《光電子學(xué)》理論課程與實踐結(jié)合的方法探索

曹春燕，姚瓊，熊水東，孟洲

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410073）

《光電子學(xué)》理論課程與實踐結(jié)合的方法探索

曹春燕，姚瓊，熊水東，孟洲

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410073）

《光電子學(xué)》是一門基礎(chǔ)理論課程，同時又在應(yīng)用實踐的過程中不斷發(fā)展和更新。針對這一特點，我們從《光電子學(xué)》課程內(nèi)容選取、課堂授課方式和課程實驗環(huán)節(jié)三方面出發(fā)，探索了在 《光電子學(xué)》課程中將基礎(chǔ)理論與實踐相結(jié)合的方法。通過這些方法的應(yīng)用，使學(xué)生對課程內(nèi)容有了更全面和深入的理解。

光電子學(xué)；基礎(chǔ)理論課程；實踐課程

光電子學(xué)是光學(xué)和電子學(xué)結(jié)合形成的光學(xué)工程的一個新學(xué)科，是光電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)［1～3］?！豆怆娮訉W(xué)》是我校國家重點學(xué)科――光學(xué)工程的研究生專業(yè)核心基礎(chǔ)理論課程，課程內(nèi)容包含了光電子系統(tǒng)中光輻射的產(chǎn)生、傳播、調(diào)制和探測四大部分，它從最基本的電磁理論和光與物質(zhì)的相互作用的理論出發(fā)，給出了光電子系統(tǒng)中各部分的基本原理、基礎(chǔ)理論和基本規(guī)律。同時光電子學(xué)在應(yīng)用實踐的過程中不斷發(fā)展和更新，是一門實踐性很強的綜合性學(xué)科［4～5］。因此我們在 《光電子學(xué)》授課過程中，本著基礎(chǔ)理論研究為應(yīng)用實踐服務(wù)，而相關(guān)實踐反過來促進學(xué)員對基礎(chǔ)理論的理解的思想，注重將理論與實踐緊密結(jié)合，基礎(chǔ)理論與前沿研究方向緊密結(jié)合，使學(xué)生從理論和實踐兩方面對光電子領(lǐng)域有全面的了解。論文重點從課程內(nèi)容設(shè)計、課堂講授和課程實驗教學(xué)三方面進行了闡述。

一、課程內(nèi)容設(shè)計注重理論與實踐相結(jié)合

在 《光電子學(xué)》教學(xué)大綱的設(shè)計上，我們注重給出光電子系統(tǒng)中各個部分的基本原理、基礎(chǔ)理論和基本規(guī)律，課程內(nèi)容體系全面，注重系統(tǒng)性和先進性兼?zhèn)洌?］；同時結(jié)合各部分內(nèi)容在實際光電子系統(tǒng)中的應(yīng)用進行講解，為學(xué)員進一步學(xué)習(xí)導(dǎo)波光學(xué)、光纖技術(shù)、光纖通信等課程奠定基礎(chǔ)，為今后從事光通信、光信息處理、光傳感等方面的研究開發(fā)工作提供必要的基礎(chǔ)知識。

針對教學(xué)大綱，我們精選了由美國加州大學(xué)洛杉磯分校教授Jia－Ming Liu編寫的英文教材《Photonic Devices》［1］。Jia－Ming Liu教授長期從事激光器、非線性光學(xué)、量子力學(xué)、光電子器件的研究工作，有著豐富的理論和實驗研究基礎(chǔ)?！禤hotonic Devices》是其為光電子專業(yè)研究生課程編寫的教材，出版年代較近，能反映光電子領(lǐng)域的最新進展，并且內(nèi)容全面系統(tǒng)，與課程教學(xué)大綱要求基本一致。

《Photonic Devices》通過光輻射的產(chǎn)生、傳播、調(diào)制和探測等基礎(chǔ)理論將光波導(dǎo)、光耦合器件、光調(diào)制器、光源、半導(dǎo)體光探測器等光電子器件集成為一個有機整體。教材對每一章節(jié)的討論都首先從解釋各種光學(xué)現(xiàn)象和光學(xué)器件的物理本質(zhì)開始，而所有理論的落腳點都在解釋各種光電子器件的基本工作原理、基本性能等應(yīng)用特性上。教材列舉了大量的光電子器件的結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、應(yīng)用實例和課后習(xí)題供學(xué)生學(xué)習(xí)和思考。以該教材內(nèi)容進行授課，方便學(xué)員們在深入理解物理本質(zhì)的同時了解光電子學(xué)發(fā)展的最新前沿技術(shù)及應(yīng)用。

通過將理論與實踐相結(jié)合的思想貫穿于 《光電子學(xué)》課程內(nèi)容設(shè)計和教材選取中，真正實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合后，學(xué)員不僅掌握了光電子學(xué)科的基礎(chǔ)理論，擴展了知識面，對光電子領(lǐng)域有了更全面的了解，同時大量詳盡實例的學(xué)習(xí)也激發(fā)了他們深入學(xué)習(xí)的興趣。

二、課程講授注重理論與實際應(yīng)用的結(jié)合

光電子學(xué)課程是專業(yè)基礎(chǔ)理論課程，但是課程講授中過于偏重基礎(chǔ)理論會使教學(xué)枯燥無味，使學(xué)員對具體的物理意義缺乏理解，因此在課堂教學(xué)時我們特別注重基礎(chǔ)理論與應(yīng)用和實踐的緊密結(jié)合、基礎(chǔ)理論與前沿研究方向緊密結(jié)合的特點，注意結(jié)合教員科研工作，適當增加一些系統(tǒng)應(yīng)用實例，并將光電子學(xué)最新發(fā)展成果引入課程教學(xué)，使學(xué)員從理論和實踐兩方面全面理解課程內(nèi)容。

如在講授第五章磁光效應(yīng)時，我們首先推導(dǎo)了存在磁場時，電介質(zhì)的介電張量的改變，根據(jù)導(dǎo)出了磁致旋光效應(yīng)的非互易性，使學(xué)員對磁光效應(yīng)的物理機制有了最清晰的認識。同時針對磁光效應(yīng)的獨特性質(zhì)——非互易性，我們詳細介紹了光隔離器、光環(huán)形器等磁光器件的基本結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，介紹了它們在實際光學(xué)系統(tǒng)中的重要應(yīng)用，并拿出實物供學(xué)員參觀學(xué)習(xí)。通過這樣的教學(xué)，學(xué)員們加深了對物理意義的理解，也了解了大量的應(yīng)用實例。

同時我們還很注重從物理機制和實踐應(yīng)用上對不同光電子器件進行對比。例如在第四章的電光調(diào)制器和第六章的聲光調(diào)制器的講授時，我們都提到了它們作為光強度調(diào)制器的用途，有學(xué)員就會問它們究竟有什么區(qū)別呢？我們將這一問題在課堂上做了專題討論，引導(dǎo)學(xué)員深入思考，最終得出：由于電光強度調(diào)制器是以光的相位變化為物理基礎(chǔ)的，因此它作為光開關(guān)會有很高的開關(guān)速度 （GHz量級），但是開關(guān)的消光比會較低（20dB左右）；聲光強度調(diào)制器是以光的衍射、偏轉(zhuǎn)為物理基礎(chǔ)的，因此作為光開關(guān)的消光比會很高 （40dB左右），但是它的開關(guān)速度會比較慢 （MHz量級）。根據(jù)它們的特性差異，我們又對這些器件的不同用途進行了介紹，列舉了在高速的光纖通信系統(tǒng)中，通常需要用到電光強度調(diào)制器，而在對光的消光比要求較高的光纖時分復(fù)用傳感系統(tǒng)中，通常需要用到聲光調(diào)制器。通過這樣的對比學(xué)習(xí)，學(xué)員們從物理本質(zhì)上理解了不同器件的特性及應(yīng)用范圍，為以后的學(xué)習(xí)和科研工作打下了堅實的基礎(chǔ)。

三、增加課程實驗環(huán)節(jié)

在進行 《光電子學(xué)》課堂教學(xué)的同時，我們正在進行研究生綜合實驗中心的建設(shè)，旨在為給光學(xué)工程學(xué)科各基礎(chǔ)課程提供實驗教學(xué)支撐［7～9］。實驗中心可提供多個實驗?zāi)K，每個實驗?zāi)K中包含有三到五個相關(guān)實驗，基本覆蓋了本學(xué)科的知識面，如其中光波的電光與聲光調(diào)制實驗、半導(dǎo)體激光器工作特性研究、光電探測器特性測量和光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計與性能分析等實驗。它們緊密結(jié)合 《光電子學(xué)》課程設(shè)置，學(xué)員可根據(jù)自己的專業(yè)方向和需求自主進行選修。因此，在實踐性教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上，我們充分利用研究生綜合實驗中心這一教學(xué)資源，要求學(xué)員選修相關(guān)的實驗?zāi)K，并將實驗部分納入考核內(nèi)容，提高學(xué)員對自身實踐動手能力的重視和培養(yǎng)，使學(xué)員從理論和實踐兩方面對光電子領(lǐng)域全面了解。

研究生綜合實驗中心的建設(shè)兼具先進性與開放性，學(xué)員不僅可以選修其設(shè)計好的實驗，還可提供各種基本的光電器件，為學(xué)員提供自主實驗設(shè)計的條件。因此，我們還考慮要求學(xué)員完成一個綜合性實驗設(shè)計的大作業(yè)，學(xué)生可根據(jù)所學(xué)知識，自主設(shè)計并搭建光電子系統(tǒng)，完成性能測試，提交實驗報告［10］。這樣設(shè)置實驗環(huán)節(jié)的目的是使學(xué)員熟悉和掌握各種光電器件的使用和性能，讓學(xué)員認識到實驗是一種重要的科學(xué)研究方法，它與理論一樣在科學(xué)研究中相輔相成，缺一不可。綜合性實驗設(shè)計環(huán)節(jié)的設(shè)置可提高學(xué)員的實驗技能，培養(yǎng)靈活應(yīng)用書本知識解決實際問題的能力，為今后開展科研工作奠定基礎(chǔ)。

四、下一步課程實踐方向的思考

結(jié)合 《光電子學(xué)》既是基礎(chǔ)理論課程，又與前沿技術(shù)和應(yīng)用實踐緊密結(jié)合的特點，我們擬規(guī)劃實施參與式教學(xué)和專題研討式教學(xué)等教學(xué)手段。參與式教學(xué)是指，由學(xué)員根據(jù)自己的專業(yè)方向和興趣愛好分組，自主調(diào)研相關(guān)光電子學(xué)方向的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，并形成調(diào)研報告，在課堂上進行匯報，并組織課堂討論。通過這種參與式教學(xué)，學(xué)員不但可以充分了解光電技術(shù)的進展和應(yīng)用情況，還能夠在科研資料調(diào)研、研究報告撰寫和匯報答辯等多方面得到能力培養(yǎng)，使之能積極主動參與課堂教學(xué)，促進教與學(xué)的雙邊互動。而專題研討式教學(xué)是指，選取課程中與前沿技術(shù)結(jié)合緊密的內(nèi)容，邀請相關(guān)領(lǐng)域的專家教授做專題性的學(xué)術(shù)報告，開闊學(xué)員眼界，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，豐富教學(xué)信息量，提高教學(xué)內(nèi)容的先進性和前沿性。

五、結(jié)論

光電子學(xué)是光學(xué)和電學(xué)相結(jié)合并加以技術(shù)革新的技術(shù)領(lǐng)域［11］，它是與應(yīng)用實踐緊密結(jié)合并且逐步更新的。因此在 《光電子學(xué)》的教學(xué)中，我們從課程內(nèi)容選取、課程授課方式和實驗三方面出發(fā)，探索了 《光電子學(xué)》基礎(chǔ)理論課程與實踐相結(jié)合的方法。通過多樣化授課手段的采用，使學(xué)員更好地做到理論與實踐相結(jié)合，達到多方面培養(yǎng)學(xué)員能力的目的，為他們今后的學(xué)習(xí)和科研工作打下堅實的基礎(chǔ)。

［1］Jia－Ming Liu.Photonic Devices［M］.America：Cambridge University Press，2005.

［2］Amnon Yariv.Optical electronics in modern communication ［M］.English：Oxford University Press，1997.

［3］申鉉國，張鐵強.光電子學(xué) ［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1994.

［4］于萬成，王桂蓮.深化實踐課程體系改革 加強學(xué)生綜合職業(yè)能力培養(yǎng) ［J］.職業(yè)教育研究：2007（2）：131－132.

［5］張建 試論高等職業(yè)教育理論與實踐課程的整合 ［J］.中國高教研究：2008（1）：63－64.

［6］姚瓊，孟洲等.《光電子學(xué)》課程建設(shè)的實踐與思考 ［J］.高等教育研究學(xué)報：2009，32（3）：91－92.

［7］張定群，陳海玲.新建應(yīng)用型本科高校 “層次＋模塊”實踐課程體系的構(gòu)建 ［J］.實驗室科學(xué)：2008（2）：57－61.

［8］汪東風(fēng)，林洪，曾明湧，等.創(chuàng)新實踐課程的實施步驟 ［J］.實驗室研究與探索：2009，28（3）：107－109.

［9］馬小進，閔照翠，趙欣.創(chuàng)新實踐課程實施初探 ［J］.河北建筑科技學(xué)院學(xué)報 （社科版）：2006，23（4）：114－115.

［10］曹培根.研究性學(xué)習(xí)綜合實踐課程設(shè)計 ［J］.常熟理工學(xué)院學(xué)報 （哲學(xué)社會科學(xué)）：2008（12）：38－43.

［11］袁壽財，朱長純.光電子學(xué)與光通信 ［J］.光電子技術(shù)：2000，20（2）：90－97.

Method Research On Combining Practice Application With Theory Course Of Optoelectronics

CAO Chun－yan，YAO Qiong，XIONG Shui－dong，MENG Zhou
（CollegeofOptoelectronicScienceandEngineering，NationalUniversityofDefenseTechnology，ChangshaHunan410073，China）

Optoelectronics is a basic theory course.However，it is updating with the development of practical applications.This paper discusses the methods combining practice application with basic theory course of optoelectronics based on three aspects，as the selection of content，the style of school－teaching and the course of experiments.With these methods，this course content can be comprehended easily by students

Optoelectronics；Basic theory course；Practical course

G642.0

A

1671－816X （2011）02－0189－03

（編輯：趙赟）

2010－09－26

曹春燕 （1979－），女 （漢），四川隆昌人，講師，碩士，主要從事光纖信息技術(shù)方面的研究。