光電檢測技術(shù)課程內(nèi)容及教學(xué)方法優(yōu)化與實(shí)踐

張志偉+趙冬娥+趙輝

[摘 要]研究針對光電檢測技術(shù)課程的特點(diǎn)和教學(xué)要求，對光電檢測技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了優(yōu)化，探索了如何把科研成果作為教學(xué)內(nèi)容的方法，實(shí)踐了如何把新的教學(xué)方法貫穿于課程的教學(xué)過程中。實(shí)踐表明：科研成果用于教學(xué)，有利于使教學(xué)緊跟高科技的快速發(fā)展且充滿活力和具有時代氣息；新的教學(xué)方法能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教師的教學(xué)質(zhì)量，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞]光電檢測技術(shù)；科研成果；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法；教學(xué)實(shí)踐

[中圖分類號] G642.421 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）01-0086-03

光電檢測技術(shù)是以光電子學(xué)為基礎(chǔ)、以光電器件為基本組成，融合光學(xué)、微電子學(xué)、精密機(jī)械、計算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)為一體的一門高新技術(shù)，是基于光獲取信息的重要手段，是研發(fā)光、機(jī)、電、算一體化高新技術(shù)產(chǎn)品的基礎(chǔ)[1-3]。其課程內(nèi)容主要是研究各類光電器件的組成、工作原理、特性參數(shù)及光電轉(zhuǎn)換的基本電路和實(shí)際應(yīng)用。其教學(xué)對于銜接先前的光學(xué)、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)等課程內(nèi)容以及拓展知識的綜合運(yùn)用具有非常重要的意義。因此，該課程的教學(xué)和研究越來越得到高等院校和科研機(jī)構(gòu)的重視，成為許多本科理工科專業(yè)的必修課程，特別是成為光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)教育課程[4，5，1]。在光電檢測技術(shù)的教學(xué)過程中，如何根據(jù)光電檢測技術(shù)的快速發(fā)展，補(bǔ)充、更新和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，將光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢及前沿技術(shù)有機(jī)融入教學(xué)內(nèi)容[6]，是一個個需要探討的重要課題。光電檢測技術(shù)除具有很強(qiáng)的理論性外[7]，也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程[5]。其課程實(shí)驗(yàn)作為課程內(nèi)容的一個重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)除能驗(yàn)證書本的理論知識外，還能提升其創(chuàng)新和實(shí)踐能力。另外，在教學(xué)方法上將光電檢測技術(shù)的教學(xué)重心從“注重教”轉(zhuǎn)移到“主動學(xué)”，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和提高學(xué)生的動手能力。本文主要研究光電檢測技術(shù)課程內(nèi)容及教學(xué)方法的優(yōu)化與實(shí)踐。

一、課程內(nèi)容的研究

光電檢測技術(shù)課程內(nèi)容主要研究其思想性、科學(xué)性、啟發(fā)性、前沿性和適用性。為此，我們認(rèn)真調(diào)研和分析了多所高等院校開設(shè)光電檢測技術(shù)課程選用的教材及教學(xué)大綱的內(nèi)容，同時考慮了光電檢測技術(shù)所具有的特征。以繆家鼎等人編寫的《光電技術(shù)》為例，教材主要包括“輻射度學(xué)與光度學(xué)的基本知識、光電儀器中的常用光源、光輻射探測器的理論基礎(chǔ)、真空光電器件、半導(dǎo)體光電導(dǎo)和結(jié)型光電器件、真空成像器件、固體成像器件以及紅外探測器件及其陣列”等內(nèi)容[7]，其特點(diǎn)是“對原理、簡單應(yīng)用以及傳統(tǒng)光電器件介紹的多，而對新領(lǐng)域的綜合應(yīng)用以及新型光電器件敘述的少”[1]。光電檢測技術(shù)以“光源激光化、傳輸光纖化、手段電子化、現(xiàn)代電子學(xué)中的理論模式和電子學(xué)處理方法光學(xué)化”為特征[8]，其新的器件和新的技術(shù)在國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，如固體成像器件、新型光纖傳感器、激光外差干涉技術(shù)和太赫茲（THz）技術(shù)，而在以往的教材中沒能很好地融入上述內(nèi)容。光纖的問世引起了一系列現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命，其傳感技術(shù)則以“技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、滲透能力強(qiáng)、市場前景廣等特點(diǎn)”為世人所矚目[9]；光纖面板除在軍事上獲得廣泛應(yīng)用外，現(xiàn)已滲透到許多尖端技術(shù)領(lǐng)域。近三十年來，THz脈沖產(chǎn)生技術(shù)及應(yīng)用受到人們極大的關(guān)注，在基礎(chǔ)研究、工業(yè)應(yīng)用和軍事領(lǐng)域都有相當(dāng)重要的應(yīng)用[10]。激光外差干涉技術(shù)能夠利用相位比較獲得較高的測量分辨率，具有測量速度快、抗干擾能力強(qiáng)、測量靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在激光通信、激光雷達(dá)、激光測長、激光測速、激光測振和激光光譜學(xué)等方面獲得了十分廣泛的應(yīng)用[11]。

在我們編著的《光電檢測技術(shù)》（第1版）中，根據(jù)光電檢測技術(shù)的特征及其最新發(fā)展趨勢，對傳統(tǒng)的光電（檢測）技術(shù)的內(nèi)容有所刪減，保留基礎(chǔ)性內(nèi)容，增加了光纖、光纖面板、光纖傳感器原理和應(yīng)用實(shí)例，增加了THz技術(shù)?！豆怆姍z測技術(shù)》（第2版）結(jié)合我們的科研成果“一種測量溶液濃度的光纖傳感器”（論文獲山西省第十五屆優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文獎），在第9章《光導(dǎo)纖維與光纖傳感器》中補(bǔ)充了光纖液體折射率傳感器?！豆怆姍z測技術(shù)》（第3版）基于負(fù)電子親和勢光電陰極的重要性，增加了負(fù)電子親和勢及其形成，考慮到知識的銜接，在《熱平衡下的載流子濃度》一節(jié)中增加了“能級密度、費(fèi)米能級和電子占據(jù)率、平衡載流子濃度、本征半導(dǎo)體中的載流子濃度、雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度”。普朗克輻射公式是兩物體間熱力傳導(dǎo)的基本法則，在大多數(shù)情況下都成立，但在兩物體微距時是否成立一直以來無法得到證明。2009年，華裔陳剛及其團(tuán)隊(duì)首次以實(shí)驗(yàn)質(zhì)疑“黑體輻射定律”公式，實(shí)驗(yàn)證明兩物體極度近距時的熱力傳導(dǎo)遠(yuǎn)高于公式所預(yù)測的值?；诖耍黾恿似绽士溯椛涔降膶?shí)證結(jié)果，特別是結(jié)合我們的科研成果“一種多通道蜜蜂出勤計數(shù)系統(tǒng)及方法、基于激光外差干涉的金屬微振動檢測、48級灰度線性聲光調(diào)制驅(qū)動源（用于構(gòu)建光外差干涉系統(tǒng)的主要器件）以及基于外差干涉的激光超聲檢測技術(shù)”等，在第3章的結(jié)型光電器件中補(bǔ)充了透過型光電傳感器的應(yīng)用電路，同時增加了第11章《光外差檢測技術(shù)》，內(nèi)容包括光外差檢測原理、光外差檢測調(diào)相信號的解調(diào)方法、光外差檢測的特性、光外差檢測系統(tǒng)對光電轉(zhuǎn)換器性能的要求和光外差檢測的空間匹配條件及頻率條件。另外，教材在結(jié)構(gòu)上也有所調(diào)整，以適合“寬口徑—重基礎(chǔ)—知前沿”的專業(yè)教學(xué)要求和反映光電檢測技術(shù)的最新成果及發(fā)展趨勢。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的研究

光電檢測技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合。《光電檢測技術(shù)》（第2版）增加了光電檢測技術(shù)的基礎(chǔ)性和前沿性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括光電探測器光譜響應(yīng)度、響應(yīng)時間，探測率的測量實(shí)驗(yàn)和光敏電阻，光電二極管、三極管，光電位置傳感器（Position Sensitive Detectors，PSD）和電荷耦合器件（Changed Coupled Device，CCD）的基本特性測量實(shí)驗(yàn)，以及PSD與CCD的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和光纖傳感器實(shí)驗(yàn)。endprint

對于無法獨(dú)立開設(shè)的分組實(shí)驗(yàn)，但又與科研結(jié)合較密切的綜合性實(shí)驗(yàn)，則要求學(xué)生以整體感性認(rèn)知為主，采用集中演示法對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)前，教師首先對開展科研的思路和方法進(jìn)行詳細(xì)講授，使學(xué)生詳盡了解課題的研究內(nèi)容和意義，并對演示內(nèi)容做到心中有數(shù)，然后進(jìn)行相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)，借此提升他們綜合多種理論知識點(diǎn)的水平和創(chuàng)新能力。

三、教學(xué)方法的研究與實(shí)踐

在光電檢測技術(shù)的教學(xué)方法中，教師首先確立以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，在教師的引導(dǎo)下充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，活躍課堂教學(xué)氣氛，取得良好的教學(xué)效果。同時將先進(jìn)的多媒體教學(xué)方法引入光電檢測技術(shù)教學(xué)中，按照教學(xué)大綱、教材及教學(xué)內(nèi)容的要求，制作具有啟發(fā)性、新穎性、適用性，集文字、照片、動畫和聲音于一體的光電檢測技術(shù)教學(xué)課件。研究通過多種教學(xué)方法，改變傳統(tǒng)的“教師—教材—黑板”教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的求知欲及創(chuàng)新意識。

（一）采用多媒體技術(shù)，充分發(fā)揮優(yōu)質(zhì)資源的作用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果

近年來隨著計算機(jī)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，采用多媒體課件開展教學(xué)活動，已成為高校教改的一項(xiàng)重要內(nèi)容，課堂教學(xué)已不僅僅停留在口頭敘述和黑板板書上。教師在教學(xué)中充分利用多媒體輔助教學(xué)，使教學(xué)重點(diǎn)更突出、難點(diǎn)易突破，同時使學(xué)生的學(xué)習(xí)充實(shí)而輕松，有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比如CCD是本課程的一個重點(diǎn)和難點(diǎn)，其中的光輸入線陣CCD是建立在光電效應(yīng)和MOS器件基礎(chǔ)上的一種成像器件，但光電效應(yīng)的抽象性，使得電荷的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移過程不具有可視性，很難引起學(xué)生學(xué)習(xí)CCD的興趣，更不用談其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為此，在我們制作的CCD攝像器件課件中，利用小圓圈和小黑點(diǎn)分別代表光照光電轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換的光生載流子空穴和電子，其中的多子空穴進(jìn)入襯底，通過地消失；而少子電子進(jìn)入深勢阱中成為信號電荷被儲存，表示光子轉(zhuǎn)換為電子（信號電荷），這一過程表示CCD成像器件的電荷輸入過程；之后，用計算機(jī)有序地顯現(xiàn)相應(yīng)深淺可變“勢阱”的電脈沖波形幅度的高低，動畫模擬無法看到的電荷“輸入—轉(zhuǎn)移—輸出”過程；對于面陣CCD也制作相應(yīng)的課件。對這些課件的應(yīng)用，既有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又容易突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn)，具有事半功倍之效果。另外，我們也充分運(yùn)用仿真模擬軟件，把一些抽象的內(nèi)容以仿真結(jié)果體現(xiàn)在課堂教學(xué)中。例如，利用Matlab仿真軟件把普朗克輻射公式模擬展現(xiàn)在教學(xué)過程中。

（二）融趣味性于知識傳授過程中，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和探索興趣

在講解光纖與光纖傳感器的內(nèi)容時，教師結(jié)合英籍華人髙錕研究“高純光纖”的過程中出現(xiàn)的被認(rèn)為是“癡人說夢”和“被公開的嘲笑”的故事，通過對“光與光纖”相互作用的深入研究，發(fā)現(xiàn)了光纖的“三個窗口”，從而導(dǎo)致了光纖通信系統(tǒng)的幾次升級換代的事例進(jìn)行教學(xué)，增添了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。在講解CCD時告訴學(xué)生“數(shù)碼相機(jī)電子眼”CCD其實(shí)是兩位科學(xué)家一次下午“頭腦風(fēng)暴”的結(jié)果。這兩位科學(xué)家起初是為了研究一種新型的信息儲存裝置，后來卻誤打誤撞地在電子圖像成像技術(shù)上廣為發(fā)展這一趣事，用以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在此基礎(chǔ)上講解CCD的組成、工作原理及其應(yīng)用；通過介紹CCD的“中年危機(jī)”，開始講解CMOS圖像傳感器。這樣教學(xué)使學(xué)生認(rèn)識到知識積累及學(xué)好理論知識的重要性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和探索興趣。

（三）把教師的科研成果與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)地融合在一起，以提高教師講課的生動性和學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣

在講解非功能型光纖傳感器時，教師結(jié)合已發(fā)表的科研論文《一種基于菲涅耳公式測量液體折射率的簡單模型》，以光纖棱鏡液體折射率傳感器為例，通過對菲涅耳公式中反射光特性的深入研究，開發(fā)了新型的光纖傳感器，為測量溶液濃度的變化提供了新的檢測手段。在講解結(jié)型光電器件的應(yīng)用時，結(jié)合我們的發(fā)明專利“一種多通道蜜蜂出勤計數(shù)系統(tǒng)及方法”（與山西省農(nóng)科院園藝研究所合作項(xiàng)目），以透射型光電傳感器為例，結(jié)合放大、整形電路及單片機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計了可識別蜜蜂進(jìn)出蜂箱的光電傳感裝置，為研發(fā)多通道蜜蜂出勤計數(shù)系統(tǒng)提供了新的計數(shù)手段。由于教師在教學(xué)時引入自己在科研過程中的一些趣事，同時把物理光學(xué)中的理論和實(shí)際的光電傳感器設(shè)計結(jié)合在一起，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)他們的創(chuàng)新思維和科研意識。

（四）開展啟發(fā)式教學(xué)

啟發(fā)式教學(xué)具有互動性特點(diǎn)[7]，因此，我們在教學(xué)過程中注重運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變角色。以光電導(dǎo)器件中的光敏電阻教學(xué)為例，教師沒有平鋪直敘地介紹光敏電阻的組成、工作原理、性能特征以及應(yīng)用，而是先給學(xué)生提出“為什么照相機(jī)能實(shí)現(xiàn)自動曝光”“為什么大街上的路燈能在拂曉時自動熄滅、黃昏時自動點(diǎn)亮”“為什么樓道照明系統(tǒng)在白天時熄滅”等問題，讓學(xué)生思考后結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容給出問題的可能答案。帶著解決問題的強(qiáng)烈愿望，給學(xué)生介紹光敏電阻的組成、工作原理等相關(guān)內(nèi)容，學(xué)生能夠積極主動地參與教學(xué)的全過程，提出的問題隨著課堂教學(xué)內(nèi)容的深入而得到了滿意的答案。

四、結(jié)論

對光電檢測技術(shù)課程內(nèi)容及教學(xué)方法的優(yōu)化與實(shí)踐，有利于使其內(nèi)容變得豐富、新穎且具有創(chuàng)造性，使其教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能緊跟新技術(shù)發(fā)展的要求。實(shí)踐表明：多種形式的教學(xué)方法，如多媒體技術(shù)和板書的結(jié)合，融趣味性于知識傳授過程中，把教師的科研成果與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)地融合在一起以及啟發(fā)式教學(xué)的運(yùn)用，能夠大大激發(fā)學(xué)生對高新技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生構(gòu)建光電檢測系統(tǒng)的能力，取得令人可喜的教學(xué)效果。同時還應(yīng)指出的是，盡管對光電檢測技術(shù)課程的內(nèi)容及教學(xué)方法進(jìn)行了優(yōu)化與實(shí)踐，仍然跟不上科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。我們?nèi)詫⒗^續(xù)努力探索，使充滿時代新氣息的光電檢測技術(shù)課程內(nèi)容更加完善，教學(xué)方法更有效。

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]endprint