曹春燕，姚瓊，熊水東，孟洲

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410073）

《光電子學(xué)》理論課程與實(shí)踐結(jié)合的方法探索

曹春燕，姚瓊，熊水東，孟洲

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410073）

《光電子學(xué)》是一門基礎(chǔ)理論課程，同時(shí)又在應(yīng)用實(shí)踐的過(guò)程中不斷發(fā)展和更新。針對(duì)這一特點(diǎn)，我們從《光電子學(xué)》課程內(nèi)容選取、課堂授課方式和課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)三方面出發(fā)，探索了在 《光電子學(xué)》課程中將基礎(chǔ)理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法。通過(guò)這些方法的應(yīng)用，使學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容有了更全面和深入的理解。

光電子學(xué)；基礎(chǔ)理論課程；實(shí)踐課程

光電子學(xué)是光學(xué)和電子學(xué)結(jié)合形成的光學(xué)工程的一個(gè)新學(xué)科，是光電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)［1～3］。《光電子學(xué)》是我校國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科――光學(xué)工程的研究生專業(yè)核心基礎(chǔ)理論課程，課程內(nèi)容包含了光電子系統(tǒng)中光輻射的產(chǎn)生、傳播、調(diào)制和探測(cè)四大部分，它從最基本的電磁理論和光與物質(zhì)的相互作用的理論出發(fā)，給出了光電子系統(tǒng)中各部分的基本原理、基礎(chǔ)理論和基本規(guī)律。同時(shí)光電子學(xué)在應(yīng)用實(shí)踐的過(guò)程中不斷發(fā)展和更新，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的綜合性學(xué)科［4～5］。因此我們?cè)?《光電子學(xué)》授課過(guò)程中，本著基礎(chǔ)理論研究為應(yīng)用實(shí)踐服務(wù)，而相關(guān)實(shí)踐反過(guò)來(lái)促進(jìn)學(xué)員對(duì)基礎(chǔ)理論的理解的思想，注重將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，基礎(chǔ)理論與前沿研究方向緊密結(jié)合，使學(xué)生從理論和實(shí)踐兩方面對(duì)光電子領(lǐng)域有全面的了解。論文重點(diǎn)從課程內(nèi)容設(shè)計(jì)、課堂講授和課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)三方面進(jìn)行了闡述。

一、課程內(nèi)容設(shè)計(jì)注重理論與實(shí)踐相結(jié)合

在 《光電子學(xué)》教學(xué)大綱的設(shè)計(jì)上，我們注重給出光電子系統(tǒng)中各個(gè)部分的基本原理、基礎(chǔ)理論和基本規(guī)律，課程內(nèi)容體系全面，注重系統(tǒng)性和先進(jìn)性兼?zhèn)洌?］；同時(shí)結(jié)合各部分內(nèi)容在實(shí)際光電子系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行講解，為學(xué)員進(jìn)一步學(xué)習(xí)導(dǎo)波光學(xué)、光纖技術(shù)、光纖通信等課程奠定基礎(chǔ)，為今后從事光通信、光信息處理、光傳感等方面的研究開(kāi)發(fā)工作提供必要的基礎(chǔ)知識(shí)。

針對(duì)教學(xué)大綱，我們精選了由美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校教授Jia－Ming Liu編寫(xiě)的英文教材《Photonic Devices》［1］。Jia－Ming Liu教授長(zhǎng)期從事激光器、非線性光學(xué)、量子力學(xué)、光電子器件的研究工作，有著豐富的理論和實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)。《Photonic Devices》是其為光電子專業(yè)研究生課程編寫(xiě)的教材，出版年代較近，能反映光電子領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并且內(nèi)容全面系統(tǒng)，與課程教學(xué)大綱要求基本一致。

《Photonic Devices》通過(guò)光輻射的產(chǎn)生、傳播、調(diào)制和探測(cè)等基礎(chǔ)理論將光波導(dǎo)、光耦合器件、光調(diào)制器、光源、半導(dǎo)體光探測(cè)器等光電子器件集成為一個(gè)有機(jī)整體。教材對(duì)每一章節(jié)的討論都首先從解釋各種光學(xué)現(xiàn)象和光學(xué)器件的物理本質(zhì)開(kāi)始，而所有理論的落腳點(diǎn)都在解釋各種光電子器件的基本工作原理、基本性能等應(yīng)用特性上。教材列舉了大量的光電子器件的結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、應(yīng)用實(shí)例和課后習(xí)題供學(xué)生學(xué)習(xí)和思考。以該教材內(nèi)容進(jìn)行授課，方便學(xué)員們?cè)谏钊肜斫馕锢肀举|(zhì)的同時(shí)了解光電子學(xué)發(fā)展的最新前沿技術(shù)及應(yīng)用。

通過(guò)將理論與實(shí)踐相結(jié)合的思想貫穿于 《光電子學(xué)》課程內(nèi)容設(shè)計(jì)和教材選取中，真正實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合后，學(xué)員不僅掌握了光電子學(xué)科的基礎(chǔ)理論，擴(kuò)展了知識(shí)面，對(duì)光電子領(lǐng)域有了更全面的了解，同時(shí)大量詳盡實(shí)例的學(xué)習(xí)也激發(fā)了他們深入學(xué)習(xí)的興趣。

二、課程講授注重理論與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合

光電子學(xué)課程是專業(yè)基礎(chǔ)理論課程，但是課程講授中過(guò)于偏重基礎(chǔ)理論會(huì)使教學(xué)枯燥無(wú)味，使學(xué)員對(duì)具體的物理意義缺乏理解，因此在課堂教學(xué)時(shí)我們特別注重基礎(chǔ)理論與應(yīng)用和實(shí)踐的緊密結(jié)合、基礎(chǔ)理論與前沿研究方向緊密結(jié)合的特點(diǎn)，注意結(jié)合教員科研工作，適當(dāng)增加一些系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例，并將光電子學(xué)最新發(fā)展成果引入課程教學(xué)，使學(xué)員從理論和實(shí)踐兩方面全面理解課程內(nèi)容。

如在講授第五章磁光效應(yīng)時(shí)，我們首先推導(dǎo)了存在磁場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的介電張量的改變，根據(jù)導(dǎo)出了磁致旋光效應(yīng)的非互易性，使學(xué)員對(duì)磁光效應(yīng)的物理機(jī)制有了最清晰的認(rèn)識(shí)。同時(shí)針對(duì)磁光效應(yīng)的獨(dú)特性質(zhì)——非互易性，我們?cè)敿?xì)介紹了光隔離器、光環(huán)形器等磁光器件的基本結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，介紹了它們?cè)趯?shí)際光學(xué)系統(tǒng)中的重要應(yīng)用，并拿出實(shí)物供學(xué)員參觀學(xué)習(xí)。通過(guò)這樣的教學(xué)，學(xué)員們加深了對(duì)物理意義的理解，也了解了大量的應(yīng)用實(shí)例。

同時(shí)我們還很注重從物理機(jī)制和實(shí)踐應(yīng)用上對(duì)不同光電子器件進(jìn)行對(duì)比。例如在第四章的電光調(diào)制器和第六章的聲光調(diào)制器的講授時(shí)，我們都提到了它們作為光強(qiáng)度調(diào)制器的用途，有學(xué)員就會(huì)問(wèn)它們究竟有什么區(qū)別呢？我們將這一問(wèn)題在課堂上做了專題討論，引導(dǎo)學(xué)員深入思考，最終得出：由于電光強(qiáng)度調(diào)制器是以光的相位變化為物理基礎(chǔ)的，因此它作為光開(kāi)關(guān)會(huì)有很高的開(kāi)關(guān)速度 （GHz量級(jí)），但是開(kāi)關(guān)的消光比會(huì)較低（20dB左右）；聲光強(qiáng)度調(diào)制器是以光的衍射、偏轉(zhuǎn)為物理基礎(chǔ)的，因此作為光開(kāi)關(guān)的消光比會(huì)很高 （40dB左右），但是它的開(kāi)關(guān)速度會(huì)比較慢 （MHz量級(jí)）。根據(jù)它們的特性差異，我們又對(duì)這些器件的不同用途進(jìn)行了介紹，列舉了在高速的光纖通信系統(tǒng)中，通常需要用到電光強(qiáng)度調(diào)制器，而在對(duì)光的消光比要求較高的光纖時(shí)分復(fù)用傳感系統(tǒng)中，通常需要用到聲光調(diào)制器。通過(guò)這樣的對(duì)比學(xué)習(xí)，學(xué)員們從物理本質(zhì)上理解了不同器件的特性及應(yīng)用范圍，為以后的學(xué)習(xí)和科研工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、增加課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

在進(jìn)行 《光電子學(xué)》課堂教學(xué)的同時(shí)，我們正在進(jìn)行研究生綜合實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)，旨在為給光學(xué)工程學(xué)科各基礎(chǔ)課程提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)支撐［7～9］。實(shí)驗(yàn)中心可提供多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中包含有三到五個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，基本覆蓋了本學(xué)科的知識(shí)面，如其中光波的電光與聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)、半導(dǎo)體激光器工作特性研究、光電探測(cè)器特性測(cè)量和光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)與性能分析等實(shí)驗(yàn)。它們緊密結(jié)合 《光電子學(xué)》課程設(shè)置，學(xué)員可根據(jù)自己的專業(yè)方向和需求自主進(jìn)行選修。因此，在實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上，我們充分利用研究生綜合實(shí)驗(yàn)中心這一教學(xué)資源，要求學(xué)員選修相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，并將實(shí)驗(yàn)部分納入考核內(nèi)容，提高學(xué)員對(duì)自身實(shí)踐動(dòng)手能力的重視和培養(yǎng)，使學(xué)員從理論和實(shí)踐兩方面對(duì)光電子領(lǐng)域全面了解。

研究生綜合實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)兼具先進(jìn)性與開(kāi)放性，學(xué)員不僅可以選修其設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)，還可提供各種基本的光電器件，為學(xué)員提供自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的條件。因此，我們還考慮要求學(xué)員完成一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的大作業(yè)，學(xué)生可根據(jù)所學(xué)知識(shí)，自主設(shè)計(jì)并搭建光電子系統(tǒng)，完成性能測(cè)試，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告［10］。這樣設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的目的是使學(xué)員熟悉和掌握各種光電器件的使用和性能，讓學(xué)員認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)是一種重要的科學(xué)研究方法，它與理論一樣在科學(xué)研究中相輔相成，缺一不可。綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的設(shè)置可提高學(xué)員的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)靈活應(yīng)用書(shū)本知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為今后開(kāi)展科研工作奠定基礎(chǔ)。

四、下一步課程實(shí)踐方向的思考

結(jié)合 《光電子學(xué)》既是基礎(chǔ)理論課程，又與前沿技術(shù)和應(yīng)用實(shí)踐緊密結(jié)合的特點(diǎn)，我們擬規(guī)劃實(shí)施參與式教學(xué)和專題研討式教學(xué)等教學(xué)手段。參與式教學(xué)是指，由學(xué)員根據(jù)自己的專業(yè)方向和興趣愛(ài)好分組，自主調(diào)研相關(guān)光電子學(xué)方向的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，并形成調(diào)研報(bào)告，在課堂上進(jìn)行匯報(bào)，并組織課堂討論。通過(guò)這種參與式教學(xué)，學(xué)員不但可以充分了解光電技術(shù)的進(jìn)展和應(yīng)用情況，還能夠在科研資料調(diào)研、研究報(bào)告撰寫(xiě)和匯報(bào)答辯等多方面得到能力培養(yǎng)，使之能積極主動(dòng)參與課堂教學(xué)，促進(jìn)教與學(xué)的雙邊互動(dòng)。而專題研討式教學(xué)是指，選取課程中與前沿技術(shù)結(jié)合緊密的內(nèi)容，邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域的專家教授做專題性的學(xué)術(shù)報(bào)告，開(kāi)闊學(xué)員眼界，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，豐富教學(xué)信息量，提高教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性和前沿性。

五、結(jié)論

光電子學(xué)是光學(xué)和電學(xué)相結(jié)合并加以技術(shù)革新的技術(shù)領(lǐng)域［11］，它是與應(yīng)用實(shí)踐緊密結(jié)合并且逐步更新的。因此在 《光電子學(xué)》的教學(xué)中，我們從課程內(nèi)容選取、課程授課方式和實(shí)驗(yàn)三方面出發(fā)，探索了 《光電子學(xué)》基礎(chǔ)理論課程與實(shí)踐相結(jié)合的方法。通過(guò)多樣化授課手段的采用，使學(xué)員更好地做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，達(dá)到多方面培養(yǎng)學(xué)員能力的目的，為他們今后的學(xué)習(xí)和科研工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Method Research On Combining Practice Application With Theory Course Of Optoelectronics

CAO Chun－yan，YAO Qiong，XIONG Shui－dong，MENG Zhou
（CollegeofOptoelectronicScienceandEngineering，NationalUniversityofDefenseTechnology，ChangshaHunan410073，China）

Optoelectronics is a basic theory course.However，it is updating with the development of practical applications.This paper discusses the methods combining practice application with basic theory course of optoelectronics based on three aspects，as the selection of content，the style of school－teaching and the course of experiments.With these methods，this course content can be comprehended easily by students

Optoelectronics；Basic theory course；Practical course

G642.0

A

1671－816X （2011）02－0189－03

（編輯：趙赟）

2010－09－26

曹春燕 （1979－），女 （漢），四川隆昌人，講師，碩士，主要從事光纖信息技術(shù)方面的研究。