《信息光子學(xué)》教材改革研究與實踐

摘 要：信息光子學(xué)是圍繞光子學(xué)與信息科學(xué)交叉形成的學(xué)科，是光電專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。為了同時兼顧理論教學(xué)與工程教育，決定對其教材改革進(jìn)行研究。我們致力于將光子學(xué)的基本原理與光電器件的工作特性與工程實際中的案例相結(jié)合。通過列舉諸多用MATLAB代碼實現(xiàn)的仿真模擬，使學(xué)生對基礎(chǔ)理論有直觀的認(rèn)知與深入的理解，并能夠建立合適的模型對實際問題進(jìn)行描述與解決。

關(guān)鍵詞：信息光子學(xué);MATLAB;教學(xué)

一、 引言

作為教育部建設(shè)的新工科專業(yè)之一，光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的課程改革勢在必行，而教材是施行課程教學(xué)的基本工具，是高校教學(xué)工作開展的基礎(chǔ)，也是高校教學(xué)、科研水平及其成果的真實反映。信息光子學(xué)是本專業(yè)的必修課程，因此以該課程的教材改革為切入點，使教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法適應(yīng)新的工程教育理念以及新的工程人才培養(yǎng)模式，進(jìn)而推動教育教學(xué)改革，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

二、 光電專業(yè)教材的現(xiàn)存問題

光電專業(yè)的教學(xué)應(yīng)該理論與應(yīng)用并重。然而本專業(yè)現(xiàn)有的教材卻存在著一些問題。以信息光子學(xué)課程為例：

1. 課程有較多、較深的理論內(nèi)容，教師往往過于注重公式的推導(dǎo)而忽略了物理過程、物理圖像的解釋，并且一些概念較為抽象，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中可能興趣不足，或者由于缺乏必要的基礎(chǔ)知識而對有關(guān)現(xiàn)象懵懵懂懂。

2. 在教學(xué)當(dāng)中應(yīng)該兼顧所授知識在生產(chǎn)、生活中的運(yùn)用，尤其是要適應(yīng)新工科專業(yè)的建設(shè)要求，重點培養(yǎng)學(xué)生對于專業(yè)基礎(chǔ)知識的應(yīng)用能力。然而，現(xiàn)有此方向的教材在應(yīng)用方面的知識內(nèi)容相對陳舊，不能與時俱進(jìn)，無法讓學(xué)生對將從事的工作有具體與現(xiàn)實的認(rèn)知。

3. 現(xiàn)有相關(guān)教材要么過于偏重理論的探討，如《導(dǎo)波光學(xué)》《光纖光學(xué)》，要么過于偏重實際應(yīng)用，如《光纖通信技術(shù)》，而沒有將二者有機(jī)結(jié)合起來。因此學(xué)生需要學(xué)習(xí)多門課程或者選用多本教材。如何使學(xué)生在一門課程中既知其然，又知其所以然，既掌握相關(guān)理論，又了解其應(yīng)用，是擺在本專業(yè)教師面前的一項重要課題。

三、 教材改革研究與實踐

針對上述問題，我們對《信息光子學(xué)》開展教材研究與編寫工作，有針對性地選擇教材內(nèi)容，改革編寫方式，以匹配我們專業(yè)的教學(xué)要求與人才培養(yǎng)，同時完善教材體系內(nèi)容，以供全國兄弟高校選用。在對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行研究與整理的過程中形成了自己的體系結(jié)構(gòu)：首先從電磁場及光學(xué)的基礎(chǔ)理論出發(fā)，討論了光束在波導(dǎo)和光纖中的傳播模式與特性，讓學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)掌握相關(guān)的基礎(chǔ)理論以及分析模型。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地介紹了光信息系統(tǒng)中的有源光器件和波分復(fù)用系統(tǒng)的原理及實際應(yīng)用，循序漸進(jìn)，有利于學(xué)生對信息光子學(xué)有一個全景式的認(rèn)識。教學(xué)內(nèi)容深淺適度，符合高年級本科學(xué)生及研究生的實際水平，同時形成了自己的特色：

1. 用計算光子學(xué)的方法貫穿各章節(jié)內(nèi)容，通過計算機(jī)建模的手段研究光與物質(zhì)的相互作用。采用MATLAB仿真工具，將各種物理現(xiàn)象以圖像、圖形的方式生動地呈現(xiàn)出來，并且介紹了模擬光在波導(dǎo)、光纖中傳輸?shù)墓馐鴤鞑シ?。這為學(xué)生理解光子學(xué)及光電子器件的原理提供了一種路徑：從物理概念出發(fā)，建立相應(yīng)的理論模型，針對光學(xué)器件的工作原理、工作模式，將光子學(xué)問題歸結(jié)為特征方程求根、積分求解、常微分方程求解等積分?jǐn)?shù)值求解問題。通過列舉諸多用MATLAB實現(xiàn)的仿真模擬，使學(xué)生對基礎(chǔ)理論有直觀的認(rèn)知與深入的理解，并能夠建立合適的模型對實際問題進(jìn)行描述與解決。通過對光子學(xué)問題的仿真求解，使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上更有參與感。在光束傳播法原理和應(yīng)用方面，編者依據(jù)多年的科研積累，總結(jié)了有關(guān)原理以及使用經(jīng)驗與技巧，提升了課程內(nèi)容深度，也為研究生及年輕學(xué)者應(yīng)用光束傳播法開展相關(guān)研究提供了指導(dǎo)。

2. 深入淺出講解理論的同時立足于實用。在各章節(jié)中都注意將光子學(xué)的基本原理與光電器件的工作特性與工程實際案例相結(jié)合，比如對于法布里-珀羅干涉儀、量子阱激光器、摻鉺光纖放大器等等應(yīng)用案例的分析與講解。教材結(jié)合了行業(yè)發(fā)展動態(tài)與需求，提供了波分復(fù)用系統(tǒng)的兩個實際調(diào)試操作，可供學(xué)生加以實際應(yīng)用，使學(xué)生能將理論知識運(yùn)用于實踐。

3. 融合國內(nèi)外高校的專業(yè)教學(xué)經(jīng)驗與方法，整合相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容。教材編寫團(tuán)隊由既具有扎實的專業(yè)理論，又具有國際視野和企業(yè)工程經(jīng)驗的專家隊伍組成，因此在編寫過程中參考了大量的國內(nèi)外教材與著述，反復(fù)商討對內(nèi)容的選取。同時注意與其他課程內(nèi)容的銜接關(guān)系：如基礎(chǔ)理論部分的光學(xué)、電磁場與波、導(dǎo)波光學(xué)，技術(shù)應(yīng)用部分的激光技術(shù)、光纖通信技術(shù)、光電檢測技術(shù)，軟件仿真上的MATLAB在光信息處理中的應(yīng)用、光通信器件設(shè)計等等，重點論述相關(guān)知識在本課程體系中的運(yùn)用，而非贅述交叉的內(nèi)容，以保證知識體系的獨立、完整。

四、 結(jié)束語

隨著我國高等教育改革的不斷推進(jìn)，課程建設(shè)、教材建設(shè)成為了教學(xué)改革研究的熱點。我們對光電專業(yè)的必修課程信息光子學(xué)的教材改革進(jìn)行了深入的研究，并完成了新編教材。該教材內(nèi)容豐富、特色鮮明、原理闡述正確，科學(xué)事實和物理現(xiàn)象描述清楚、準(zhǔn)確，并且獲批為“十三五”江蘇省高等學(xué)校重點教材。我們以教材改革構(gòu)建課程的立體化教學(xué)，進(jìn)而推動專業(yè)及學(xué)科建設(shè)，以實現(xiàn)教育部新工科建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)工具分析并解決專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題的能力。

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作者簡介：

楊磊，上海市，江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。