“光子學(xué)”課程教學(xué)改革探索

李岳彬, 蔡亞旋, 袁 勛, 陳 勇, 顧豪爽

(湖北大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢430062)

“光子學(xué)”課程教學(xué)改革探索

李岳彬, 蔡亞旋, 袁 勛, 陳 勇, 顧豪爽

(湖北大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢430062)

“光子學(xué)”是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)重要的專業(yè)課程。本文根據(jù)我我?！皩捒趶?、大培養(yǎng)、能力強(qiáng)”的培養(yǎng)體系的要求，針對(duì)培養(yǎng)方案深入開展“光子學(xué)”'課程教學(xué)探索，優(yōu)化課程內(nèi)容和有機(jī)結(jié)合多媒體教學(xué)手段和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，逐步推進(jìn)雙語教學(xué)來夯實(shí)學(xué)生的基本知識(shí)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

光子學(xué)；教學(xué)方法；教學(xué)改革

0 引言

光子技術(shù)已成為當(dāng)今光電子信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域第二大關(guān)鍵支柱[1]。為應(yīng)對(duì)這一需求，培養(yǎng)相關(guān)知識(shí)背景的高素質(zhì)人才勢(shì)在必行。

作為光子技術(shù)的基礎(chǔ)，“光子學(xué)”是一門綜合性很強(qiáng)的課程，其特點(diǎn)是多學(xué)科交叉、涉及面寬、發(fā)展速度快和應(yīng)用范圍廣。因此，用發(fā)展的眼光看待“光子學(xué)”,針對(duì)專業(yè)人才培養(yǎng)方案優(yōu)化課程內(nèi)容,提高課程教學(xué)水平,夯實(shí)學(xué)生基本理論基礎(chǔ),培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和科研能力,已成為一項(xiàng)重要的教學(xué)研究任務(wù)。

1 光子學(xué)內(nèi)涵

光是一種頻率范圍很寬的電磁波，不僅給人類帶來多姿多彩的世界，而且為生活生產(chǎn)提供了主要能源。人類對(duì)光孜孜不倦的探索研究對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大推動(dòng)作用。經(jīng)典光學(xué)主要研究光的宏觀傳輸特性，如透射、折射、反射、衍射和成像等物理光學(xué)現(xiàn)象，較少研究其微觀物理機(jī)制。隨著20世紀(jì)60年代初激光的出現(xiàn)，人們?cè)谘芯抗馀c物質(zhì)相互作用過程中，逐步加深了光子(Photon)是電磁輻射的一種基本粒子的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)光子的產(chǎn)生、傳播和探測(cè)等微觀機(jī)制的理解[2]。荷蘭科學(xué)家Poldervaart于1970年首次提出關(guān)于光子學(xué)的定義，他認(rèn)為，光子學(xué)是研究以光子為信息或能量載體的科學(xué)。近五十年的發(fā)展使光子學(xué)的內(nèi)涵及研究范圍不斷擴(kuò)展，已成為一門研究光子作為信息和能量載體的行為及其應(yīng)用的科學(xué)。光子學(xué)在強(qiáng)調(diào)理論基礎(chǔ)的同時(shí)，還注重不斷拓展其技術(shù)應(yīng)用，理論光子學(xué)主要研究光子的量子特性及其與分子、原子、電子和光子自身的相互作用的各類物理效應(yīng)，而應(yīng)用光子學(xué)主要研究光子的產(chǎn)生、傳輸、控制以及探測(cè)技術(shù)。實(shí)際上，光子學(xué)的發(fā)展已滲透到各個(gè)基礎(chǔ)理論 (物理光學(xué)、電子學(xué)、光電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等)和應(yīng)用(激光技術(shù)、光電信息技術(shù)、光子存儲(chǔ)技術(shù)、光子探測(cè)技術(shù)、傳感器技術(shù)、光子顯示技術(shù)和光伏技術(shù)等)領(lǐng)域，成為一門具有極強(qiáng)理論基礎(chǔ)、交叉背景和應(yīng)用前景的新興學(xué)科。因此在這個(gè)意義上講，光子學(xué)是一門既有科學(xué)理論的支撐，又能服務(wù)于實(shí)際應(yīng)用的學(xué)科。

2 優(yōu)化“光子學(xué)”課程內(nèi)容

為了滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展需求和我校“寬口徑、大培養(yǎng)、能力強(qiáng)”的培養(yǎng)體系的要求，各種實(shí)訓(xùn)和專業(yè)課逐漸增加，“光子學(xué)”課程授課學(xué)時(shí)已從原先的54學(xué)時(shí)壓縮至32學(xué)時(shí)。因此，針對(duì)新的專業(yè)人才培養(yǎng)方案和有限教學(xué)課時(shí)，及時(shí)優(yōu)化整合該課程教學(xué)內(nèi)容,制定切實(shí)可行的教學(xué)方案，提高教學(xué)質(zhì)量刻不容緩。

面對(duì)有限課時(shí)， 我們采取的措施是在保證“光子學(xué)”課程核心內(nèi)容的基礎(chǔ)下，壓縮經(jīng)典光學(xué)的內(nèi)容至10課時(shí)，增加現(xiàn)代光子學(xué)理論和應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容，充分利用有關(guān)“光子學(xué)”課程的最新教學(xué)研究成果，在內(nèi)容的編排上注重知識(shí)本身的內(nèi)在規(guī)律性、系統(tǒng)性及相互聯(lián)系，增強(qiáng)“光子學(xué)”課程各個(gè)內(nèi)容之間的邏輯連貫性，重視教材內(nèi)容的科學(xué)組織及教學(xué)方法，這樣不但節(jié)省了學(xué)時(shí)，而且優(yōu)化整合了教學(xué)內(nèi)容提高了教學(xué)質(zhì)量。

1)精簡(jiǎn)經(jīng)典光學(xué)理論部分

在光的經(jīng)典理論部分，精簡(jiǎn)幾何光學(xué)，以電磁場(chǎng)基本方程介紹媒介中的麥克斯韋方程，進(jìn)一步考慮媒介和邊界條件，解出媒介中的波動(dòng)方程，了解電磁波的基本特性，包括電磁波的偏振、衰減、色散和模式場(chǎng)。在波動(dòng)光學(xué)部分，采用簡(jiǎn)化標(biāo)量波來描述光的反射、折射、透射、衍射、相干及其在色散介質(zhì)中的傳輸特性。此外，還精簡(jiǎn)了波的模式場(chǎng)部分內(nèi)容，并以麥克斯韋方程為主線闡述光的電磁理論和波動(dòng)光學(xué)的個(gè)性與區(qū)別，讓學(xué)生更快、更好地掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。

2) 優(yōu)化光量子理論部分

在光的量子理論部分，首先以經(jīng)典電磁學(xué)理論解釋黑體輻射的困難出發(fā)，提出電磁場(chǎng)的量子化，進(jìn)而闡述單光子和光子流的特性、統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律及量子態(tài)的描述方法[2]。以電磁場(chǎng)的量子化為主線討論光子的量子現(xiàn)象，解釋有關(guān)光與金屬、半導(dǎo)體中的電子和光子的相互作用規(guī)律、現(xiàn)象。增加表面等離子體激元納米光子學(xué)內(nèi)容，介紹基本的米氏理論、準(zhǔn)靜態(tài)近似和偶極子近似，重點(diǎn)解釋貴金屬納米陣列的散射、吸收和透射特性，闡述表面等離子體激元陣列對(duì)光的調(diào)控及應(yīng)用[3]。

3) 拓展光子學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)部分

在光子學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)部分，從基本物理能級(jí)結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合半導(dǎo)體激光器，討論激光產(chǎn)生的機(jī)制和原理，在此基礎(chǔ)上闡述激光及其在介質(zhì)中的傳輸特性及其在光通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用。以器件工作時(shí)的光子效應(yīng)、熱效應(yīng)和波相互作用效應(yīng)進(jìn)一步闡述光探測(cè)器與光子開關(guān)的工作原理[4]。

3 教學(xué)方法的探索與改革

我們對(duì)“光子學(xué)”課程教學(xué)方法改革的主要思路是：以多樣化的教學(xué)形式和高效率的教學(xué)節(jié)奏，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，夯實(shí)學(xué)生的基本知識(shí)，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。

1)合理運(yùn)用多媒體教學(xué)手段和網(wǎng)絡(luò)資源

托爾斯泰曾說過：“成功的教學(xué)需要的不是強(qiáng)制，而是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。” 可見興趣在教學(xué)中所起的作用。由于“光子學(xué)”課程涉及大量抽象的理論圖像，采用Flash 、Photoshop 等三維繪圖軟件制成《電磁波傳播》、《高斯光束》、《光子與原子的相互作用》和《激光器的構(gòu)成與工作機(jī)理》等動(dòng)態(tài)課件，在課堂教學(xué)中生動(dòng)形象地演示理論圖像和光子動(dòng)態(tài)傳輸過程，這樣做大大提高學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)興趣，從而加深學(xué)生對(duì)理論內(nèi)容的理解，收到事半功倍的教學(xué)效果。此外，作為基礎(chǔ)的本科教學(xué)要讓學(xué)生掌握書本知識(shí)的思想內(nèi)涵，更重要的是教會(huì)他們學(xué)習(xí)獲取知識(shí)的本領(lǐng)，引導(dǎo)他們獨(dú)立閱讀各類課外資料，特別是借助網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大信息量的優(yōu)點(diǎn)，可為學(xué)生提供大量的課外資料，開闊學(xué)生的知識(shí)視野，提高課堂的教學(xué)效率。還可通過建立光子學(xué)課程網(wǎng)站，提供基本課程理論知識(shí)學(xué)習(xí)庫(kù)和課外閱讀資料，給學(xué)生提供有限課時(shí)外自學(xué)的有益補(bǔ)充。但必須注意一點(diǎn)，盡管多媒體課件和網(wǎng)絡(luò)資源具有較多的優(yōu)越性，但在基礎(chǔ)理論課程的具體教學(xué)過程中，多媒體課件還不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學(xué)方法，應(yīng)該合理調(diào)配運(yùn)用多媒體課件與傳統(tǒng)教學(xué)方法，使兩者相互補(bǔ)充，協(xié)同服務(wù)于課堂教學(xué)。

2)增加課程論文培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)

適時(shí)將相關(guān)的科學(xué)前沿的最新成果融入到教學(xué)中來，不斷豐富更新教學(xué)內(nèi)容，對(duì)于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)尤為重要。 我們?cè)凇肮庾訉W(xué)”應(yīng)用基礎(chǔ)部分的課堂教學(xué)中融入國(guó)內(nèi)外最新的光子學(xué)領(lǐng)域的科研成果，向?qū)W生推薦和提供與課程相關(guān)的參考資料以方便學(xué)生課下閱讀，拓寬學(xué)生的專業(yè)知識(shí)。在此基礎(chǔ)上分小組組織調(diào)研新興的光子學(xué)理論和技術(shù)，例如“Au納米陣列表面等離子體激元光子技術(shù)”、“半導(dǎo)體納米光探測(cè)器”和“光子晶體激光器”等。通過調(diào)研以及撰寫課程論文，加深本科生對(duì)課程重點(diǎn)和難點(diǎn)的深入理解，同時(shí)也拓寬了他們的視野，調(diào)動(dòng)了其學(xué)習(xí)積極性。

3) 增強(qiáng)雙語教學(xué)全面提高學(xué)生素質(zhì)

作為新興學(xué)科，光子學(xué)的新理論和新技術(shù)發(fā)展極快，而且相關(guān)報(bào)道多是以英文學(xué)術(shù)論文和著作的形式出現(xiàn)。為了讓學(xué)生掌握 了解該領(lǐng)域新動(dòng)態(tài)和新理論的能力，我們?cè)诮虒W(xué)過程中以英文原版教材和英文多媒體課件為主，授課采取“英語教材-英語講義-漢語講授”和“英語教材-英語講義-英語講授”的步進(jìn)方式逐步展開雙語教學(xué)，在諸如“光與原子的相互作用”和“激光器的工作原理”等重點(diǎn)基本理論和技術(shù)章節(jié)的授課上采用全英文教學(xué)，對(duì)于難點(diǎn)和重點(diǎn)輔以雙語小視頻和中文重點(diǎn)解釋，以此激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)雙語課程的積極性，使得學(xué)生在熟練掌握專業(yè)知識(shí)的同時(shí)能有效提高專業(yè)文獻(xiàn)閱讀能力[4]。

4 結(jié)語

本文介紹了我校深入開展“光子學(xué)”'課程教學(xué)改革探索，有機(jī)結(jié)合多媒體教學(xué)手段和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，逐步推進(jìn)雙語教學(xué)，為夯實(shí)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和培養(yǎng)創(chuàng)新能力創(chuàng)造了良好氛圍。學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力得到了很大的提升，為后續(xù)開展“本科生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”的研究活動(dòng)打下較好的基礎(chǔ)。在教改開展期間，在師生共同努力下，先后發(fā)表了多篇國(guó)內(nèi)外研究論文，獲得了多項(xiàng)省級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)和國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，取得了明顯的成效。

[1] 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì). 光子學(xué)與光子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，1999. 11 -33.

[2] 周文，陳秀峰，楊冬曉，光子學(xué)基礎(chǔ)[M]. 杭州：浙江大學(xué)出版社，2000, 1-5.

[3] Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich. Fundamentals of Photonics. 2nd Edition, Hoboken: Wiley- Interscience, 2007.

[4] S.O. Kasap. Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices[M], Second Edition, New York：Pearson,2012.

Teaching Reform Exploration of Photonics Course

LI Yue-bin, CAI Ya-xuan, RUAN Xun, CHEN Yong, GU Hao-shuang

(Facultyofphysicalandelectronicsciences,HubeiUniversity,Wuhan430062China)

Photonics is a comprehensive and foundation course in the field of electronic science and technology. Aiming at demand of the personnel training system, this paper introduces optimizing the course content, exploring the course-teaching technique, combining the multimedia teaching strategy and network teaching resources, and gradually promoting the bilingual teaching, strengthening the students′ basic knowledge and cultivating students′ innovation ability.

photonics；teaching tmethods；teaching reform

2016-01-24;

2017-02- 14

湖北大學(xué)教學(xué)改革與研究項(xiàng)目(NOs.201443)湖北大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(NOs.20150005)

李岳彬 (1983-)，男，博士，副教授，主要從事光子學(xué)課程的教學(xué)和光電子材料與器件的科研工作，E-mail：davidleenanoc@gmail.com

G642

A

1008-0686(2017)02-0042-03