王吉明，劉友文，赫崇君，楊雁南，張廣斌，李香蓮，丁 冰

(1.南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院，南京 211106;2.青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院 基礎(chǔ)部，山東 青島 266100)

現(xiàn)代光學(xué)實驗教學(xué)體系的研究與實踐

王吉明1，劉友文1，赫崇君1，楊雁南1，張廣斌1，李香蓮1，丁 冰2

(1.南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院，南京 211106;2.青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院 基礎(chǔ)部，山東 青島 266100)

針對高校光信息科學(xué)與技術(shù)及相關(guān)本科專業(yè)的現(xiàn)代光學(xué)實驗教學(xué)，系統(tǒng)地闡述了現(xiàn)代光學(xué)特色化實驗教學(xué)體系的建設(shè)理念。以南京航空航天大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)實驗室的建設(shè)和教學(xué)改革為例，探討了現(xiàn)代光學(xué)實驗教學(xué)體系的構(gòu)建，對相關(guān)實驗教學(xué)體系和實驗室的建設(shè)有一定的借鑒意義。

現(xiàn)代光學(xué)實驗；光信息科學(xué)與技術(shù)；實驗教學(xué)體系；研究

現(xiàn)代光學(xué)的理論基礎(chǔ)是麥克斯韋電磁場理論和愛因斯坦光量子理論。現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展是在20世紀(jì)60年代初激光器發(fā)明之后，由于激光本身的特性，決定了光子作為信息和能量載體的可能性，因此激光器技術(shù)、光信息處理、光通信與光傳感技術(shù)、納米及生物光子學(xué)技術(shù)等現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展起來[1]。相應(yīng)地，以這些技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代光學(xué)實驗也正逐漸成為現(xiàn)今高校實驗教學(xué)的重要組成部分。

光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是近年來在多所高校開設(shè)的一個新專業(yè)，主要學(xué)習(xí)光信息科學(xué)與技術(shù)的基本理論和技術(shù)，熟悉光學(xué)、電子學(xué)技術(shù)和計算機技術(shù)，進行科學(xué)實驗與科學(xué)思維的訓(xùn)練。目前國內(nèi)有四十多家高校開設(shè)了該專業(yè)，由于是新興的專業(yè)，因此各個學(xué)校的教學(xué)側(cè)重點、教學(xué)課程體系以及教學(xué)模式不盡相同。專業(yè)的建設(shè)大都處在發(fā)展與完善階段，主要的教學(xué)改革目標(biāo)集中在專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)與培養(yǎng)方案設(shè)置、課程體系的改革規(guī)劃、實踐教學(xué)基地建設(shè)等方面[2_6]。其中，現(xiàn)代光學(xué)實驗的教學(xué)體系建設(shè)是一個核心的問題，其關(guān)鍵在于實驗內(nèi)容建設(shè)和教學(xué)體系改革。我們以南京航空航天大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)實驗室的建設(shè)和教學(xué)改革為例，通過闡述建設(shè)理念和經(jīng)驗，探討現(xiàn)代光學(xué)實驗教學(xué)體系的建設(shè)途徑。

1 現(xiàn)代光學(xué)實驗教學(xué)體系的建設(shè)理念

現(xiàn)代光學(xué)實驗教學(xué)體系建設(shè)之初，我校就確立了自己的建設(shè)思路。以學(xué)院現(xiàn)有的教學(xué)、科研資源為基礎(chǔ)，以理學(xué)院應(yīng)用物理系和物理實驗中心為依托，以實驗課程與實驗內(nèi)容建設(shè)為先導(dǎo)，以培養(yǎng)創(chuàng)新思維、訓(xùn)練學(xué)生實驗技能和夯實學(xué)生現(xiàn)代光學(xué)理論與技術(shù)為目的，發(fā)揮研究性實驗導(dǎo)向作用。根據(jù)已建設(shè)完成的實驗，整合和利用物理實驗中心相關(guān)實驗教學(xué)資源，構(gòu)建實驗項目合理、受益學(xué)生面廣、具有一定特色的專業(yè)兼顧公共的實驗教學(xué)平臺，推進實驗教學(xué)模式的優(yōu)化和學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的提高。同時通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、智能化、系統(tǒng)化的實驗教學(xué)模式，進行教學(xué)資源的共享，在我實驗中心開放性實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺上，構(gòu)建具有先進教學(xué)理念的實驗課程體系，提高實驗室管理水平和實驗教學(xué)水平，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和創(chuàng)新能力。

建設(shè)過程，以新增實驗項目的開設(shè)為重點，對實驗內(nèi)容進行有效融合，結(jié)合應(yīng)用物理系光學(xué)工程專業(yè)教師的研究方向，開設(shè)研究性實驗，現(xiàn)代光學(xué)實驗室教學(xué)平臺建設(shè)完成后，目前已成為一門開放的、開設(shè)內(nèi)容豐富、實驗技術(shù)先進的實驗課程。

建設(shè)過程中我們著重注意以下3個原則：

1.1 教研融合的原則

實驗室建設(shè)以現(xiàn)代光學(xué)實驗教學(xué)要求為基礎(chǔ)，形成相對穩(wěn)定的實驗教學(xué)課程。以實驗課程學(xué)習(xí)的形式來發(fā)揮平臺在學(xué)生培養(yǎng)過程中的作用，達(dá)到提高學(xué)生的現(xiàn)代光學(xué)實驗?zāi)芰?，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，拓展學(xué)生的創(chuàng)新視野的目的;在教學(xué)實驗基礎(chǔ)之上，尤其注重結(jié)合應(yīng)用物理系光學(xué)工程各研究小組的科研項目，進行研究性實驗和拓展性實驗的開設(shè)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)實驗知識的同時，得到研究能力的培養(yǎng)，拓展了學(xué)生在光學(xué)工程領(lǐng)域的視野。

1.2 開放共享原則

課程體系的建設(shè)要充分體現(xiàn)開放性的原則。除完成光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生、光學(xué)與光學(xué)工程專業(yè)研究生的實驗教學(xué)內(nèi)容之外，還要能夠支撐不同學(xué)科本科生、研究生的交叉選課，從而能夠為全校的教學(xué)服務(wù)。

1.3 體現(xiàn)特色與水平原則

建設(shè)的著眼點應(yīng)放在加強實驗教學(xué)體系，提高學(xué)生的實驗動手能力，了解和掌握現(xiàn)代光學(xué)先進的實驗技術(shù)和實驗手段上。同時，要在特色和水平上下工夫，鼓勵學(xué)生開展開拓性與研究性實驗項目。例如，使三維面形測量技術(shù)、調(diào)制相位精密檢測技術(shù)、空間光調(diào)制器系列實驗等部分實驗項目，能夠與科研項目交叉，進一步開拓新實驗，對大學(xué)生創(chuàng)新項目、提供相關(guān)實驗支持，對部分專業(yè)研究生提供部分實驗支持。

2 現(xiàn)代光學(xué)實驗教學(xué)體系的建設(shè)

在開設(shè)現(xiàn)代光學(xué)相關(guān)理論課程，如《激光原理與技術(shù)》《信息光學(xué)》《現(xiàn)代光學(xué)測量》等的基礎(chǔ)上，各高校大都一并開設(shè)了現(xiàn)代光學(xué)相關(guān)實驗。而各高校的現(xiàn)代光學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容又都不盡相同，主要可分為三類：(1)基礎(chǔ)型。這種模式是偏重理學(xué)的培養(yǎng)模式，注重寬口徑培養(yǎng)，加強光學(xué)基本理論的訓(xùn)練，實驗項目設(shè)置注重光學(xué)基礎(chǔ)的掌握與應(yīng)用。培養(yǎng)的學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)扎實，在光學(xué)與光學(xué)工程學(xué)術(shù)科研方面具有優(yōu)勢。(2)應(yīng)用型。根據(jù)自身學(xué)科和研究方向優(yōu)勢，有重點地建設(shè)實驗室并相應(yīng)地設(shè)置實驗教學(xué)計劃，涉及方向如光電子器件設(shè)計與制造、激光加工與材料處理、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和先進光電測試技術(shù)等。這類發(fā)展模式的特點是，實驗室建設(shè)先進、完備，相應(yīng)的實踐基地建設(shè)較完善。(3)理工結(jié)合型。以物理學(xué)基礎(chǔ)、光電子學(xué)基礎(chǔ)、光信息應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)并重培養(yǎng)的模式，對基礎(chǔ)課程與專業(yè)課進行結(jié)構(gòu)調(diào)整和課程整合，注重實驗項目內(nèi)涵，突出光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的特色。這類發(fā)展模式的優(yōu)點是，在短時間內(nèi)能有效利用現(xiàn)有實驗資源，實驗課程豐富且設(shè)置合理，培養(yǎng)的學(xué)生知識結(jié)構(gòu)合理，同時具有創(chuàng)新的意識與創(chuàng)新的能力。根據(jù)實驗室已有資源，結(jié)合理學(xué)院特點，我們現(xiàn)代光學(xué)實驗室的教學(xué)平臺建設(shè)與課程體系按照第三類理工結(jié)合的方式進行。

2.1 現(xiàn)代光學(xué)實驗教學(xué)體系的建設(shè)

主要建設(shè)內(nèi)容是，根據(jù)教學(xué)硬件條件和開放實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，建設(shè)與完善現(xiàn)代光學(xué)教學(xué)體系。建立了網(wǎng)上自選實驗開放系統(tǒng)，進行開放性實驗教學(xué)。建設(shè)過程中，從現(xiàn)代光學(xué)的核心理論概念與技術(shù)、學(xué)科發(fā)展前景出發(fā)，根據(jù)實驗項目，對現(xiàn)代光學(xué)實驗教學(xué)體系進行建設(shè)與完善，完成體系中的實驗項目與相關(guān)實驗學(xué)科方向內(nèi)容的整合，有重點、有特色地在后續(xù)實驗室建設(shè)計劃中增置相關(guān)實驗器材，發(fā)展與教學(xué)體系相關(guān)的實驗項目，防止無目的、無計劃、重復(fù)性及低端實驗儀器及實驗項目的建設(shè)。計劃建立的教學(xué)內(nèi)容和分類表格如圖1所示。共五個系列的實驗，這些實驗系列分別代表了現(xiàn)代光學(xué)的各個分支和學(xué)科發(fā)展方向，各個系列均有多組實驗。

圖1 現(xiàn)代光學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容與分類

2.2 現(xiàn)代光學(xué)實驗項目完善

實驗教學(xué)平臺建設(shè)的重點在新增實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗資源的整合性與開放性上，關(guān)鍵是新開實驗項目與后續(xù)增加的實驗項目的實驗收益性。根據(jù)現(xiàn)有實驗儀器，結(jié)合實驗室新實驗項目建設(shè)，我們對新開設(shè)實驗的實驗內(nèi)容、實驗教學(xué)模式及實驗儀器的有效使用與運行進行了研究，對后續(xù)實驗項目的開設(shè)進行管理與整合，對新實驗、已有實驗進行資源整合，將現(xiàn)代光學(xué)實驗室發(fā)展成為一個開放的、共享的、先進的教學(xué)平臺。以激光原理與技術(shù)系列實驗為例，實驗室原有脈沖固體激光器、氣體He_Ne激光器兩個實驗，考慮到半導(dǎo)體激光器(LD)、發(fā)光二極管(LED)在現(xiàn)代光電技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，增加了LD/LED輸出特性測試實驗;同時，為加強學(xué)生對激光光束調(diào)控的認(rèn)識，增加了光束參數(shù)變換和測量實驗，這些新舊實驗項目構(gòu)成了較完備的實驗系統(tǒng)。光通信是現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)很重要的一個應(yīng)用方向，由于原實驗室無光通信方面的實驗，因此增加了光纖通信方面的實驗項目。通過我們兩年多的建設(shè)，根據(jù)以上的五個系列的現(xiàn)代光學(xué)光學(xué)教學(xué)內(nèi)容，目前已有的教學(xué)實驗項目如表1所示，每個系列與其中9項(加*)為近兩年新增加的實驗項目。

表1 現(xiàn)代光學(xué)實驗項目

其中，第四個系列實驗即先進光信息檢測技術(shù)系列實驗，是根據(jù)我們發(fā)展模式有所偏重建設(shè)的有特色和水平的實驗項目。例如，考慮到偏振光學(xué)近年來在現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用，我們增加了調(diào)制偏振光相位延遲測量實驗，主要是根據(jù)根據(jù)補償相位原理和電光調(diào)制原理進行相位延遲量的精密測量，可以訓(xùn)練學(xué)生對偏振光學(xué)理論和技術(shù)的深刻理解;增加的空間光調(diào)制實驗，為自己搭設(shè)的實驗，涉及使用液晶空間光調(diào)制器對空變偏振矢量光束的調(diào)控，可以增加學(xué)生對如線偏振光束、徑向偏振光束等新型矢量光束的了解，同時熟悉和掌握空間光調(diào)制器的操作和應(yīng)用。其他系列實驗里，如全息光學(xué)與技術(shù)謝列實驗里的激光全息干涉振動分析，同樣也是由老師自己搭建實驗平臺進行實驗的開設(shè)。

以上實驗項目目前對光信息科學(xué)與技術(shù)、應(yīng)用物理等專業(yè)的本科生開設(shè)。光信息專業(yè)學(xué)生所有實驗項目為必修，應(yīng)用物理專業(yè)選修其中部分實驗項目，對高一級培養(yǎng)層次的研究生，主要針對光學(xué)、光學(xué)工程、物理電子學(xué)等專業(yè)的學(xué)生，且在大學(xué)階段未進行相關(guān)實驗項目的訓(xùn)練，設(shè)置了現(xiàn)代光學(xué)實驗選修課，選擇以上實驗中的4～5項，如電光、聲光與磁光調(diào)制、調(diào)制偏振光相位延遲測量、條紋投影三維面形測量、空間光調(diào)制器等實驗項目開設(shè)研究性實驗，包括改進實驗平臺、增加實驗內(nèi)容、在實驗深度上進行調(diào)整等。在以后的實驗教學(xué)中，將進一步考慮在開放實驗教學(xué)平臺上，針對電子信息科學(xué)類、機電類、儀器儀表類、電氣信息類的各專業(yè)本科生開設(shè)選修實驗。

為方便實驗教學(xué)，我們編寫了《光學(xué)實驗講義》，其中包括基礎(chǔ)光學(xué)實驗和現(xiàn)代光學(xué)實驗兩部分，已經(jīng)過三屆學(xué)生使用，反映良好。

3 結(jié)束語

依據(jù)教研融合、開放共享和體現(xiàn)特色與水平的原則，以理工結(jié)合為特色，我們闡述了現(xiàn)代光學(xué)特色化實驗教學(xué)體系建立和完善的經(jīng)驗。目前，已完成了現(xiàn)代光學(xué)實驗課程體系建設(shè)，包括現(xiàn)代光學(xué)實驗教學(xué)基礎(chǔ)性實驗項目建設(shè)、研究性實驗項目擴展、實驗講義編寫、現(xiàn)代光學(xué)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源等。該實驗室有可供學(xué)生實驗教學(xué)使用的固定的實驗室，有較為先進的實驗儀器設(shè)備并能夠保證教學(xué)使用，除專業(yè)實驗課程外，能輻射相關(guān)學(xué)科，開設(shè)內(nèi)容豐富先進的實驗課程。其與我們開設(shè)的基礎(chǔ)光學(xué)實驗、應(yīng)用物理實驗一起，構(gòu)成我校光信息科學(xué)與技術(shù)、應(yīng)用物理學(xué)等本科專業(yè)，以及光學(xué)、光學(xué)工程等研究生專業(yè)的完備實驗教學(xué)體系，同時現(xiàn)代光學(xué)實驗室可作為畢業(yè)設(shè)計研學(xué)的實驗基地。

[1]劉頌豪.光子學(xué)技術(shù)與應(yīng)用[M].廣東：廣東科技出版社，2006.

[2]陳國慶，吳亞敏.光信息科學(xué)與技術(shù)實驗室建設(shè)的實踐和探索[J].實驗技術(shù)與管理，2005，22(11)：121 _123.

[3]孔偉金，云茂金，黃家寅，等.光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)創(chuàng)新體系的研究[J].實驗技術(shù)與管理，2010，27(3)：19_21.

[4]李葉芳，于清旭，王曉旭，等.光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實驗室的建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2005，22 (8)：110_112.

[5]張斌，陳士謙，汪家升.光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)改革與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2006，23 (10)：23_25.

[6]王仕璠，劉藝，余學(xué)才.現(xiàn)代光學(xué)實驗教程[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004.

Research on the Teaching System of M odern Optics EXperiment

WANG Jiming1，LIU Youwen1，HE Chongjun1，YANG Yannan1，ZHANG Guangbin1，LIXianglian1，DING Bing2
(1.College of Science，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China; 2.Education Department，Qingdao Hotel Management College，Qingdao266100，China)

We presened the construction idea ofmodern optics experiment system for the undergraduate program of optical information science and technology.From the construction and development of the Modern Optics Laboratory of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，we discussed the practical experience and gave the construction procedure.Our experience would benefit the related teaching reformation.

modern optics experiment;optical information science and technology;system of experiment teaching;research

G542.423；O43

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.039

2013_02_06；修改日期：2013_04_07

南京航空航天大學(xué)教改項目（V0968_083）。

王吉明（1977_），男，副教授，主要從事微納光學(xué)與光子學(xué)的研究工作以及光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)工作。