光学设计方案范文精选
光学设计方案范文第1篇
目前，化学发光免疫分析仪以分立式结构最为典型。分立式结构的工作原理[1]与手工操作相似，样品与试剂按特定比例被添加到彼此分立的反应杯或试管中完成混合、孵育和检测等过程。各个样品在分析过程中是互不掺杂的，因此交叉污染率相对较低。本文提出一种新型的化学发光免疫分析仪的结构设计方案，重点介绍了存储模块、加样模块、传送模块等结构，在传统分析仪结构设计的基础上进行了一些改进设计，有效地提高了工作效率和空间利用率。
1分析仪工作流程分析
在本文的结构方案设计中，全自动化学发光免疫分析仪的工作流程（如图1所示）为：加样模块中的加样针先后吸取待测样品与配套的两种试剂并将其加入到反应杯中混合，然后反应杯进入孵育区进行免疫反应。免疫反应完成后，去除反应杯内的干扰物并加入发光底物，随后对发光强度进行检测。将所得数据与标准品测出的标准曲线进行对照，计算分析得出待测物的浓度。
2分析仪各模块结构与功能
2.1存储模块
样品、试剂存储模块主要用于存放待测样品及各种相关试剂，同时可以将样品和试剂传送到加样位置上。如图3所示为化学发光免疫分析仪存储模块结构图。存储模块由两个样品转盘和一个试剂转盘组成。样品转盘和试剂转盘均设计为圆环形盘状结构，其圆周上均匀布置用于放置样品、试剂容器的收容腔。样品转盘用于放置盛放待测样品的试管，并通过转动将待测样品依次传送到加样位置，等待加样模块进行加样操作。试剂转盘同圆心地布置于样品转盘的内侧，可通过转动将所用试剂传送到加样位置。用于实验检测的两种配套的试剂分别放置于试剂转盘的内、外圈收容腔内。当待测样品较多时，备用样品转盘可用于放置样品。此时，加载模块可将样品转盘已检测完毕的样品卸载到备用样品转盘上的废弃位置，并将待测样品加载到样品转盘上的收容腔内。分析仪的存储模块采用转盘式结构，可使分析仪整体布局更加紧凑，也可以简化该部分的传动结构。同时，存储模块还可以直接完成将样品和试剂传送到加样位置的动作，无需增加其他传动结构。相比于同类分析仪样品、试剂分块式布局的方式[6]，本文中的存储模块结构实现了样品和试剂的传送操作，减小了加样模块进行加样操作的行程，进而有效地提高了分析仪的加样效率。另外，采用转盘式结构无需额外增加机械结构，即可在转动过程中，完成有磁珠标记抗体的混匀。
2.2加样模块
加样模块的主要功能是根据预先规划的运动轨迹控制加样单元准确运动，按照特定的顺序将酶标记抗原、待测样品、磁珠标记抗体加入到反应杯中，完成加样操作。化学发光免疫分析仪加样模块结构如图4所示。加样模块由直线导轨、加样单元（包含加样针）、清洗槽等部分组成。直线导轨将加样单元限定在一直线轨迹上运动，可分别控制三个加样单元到达不同的加样位置。加样模块采用三个加样单元分别携带加样针，可同时吸取存储模块中的样品和试剂，依次加入到反应杯中进行反应，有效避免交叉污染；并且在清洗操作时，能够同时对三根加样针进行清洗。加样模块的操作方式可大幅节省样品、试剂吸取和加样针清洗时的操作时间，有效地提高加样操作的效率。同时，分析仪可通过控制存储模块中的样品转盘、试剂转盘和传送模块的反应盘，使得待测样品、配套试剂、反应杯的加样位置位于直线导轨正下方，因此加样单元只需进行直线移动，相比较常见的三自由度直线式加样臂[7]和平面关节式加样臂[2,3]，加样模块对加样单元的移动行程减小，定位精度的控制也更加简便。
2.3传送模块
分析仪的传送模块的主要功能是将反应杯传送到加样位置上，同时能够控制反应杯在发光检测分析过程中的位置。传送模块起到了串联整体仪器的作用，在实验检测过程中实现反应杯位置的改变——反应杯经过加样位置、孵育位置、清洗位置、加底物位置和检测位置，并最终被回收——使分析仪的各个工作流程能够连续进行。如图5所示为化学发光免疫分析仪传送模块结构图。图5(a)为传动模块俯视图。传动模块主要由底盘和四个反应盘组成。每个反应盘上有若干均布于圆周上的反应杯位，反应杯可放置于反应杯位中。四个反应盘均匀地布置于底盘圆周上。当反应杯需要加样时，反应盘转动一定角度到达加样位置，即进行“自转”。当加样操作完成后，反应盘再次转动一定角度，使下一个位置的反应杯到达加样位置，等待下一次加样操作的进行，依此类推。当分析仪对一个反应盘上所有的反应杯均完成加样操作后，传送模块进行“公转”：转盘带动四个反应盘转动90°，“公转”过程中反应盘保持静止。传动模块的“自转”与“公转”的相互转换，可通过布置于转盘下方的传动系统来实现。该传动模块设计的特点在于：1）在反应杯数目满足实验的孵育时长和高通量的条件下，将反应杯平均布置于四个反应盘上，可有效减小传动模块的占用面积，并且结构简单；2）在“自转”过程中，四个反应盘同步转动，同时可以保证每个反应盘的操作相互独立，互不干扰；3）反应盘模块化设计，当一个反应盘完成发光检测后，可更换新的反应盘到转盘相应位置，保证实验检测的连续性。
2.4加载模块
分析仪的加载模块由一个机械臂构成，其结构如图6所示。机械臂由移动关节、大臂、小臂和末端夹取装置组成，其自由度数为3。末端夹取装置的开合可以通过电磁铁通断电情况来控制：当电磁铁通电时，夹取装置张开；当电磁铁断电时，夹取装置闭合。加载模块主要有两个功能：更换反应盘；更换样品试管。在反应盘中心位置开有一个夹取用孔。当一个反应盘上所有位置的反应杯均完成发光检测操作后，将机械臂夹持装置的末端伸入该反应盘的夹取用孔中，电磁铁通电后，夹取装置张开，撑住孔内壁，将使用过的反应盘移动到回收位置。之后，将备用的反应盘移动到相应的反应盘位置上，完成反应盘的更换。此操作示意如图7(a)所示。同理，将机械臂夹持装置的末端伸入已完成加样的样品试管中，夹取装置张开，末端撑住样品试管内壁，可以完成样品试管的更换操作。此操作示意如图7(b)所示。利用分析仪加载模块，可以完成备用实验用品的更换操作，使得实验测试能够连续不断地进行，进而增加实验的测试通量和仪器工作效率。同时，采用机械臂进行相关操作，提高了分析仪的自动化程度，减少了实验人员的人工干预。另外，末端夹取装置通过电磁铁进行控制，减少了电机的数目，利于控制操作过程。
3结束语
光学设计方案范文第2篇
关键词： 遥感器； 自由度； 约束； 螺旋理论； 运动学支撑
中图分类号： TH 122文献标识码： Adoi： 10.3969
引言空间光学遥感器的支撑结构将遥感器安装在飞行器的机体上，是连接遥感器与飞行器的机械部件，也是影响成像质量的重要因素。为满足光学系统的成像要求，其设计应实现遥感器自由度全约束，保证光轴指向，同时需要隔离或降低机体平台精度对遥感器性能的影响。在飞行器的发射和在轨运行中，机体平台会产生相对位移，如果采用刚性支撑结构的安装形式，相对位移会引发遥感器较大的结构内应力而导致其形变，降低成像质量。鉴于上述条件，支撑结构应尽量降低由机体平台相对位移施加于遥感器的应力值和应变值。所以，空间光学遥感器的支撑结构设计广泛地采用运动学支撑方案[14]。在运动学定位支撑结构的设计中，过约束容易引起残余应力、发生形变、降低成像质量，对构件加工的精度和成本提出了更高要求。通过合理的设计，可以减少甚至消除过约束，降低由于加工和装配误差引起的内应力[56]。为保证各运动副正常工作，合理的间隙也是可以存在的，但是会对定位精度产生一定的影响。在遥感器的支撑方案中，间隙的影响是不能忽视的。运动学设计理论发展已久，比较著名的有精确约束设计，自由度约束拓扑理论和约束螺旋理论等[7]。基于运动学设计理论的机械结构具有运动确定、重复精度高和元件变形小等优点，广泛用于运动学联接及精密定位平台等。进入新世纪以来，许多新的运动学设计理论不断地被提出，应用这些理论解决了大量的工程问题[812]。文中采用约束螺旋理论对空间光学遥感器的运动学支撑设计方案展开分析。图1线矢
Fig.1Line vector1约束螺旋理论简述[1112]
1.1螺旋的概念如图1所示，空间一条被直线约束的矢量称为线矢量或是节距为零的螺旋，其位置和方向由矢量S和线距S0决定，S与S0正交。线矢量的Plücker坐标即（S；S0），表达式为：$=（S；S0）=（S；r0×S）=（l，m，n；p，q，u）（1）光学仪器第35卷
第1期李炳强，等：空间光学遥感器运动学支撑方案设计与分析
一般情况下，对任意螺旋$=（S；S0），其中，S=r0×S+hS0，h即为螺旋的节距。节距为零时螺旋便退化为线矢，在运动螺旋系中表示转动副，在反螺旋系中表示约束力。所有空间运动副都可以用螺旋来表达。
1.2修正的KG公式修正的 KutzbachGrübler公式表达为：M=d（n-g-1）+∑gi=1fi+ν-ζ（2）M表示机构的自由度；n表示包括机架的构件数目；g表示运动副的数目；fi表示第i个运动副的自由度；ν表示并联冗余约束数；ζ表示局部自由度数；d表示机构的阶，也称为公共约束因子。d=6-λ（3）λ为机构的公共约束数。
1.3公共约束和冗余约束（1）公共约束并联机构一个分支中的所有运动副形成的螺旋构成一个分支螺旋系，对应此分支螺旋系有一个分支反螺旋系，即分支约束系，它反映了分支约束系统对平台的结构约束。运动平台承受了所有分支的约束螺旋，它们构成平台的约束系，决定了平台的运动。机构的公共约束就是这个机构所有运动螺旋的反螺旋，机构的所有公共约束数为：λ=rank（S^r）=rank{$r$r$=0，$∈S^}（4）其中，S^指机构的运动螺旋系。（2）冗余约束考虑公共约束之外其他的t个约束是否形成冗余约束。当t个约束形成k系螺旋，k
Fig.2Schematic drawing of supporting structure2遥感器的运动学支撑方案
2.1结构模型空间并联机构具备高精度、高刚度、高承载能力等特性，且三点支撑可以达到更高的共面精度。所以，空间遥感器的支撑结构采用对称的3RRR空间并联机构，通过三条均匀分布的RRR运动支链Ki（i=1，2，3）将机体和遥感器连接起来，其中Sj（j=1，2，3，……，9）为第j个转动副的轴线，编号1，4，7的转动副共面连接机体平台，编号3，6，9的转动副共面连接遥感器的底部平台，以下简称工作平台，编号2，5，8的三个中间转动副共面且轴线成对心分布。每条支链中上下两个转动副平行，与中间的转动副空间垂直，这样可以减小误差累积，降低装配精度对性能的影响。支撑结构示意图如图2所示。
2.2理想状态自由度分解采用约束螺旋理论分析支撑结构对工作平台的约束问题。在图2所示坐标系中，支链K1与支链K2关于x-z平面对称，α为S4与z轴夹角，β，θ分别为过点O做S5和S9的垂线与底部平台的夹角，a，r，d，R，分别为点O到S4，S5，S7，S9的距离。取支链K1为分支螺旋系I，依次类推，计算分支螺旋系I为：$1=（0，sinα，cosα；-a，0，0）
$2=（0，cosα，-sinα；rcosβ，rsinβsinα，rsinβcosα）
$3=（0，-sinα，cosα；Rcosθ，Rsinθcosα，-Rsinθsinα）（6）可得分支螺旋系I的分支反螺旋系为：$r1=（0，0，0；1，0，0）
$r2=（1，0，0；0，0，a/cosα）
$r3=（0，sinα，cosα；0，-rsinβcosα，-rsinβsinα）（7）工作平台的自由度为：M=d（n-g-1）+∑gi=1fi+ν-ζ=3×（4-3-1）+3=3（8）观察这个反螺旋系，三个反螺旋均为线矢，带来三个有效约束，共约束了工作平台沿x轴的转动，平动，以及在y-z平面内沿着（sinα，cosα）方向的平动，平台还具备三个自由度。计算分支螺旋系II为：$4=（0，-sinα，cosα；a，0，0）
$5=（0，cosα，sinα；rcosβ，-rsinβsinα，rsinβcosα）
$6=（0，-sinα，cosα；Rcosθ，-Rsinθcosα，-Rsinθsinα）（9）可求得分支螺旋系II的分支反螺旋系为：$r4=（0，0，0；1，0，0）
$r5=（1，0，0；0，0，-a/cosα）
$r6=（0，-sinα，cosα；0，-rsinβcosα，-rsinβsinα）（10）可得工作平台的自由度为：M=d（n-g-1）+∑gi=1fi+ν-ζ=5（6-6-1）+6=1（11）由表达式（7）和式（10）可以看出，分支反螺旋系II与分支反螺旋系I有一个共同的约束螺旋（0，0，0；1，0，0），形成公共约束，其余两个螺旋为有效约束，约束了平台沿z轴方向的转动及在y-z平面内沿着（-sinα，cosα）方向的平动。至此，约束了平台三个平动自由度和沿着x轴，z轴方向的转动自由度，平台只剩下一个沿着y轴方向转动的自由度。同理可求得分支反螺旋系III为：$r7=（0，0，0；1，0，0）
$r8=（1，0，0；0，-d，0）
$r9=（0，0，1；0，-rsinβ，0）（12）由三个分支反螺旋系可知，该结构具备一个公共反螺旋（0，0，0；1，0，0），支撑结构有一个公共约束，此力偶约束了上平台沿x轴方向的转动。由于有三个支撑分支，此公共约束包含两个过约束。除去公共约束后的六个约束螺旋组成了一个五系螺旋，由式（5）可得：ν=t-k=6-5=1（13）该结构具备一个冗余约束，分析三个分支反螺旋系可知，$r3，$r6，$r9都限制了上平台在y-z平面内沿各自方向的平动，形成了此冗余约束。理想状态下，支撑结构共有三个过约束。由此可得工作平台的自由度为：M=d（n-g-1）+∑gi=1fi+ν-ζ=5（8-9-1）+∑9i=11+1-0=-10+9+1=0（14）即支撑结构约束了平台的全部六个自由度，同时具备三个过约束。在实际情形中，由于间隙的影响，与理想情况会有所差别。
图3间隙与转角的关系
Fig.3Relationship between clearance and
rotation angle2.3引入间隙后自由度分配为了保证各运动副正常工作，避免过盈联接，构件加工装配后需存在铰间隙。但这些间隙会影响机构的自由度分配，尤其对空间三分支并联机构很明显。单独考虑每个支撑分支，三个转动副都有间隙，在理想约束允许的运动之外，当工作平台绕x轴发生微小转动时，会引起工作平台产生空间微小平动。由式（11）可知，两分支并联机构存在一个自由度，为绕y轴方向的转动自由度。s实验中，由于间隙的存在诱发了转动副的运动，使工作平台可以绕x轴方向转动一个小角度。假设两分支中所有转动铰都具备同样的轴向间隙和径向间隙，经ADAMS软件采集数据和MATLAB进行数据处理，可以拟合出间隙与转角大小的关系，见图3所示。由图3可以看出，转角对轴向间隙更为敏感。分析可知，增加间隙可以使$r1，$r4的约束能力失效，在支撑分支构件的加工中，令分支Ⅰ和分支Ⅱ的每个转动副都具备40 μm的轴向间隙和径向间隙，工作平台可以绕y轴发生1.12°的转角，$r1，$r4不再具备约束能力。安装第三分支后，实验数据显示，工作平台不再具备自由度。第三分支的三个反螺旋约束了两个转动自由度，平台还有$r7与$r9构成的一个过约束。增加S9的轴向间隙，使其稍大于装配误差，这样屏蔽了$r9的约束能力，支撑结构在装配精度范围内无过约束。3杆件的优化设计计算压杆临界压力的公式为：Fcr=π2EI（μl）2（15）
表1长度因数
Tab.1Length factor
压杆的约束条件长度因数两端铰支 μ=1一段固定，一端自由μ=2两端固定μ=0.5一端固定，一端铰支μ≈0.7
式（15）也就是欧拉公式的普遍形式，Fcr为临界压力，E为材料弹性模量，I为截面惯性矩，l为杆件长度，μl称为相当长度，μ称为长度因数，μ值如表1所示。由于支撑方式已经确定，为了增加杆件的临界压力，增强结构的稳定性，应适当减小杆件的长度，选择合理的截面形状以提高截面惯性矩。为了提高截面惯性矩，可以增加截面面积。在截面面积相同时，适当地把材料放在离截面形心较远处同样能够提高截面惯性矩。这样，空心截面比实心截面更合理。同时，在不影响运动副工作的条件下适当减小杆件长度，可增强稳定性。为了与轴相连接，矩形截面的构件更容易加工，优化后支撑构件的截面采用空心矩形，如图4所示。优化后的支撑结构如图5所示。
图4构件结构
Fig.4Configuration of component
图5完整支撑结构
Fig.5Integrated support structure
图6工作平台转角
Fig.6Rotation angle of working platform4实验结果对加工出符合公差范围与设计尺寸的各部件装配后进行实验。实验中将下平台固定于实验台上，对上平台施加各方向的力和扭矩。实验数据显示，工作平台不具备自由度，因间隙的影响沿各轴的平动位移都在0.01 mm数量级，也会产生微小的转角，工作平台沿各轴转角如图6所示。从图6中可以看出，x，y，z三个方向能达到的最大转角分别为3.95″，1.86″，1.81″。5结论提出了以3RRR空间并联机构作为空间光学遥感器的运动学支撑方案，运用约束螺旋理论分析了支撑结构对工作平台的自由度约束问题，研究了微米级铰间隙对自由度分配的影响，在满足定位要求的前提下，适当增加间隙使运动支撑结构，在装配精度范围内不具备过约束，这样既能降低航天器机体平台精度对遥感器成像性能的影响，又能减少加工和装配误差引起的结构内应力。为了提高稳定性，优化了支撑构件的结构。文中设计的支撑方案在理论和实际中均能够实现对空间光学遥感器的支撑和定位。加工装配后样机的实验结果显示：遥感器相对于机体平台最大平动位移在0.01 mm数量级，绕x，y，z三个轴的方向能达到的最大转角分别为3.95″，1.86″，1.81″，从运动学角度满足了对空间光学遥感器的支撑和精密定位要求。参考文献：
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光学设计方案范文第3篇
关键词：有限元模型；仿真结果与讨论；光电系统
中图分类号：TP211 文献标识码：A
光电技术是以激光、红外和微电子技术为基础，由光学、电子、精密机械和计算机技术相结合而形成的一个高新技术领域。光电经纬仪或其它地基光电跟踪设备，在结构系统、伺服控制系统和光学系统设计等方面，均形成了较为完整的理论。而机载光电系统不仅包括精密仪器的设计，还要考虑精密仪器的载机环境，尤其是高低温环境的适应性问题。光机系统中的光学基座设计，作为光电元器件的承载平台，不仅要考虑安装在其上的光电元器件的安全性，保证光机系统的高精度与可靠性，还要考虑自身在机载环境下的热变形和温度场分布是否满足设计要求，实现系统在机载高低温环境中，清晰稳定成像跟踪需求。
目前，机载设备的高低温环境适应性问题主要通过两种途径解决，一种是采取改善环境或减缓环境影响的措施，通过添加辅助设备，如环控系统来改善光机所处的机载环境；另一种是选用耐环境能力强的结构、材料、元器件或工艺等，即通过改善系统的结构设计，提高光机系统的耐环境能力。本文主要通过第二种途径的研究，来提升光机系统高低温环境适应性。计算机数值仿真，可在设计初期就获取丰富的分析数据，对设计进行优化，且周期短、成本低，便于实现。
为此，基于ABAQUS结构分析模块对某机载光电系统光学基座高低温环境适应性进行了数值仿真研究。通过光学基座的数值仿真分析，在综合考虑结构热形变、强度、重量、及加工工艺等因素下，经过设计改进，获取一个满足系统要求的光学基座设计方案。
1 结构有限元模型建立
建立有限元分析模型包括三维结构模型的简化、网格划分、材料属性设置。之后依据具体分析类型，进行约束与载荷施加，选择计算类型进行仿真，分析结果。
1.1 模型简化
根据结构热传导、热对流，以及热辐射等方面的理论依据，结合具体的分析对象和分析内容简化有限元分析模型，确定被分析部件的简化方式与程度。本文研究光学基座的高低温环境适应性，所以文中光学基座为详细模型，其上光电元件均简化为等效质量块，系统有限元模型如图1所示。
1.2 网格划分
该系统三维模型简化后，以iges格式导入ABAQUS中，采用四面体网格和六面体网格进行划分。三个光学基座方案的网格划分结果如图2（a）～（c）所示。
1.3 材料属性
本文中设计方案的材料主要有铟36，硬铝合金7075，以及各简化部件的等效材料，见表1。由于各光学支路的镜座和光电器件的安装支架均采用硬铝合金材质，所以等效材料时，使用重量等效原理，与铝合金的材料性能相近。
1.4 边界与载荷施加
机载高低温环境有限元仿真的工况边界与载荷见表2。系统通过6个安装点处的不锈钢螺栓与机体固定约束，所以在结构热分析中，将根据不同材料的热膨胀系数不同，将该约束处理为螺纹孔内壁的平面内约束。光学基座的下表面安装光电元器件，上表面有载机提供的5℃气源吹过进行强迫对流，所以光学基座上表面的结构设计会影响整个系统的散热效率。
2 仿真结果与讨论
该光电系统正常工作时受载机高低温环境影响，可能会出现成像质量差，不能稳定跟踪与瞄准等，甚至结构的破坏。对于三种方案的结构热分析结果见表3。
该光电系统机载环境温度范围-55℃～ 70℃：系统设计之初光学系统对光机座热变形要求严苛，因此方案一选用了线膨胀系数较小的铟36钢材料。但该材料密度较大，经详细减重设计后，即使在结构局部加强筋仅2mm厚，且局部热应力已超过材料许用应力的情况下，其重量仍不满足要求，具体分析结果见表3。
方案一中的铟钢光机座虽热膨胀系数小，但其热传导性也差，温度场分布不均匀，温度梯度大，产生较大的热应力集中。且其重量超过了20kg的设计限制，固不满足设计要求。因此在方案一的基础上，综合材料力学和热力学特性，选用硬铝7075。该种材料是一种高强度的铝合金，尤其在T6状态下，可加工性好，且性价比高。方案二着重减小温度梯度和重量，使温度场更为均匀，重量满足设计要求。但是由于铝合金热膨胀系数较大，导致其最大热形变值达到0.42mm，超过0.2mm的设计要求，固亦不满足设计要求。
在方案二的基础上，针对热形变较大的问题，对光学基座的上表面加强筋进行了散热优化设计。并进一步进行减重设计和提高加工工艺性，减轻加工应力对光机座精度的影响，最终完成了方案三的设计。有限元结构70℃环境下的热分析温度场和热形变结果如图3所示。
综合以上三种方案，最终选择各方面满足设计要求的方案三，开展该光电系统的光学基座设计。该基座在满足最大热形变小于0.2mm的情况下，比原设计指标减重2.3kg，说明有限元分析手段是结构在严酷环境下设计和优化的有效途径。
结语
综上所述，本文使用有限元分析手段，对光电系统中的光机座进行有限元高低温环境下的有限元分析，根据分析结果，得出在有强迫对流的条件下，热膨胀系数小不是降低热形变的唯一途径，根据流场情况，进行合理的导热部件结构设计是降低设备重量和热变形的良好选择。且确定最终方案进行指导设计，样机在高低温试验中，可靠稳定工作。
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光学设计方案范文第4篇
大学生职业能力的作用社会发展而日新月异,劳动者的素质及能力也必将随之提高。教高[2006]16文件进一步明确培养“高素质技能型专门人才”的目标。高素质技能型专门人才不仅是能够将所学专业知识、技能应用于所从事岗位的专门人才,更应是职业能力和素质都高的专门人才。因此职业能力是人们从事某种职业的多种能力的综合,是胜任某种职业岗位的必要条件。而LightTools专业光学软件的教学既是光电信息专业的教学特色,也是培养学生职业能力的有效途径之一。LightTools是一个全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系,提供最现代化的手段直接描述光学系统中的光源、透镜、反射镜、分束器、衍射光学元件、棱镜、扫描转鼓、机械结构以及光路设置。由于LightTools把光学和机械元件集合在统一的体系下处理,并配有“放置”光源、发射光线的非顺序面光线追迹的强大功能,使它在系统初步设计、复杂系统设计规划、光机一体设计、杂光分析、照明系统设计分析、单位各部门间学术交流和数据交换、课题论证或产品推广等各环节中均可发挥重要的作用,已是人们进行产品光学性能分析的必备工具之一。
2.使用LightTools专业软件进行案例教学方法的尝试
光电信息科学与工程专业大学生职业能力的全面培养与训练,涉及该专业培养目标的定位、专业课程设置、教学方法的选择等诸方面因素。然而,在软件教学中,通常是以介绍软件各种命令和操作步骤为主要课堂内容,一方面,易使学生因为枯燥的命令而失去学习兴趣和学习主动性。另一方面,也容易最后使学生学会了理论知识,但无法应用于实践,在培养学生的创新能力和创造性思维方面也有不足。因此,在多年的计算机辅助设计软件教学过程中,我们根据光电信息类工作岗位所需的职业能力要求,以服务为宗旨,就业为导向,以“必需、够用”为度,本着学以致用的原则,选取教学内容,发现采用案例教学法能够很好地解决了上述问题。在LightTools软件教学中,其教学计划分主要为两部分,第一部分是非成像光学理论知识的介绍,要求学生掌握非成像光学系统的设计思路、注意事项,评价标准等,以使学生在后续使用LightTools软件进行光学设计时能够在宏观上把握设计要领。这部分主要占总学时的5%。第二部分是案例设计,占总学时的95%。主要从最基本的案例(如导光管、手电筒设计)开始,逐渐过渡到较复杂光学系统的设计(如液晶显示器背光源系统、车灯系统、投影仪系统设计等)。由简到难,由浅入深的教学思路,能够使学生接受知识比较容易,同时学习情绪高涨,能够极大的调动学生的学习热情。另外案例的选择在LightTools教学中也是至关重要的。我们选取的案例通常是光学设计公司的培训案例,以及他们公司简单的一些设计实例。
光学设计方案范文第5篇
关键词：电子科学与技术；本科培养方案；课程设置；办学特色
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）30-0070-02
21世纪被称为信息时代，电子科学与技术在信息、能源、材料、航天、生命、环境、军事和民用等科技领域将获得更广泛的应用，必然导致电子科学与技术产业的迅猛发展。这种产业化趋势反过来对本专业的巩固、深化、提高和发展起到积极的促进作用，也对人才的培养提出了更高的要求。因此，本文从人才的社会需求出发，结合我校实际情况，进行了本科专业培养方案的改革探索，并详细介绍了培养方案的制定情况。
一、人才的社会需求情况
目前，我校电子科学与技术专业的本科毕业生主要面向长三角地区庞大的微电子、光电子、光伏和新能源行业，市场对专业人才的需求基本上是供不应求的。但是也应该注意到电子科学与技术产业的分布不均，分类较细，且发展变化较快。另外，电子科学与技术产业结构具有多样性，既有劳动密集型的大型企业、大公司，更多的是小公司和小企业；既有国有企业和私营企业，更有合资、独资的外企。因此，社会需求与本专业毕业生的供需矛盾还会继续存在。
二、专业的培养目标和定位
本专业培养具备微电子、光电子领域的宽厚专业基础知识，熟练实验技能，能掌握电子材料、电子器件、微电子和光电子系统的新工艺、新技术研究开发和设计技能，有较强的工程实践能力，能够在该领域从事各种电子材料、元器件、光电材料及器件、集成电路的设计、制造和相应的新产品、新技术、新工艺的研究、开发和管理工作工程技术人才。并且结合我校“大工程观”人才培养特色，依据“卓越工程师”教育理念下工程技术型人才培养的原则，培养适应微电子和新兴光电行业乃至区域社会经济建设需求的工程技术型人才。
三、本科培养方案制定的思路
电子科学与技术专业培养方案参照工程教育认证的要求，以及专业下设微电子、光电子材料与器件两个本科培养方向的思路制定。注重培养学生的专业基础知识和实践工程能力，使毕业生能满足长三角地区微电子、光电子和新能源行业发展的需求。微电子方向的课程设置专注于电子材料与电子器件、集成电路与系统设计方面，光电子材料与器件方向则偏向于光电信息、光电材料与光电器件方面。
四、本科培养方案的改革探索
要实现电子科学与技术专业的培养目标，适应电子信息产业的不断发展，并结合我校学科发展方向和特色，对电子科学与技术专业本科人才培养方案进行了研究，并对省内外几所高校电子科学与技术专业的培养方案进行调研，最终形成了富有特色的电子科学与技术专业人才培养方案，主要内容如下：
1.培养方案的模块化设计。在设计电子科学与技术专业本科培养方案的整体框架时，根据“加强基础、拓宽专业、培养能力”和培养工程技术型人才的办学理念下，专业培养方案分人文与社会科学、专业基础和专业课三个模块，下设微电子和光电子材料与器件两个专业方向。学生在前两年学习相同的课程，到大三时根据自己的兴趣选择专业方向，选修各自方向的专业课。由于两个方向的不同培养要求，因此在专业基础选修课、专业必修课和专业选修课方面设置限选模块，每个专业方向必须修满相应的学分才能毕业。
2.改革专业基础课程。专业基础课程是为专业课程奠定基础，因此，在保留了原有电子信息类专业通常所开设的电子类课程外，增加了与专业相关的课程，如EDA技术、通信原理、数字信号处理、物理光学、应用光学、激光原理与技术等课程，删减了原先与物理类相关的一些课程，如物理学史、原子物理、热力学与统计物理学等，并删减了一些计算机软件类课程，如C++程序设计、计算机在材料科学中的应用等。专业基础选修课程分方向限选模块，两个专业方向对应有不同的专业基础选修课程。
3.优化专业课程。专业课程是整个专业教育中的主干部分，微电子方向的课程设置紧紧围绕半导体和集成电路设计方向，开设有集成电路设计、微电子工艺原理与技术、工艺与器件可靠性分析、半导体测试技术、现代电子材料及元器件、集成电路工艺与器件模拟等课程。光电子材料与器件方向围绕光电材料和光纤通信方向，开设光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤传感原理与技术、光纤通信技术等课程。另外专业课程里面还设置有专业实验，通过加强实验环节，训练学生的动手操作能力，增强学生的理论知识。
五、与省内外专业人才培养的区别
具有电子科学与技术专业的各大高校分布在不同的地区，服务于不同的区域经济，这就要求专业学生的培养具有区域化、差异化。我们分析了杭州电子科技大学、浙江工业大学、苏州大学、南京理工大学和徐州工程学院这五所不同地区、不同层次高校的电子科学与技术专业的培养方案。不仅使我们能学习到其他高校的先进办学理念、合理的课程设置体系，也可以发现与其他高校之间的差异。具体表现为以下几个方面：
1.专业定位。各个学校的电子科学与技术专业依据自身的师资力量、办学条件、区域经济要求确定专业的发展定位。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业依托1个教育部重点实验室、2个国家级实验教学示范中心、3个省部级重点实验室，人才培养定位于能从事电子元器件、电子电路乃至电子集成系统的设计和开发等方面工作的工程技术人才。浙江工业大学的电子科学与技术专业主要培养光通信、电子电路系统、集成电路设计等方面的人才。苏州大学的电子科学与技术专业定位在培养能够在电路与系统、集成电路与系统等领域从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的高级工程技术人才。南京理工大学的电子科学与技术专业主要是突出光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的电子科学与技术专业主要定位在培养能从事光电子材料与器件开发的工程技术人才。而我校的电子科学与技术专业定位于服务长三角地区半导体和新能源行业，培养能从事集成电路设计与开发、光电子材料与器件的研发等工作的工程技术人才。
2.课程体系。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子元器件、电子电路系统、电子集成系统的能力，在课程设置上开设了通信电子电路、EDA技术、薄膜物理与技术、电子材料与电子器件、电子系统设计与实践、集成电路设计、嵌入式系统原理和应用、现代DSP技术及应用等专业课程。浙江工业大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子电路系统、集成电路系统的能力，开设了电路原理、模电数电、通信电子线路、集成电路设计、光纤通信原理、光网络技术、数字信号处理等专业课程，以及电子线路CAD实验、单片机综合实验、通信原理实验、通信电子线路大型实验、微电子基础实验、半导体器件仿真大型实验、集成电路设计大型实验等实验类课程。苏州大学的电子科学与技术专业培养学生设计与开发电路与系统、集成电路与系统，从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的能力，开设了信号与系统、电磁场与电磁波、高频电路设计与制作、电子线路CAD、CMOS模拟集成电路设计、VLSI设计基础等专业课程，以及电子技术基础实验、信号与电路基础实验、电子线路实验、电子系统综合设计实验等实验类课程。南京理工大学培养学生从事光电子器件、光电系统和集成电路的设计、开发、应用的能力，开设了信号与系统、光学、光电信号处理、光辐射测量、光电子器件、光电成像技术、超大规模集成电路设计、光电子技术、显示技术、光电检测技术、数字图像处理、半导体集成电路、集成电路测试技术、微电子技术、光电子线路、电视原理等专业课程。徐州工程学院的电子科学与技术专业培养学生设计与开发光电子材料与器件的能力，开设有信号与系统、光电子学、光电子技术、激光原理与技术、光伏材料等专业课程，以及模拟电路课程设计、数字电路课程设计、单片机原理课程设计等实践性课程。我校的电子科学与技术专业主要培养学生集成电路设计、光电子材料与器件的设计与制备能力，开设有半导体物理学、半导体器件原理、MEMS技术、微电子工艺原理与技术、薄膜材料及制备技术、工艺与器件可靠性分析、集成电路工艺与器件模拟、EDA技术、通信原理、数字信号处理、光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤通信技术等专业课程，以及近代物理实验、专业实验等实验类课程。
3.人才培养特色。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业的人才培养特色是注重集成电路设计、系统集成方面能力的培养。浙江工业大学的人才培养注重光纤通信、集成电路设计方面能力的培养。苏州大学的人才培养注重电路与系统设计、集成电路与系统设计方面能力的培养。南京理工大学的人才培养注重光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的人才培养注重光电材料与器件方面能力的培养。我校的人才培养注重电子材料与电子器件的设计与开发、集成电路设计方面能力的培养。
参考文献：
[1]陈鹤鸣，范红，施伟华，徐宁.电子科学与技术本科人才培养方案的改革与探索[A]//电子高等教育年会2005年学术年会论文集[C].17-20.
光学设计方案范文第6篇
大学生职业能力的作用社会发展而日新月异，劳动者的素质及能力也必将随之提高。教高[2006]16文件进一步明确培养“高素质技能型专门人才”的目标。高素质技能型专门人才不仅是能够将所学专业知识、技能应用于所从事岗位的专门人才,更应是职业能力和素质都高的专门人才。因此职业能力是人们从事某种职业的多种能力的综合,是胜任某种职业岗位的必要条件。而LightTools专业光学软件的教学既是光电信息专业的教学特色,也是培养学生职业能力的有效途径之一。LightTools是一个全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系，提供最现代化的手段直接描述光学系统中的光源、透镜、反射镜、分束器、衍射光学元件、棱镜、扫描转鼓、机械结构以及光路设置。由于LightTools把光学和机械元件集合在统一的体系下处理，并配有“放置”光源、发射光线的非顺序面光线追迹的强大功能，使它在系统初步设计、复杂系统设计规划、光机一体设计、杂光分析、照明系统设计分析、单位各部门间学术交流和数据交换、课题论证或产品推广等各环节中均可发挥重要的作用，已是人们进行产品光学性能分析的必备工具之一。
2.使用LightTools专业软件进行案例教学方法的尝试
光电信息科学与工程专业大学生职业能力的全面培养与训练，涉及该专业培养目标的定位、专业课程设置、教学方法的选择等诸方面因素。然而，在软件教学中，通常是以介绍软件各种命令和操作步骤为主要课堂内容,一方面，易使学生因为枯燥的命令而失去学习兴趣和学习主动性。另一方面，也容易最后使学生学会了理论知识，但无法应用于实践，在培养学生的创新能力和创造性思维方面也有不足。因此，在多年的计算机辅助设计软件教学过程中，我们根据光电信息类工作岗位所需的职业能力要求，以服务为宗旨，就业为导向，以“必需、够用”为度，本着学以致用的原则，选取教学内容，发现采用案例教学法能够很好地解决了上述问题。在LightTools软件教学中，其教学计划分主要为两部分，第一部分是非成像光学理论知识的介绍，要求学生掌握非成像光学系统的设计思路、注意事项，评价标准等，以使学生在后续使用LightTools软件进行光学设计时能够在宏观上把握设计要领。这部分主要占总学时的5%。第二部分是案例设计，占总学时的95%。主要从最基本的案例（如导光管、手电筒设计）开始，逐渐过渡到较复杂光学系统的设计（如液晶显示器背光源系统、车灯系统、投影仪系统设计等）。由简到难，由浅入深的教学思路，能够使学生接受知识比较容易，同时学习情绪高涨，能够极大的调动学生的学习热情。另外案例的选择在LightTools教学中也是至关重要的。我们选取的案例通常是光学设计公司的培训案例，以及他们公司简单的一些设计实例。
3.结束语
光学设计方案范文第7篇
关键词：光电信息科学与工程；人才培养；教学改革
一、研究背景
光电信息产业是21世纪最具发展潜力的产业，随着合芜蚌自主创新产业示范区的建设和发展，安徽光电产业迅速发展，从而使光电专业技术人才需求快速增加。特别是生产加工类企业，对具有光电专业背景、熟悉光电原理和行业发展的技术管理人才需求旺盛。随着地方高校向应用型转型发展，对比企业对光电人才需求的状况，以前的培养方案存在与就业市场脱节，重视理论及系统性，实践教学环节薄弱，对学生的实践能力、应用能力和创新思维培养不足。为了解决以上问题，近年来，在广泛调研的基础上，借鉴兄弟高校的成功经验、认真吸取企业的建议、接受光电教指分委指导，逐步明确专业培养目标及建设思路，初步形成有特色、能满足地方光电企业人才需求的人才培养方案。根据市场需求，确定了“光电子技术”、“光通信与信息处理”两个专业方向，构建分层次、模块化的“平台”+“模块”式课程体系。建设了基础实验、专业实验、综合课程设计及企业实习等实践教学体系。
二、应用型人才培养模式改革的实践
（一）合理定位，优化课程体系
地方高校光电信息科学与工程专业主要培养适应光电信息类企业需要的应用型技术人才，以适应光电信息产业的快速发展。以培养企业需要的应用技术人才为培养目标，校企合作修订了2015级人才培养方案和教学大纲。课程体系分为公共基础课、专业基础课、专业课、专业方向课和专业选修课5个层次。在新的培养方案中，保证数理基础的前提下，适当合并调整压缩了物理理论课程，增加了应用型课程的比例，加强了实践教学环节。主要开设了，光电信息物理基础、物理光学、应用光学、信息光学、模拟电子技术、数字电子技术、激光原理与技术、光电子技术，光学系统设计、光纤通信原理、传感器原理与应用、数字信号处理，单片机原理等。
（二）加大实验室建设投入，强化实践教学
学生的实践能力、应用能力需要有良好的实验教学条件的保障，用好现有中央财政支持地方高校建设项目、安徽省高等学校振兴计划项目支持实验室建设。2013年光电信息科学与工程实验平台建设获批中央财政、支持地方高校建设项目，同年获批该专业获批安徽省振兴计划新专业建设项目。在大学物理实验中心的基础上，独立设立了光电信息科学与工程实验中心。从2012年至今，依托项目资金等共计投入760多万元用于购置各类光电仪器设备，组建了基础光学、激光原理与技术、光电子技术与检测、光通信与信息处理技术4个实验分室，建设了光学系统设计与制作、光电创新设计2个实训室。经过4年的实验课程建设，逐步形成了较为系统的、先进的、开放的实验教学环境。1.有机整合、独立开课，构建模块化实验教学体系。打破基础实验、专业基础实验、专业实验独立分块，实验从属于理论的传统实验教学体系，将光电信息科学与工程专业教学计划中的实验组成一个有机整体、独立开课，构建模块化实践教学体系。[2]如独立开设了基础光学实验、光电子技术实验、光通信与信息处理技术实验、激光原理与技术实验及课程设计等。2.改革教学内容，优化基础实验，增加综合性、设计性实验。光电信息科学与工程专业的实验教学在整合基础实验、独立开设模块化实验课程的同时，开设足够的高质量的综合性、设计性的课程设计项目，课程设计的内容与工程、社会应用紧密联系，开设有光学系统设计、光通信原理课程设计、光电检测课程设计等，通过课程设计培养学生的实践能力和综合应用能力。通过暑期小学期实践教学，积极引进企业工程技术人员，结合企业生产项目，实施暑假实践教学，使实践教学真正贴近企业，贴近市场。
（三）设立大学生创新实践计划，鼓励学生参与各种竞赛活动
学校积极实施因材施教的探索，在人才培养方案中设立了大学生科技文化与创新创业学分，设立大学生创新创业计划项目，学生自愿报名组队，在指导教师的指导下，完成创新创业项目。学校积极支持学生参加课外科技实践及竞赛活动，学生在全国挑战杯大学生创新创业大赛、全国大学生数模竞赛、电子设计大赛、飞思卡尔智能车大赛、全省大学生物理实验竞赛、及学校组织的光电设计竞赛中都取得较好的成绩。学生通过竞赛，提高学生专业学习兴趣，明确学习目标和方向，促进了学习积极性和主动性，提高学生分析问题和解决问题的能力、实践能力和综合素质，[3]从而也提高了人才培养质量，提高毕业生就业竞争力。
三、思考与建议
光电信息科学与工程专业建设和人才培养是一个长期的过程。我们在4年的建设实践中，有教训也取得了一些经验，培养光电企业真正需要的应用型人才，创新应用型人才培养模式是我们必须思考和研究的重要课题。首先，科学合理地设计和更新教学内容，淘汰过时的内容，将企业生产的实际问题与理论结合，特别是体现在专业课程的教学内容、实验教学项目、课程设计及各类设计、光电设计竞赛的项目上。其次，建设具有特色的专业实验室，建设好校内实习实训基地；建立稳定企业实习基地，推进实验及实训的项目化教学，通过企业技能学习，有助于提高学生的实际操作水平，培养学生实际应用能力，有利于学生针对就业岗位针对性学习，提高就业竞争力。第三，存在的问题和不足。专业设计软件的熟练使用也是企业技术人员的重要方面，而我校利用课程教学、暑假实践等对学生进行了单片机类教学，Matlab仿真等软件课程教学，但还缺少光学系统仿真设计等训练。因此，我们进一步建设光电仿真设计实验室，将加强学生专业设计软件使用能力的培养。同时，我们在2013级人才培养方案中增加了科技创新学分部分，以强化实践与科技创新能力的培养。光电信息科学与工程专业建设和人才培养模式的探索是一项长期工作。校企合作，创建以能力为中心的人才培养模式，注重提高学生的综合素质，培养学生综合应用能力，必然会培养更多适应社会、企业需求的光电技术应用人才。
参考文献：
[1]张海明,尚可可,等.地方高校工程应用型光电信息科学与工程专业人才培养的探索与实践[J].物理与工程,2015,(2).
[2]谢嘉宁,陈国杰,等.地方高校光信息科学与技术专业的建设与思考[J].中国校外教育,2010,(08).
光学设计方案范文第8篇
【关键词】教学光盘；光盘播放；案例；教学事件
【中图分类号】G420 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097（2009）05―0070―03
农村中小学现代远程教育工程通过向农村中小学提供优质教育资源提高农村教学质量，促进农村教育信息化发展。农远工程采用三种设备配备模式，分别为模式一：教学光盘播放点；模式二：卫星教学接收点；模式三：计算机教室。这三种模式是向下兼容的，模式二和模式三具备模式一的硬件配备。教学光盘播放是三种模式所共有的，能否发挥其教学功效，直接影响到农远工程的整体效益。本文探讨如何应用教学光盘资源支持教师的教学设计和教学实施。
一 模式一概述
模式一是指教学光盘播放系统，包括教学光盘播放设备（DVD影碟机+电视机）和成套教学光盘资源。配备模式一的农村小学教学点普遍存在教育资源匮乏，教师数量不足，师资水平不高的问题。有效使用教学光盘，在一定程度上可以解决这些困难。教学光盘资源按资源类型可分为：多媒体教学资源光盘、小班教学光盘和专题教育光盘等。其中，小班教学光盘属于课堂教学实录，它包括教学过程的各个环节。这类教学光盘可以完全或部分替代教师授课，对于教学点具有重要意义。而多媒体资源类型的光盘提供了与教材相关的课件、视频、音频、动画和图片等资源。本文探讨的主要是课堂教学实录类型的教学光盘。
二 基于案例的学习支持的教师教学设计
教学光盘为教师进行教学设计提供了丰富的资源。基于光盘的教学设计有两种不同的方式：一种是根据光盘资源进行教学设计，另一种是根据教学设计选择光盘资源。其中，后者要求教师有自己的教学设计思路以及选择或整合光盘资源的能力。而前者适合于教师应用小班教学光盘进行替代性教学或者借鉴光盘中的教学设计思路和教学方法。教学光盘中的优质课、示范课包括了完整的教学过程，属于视频案例。下面从基于案例的学习这一角度分析教师如何借助教学光盘设计教学。
1 基于案例的学习
案例是对真实问题情境的描述，这些描述可以采用文本、图表、视频等呈现形式。[1]案例与特定的专业或领域有关。对于医学专业人员，一个案例可能是病人的病历和检查结果。对于专业教师，一个案例可能是展示教师教授某个主题的一堂课的一段视频。教学光盘中的视频案例描述了教师导入新课、讲解知识、组织教学活动等一系列教学环节。教师根据视频案例设计教学的过程就是基于案例的学习过程。课堂教学是一种真实情境下的复杂活动，而案例描述的是真实问题情境，并具有类似脚本的结构，因此基于案例的学习符合教师教育领域的特征，可以促进教师的专业发展。
假设农远工程教学点某位教师要设计一节课，有如下几种方式供选择：A.阅读教学参考书；B.听学校其他教师讲课，获得经验；C.观看并分析这节课的示范视频课例。方式A能够为教师设计教学提供有用的信息，但书本知识转化到真实情境时会有困难。方式B和C都是基于案例的方式，可以帮助教师设计教学。但教学点师资匮乏、水平不高，因而方式B可行性不强。教学光盘提供了优质的视频案例，模式一环境下方式C具有实用性。因此模式一环境下，应提倡教师应用视频案例进行教学设计。
2 应用教学光盘设计教学
光盘中的视频案例包含一节课的基本教学环节，其教学设计思路和教学方法有一定的可模仿性。但视频案例中的教学环境不等同于教学点的实际情况，基于教学光盘进行教学设计时，教师应注意以下几个方面。
（1） 分析教材，明确教学目标
在应用教学光盘教学的过程中，应正确处理好教材、光盘和实际教学目标这三者的关系。光盘播放教学的目的是以光盘为媒介实现教师的教学目标。当光盘内容与实际教学目标不完全吻合时，应当以实际教学目标为准，合理安排光盘播放内容和播放方式。
（2） 观看光盘，熟悉光盘内容
教师教学设计时应熟悉教学光盘内容，观看时要关注以下几个方面。第一，明确光盘中教师的教学设计思路，理解各个教学环节实施的目的。第二，分析光盘中教师处理教学重点难点的方法。第三，熟悉光盘中教师设计和组织教学活动的方式。教师应从实际教学条件和学生特点出发进行借鉴学习，不能盲从。
（3） 形成教学设计
通过反复观看教学光盘，教师要形成适用于实际教学的教学设计，解决光盘播放方式、教学活动的组织和教师角色定位等问题。教师可采取由教学光盘引导，以光盘为脚手架的方式组织教学活动，并针对不同的内容和教学环节设计不同的观看方式。教师的教学设计思想体现在光盘播放的过程中。因此对于实际教学中观看光盘的时机、内容、方式（如直接浏览、反复观看、同步模仿等）以及何时讲解等教学细节，教师必须明了于心，保证实际教学的流畅性。
三 教学光盘在教学中的应用
模式一具有操作简单、成本低、对教师能力要求不高等特点，在农村中小学应用效果较好。不少研究者对模式一进行了探讨，总结出一些教学方式或模式。概括而言，主要有两类。第一类关注教学光盘资源的功能特征和播放方式。例如，王陆等人[2]归纳出DVD教学资源应用模式的基本形态有：全程依托式、分段依托式、组合分段式和多重组合分段式。陈庆贵[3]指出基于光盘资源的教学应用模式有四种：直播教学模式、模仿对话教学模式、情景互动教学模式和资源整合教学模式。谢文斌[4]认为教师播放光盘的方式主要有先讲后播式、先播后讲式及讲播同步式三种基本方式。第二类根据光盘播放教学中教师的角色来分类。例如，郭绍青[5]指出模式一环境下的教学形式主要有替代性教学及替代和辅助相结合教学。王艳丽等人[6]提出“节目主持人”教学模式。综观这些分类方式，各有特色，探讨了模式一环境下如何应用光盘进行教学的问题。但对于教学光盘如何支持教师的教和学生的学，光盘支持教学的优缺点等问题缺乏具体的阐述。
教学有法而无定法，不管采取怎样的光盘播放方式，核心在于引发并促进学生学习。我们可以从光盘资源支持学生学习过程的角度重新考虑模式一环境下的教学。教学是以促进学习的方式影响学习者的一系列事件。一般说来，它包含一套外在于学生的、设计用于支持学习内部过程的事件。[7]加涅提出的九大教学事件为分析和理解课堂教学提供了一个框架，据此可以分析如何有效地应用教学光盘支持师生的教学过程。
加涅把完整的教学过程划分为9个阶段：引起注意、告知目标、提示回忆原有知识、呈现教材、提供学习指导、引出作业、提供反馈、评估作业和促进保持与迁移。[8]虽然光盘资源可以提供学习所需要的一些材料，但它并不能提供促进学生学习的完整的教学事件。例如，光盘资源能够呈现教学目标、传递并讲解教学内容，但难以为学生提供教学指导和反馈，不能评价学习效果。在这种情况下，教师必须根据光盘创设这些教学事件，通过播放方式或教学策略解决这些问题。此外，由于教学光盘的介入，改变了教学环境的要素，增加了电视里的教师和学生这两个要素，因此课堂教学事件的引发和实施方式与一般课堂有所不同，具体阐述如下。
1 引起注意。光盘播放的视频画面有助于引起学生注意。在光盘播放教学过程中涉及到电视机课堂和现实课堂之间教学情景的转换，例如从电视画面转到黑板，由电视上的教师讲解转换到课堂教师讲解。这时教师要采取适当的策略（例如，用遥控器将电视画面暂停或者用语言或姿势提醒学生），重新组织教学，引导学生注意力的集中和转换。
2 告知目标。教学目标指明了学生努力的方向，是对教学效果的预期。教师可以通过语言、光盘播放或二者结合的方式阐明教学目标。电视中的教师所阐述的教学目标应与实际教学目标一致，如果二者不一致，教师应采取自己阐述的方式，避免误导学生。
3 刺激回忆先决性的习得技能。课堂教学时，教师往往通过提问或练习巩固已学知识，为新授课做好铺垫。这种做法的目的是激活学生原有知识经验，把先前学习提到工作记忆中。在光盘播放中，电视里的教师也有类似的教学活动，但主要面向的是电视中的学生，因此教师应根据学生的实际情况进行调整。
4 呈现刺激材料。光盘资源中的教学活动都是经过精心设计的，有丰富的刺激材料。教师应合理利用好光盘资源，分析知识呈现的方式和教具等刺激材料的使用目的和方式，引导学生从中学习。必要时，教师也可以自备教具模仿光盘中的教学活动，直接与学生进行交流。
5 提供学习指导。播放光盘在一定程度上可以替代课堂教师传递教学内容。但电视中的师生和课堂中的师生处于时空分离状态，彼此间不能进行实质性的同步交流。因此电视中的教师并不能根据课堂学生的实际学习情况调整教学并提供学习指导。教师不能简单地认为学生只要观看了视频就能达到教学目标。但教师可以通过适当的形式组织教学、提供学习指导，如采取这些方式：电视中的教师提问――课堂中的学生回答――课堂中的教师讲解点评；电视中的教师进行游戏教学――课堂中教师组织学生同步模仿；播放光盘――教师适时讲解。这样就实现了师生对话交流。在遇到教学的重点难点时，教师除了适当讲解外，还可以采取重复播放的方式，帮助学生理解。
6 引出作业，提供反馈，评估作业，促进保持和迁移。由于电视中的教师无法对课堂学生的表现进行反馈和评估，不能对教学效果进行检验，因此提供反馈和评估作业这两个教学事件需要课堂中的教师自行组织完成。教师必须注意观察学生观看视频的学习效果，用暂停播放和提问的方式及时获得反馈，以便顺利进入下一教学环节。此外，教师可以借助光盘资源来组织引出作业和促进保持和迁移这两个教学事件。
综上所述，在应用光盘进行教学时，教师的角色定位很重要。有些教学事件（如引起学生注意、呈现刺激材料等）可以用光盘播放来实现，这时教师是教学的组织者，引导学生观看视频。另一些教学事件（如提供学习指导、反馈和评估作业等）则需要教师来实现。在实际教学中，九大教学事件并非要逐一按顺序完成，而应根据教学的实际情况灵活安排。如果学生在学习过程中已满足了某些教学事件的要求，那么这些教学阶段就可以不出现。
四 结束语
农远工程模式一为农村中小学提供了光盘播放设备和优质的光盘教学资源，但其功能的发挥还依赖于教师。教学光盘中的视频案例对教师课前的教学设计具有借鉴意义，对教师课堂教学起到引导的作用。在借鉴和应用光盘资源进行教学时，教师应从自身以及学生的实际出发，扬长避短，充分发挥光盘的功效和教师的主观能动性。教学光盘资源是农村中小学教师专业发展的脚手架。教师应从完全依赖光盘资源，到逐步模仿、部分依赖光盘资源，再发展到将优秀资源内化到自身的教学设计和教学实践中，提升专业技能，最终实现教师专业成长。
参考文献
[1] Mayer, R.E. Learning and Instruction (2nd)[M]. Pearson Merrill Prentice Hall, 2008.
[2] 王陆,王晓芜,张敏霞.农村中小学现代远程教育工程中DVD模式的教学应用[J].中国电化教育,2005,(11).
[3] 陈庆贵.农村中小学现代远程教育环境下的教学应用模式研究[J].电化教育研究,2006,(12).
[4] 谢文斌.农远工程教学光盘模式应用初探[J].中小学信息技术教育,2007,(10).
[5] 郭绍青,李秀明.多媒体计算机资源在模式一环境下综合应用的探究[J].中国电化教育,2007,(4).
光学设计方案范文第9篇
关键词：压强；辉光放电；演示仪；设计
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148(2012)2(S)-0048-3
1引言
辉光放电属于气体低气压放电。工作压力一般都低于1x10(h3)a，它的构造是在封闭的容器内放置两个平行的电极板，利用电子将中性原子和分子激发，当粒子由激发态降回至基态时会以光的形式释放出能量。我们利用辉光放电原理以及其现象对辉光放电和压强的关系进行研究，并进行设计适合中学物理教学的实验器材。
2真空知识基础
2.1真空基本概念
在真空科学中，真空是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。真空状态与人类赖以生存的大气状态相比较。主要有如下基本特点：
真空状态下的气体压力低于一个大气压，因。此，处于地球表面上的各种真空容器中，必将受到大气压力的作用，其大小由容器内外的压差值而定。
2.2真空区域的划分
真空状态下由于气体稀薄，单位体积内的气体分子数，即气体的分子密度小于大气压力的气体分子密度。处于真空状态下的气体稀簿程度。通常用真空度表示。我们按照不同真空状态下气体压强的不同，对真空区域进行划分以及其对应的气体辉光放电现象(如表1)
3气体辉光放电
3.1气体辉光放电的定义：
通俗的讲，气体辉光放电就是原来不导电的气体经过电子电离、激发变成、导电，同时放出不同光的现象。
3.2气体辉光放电的原理
通常情况下气体不导电，但是在大约为几毫米汞柱(1毫米汞柱约为133.32Pa)的气压下，再利用高压电场，将电子加速，高速电子轰击到稀薄的气体原子上，便使得每个气体原子被分裂为一个带正电的离子和一个或数个自由电子。[4]这样气体原子电离后，便可以形成正负离子。
正离子被反向加速，获得足够大的动能去轰击阴极，这时阴极会产生大量的电子(二次电子)，经过簇射过程使大部分的气体原子被电离，从而产生更多的带电粒子，使得气体导电。
气体分子被电离后不稳定，粒子由激发态降回至基态时会以光子的形式释放出能量，于是我们便看到了辉光。每种气体都有其典型的辉光放电颜色，荧光灯的发光即为一种辉光放电。
3.3气体辉光放电现象及其特点
辉光放电时，电子和正离子分别向阳极、阴极运动，并堆积在两极附近形成空间电荷区，从而形成电流。但是电流强度较小(约几毫安)，电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现象。而且在正常辉光放电时，两极间电压不随电流变化而变化。
气体发光是由于分子被激发后，激发态的电子不稳定，要向低能及跃迁，同时放出光子。”而看到的颜色更亮度跟放出光子的能量和密度有关系。故不同气体的辉光颜色一般不一样，同种气体放电是也会呈现出明暗不相间的8个大区域：阿斯顿暗区：阴极辉区：阴极暗区：负辉区：法拉第暗区：阳极区或正辉区：阳极暗区；阳极辉区。
4压强与气体辉光放电关系演示仪的设计
4.1演示仪设计方案1
4.1.1设计制作方案
它适用于中学物理实验室实验教学。材料采用K9玻璃管，它们分别由：机械泵(抽至低真空区域)；热偶真空计；被抽玻璃管；K(m1)K(m3)玻璃阀门及高频火花检漏仪构成。所有管道在制作时需检查无漏气且管道内部经过清洁处理然后烧制成如下图1所示设计图。
4.1.2设计制作方案2。
它适用于中学物理课堂教学。它们分别由：被抽玻璃瓶，玻璃活塞，真空橡皮管，真空抽气筒(可抽至粗真空区域)构成。所有玻璃器件在制作时需检查无漏气且管道内部经过清洁处理。然后进行烧制并用环氧树脂粘接而成，如下图2所示设计图。
4.2演示仪的使用说明
4.2.1方案1的演示说明
根据方案l设计图(如图1)，玻璃活塞K(m1)，k，关闭，热偶规管与热偶真空计连接好并开启电源，开启机械泵电源对被抽容器抽真空，当真空度达到5.0x10-1Pa时，用高频火花检漏仪激发玻璃被抽容器，观察辉光放电区域的范围及颜色；关闭活塞K2，缓慢开启活塞K3使被抽容器真空度由低真空缓慢变为粗真空，与此同时用高频火花检漏仪激发玻璃被抽容器仔细观察压强的增加与辉光放电区域的范围及颜色变化情况。重复上述过程并将这些现象加以解释。
演示结束后，关闭热偶计电源一关闭活塞K(m2),K(m3),关闭机械泵电源一打开活塞K(m1)给机械泵进气口充气(让机械泵进气口与排气口均处在大气压，以免由于机械泵进气口与排气口存在压强差，大气将机械泵油压人真空系统中)。
4.2.2方案2的演示说明
根据方案2设计图(如图2)，开启玻璃活塞K、将真空橡皮管与真空抽气筒紧密相连，真空抽气筒对玻璃被抽容器抽气(粗真空区域)，再关闭玻璃活塞K，用高频火花检漏仪激发玻璃被抽容器，观察辉光放电区域的范围及颜色。从真空橡皮管拔出真空抽气筒，缓慢开启活塞K，使被抽容器压强逐渐升高，与此同时用高频火花检漏仪激发玻璃被抽容器仔细观察压强的增加与辉光放电区域的范围及颜色变化情况。解释这些实验现象。
4.3演示仪的特点
设计制作方案1的成套性好，真空系统直观性强，演示效果非常好，操作方便同时还可以拓展真空的获得与测量等知识。不足之处：制作难度稍大，成本相对较高。
设计方案2制作简单，成本低廉，体积小携带方便。不足之处：演示效果不及设计制作方案1。
5结语
随着时代的发展，教育不断在改革创新，国家对中学教师的要求越来越高。现在的中学物理教学已然不是以往的一味灌输。只注重“教”而忽视“学”，已经发展到了要以学生为出发点，注重生活中的物理。“从生活中来，到生活中去”更符合当代的物理教学，这也要求了物理教师不仅要懂得“教”，更要懂得将学生从生活中引向物理课堂，再将物理课堂中的知识运用到生活中去。
作为一名即将走上讲台的准中学物理教师更应该有远见。在不断学习理论知识的基础上对中学物理实验仪器应多加关注。尤其是一些演示仪器。能设计并尽力制作一些演示仪器。以便日后的教学中提高课堂及实验教学质量，增强学生学习物理的热忱显得尤为重要。
我们经过实验观察。对气体辉光放电与压强的关系进行分析，设计出了“压强与气体辉光放，电演示器”。对于设计方案2，我们可以利用实验室现有的材料加以制作；对于方案1，我们可以将玻璃管烧制部分交由专业人员制作，其余部分自己安装调试。
总之，设计制作演示实验教具，可以不断培养青年教师的创新思维，对提升青年教师的综合素质将起到积极的作用。
参考文献：
[1]迈克尔，A.力伯曼、阿伦J.里登伯格，等离子体放电原理与材料处理科学出版社2007
[2]华中一编著。真空技术基础[M]。上海，科学技术出版社，1958
[3]赵宝升编著，真空技术[M]。北京，科学出版社，1998
[4]彭国贤，现代化知识文库之气体放电――等离子体物理的应用[M].上海，知识出版社，1982
[5]刘学惑，阴极电子学[M].北京，科学出版社，1980
光学设计方案范文第10篇
关键词教室专用灯具黑板灯布灯方案
中图分类号：S611文献标识码： A
1 引言
随着国家对教育资源的投入增加，最近涉及到学校的建筑项目比较多，包括一些新建的中小学校区及一些老旧学校应结构加固的原因而列入电气改造的项目。在改造的过程中发现很多标准教室的照明设计与现行的规范不相符，主要表现为：
1. 黑板面及课桌面照度低于或远高于现行国标规定的照度标准值；
2. 黑板灯安装不规范，黑板照度低，学生在观看黑板时，容易看到灯管的直接眩光，引起视觉疲劳；
3. 教室灯具采用裸管荧光灯、黑板灯未加设专用灯罩，使用电感型镇流器，产生频闪效应；
4. 教室内采用色温高（6500K）T8型卤粉荧光灯管，光通量低、偏冷光，显色指数低，容易引起视疲劳；
5. 多数学校对照明灯具缺少维护，常年积灰，照度均匀度不达标；
6. 照明灯具的控制开关混乱，缺少合理性。
造成以上原因有很多，而列入改造的学校一般都建于90年代早期，当时1987年颁布的《中小学校采光和照明卫生标准》对照明的要求相当低，教育部门对教育经费的投入也比较匮乏，还有就是对于教室照明的忽略和不加重视。
2 教室照明标准
现在多本国家规范对学校的教室照明专门做了重点说明：
(一)《建筑照明设计标准》（GB50034-2004）中有关教室照明规定：
1.教室课桌面照度300lx；教室黑板面照度500lx；
2.照度均匀度（最小照度/平均照度）0.7；
3.统一眩光值UGR不得高于19；显色指数（Ra）不低于80；
4.直接型灯具的遮光角不应小于15°（光源平均亮度为20-50kcd/m²时）；
5.功率密度值（LPD）：现行值11W/m²，目标值9W/m²（按江苏省节能要求教室LPD应为9W/m²）；
6.宜采用细管径直管形荧光灯;
7.光源的相关色温3300～5300K；
（二）《民用建筑电气设计规范》（JGJ16-2008）中有关教室照明规定：
1.用于晚间学习的教室的平均照度值宜较普通教室高一级，且照度均匀度不应低于0．7。
2. 教室照明灯具与课桌面的垂直距离不宜小于1．7m。
3 .教室设有固定黑板时，应装设黑板照明，且黑板上的垂直照度值不宜低于教室的平均水平照度值。
4 .教室照明的控制应沿平行外窗方向顺序设置开关，黑板照明开关应单独装设。
（三）《中小学设计规范》（GB50099-2011）中有关教室照明规定：
1. 教室黑板应设专用黑板照明灯具，其最低维持平均照度应为500lx，黑板面上的照度最低均匀度宜为0．7。
黑板灯具不得对学生和教师产生直接眩光。
2. 教室应采用高效率灯具，不得采用裸灯。灯具悬挂高度距桌面的距离不应低于1．70m。灯管应采用长轴垂直于黑板的方向布置；
3. 教室照明光源宜采用显色指数Ra大于80的细管径稀土三基色荧光灯。对识别颜色有较高要求的教室，宜采用显色指数Ra大于90的高显色性光源；有条件的学校，教室宜选用无眩光灯具。
4. 中小学校照明在计算照度时，维护系数宜取0．8。
以上规范对于教室的照明设计做了详尽的说明，但实际设计或施工过程中还存在问题，使得教室的照明质量难于满足规范要求。
3 布灯方案
如何才能做好教室的照明设计？既能满足照度的要求，又能做到节能，并且在施工安装时不出错。我们从教室课桌面照度、黑板面照度、以及教室功率密度值（LPD）这3个方面来探讨下目前教室中常见的教室灯具安装方式：
1.单管荧光灯方案（见图1）
这个布灯方式很多见，灯具安装未给出安装尺寸、施工时很随意，单管的使用主要是当时的经济条件限制。方案导致的结果：教室功率密度：7.68W/,但是黑板照度只有280LX;教室照度只有185LX；离国标相差很远。教室光线昏暗，尤其阴雨天气，黑板面和课桌面的照度均不达标，灯具控制方式不符合节能要求。
2.双管荧光灯（带灯罩见图2）
图2 双光荧光灯（带灯罩）布灯方案
这是设计院流行的方案，在新建的教学楼中应用也很好。该方案照明质量很高，特别是UGR值较低，UGR值为16；不足处是能耗较高, 按7.2×9米的教室计算，功率密度值达到了9.9W/m²。虽满足国标要求，但是不符合江苏省节能要求。
4 教室标准布灯方案
笔者把觉得相对较好的设计方案和现场测量数据提供给同行参考：
1.灯具布置有规律可循，为设计及安装提供方便，也为确保设计质量提供了保证，但它是建立以下两个条件基础上的：1）黑板灯及课桌灯均组成连续光带；2）采用管吊安装方式。
2.布置规律：.黑板灯平行于黑板、课桌灯垂直于黑板布置，相关布置尺寸参见表1。特殊情况应以照度计算为准，例如美术教室教室的照度标准为500lx，光带间距可能调整至1.8-2米。
3.灯具安装高度一般为2.5-2.7米，黑板灯与课桌灯等高，特殊情况例如采用升降式黑板时，黑板灯安装高度可为3~3.5米。阶梯教室的灯具安装高度应以最后一个台阶为基准。
图4 标准教室布灯方案
序号 布置高度 相关尺寸(m)
1 灯具安装高度 2.5~2.7
2 黑板灯至黑板水平距离 0.9
3 灯具间距L 2.2~2.5
4 灯具前端至黑板距离L1
5 灯具边距L2 1~1.5
6 灯具末端至后墙距离L3 1~1.5
表1教室灯具布置尺寸表
以上的布置可以满足普通标准教室的灯具布置，黑板灯采用专用教室黑板灯(T5系列 35W 光通量 3350)，照明灯具采用专用教室照明(T5系列 28W 光通量 2600)。该教室照明灯具布置方案不仅照度满足规范要求，功率密度值也满足江苏省节能标准，而且提供了较高的照明质量：1）黑板的照度高、无直射眩光，学生观看黑板时,能看的清晰，看得舒服，不易产生视觉疲劳；2）由于T5光源均采用电子镇流器，基本消除了荧光灯的频闪效应；3）选用4000K暖色光源，光色柔和舒适，提高了视觉舒适度和视觉灵敏度。