光電專業(yè)光學工程系列課程優(yōu)化研究

陳海燕，羅江華，黃春雄 （長江大學物理與光電工程學院，湖北荊州434023）

一千年來，光技術(shù)帶給人類文明巨大的進步，為此，聯(lián)合國宣布2015年為 “光和光基技術(shù)國際年”（International Year of Light），以紀念千年來人類在光領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)。尤其是近半個世紀以來，光電子學科得到了突飛猛進的發(fā)展，形成了信息光電子、能量光電子、生物光電子、消費光電子和綠色光電子等一系列分支學科，涵蓋了短波與亞波長光學、太赫茲光子學、光度學與色度學、瞬態(tài)光子學、微納光子學、空間與海洋光學、生物光子學、環(huán)境光子學和太陽能利用等領(lǐng)域。面對如此復雜龐大的光電子學科體系以及學科迅速膨脹的態(tài)勢，光電子學科教育該如何應(yīng)對，成為光電子學科教育的一個新挑戰(zhàn)［1～3］。筆者以美國亞利桑那大學光科學學院的本科光電類課程體系為藍本，結(jié)合長江大學實際情況，按照CDIO 工程教育模式［4］，對長江大學光學工程系列課程進行改革與優(yōu)化。依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標，在教學理念、課程體系、教學模式、實驗課程項目與內(nèi)容等方面進行改革，給出了光電專業(yè)光學工程系列課程的優(yōu)化方案。

1 長江大學光電類光學工程系列課程體系存在的不足

課程設(shè)置是光電子學科教育的重要組成部分，目前國內(nèi)光電方向?qū)I(yè)所開設(shè)的光學工程系列課程有13～14門，其中學科基礎(chǔ)課3～4門，專業(yè)核心課3～4門，專業(yè)選修課6～7門。由于各學校的具體情況不同，所開設(shè)的光學工程系列課程也不同。長江大學所開設(shè)的光學工程系列課程共13門：學科基礎(chǔ)課是工程光學與光學實驗，專業(yè)核心課程是激光原理與技術(shù)、光纖通信技術(shù)、光電信息技術(shù)實驗、光電探測與信號處理，專業(yè)選修課是信息光學、光電子技術(shù)、光纖光學、半導體光電子學、光電圖像處理、激光器件原理與設(shè)計、光電子器件驅(qū)動技術(shù)。另外，還有工程光學課程設(shè)計與光纖通信技術(shù)課程設(shè)計2個實踐教學環(huán)節(jié)。所開設(shè)的光學工程系列課程體系不夠完善，專業(yè)課與選修課設(shè)置不太合理，部分課程所涉及的內(nèi)容之間有一定的交叉，沒有體現(xiàn)數(shù)學與計算機在課程中的應(yīng)用，沒有體現(xiàn)現(xiàn)代科技成果等。此外，現(xiàn)行課程體系內(nèi)容陳舊、理論性太強、缺少必要的實驗，晦澀難懂、與生產(chǎn)實際脫節(jié)，滿足不了當今社會對課程的要求。因此，大力開展光學工程系列課程體系與教學內(nèi)容和教學方法的改革是當務(wù)之急。

2 亞利桑那大學與長江大學光電類光學工程系列課程的比較

亞利桑那大學光科學學院是全美規(guī)模最大的光學教育與科研機構(gòu)，研究范圍廣，涉及當前光學研究前沿的主要方向：光纖光學、激光與光學材料、醫(yī)用光學與圖象科學、納米技術(shù)、光存儲、光學工程與測試、光學設(shè)計與制造、光電子器件、半導體與量子納米光學、量子光學、遙感、半導體光物理、光通信和薄膜等。

亞利桑那大學光科學學院設(shè)有光學、光電子、光學材料和光機械4個本科專業(yè)，所設(shè)置課程以應(yīng)用類和工程類為主，目標是培養(yǎng)光學工程師。其光電方向光學工程必修課程為幾何與儀器光學Ⅰ、幾何與儀器光學Ⅱ、物理光學Ⅰ、物理光學Ⅱ、幾何與儀器光學實驗Ⅰ、幾何與儀器光學實驗Ⅱ、激光與光子學、媒質(zhì)光學實驗Ⅰ、媒質(zhì)光學實驗Ⅱ、光學實驗Ⅰ、光學實驗Ⅱ、光學設(shè)計、光學工程師電子學、光通信、光輻射與探測、光學制造與測試、光機械設(shè)計導論；長江大學所開設(shè)的課程為工程光學、光學實驗、激光原理與技術(shù)、光電信息技術(shù)實驗、工程光學課程設(shè)計、光纖通信技術(shù)、光電探測與信號處理、光纖通信技術(shù)課程設(shè)計等。通過比較可以看出，幾何與儀器光學Ⅰ、Ⅱ及物理光學Ⅰ、Ⅱ和工程光學對應(yīng)；幾何與儀器光學實驗Ⅰ、Ⅱ和光學實驗對應(yīng)；激光與光子學和激光原理與技術(shù)對應(yīng)；媒質(zhì)光學實驗Ⅰ、Ⅱ及光學實驗Ⅰ、Ⅱ和光電信息技術(shù)實驗對應(yīng)；光學設(shè)計和工程光學課程設(shè)計對應(yīng)；光通信和光纖通信技術(shù)對應(yīng)；光輻射與探測和光電探測與信號處理對應(yīng)；光學制造與測試，光機械設(shè)計導論2門工程類實訓課程長江大學沒開設(shè)，而光纖通信技術(shù)課程設(shè)計實訓環(huán)節(jié)亞利桑那大學沒開設(shè)，而是在通信類專業(yè)方向開設(shè)。

亞利桑那大學光電類課程體系的特點是：①課程設(shè)置很科學，體系清晰，符合CDIO （構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運作）工程教育模式；②重視實驗與理論的結(jié)合。其課程講義特點是：①課程強調(diào)基礎(chǔ)、由淺入深、循序漸進；②課程安排上注重專業(yè)的數(shù)學基礎(chǔ)；③引用了許多新技術(shù)領(lǐng)域的實例，提高了學生的學習興趣、擴大了視野；④諸多內(nèi)容都匯集了老師的研究成果和經(jīng)驗，使得概念更清楚，應(yīng)用領(lǐng)域清晰。

3 課程設(shè)置優(yōu)化方案

課程設(shè)置與專業(yè)培養(yǎng)目標息息相關(guān)，為此，筆者將專業(yè)培養(yǎng)目標定為培養(yǎng)光電子工程師。光學工程系列課程的課程體系、教學內(nèi)容及教學手段都圍繞這一目標進行，從學科整體高度構(gòu)建課程體系，從科學研究與工程應(yīng)用角度對課程內(nèi)容進行優(yōu)化，并將最新的科研成果及前沿引入課程。注重專業(yè)的物理思想與數(shù)學基礎(chǔ)，以基于Matlab科學計算語言的數(shù)值模擬為手段，并將NLSE與Optisystem 仿真軟件引入課堂，對光電專業(yè)光學工程系列課程進行全方位優(yōu)化。

3．1 “全光譜光學”的教學理念

目前，學生對光波的認識主要集中在可見光 （波長范圍380～760nm），而對其他波段了解甚少。由大學物理學方面的知識可知，光是一種電磁波，廣義上講，電磁波也可稱光波。實際上，從波譜來看，目前光電子學科所涉及的波譜范圍包括從微波／毫米波、THz波到紫外的很寬波段?！叭庾V光學”的教學理念拓展了現(xiàn)有教學內(nèi)容的光譜范圍，有助于學生把握光電子學科全局，培養(yǎng)學生的專業(yè)全局觀。

3．2 構(gòu)建科學的課程體系

光電專業(yè)光學工程系列的課程體系應(yīng)從人才培養(yǎng)層次的全局通盤考慮，即博士生、碩士生與本科生3個層次，并與大學物理課程作適當銜接。光電專業(yè)本科生的培養(yǎng)目標是培養(yǎng)光電工程師，為此，筆者將光電專業(yè)本科生的光學工程課程體系分成專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心光電課及專業(yè)選修課3個模塊?；A(chǔ)光學課程包括幾何光學與光學儀器、物理光學、光學實驗3門課程及光學設(shè)計實訓環(huán)節(jié)；專業(yè)核心課程有光電子技術(shù)、激光原理與技術(shù)、光纖通信技術(shù)、光電信息技術(shù)綜合實驗4門課程及光纖通信技術(shù)實訓環(huán)節(jié)；專業(yè)選修課包括信息光學、半導體光電子學、激光器件原理與設(shè)計、光電探測與信號處理。

3．3 課程內(nèi)容優(yōu)化

1）幾何光學與光學儀器主要介紹分析光傳輸?shù)墓饩€追跡方法及其在成像、光學儀器中的應(yīng)用，并簡要介紹矩陣光學初步與Zemax光學系統(tǒng)設(shè)計的基本原理與實踐。物理光學課程主要介紹光的波動性與量子性初步及其在光電子學中的應(yīng)用，從頻域、時域與空間域3個方面介紹波動說，從光的產(chǎn)生與探測方面介紹光子說，并增加相干性定義擴展等相關(guān)內(nèi)容。光學實驗內(nèi)容分別與幾何光學、光學儀器和物理光學講授內(nèi)容對應(yīng)，光學設(shè)計實訓環(huán)節(jié)主要內(nèi)容是熟悉利用Zemax仿真軟件，學生獨立完成光學系統(tǒng)設(shè)計。

2）專業(yè)核心課程光電子技術(shù)主要介紹光波導理論及其應(yīng)用，包括耦合模理論、耦合器、調(diào)制器、分束器和傳感器等無源光電子器件；激光原理與技術(shù)主要介紹激光的產(chǎn)生、激光與物質(zhì)的相互作用、激光控制的基本激光現(xiàn)象與基本原理，內(nèi)容包括激光器基礎(chǔ)、激光諧振腔理論、電磁場與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論與速率方程理論、連續(xù)波激光器工作特性、激光調(diào)制技術(shù)、脈沖激光器工作特性 （包括調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)）、激光放大器、模式選擇、穩(wěn)頻及倍頻技術(shù)、常見激光器；光纖通信技術(shù)主要介紹光纖通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成、基本原理和相關(guān)技術(shù)，內(nèi)容包括光纖通信技術(shù)基礎(chǔ)、光纖／光纜與光傳輸、光發(fā)射機與接收機、光纖基光電子器件、光纖通信系統(tǒng)設(shè)計、光網(wǎng)絡(luò)、光纖通信新技術(shù)以及Optisystem 仿真舉例；光電信息技術(shù)綜合實驗內(nèi)容分別與光電子技術(shù)、激光原理與技術(shù)及光纖通信技術(shù)講授內(nèi)容相對應(yīng)；光纖通信技術(shù)實訓環(huán)節(jié)主要內(nèi)容是熟悉利用Optisystem 仿真軟件，學生獨立完成光纖通信系統(tǒng)設(shè)計。

3）專業(yè)選修課用于擴展學生的專業(yè)知識，提高學生的專業(yè)實踐技能。信息光學又稱傅立葉光學，主要介紹光傳輸?shù)母盗⑷~變換理論，利用線性系統(tǒng)理論處理光學成像、光學空間濾波器、全息等現(xiàn)象。半導體光電子學主要介紹半導體光學特性的物理基礎(chǔ)及其應(yīng)用，如基于半導體材料的激光器、放大器、可飽和吸收體等。光電探測與信號處理主要介紹光電子器件中的噪聲處理。激光器件原理與設(shè)計主要以光纖光柵激光器為例，介紹連續(xù)波、調(diào)Q 及脈沖激光器的結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計、實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品封裝等內(nèi)容，該課程的目的是提高學生的專業(yè)實踐技能。

3．4 課程教學模式

具體課程采用研究式教學模式，主要包括看圖說話式教學模式［5］、實驗現(xiàn)象－現(xiàn)象解釋 （即理論－數(shù)值）模擬－新現(xiàn)象預(yù)言的教學模式［6］、計算機仿真與實驗相結(jié)合等教學模式［7］。

1）看圖說話式教學模式是將課程內(nèi)容概括為一幅圖，每一章也歸納為一幅圖。先讓學生看圖，然后分析圖，從而引出教學內(nèi)容。該教學模式具有全局性、啟發(fā)式和創(chuàng)新性等特點，教學實踐表明該方案能有效地培養(yǎng)學生的全局觀與創(chuàng)新能力。

2）實驗現(xiàn)象－現(xiàn)象解釋 （即理論）－數(shù)值模擬－新現(xiàn)象的預(yù)言，即 “四維一體”的教學模式，是將馬克思主義哲學認識論觀點應(yīng)用到理工科專業(yè)課的教學中。從實踐中來，到實踐中去，即 “從現(xiàn)象中來，到現(xiàn)象中去”，使本科教學不再抽象，所選用的實驗現(xiàn)象資料均來自主講教師或國內(nèi)外科研人員的最新科研成果，將課堂講授內(nèi)容與科學研究結(jié)合起來，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

3）光學工程系列課程中的各種原理是模型，數(shù)學知識是方法與工具，注重數(shù)學知識與計算技術(shù)在光學工程系列課程中的應(yīng)用，有助于提高學生分析問題、解決問題的能力。選用Matlab科學計算語言對光學工程系列課程的各種理論進行仿真與可視化，并與實驗結(jié)果進行比較，將數(shù)學知識、Matlab科學計算語言和課程教學有機結(jié)合。利用NLSE仿真軟件模擬超短脈沖在光纖中的傳輸與演化，利用Optisystem 仿真軟件設(shè)計光纖通信系統(tǒng)，計算機的應(yīng)用能有效地彌補理論與實驗課程教學的不足，有利于提高學生自我驗證與形象思維能力。

3．5 實驗課程項目的設(shè)置與優(yōu)化

依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標，對實驗課程項目的設(shè)置進行優(yōu)化，打破課程獨立實驗的界限，避免實驗設(shè)置的無序和可能造成的交叉重復，建立綜合實驗教學體系，按照有源器件、無源器件和系統(tǒng)實驗3個模塊設(shè)置相關(guān)課程實驗。有源器件實驗項目有固體激光器綜合實驗、摻鉺光纖放大器、光纖激光器參數(shù)測量、光纖拉曼放大、激光諧振腔衰蕩特性測量等；無源器件實驗項目有光纖熔接與色散測量、光纖光斑測量、光調(diào)制器特性測量、光纖傳感器綜合實驗、光纖光柵特性測量等；系統(tǒng)方面的實驗項目有模擬光纖通信系統(tǒng)綜合實驗、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)綜合實驗、光纖傳輸系統(tǒng)綜合實驗等。

4 結(jié)語

筆者曾于2006～2007年間在亞利桑那大學光科學學院作訪問學者，與世界一流大學相比，長江大學在光電類光學工程系列必修課程的設(shè)置、師資力量、實驗條件和講義編寫等諸多方面都存在較大差距。參照亞利桑那大學光科學學院光電專業(yè)光學工程系列課程，結(jié)合長江大學具體實際，提出長江大學光電專業(yè)光學工程系列課程為幾何光學與光學儀器、物理光學、光學實驗、光電子技術(shù)、激光原理與技術(shù)、光纖通信技術(shù)、光電信息技術(shù)綜合實驗、信息光學、半導體光電子學、激光器件原理與設(shè)計、光電探測與信號處理以及2個實訓環(huán)節(jié)光學設(shè)計與光纖通信技術(shù)。該優(yōu)化方案合理，課程體系清晰，重視實驗與理論結(jié)合，符合CDIO 工程教育理念，具有很好的操作性。

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［5］陳海燕．“激光原理與技術(shù)”課程看圖說話教學模式 ［J］．中國電力教育，2011 （5）：111～112．

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［7］陳海燕．脈沖光入射時法布里－珀羅腔的透射特性 ［J］．電氣電子教學學報，2011，33 （4）：99～103．