期刊简介   About
主管单位:四川省科学技术协会
主办单位:科幻世界杂志社
国内统一刊号:51-1757/G4
国际标准刊号:2095-9214
杂志类型:高等教育类杂志-G4
出版周期:半月刊
出版地:四川省 成都市
语种:中文
开本:大16开
创刊时间:2014年

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面向行业需求的专业研究生知识结构与工程案例研究

发表时间:2021-10-01 浏览:
面向行业需求的专业研究生知识结构与工程案例研究
冯云鹏1,程灏波1,文永富1,乔晓艳2 
(1. 北京理工大学 光电学院,北京 100081
2. 高等教育出版社,北京,100084)
[摘  要国内光学行业的快速发展以及对专业工程人才的大量需求,促使高校转变工程研究生培养方案。本文面向行业需求,结合一级学科培养方案,灵活构建工程研究生知识结构和课程体系,以满足不同行业对人才的跨学科知识体系的要求。同时,建立校内实践平台,设计不同的工程案例,强化学生的理论联系实践能力和解决实际问题的能力。本文从光学工程中的先进制造研究方向切入,以期为培养具有创新精神和实践能力的专业技术人才提供借鉴意义。
关键词研究生教育,知识结构,课程体系,工程案例
[基金项目]2019年 北京理工大学研究生教育教学改革项目 2019JYJG022 “面向行业需求的工程研究生培养方案和知识体系构建”
作者简介冯云鹏,1981年出生,男,汉,河北邯郸人,博士,北京理工大学光电学院,讲师,从事先进光学制造与检测研究方向。程灏波,1975年出生,男,汉,吉林省吉林市人,博士,北京理工大学光电学院,教授,从事先进光学制造与检测,新型光学系统方向研究。
 
引言
随着现代科技的发展,光学产业的规模也在显著增长。据预测,光学市场将从2018年的5564亿美元增长到2023年的7804亿美元[1]。其中,亚太地区是最大的光学市场,且中国是该地区最大的市场。国内光学市场的显著增长,以及光学行业对具有创新能力、创业能力和实践能力的专业工程人才的大量需求,促使了工程专业学位研究生培养的转变,以适应经济社会发展的需求[2-5]。因此,根据光学行业的发展需要,构建行业需求的专业学位研究生知识体系,建立合适的研究生培养方案,是目前工程专业学位研究生培养需要解决的重要问题[6-8]
一、先进光学制造的多学科交叉特性
现代光学系统,如空间望远镜系统、极紫外光刻系统、高能激光系统等,对其核心光学元件要求提出严苛的要求,一方面元件尺寸朝着极大极小两个极端方向发展;另一方面要求其表面质量达到纳米/亚纳米精度、无亚表面缺陷,且表面残余误差在全频域的分布达到一定要求。这种极端要求的光学元件对传统的光学制造技术提出了挑战,科研人员发展了多种精密光学制造技术,如应力盘抛光技术、计算机控制光学表面成形技术、磁流变抛光技术、磁射流抛光技术、离子束抛光技术等。本项目重点关注计算机表面成形技术、磁流变技术和离子束技术。
不同新技术由于其物理机理的不同,使得其工艺技术和涉及的学科不尽相同。总的来说,现代光学制造工程是以信息科学为主导、以现代光科学与制造科学理论与技术为基础,结合了光科学与制造科学的一门交叉学科。它涉及的学科和技术包括光学制造系统工程技术、光学工程设计、光学测试技术、光学薄膜技术,计算机信息技术、机械设计、自动控制技术、材料科学、流体力学、电磁场及等离子体物理等。这里既包括光学设计、光学材料、薄膜光学等经典光科学类课程,也包括智能制造技术、计算机信息技术、流体力学、电磁场、等离子体物理等其它学科课程;甚至由于光学元件在不同行业的应用,还需要掌握相应行业的专业知识和背景,如应用于机场行业的光学元件、应用于兵器行业的光学元件。
现代光学制造技术表现出来的交叉特性,以及在不同行业的应用特质,使得现有的本专业知识体系不能满足行业的需求背景,最终引起研究生培养面临行业缺失的风险。
二、交叉学科研究方向的知识结构和课程体系确定
交叉学科的培养方案需要校内导师和校外导师根据目标行业的特点,选择设计合适课程培养体系,一方面使专业学位研究生可以满足学校的培养方案,另一方面可获得行业所需要的知识背景和体系。这样才能使专业学位研究生获得更广阔的视野,满足不同行业对研究生具体知识结构的需求。而当前先进光学制造方向专业研究生的培养方案多参考光学工程相关方向,不能覆盖该研究方向所需要的全部课程。
对于先进光学制造方向,为了构建灵活的适合课程体系,尽可能地扩大学生的知识结构,作者在现有培养方案基础上,根据不同行业所需不同的知识结构在不同的课程之间进行平衡。如:在专业必修课程中,选择光学工程类基础课程,如光学设计、光学材料、薄膜光学、光信息处理等;在全校专业选修课的范围内,挑选相关的跨学科课程如流体力学、电磁场、等离子体物理等课程;对于一些无法在学校层面开设的课程和其它行业的相关知识,则由导师给出相应的资料和书目进行自学;对于其它仍不能满足培养方案的部分,由学生根据兴趣或与导师团队协商决定。确定好研究生的培养方案之后,需注意在校企共同培养研究生的过程中,鼓励研究生运用专业知识解决实际问题,以提高研究生的实践能力和创新能力。
以应用于机场精密照明的光学元件先进制造与检测研究方向的研究生培养为例,简单介绍如何确定交叉学科研究方向的知识结构和课程体系。首先,需与校外导师沟通并确定该方向研究生研究内容,包括关键核心元件的设计、制造以及产品光度的离线和在线测试;进而可以确定该研究方向所需的知识结构和课程体系,包括①一级学科光学工程培养方案中的光学设计、光学制造、光学检测、机械设计等专业课程;②自动控制技术、机床数控技术、流体传动与控制等跨学科课程;以及③机场灯光相关国际标准以及运行规定等知识。
在实际培养过程中,由于要研究和学习内容较多,培养方案不可能一成不变,需要根据学生侧重研究方向的不同,对其知识结构和课程体系进行微调。偏向设计方向的研究生需要偏重培养方案中 的专业必修课程,而偏应用方向的研究生则课程重点在光学工程的选修课程上。
三、先进光学制造的工程案例实践
案例教学法是一种理论教学与实践活动相结合的教学方法,对培养学生的思维和创新能力可起到积极的推动作用。在工程案例的设计中,教师要考虑学生已经掌握的知识和背景,将理论知识融汇在工程实践中,引导学生独立分析问题和解决问题,进而深入理解理论知识,提高实践能力。
根据不同的应用行业,通过校企联合设置不同的工程案例。如:面向传统光学制造行业设计了计算机控制表面成形技术、磁流变技术和磁射流技术等工程案例,案例包括工程光学、光学设计、光学工艺学、不同技术工艺流程规划、误差数据处理、不同技术的理论基础、光学检测等方面课程和知识,基本覆盖制造过程所需的知识结构;面向机场行业设计了精密跑道中线灯设计与检测案例,包括照明光学设计、机械设计、电路设计、光学测量、光度测量、机场ICAO标准等课程和知识体系;面向增材制造行业设计了3D打印工程实例,覆盖机械设计、机械加工基础、工程力学、工程材料、3D制造、3D测量等知识体系和课程。工程案例中既有理论学习和软件仿真,也有实践操作,可充分地使学生理论联系实践,提高创新能力和实践能力。
以机场精密跑道中线灯设计与检测案例为例,根据LED发光原理和机场行业国际标准,研究生需要利用Zemax软件完成自由曲面组合透镜设计,利用Solidworks和Lighttools完成元件3D建模和能量分析,需要掌握机场精密照明调光方案,学习玻璃模压成型技术和操作工艺,及机场跑道中线灯实验室光度检测方案以及机场快速检测技术和手段,并利用测量得到的照度数据获得中线灯的不同光强曲线,根据行业标准给出灯光质量评价。除此之外,学生可以了解机场行业精密照明的发展态势,LED照明发展趋势等,更有助拓展学生的知识和视野。
四、培养过程
在专业学位研究生培养过程中,学校不能将所有实践相关培养部分都放在企业或校外解决,学校应该联合企业解决导师队伍、实践平台、评价方案等关键问题。
(一)鉴于先进光学制造的多学科交叉特征,以及专业学位研究生的培养目标,面向行业需求培养的过程既需要校内导师给予理论指导,需要校外导师进行行业知识和实践过程指导。由于校内导师天然的师生关系,需要承担更多的责任。这就要求校内导师要响应学校新工科建设的要求,走出去到企业进行实践锻炼,提高实践能力。
(二)根据研究生培养的实际情况,在校外或企业完成所有的实践环节培养也不太现实,那么在校内构建合适的实践平台,完成贴合行业背景的工程案例实践十分重要。作者根据先进制造技术构建了校内实践平台,购置或研制了光学元件非球面铣磨中心、光学表面成形设备、磁流变抛光设备、磁射流抛光设备、3D打印设备、轮廓测量仪、光学干涉仪、刀口测量仪、光学干涉拼接检测仪等设备或仪器,基本可以完成设计的工程案例。这样依托校内实践平台,基本可以完成工程案例,使学生获得分析和解决实际工程问题的能力。
(三)研究生毕业课题的选择,要以行业面临的前沿问题为目标,结合企业具体的工程项目,解决实际工程问题。在此过程中,校内导师不应缺失,应该跟踪学生的实践过程,并将实际问题归纳总结,上升到理论高度;教学相长,在提升研究生实践能力和创新能力的同时,校内导师也得到实践锻炼,提高了培养专业学位研究生的能力。
(四)专业学位研究生课程的评价相对比较容易,但其课题的创新性、应用性评价相对比较困难。在评价其创新能力方面,我们通过增加与行业相关的盲审专家人数,使论文得到更客观和公正的意见;在应用性方面,除研究生的校外导师参加开题和答辩外,也要邀请企业的其他专家进入答辩组,给出准确的应用前景分析,且评价权重应更多的偏向应用方面。
五、总结
先进光学制造技术是与工程密切相关的多学科交叉研究方向,培养出适应行业需求的专业学位研究生,对行业和社会经济的发展具有重要作用。本文根据先进光学制造研究方向的学科特性,结合一级学科的培养方案,灵活地构建研究生的课程体系,以满足行业对交叉学科人才的知识体系的需求。