)習(xí)掌握各種幾何像差產(chǎn)生的條件及其基本規(guī)律，以及觀察各種像差現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)模擬效果圖。幾何像差主要有7種：球差、彗差、像散、場曲、畸變、位置色差及倍率色差。圖1、圖2是實(shí)驗(yàn)測試效果圖與仿真效果圖的對比。

圖1 像散效果圖

圖2 慧差效果圖

本實(shí)驗(yàn)主要目的是讓學(xué)生更加深刻地理解各種單色像差的概念及對光學(xué)系統(tǒng)的影響。為了使學(xué)生熟悉設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的基本思路，我們給出了：

問題1：已知圓線圈的半徑為a，通有電流I，求空間任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。圖3是學(xué)生根據(jù)題目的要求做出的仿真結(jié)果圖。

圖3 感應(yīng)強(qiáng)度B的場線仿真結(jié)果

問題2：在半徑為a的導(dǎo)體球內(nèi)（或?qū)w球外），距球心r0處放置電量為4πε0q的點(diǎn)電荷，求它形成的靜電場。圖4、圖5是學(xué)生根據(jù)題目的要求做出的仿真結(jié)果圖，球域外有點(diǎn)電荷r1＞a，球域內(nèi)有點(diǎn)電荷r1＜a。

圖4 球域外點(diǎn)電荷的電場仿真結(jié)果

通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以研究幾何像差產(chǎn)生的條件及其基本規(guī)律，觀察各種像差現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)模擬效果圖，以及觀察圓線圈空間任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的場線分布及導(dǎo)體球域靜電場分布的計(jì)算機(jī)模擬效果圖。

通過以上基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生逐漸進(jìn)入較難的綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。

圖5 球域內(nèi)點(diǎn)電荷的電場仿真結(jié)果

3 兩種類型

在創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)操作形式上，規(guī)定了2種類型：

（1）要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件提出創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)及器材的要求，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)行獎勵制度；

（2）要求學(xué)生給出實(shí)驗(yàn)原理，寫出計(jì)劃書，提出可行性實(shí)驗(yàn)方案并論證，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)行獎勵制度。

第一種類型學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)會有更多的收獲，第二種類型只規(guī)定了實(shí)驗(yàn)任務(wù)，對測量手段和測量儀器沒有限制。因此實(shí)現(xiàn)的方法很多，這更有利于激發(fā)學(xué)生的研究興趣和培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新型的人才。

第一種類型，如激光束在不同介質(zhì)中的光傳輸綜合測試實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，要求：

（1）對激光束經(jīng)不同介質(zhì)后光傳輸特性進(jìn)行分析；

（2）研究準(zhǔn)直、保偏、光纖耦合等技術(shù)；

（3）測試激光束經(jīng)不同介質(zhì)后光傳輸效率和光纖耦合效率等。

第二類創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，例如對布拉格光纖的仿真，圖8是學(xué)生根據(jù)題目的要求做出的仿真結(jié)果圖。

圖8 布拉格光纖的仿真結(jié)果圖形

4 合理安排及導(dǎo)師的作用

在教學(xué)方式上采用啟發(fā)式和開放式，重點(diǎn)放在啟迪學(xué)生智慧、激發(fā)學(xué)生的研究興趣，積極引導(dǎo)，實(shí)行導(dǎo)師負(fù)責(zé)制。在此期間，學(xué)生不僅要學(xué)習(xí)教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、了解各種光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法、熟悉各種光學(xué)實(shí)驗(yàn)的原理，還要提出合理的設(shè)計(jì)方案，并與指導(dǎo)教師對方案的設(shè)計(jì)和論證實(shí)行良性互動。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，導(dǎo)師的作用極其重要。另外還要適當(dāng)、合理地安排教學(xué)時(shí)間及教學(xué)內(nèi)容。大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地采用開放式教學(xué)。

近幾年，開展的空間光通信創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)思路探索正在實(shí)施中，目前通過這種培養(yǎng)模式開發(fā)了大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃40余項(xiàng)，并指導(dǎo)學(xué)生發(fā)表論文40余篇（其中SCI 5篇），多名優(yōu)秀大學(xué)畢業(yè)生被推薦到國外著名大學(xué)留學(xué)和保研，極大地提高了學(xué)生綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)、英語閱讀和寫作等能力，達(dá)到了學(xué)生鍛煉自己、培養(yǎng)專業(yè)思維訓(xùn)練及綜合創(chuàng)新能力的目的。

5 實(shí)施效果

本教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)這門課程完成的主要教改項(xiàng)目有：空間光通信實(shí)驗(yàn)平臺專項(xiàng)建設(shè)，2項(xiàng)電子科技大學(xué)教材建設(shè)，1個(gè)基于大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地的空間光通信工程技術(shù)研究中心，研發(fā)了光通信創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)“光纖損耗與光纖耦合實(shí)驗(yàn)”、“激光準(zhǔn)直與多波長光學(xué)天線傳輸實(shí)驗(yàn)”等10余個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并依托這個(gè)創(chuàng)新實(shí)踐平臺開展了一系列高水平的科研項(xiàng)目，獲得了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)、國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目5項(xiàng)以及橫向建設(shè)項(xiàng)目等，取得了顯著的教學(xué)成果，形成了交叉性學(xué)科前沿與創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合的人才培養(yǎng)模式。

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