光電技術(shù)綜合性研究型實驗教學(xué)探索

劉惠蘭，王聰昊

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

0 引言

傳統(tǒng)的實驗課，教師由于時間限制或怕學(xué)生損壞儀器，會仔細講解，有些關(guān)鍵地方會重點強調(diào)。因此學(xué)生處于被動模仿的學(xué)習(xí)狀態(tài)，教學(xué)效果一般。常見的驗證性實驗項目，雖然可以在鞏固知識方面有很大作用，但內(nèi)容局限，不利于激發(fā)學(xué)生的實驗和學(xué)習(xí)興趣。綜合性實驗和研究型實驗是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的有效方式，近年來越來越多地得到高校和教師的重視[1-4]。

綜合性實驗旨在綜合運用多方面知識和方法解決問題，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識、實驗方法和實驗技能，提高分析和解決問題的能力[5]。研究型實驗教學(xué)方法不僅重視知識的開放性，更重視倡導(dǎo)學(xué)生的主體地位。教學(xué)成為師生、生生普遍交往互動下的、持續(xù)的、積極的對話，教師更要在重視學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)的特點和功能的同時在教學(xué)中致力開發(fā)學(xué)生的潛能[6]。

綜合性、研究型實驗教學(xué)必須有足夠的教學(xué)時間，因此最好的方式是設(shè)置專門的實驗課程。我學(xué)院針對光電信息科學(xué)與工程專業(yè)方向，設(shè)置了專業(yè)實驗課“光電技術(shù)綜合性研究型實驗”，進行了實驗教學(xué)的探索和實踐。通過幾個輪次的教學(xué)實踐，取得了良好的效果。

1 綜合性研究型實驗內(nèi)容設(shè)計開發(fā)

綜合性研究型實驗內(nèi)容的設(shè)置需要教師進行精心的設(shè)計，可以整合相關(guān)理論教學(xué)內(nèi)容，引進與生活密切相關(guān)的新技術(shù)、新應(yīng)用，引起學(xué)生濃厚的興趣，更重要的是通過實驗問題的設(shè)置，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)研究方法，提高學(xué)生解決實際問題的能力，有利于學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

在“光電技術(shù)綜合性研究型實驗”課程中，設(shè)置幾項綜合性實驗研究題目，要求學(xué)生以項目、課題的方式進行實驗研究，學(xué)生在項目要求的引導(dǎo)下對實驗進行深入研究和探討。量糖計綜合實驗就是其中的一項研究項目。

光的偏振特性作為光波的重要波動特性，被廣泛應(yīng)用于食品檢測[7]，醫(yī)學(xué)診斷[8]等領(lǐng)域。旋光現(xiàn)象是光的偏振理論中一個重要的知識點。在之前的實驗中是利用一片旋光晶體，通過測量偏振光的旋轉(zhuǎn)角度計算其旋光系數(shù)。實驗比較簡單，屬于驗證性實驗，同學(xué)對實驗的印象也不深刻。我們嘗試在原有的偏振實驗教學(xué)儀器基礎(chǔ)上進行設(shè)計和開發(fā)，將量糖計作為一種光電測量儀器進行研究。采用分立元件，由學(xué)生進行系統(tǒng)設(shè)計搭建及測試研究。此項綜合實驗設(shè)計包含6項內(nèi)容：①測定激光器的偏振度②測定檢偏器的消光比；③測定糖溶液的濃度；④研究比旋光度與溫度的關(guān)系；⑤研究帶摻雜的糖溶液的旋光現(xiàn)象；⑥仿真分析及實驗研究半影法在測量中的作用。

其中前兩項實驗是對器件特性的測試，同時使得學(xué)生對偏振度和消光比這兩項重要的偏振參數(shù)有更深的了解。第③項是搭建實驗測試系統(tǒng)，實現(xiàn)儀器的測量功能。在其中要考慮容器是否會造成附加旋光，要進行系統(tǒng)誤差的去除。第④項實驗是研究不同溫度下的葡萄糖試劑溶液的比旋光度的變化，研究測量參數(shù)受外界因素影響的變化規(guī)律。第⑤項實驗是觀察摻雜左旋物質(zhì)和非旋光性物質(zhì)的葡萄糖試劑溶液的旋光現(xiàn)象，觀察摻雜物質(zhì)對旋光的綜合影響。第⑥項實驗是在實驗系統(tǒng)中加入半波片，將視場分為兩個部分，利用仿真分析及實驗研究半影法的測量原理和其對于測量精度提高的效果。開發(fā)設(shè)計的研究內(nèi)容為實際工程技術(shù)問題，包含了系統(tǒng)設(shè)計、器件特性研究、測量影響因素研究、誤差分析以及精度提高這樣一個完整的研究過程。通過研究內(nèi)容的設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生了解科學(xué)研究的方法和過程，學(xué)生在研究過程中涉及方案設(shè)計、理論分析、系統(tǒng)搭建、光路調(diào)整、器件和軟件使用、誤差理論與數(shù)據(jù)處理、軟件編程分析等。實驗內(nèi)容設(shè)計具有綜合性、趣味性、研究型的特點。

2 教學(xué)方式探索

綜合性研究型實驗的教學(xué)方式不同于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式。我們采取模擬項目研究的形式，采用了基于問題的教學(xué)、基于項目的學(xué)習(xí)、專題討論等教學(xué)方法。教師提出研究題目要求，給出研究題目說明及部分參考書目。以學(xué)生為主體，學(xué)生組成研究小組查找和閱讀相關(guān)資料、自行設(shè)計研究方案。經(jīng)過討論課和教師及小組間討論確定研究方案、實驗方案等，然后學(xué)生自行進行資料調(diào)研、實驗方案實施、實驗結(jié)果的分析和研究，以及研究結(jié)果的總結(jié)，最后采用報告宣講形式進行交流。學(xué)生自主地進行討論、思考和實踐。

教師全程把握方向指導(dǎo)，發(fā)揮導(dǎo)師的作用，尤其要體現(xiàn)在科學(xué)研究方法的指導(dǎo)上。教師針對學(xué)生提出的方案進行引導(dǎo)，鼓勵學(xué)生更深一步的思考和完善。通過教師的引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性，對學(xué)生進行全面的科學(xué)研究訓(xùn)練，使學(xué)生能力逐步提高。教師提供學(xué)生的資料少，但需要教師對研究項目有深入的認識，并且要能夠及時應(yīng)對討論中學(xué)生提出的各種想法，給出適當?shù)闹笇?dǎo)和提示，這就對指導(dǎo)教師提出了更高的要求。

這種實驗教學(xué)方式還體現(xiàn)了教學(xué)的互動和團隊合作。教學(xué)的互動體現(xiàn)在教師的引導(dǎo)、學(xué)生與教師的討論以及學(xué)生間的交流。團隊合作體現(xiàn)在學(xué)生以團隊形式開展項目研究，在團隊中進行分工合作。

通過實驗實踐教學(xué)，使得學(xué)生對專業(yè)知識掌握更加牢固，體會更加深刻；鍛煉他們發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力、團隊合作能力、溝通能力和表達能力；培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新思維和科學(xué)素質(zhì)。有效支撐了《中國工程教育認證通用標準》的畢業(yè)要求中對于工程知識、設(shè)計開發(fā)解決方案、研究、溝通等幾個指標點。

3 學(xué)生自主研究效果

通過綜合性研究型實驗教學(xué)實踐，可提升學(xué)生分析問題解決問題的能力。以下以半影法分析為例，介紹學(xué)生自主研究結(jié)果。

在葡萄糖濃度檢測中，采用傳統(tǒng)的起偏器加檢偏器結(jié)構(gòu)，在消光位置測量消光角時存在較大測量誤差。半影法的使用可以提高對旋光角度的測量精度，在糖溶液濃度測試中使用的旋光儀也采用了類似結(jié)構(gòu)，將條形半波片放置在視場中間形成三分視場，利用旋轉(zhuǎn)檢偏器過程中出現(xiàn)的同暗位置來確定旋光角度[9]。學(xué)生開展了對這種方法的理論分析研究工作。從理論角度對半影法的精度進行了仿真，驗證半影法較傳統(tǒng)消光實驗在角度測量上精確度的提高。

在線偏振光測定上，為了提高確定檢偏器方位的精度，可使用半影式檢偏器[10]。半影式檢偏器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在檢偏器M前增加半波片H，半波片只有下半部分，因此形成上下兩個視場。半影式檢偏器原理如圖2所示。ox，oy為半波片的快慢軸，檢偏器的透光軸選為OA，OA的垂線與x軸成θ角。假設(shè)待檢測線偏振光振動方向為OP1，與x軸夾角為θ′，為方便表達設(shè)檢偏器歸一化振幅為1。對于上視場而言，未經(jīng)過半波片，檢偏器輸出強度為

圖1 半影式檢偏器θ

圖2 半影式檢偏器原理

I1=sin2(-θ′)

(1)

對于下視場而言，線偏振光由于經(jīng)過半波片產(chǎn)生π奇數(shù)倍相位延遲，偏振光的振動方向向著ox旋轉(zhuǎn)2θ′至OP2。檢偏器輸出強度為

I2=sin2(θ+θ′)

(2)

θ′的變化將導(dǎo)致I1與I2的變化，只有當θ′=0的時候，此時兩視場上下亮度一致，光強相同。這種比較上下視場亮度的方法叫做半影法。半影法可減小角度的測量誤差，更加準確找到消光位置。

檢偏器方向OA在旋轉(zhuǎn)360°的過程中，將產(chǎn)生4 個特殊的視場。當檢偏器OA與OP2平行時，原理圖如圖3(a)，在視野中將觀察到，下面的部分較明亮，而上面的部分較暗，視場如圖4(a)所示。當檢偏器方向OA與OP1平行時，原理圖如圖3(b)，在視野中可以看到，下面的部分較暗，而上面的部分較亮，視場如圖4(b)所示。當OA與ox平行時，原理圖如圖3(c)。根據(jù)馬呂斯定律，OP1和OP2在OA方向分量相同，上下視場光強相同，獲得均勻明亮視場，視場如圖4(c)。當OA與oy平行時，原理圖如圖3(d)。根據(jù)馬呂斯定律同理分析上下視場均處于較暗視場，視場如圖4(d)。

圖3 半影法光強變化原理圖

圖4 半影法光強變化結(jié)果

在利用半影法提高光接收器的精度時，待檢測線偏振光振動方向與半波片快軸夾角θ^′的變化將影響兩部分視場光強曲線的相位差，進而造成其差函數(shù)的變化率極值點的左右平移，最終會影響到提高光接收器的精度。使用matlab對角度θ′=30°，60°，90°，120°進行仿真，如圖5所示。虛線代表探測器接收到的上下視場的光強值，實線表示為上下視場對應(yīng)光強的差值。隨著θ′角從0°～90°逐漸增加，差值曲線在上下視場光強曲線相等所對應(yīng)的角度處，斜率逐漸增加。斜率越高，檢偏器微小角度的變化越易被探測，旋光角度測量的精確度就會提高。在θ′=90°時，差值曲線在兩視場光強相等處斜率變化最明顯，此時半影法的精度最高。

(a)θ′= 30°

使用傳統(tǒng)的消光方法進行消光角度測量時，在0.005閾值條件下，理論仿真獲得可分辨角度誤差為8.1096°。當θ′=90°時，使用半影法獲得的理論可分辨角度誤差為0.288°?？梢?，采用半影法可有效提高旋光角度的測量精度。

學(xué)生通過仿真分析對比了傳統(tǒng)方法和半影法的可分辨角度誤差，從而認識到半影法的優(yōu)勢和作用，體會到半影法的巧妙之處，同時掌握了仿真分析的研究方法，對仿真分析的作用有更加清晰的理解。

4 結(jié)語

通過設(shè)計開放式實驗項目，調(diào)動學(xué)生的積極性，進行綜合性研究型的實驗教學(xué)，開展教學(xué)方式的探索，以及對學(xué)生進行科學(xué)研究方法和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。通過教學(xué)實踐探索，使得學(xué)生對專業(yè)知識掌握更加牢固；鍛煉其實踐能力、團隊合作能力、溝通能力和表達能力；提升他們的科研能力、創(chuàng)新思維和綜合素質(zhì)。