黃文奇

(北京信息科技大學理學院 北京 100101)

于 巖

(北京信息科技大學馬克思主義學院 北京 100192)

1 背景

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)，要用好課堂教學這個主渠道，各類課程都要與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)[1].大學物理實驗課程是所有理工類專業(yè)學生進入大學后接觸的第一門實驗課程，是理工科的基礎(chǔ)必修課，在高校人才培養(yǎng)體系中具有十分重要的地位.光敏傳感器實驗是工科專業(yè)本科生必做的一個物理實驗.光敏傳感器具有非接觸、響應(yīng)快和性能可靠等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)自動控制和智能制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[2].此外，光敏傳感器是近代物理和半導體技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其基本原理包含了豐富的物理內(nèi)涵和思想，了解和使用光敏傳感器對于工科專業(yè)學生來說是十分必要的.因此，光敏傳感器實驗是進行課程思政教育的良好載體.

本文將結(jié)合作者在實驗教學過程中的經(jīng)驗和體會，闡述光敏傳感器原理和應(yīng)用中所蘊含的科學精神、思想和辯證法原理等思政元素，以及如何在實驗教學過程中引導學生使用光敏傳感器進行創(chuàng)新實驗，以達到全方位培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)和創(chuàng)新精神的目標.

2 光敏傳感器實驗中的思政元素

光敏傳感器的基本原理是光電效應(yīng)，包括了內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)，其研究歷史過程曲折，凝結(jié)了眾多科學家的智慧[3]；而光敏傳感器研制則需要涉及半導體物理、半導體工藝等學科知識，這些學科理論還在高速發(fā)展中，有許多重大科學和技術(shù)問題還有待破解[4]；得益于我國對科技和科技人才的重視，中國科學家在這些領(lǐng)域取得了許多原創(chuàng)性的成果.因此，這些內(nèi)容都是光敏傳感器實驗實施課程思政教育的好素材.

(1)光電效應(yīng)研究史中的科學思想和精神

1839年，年僅19歲的貝克勒爾在將光波照射到電解池時，發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng).1873年，史密斯在測試硒圓柱高電阻性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)其具有光電導效應(yīng).1887年，赫茲在做電磁波的發(fā)射與接收實驗中觀察到光電效應(yīng)，但沒有對該效應(yīng)做進一步的研究.1900年，萊納德發(fā)現(xiàn)紫外線會促使氣體發(fā)生電離作用，之后發(fā)表了著名的“觸發(fā)假說”.這個假說被學術(shù)界廣泛接受，但卻無法解釋一些問題：如果電子本來在原子中就已經(jīng)擁有了動能，那么將陰極加熱后，電子應(yīng)該會獲得更大的動能，但實驗并未測量到任何結(jié)果.1905年，愛因斯坦提出光量子假設(shè)：光束是由一群離散光量子組成，每個光量子的能量等于頻率乘以普朗克常數(shù).如果光量子的頻率大于某極限頻率，則這光子擁有足夠能量來使得一個電子逃逸.愛因斯坦極具想像力與說服力的論述成功解釋了光電效應(yīng)，但卻違背了麥克斯韋的經(jīng)典電磁學理論，遭到學術(shù)界的強烈質(zhì)疑抗拒.直到在被密立根的實驗證實后多年，光量子假說才逐漸被學術(shù)界接受.

我們在實驗教學過程中講解這段歷史時，會著重強調(diào)其中的辯證思想和科學方法.光電效應(yīng)的研究完美體現(xiàn)了認識與實踐的辯證關(guān)系.從赫茲等科學家通過實驗發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)到菲利普·萊納德提出“觸發(fā)假說”，從愛因斯坦提出光量子假設(shè)理論到密立根通過實驗證實其正確性.實驗不斷地推動理論認識的更新，正確的理論認識反過來指導實踐的方向，而錯誤的認識則會遭到實踐的檢驗批判.此外，對光電效應(yīng)的認識也體現(xiàn)了認識的反復性和無限性原理.光電效應(yīng)首先由赫茲發(fā)現(xiàn)，對發(fā)展量子理論及提出波粒二象性的設(shè)想起到了根本性的作用；萊納德用實驗發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的重要規(guī)律；愛因斯坦則提出了正確的理論機制.人類對光電效應(yīng)規(guī)律的認識在不斷更新，而且永遠不會結(jié)束.這就要求我們要與時俱進，不因循守舊，要開拓創(chuàng)新，不斷追求新的成就.

(2)光敏傳感器研制中的啟示

盡管在19世紀就已經(jīng)在硒中發(fā)現(xiàn)了光電導效應(yīng)，但光敏傳感器的研究熱潮則是半導體光電子學誕生后，這要歸功于光纖通信需求的強烈拉動下對半導體光電子材料和器件的快速發(fā)展需求.如今半導體光電子學仍然在不斷地快速發(fā)展中，依然存在許多科技無人區(qū)，其中一些科技難題是世界各國爭相占領(lǐng)的制高點.例如，硅基光電集成是解決摩爾定律極限問題的重要途徑，其中硅基激光器是硅基光電集成領(lǐng)域有待突破的難點[5]；此外，中紅外波段在自由空間通信、傳感和氣體檢測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，目前硅基光電探測器只在近紅外波段具有很強的競爭力，如果能將其帶隙擴展到中紅外波段，將對中紅外光子學產(chǎn)生深遠的影響[6, 7].

習近平總書記在科學家座談會上指出：現(xiàn)在，我國經(jīng)濟社會發(fā)展和民生改善比過去任何時候都更加需要科學技術(shù)解決方案，都更加需要增強創(chuàng)新這個第一動力.半導體光電子學是正在高速發(fā)展的學科，還有許多“從0到1”的突破有待解決，在光敏傳感器領(lǐng)域還有很多的無人區(qū)有待探索.因此，在實驗教學中，我們會著重介紹光敏傳感器領(lǐng)域一些亟待解決的科學難題，激發(fā)學生們的學習興趣和求知欲望，樹立科研報國的遠大志向.

(3)中國科學家在光敏傳感器研究中的貢獻

在半導體光電子學領(lǐng)域的研究中，中國科學家也做出了卓越的貢獻，黃昆院士是其中的佼佼者.黃昆是國際著名的物理學家，他是我國固體物理和半導體物理學的奠基人.他在我國的科技事業(yè)百廢待興之時，放棄國外優(yōu)厚的科研和生活條件，全身心地投入到我國的半導體事業(yè)建設(shè)中.他提出了描述晶體光學聲子和電磁場耦合振動模式的“黃方程”、聲子輻射和無輻射躍遷的“黃-里斯理論”和超晶格光學振動的“黃-朱模型”，在國際上享有盛譽[4, 8].此外，女性科學家也對中國的半導體事業(yè)做出了卓越的貢獻，被稱為我國“半導體之母”的謝希德先生更是其中的典范.在思想落后和戰(zhàn)亂不止的舊社會，謝希德克服了殘疾和疾病的困擾，輾轉(zhuǎn)求學，獲得了麻省理工學院的博士學位.之后又冒著風險回國，先后在北京大學和復旦大學等高校任教，參與編著了《半導體物理》和《固體物理學》等教材，為我國半導體學科建設(shè)和人才培養(yǎng)做出了巨大的貢獻[4].

科學無國界，但科學家有祖國.我國科技事業(yè)取得的歷史性成就，是一代又一代矢志報國的科學家前赴后繼、接續(xù)奮斗的結(jié)果.在這長期科學實踐中積累的科學家精神是值得我們大力弘揚和學習的.在實驗教學中引入這些科學家的相關(guān)事跡和精神，有助于幫助學生們建立胸懷祖國和服務(wù)人民的優(yōu)秀品質(zhì)，形成追求真理、嚴謹治學和勇攀高峰的學風.

3 光敏傳感器實驗的創(chuàng)新實驗探索

3.1 創(chuàng)新實驗選題

創(chuàng)新是一個民族的靈魂,是一個國家興旺發(fā)達的不竭動力.光敏傳感器在日常生產(chǎn)生活中具有廣泛的應(yīng)用，很適合進行創(chuàng)新應(yīng)用.因此，除了在實驗課堂教學中引入思政元素外，我們還以開放實驗的方式引導學生對光敏傳感器作進一步的研究和創(chuàng)新探索.我們提供了豐富的創(chuàng)新題目，學生可以根據(jù)自己的興趣和能力選擇合適的題目和難度進行創(chuàng)新設(shè)計實驗.以下列舉了我們在光敏傳感器開放實驗中提供的創(chuàng)新選題，以供讀者參考.

(1)無線紅外耳機

紅外光對可見光具有良好的抗干擾能力并具有功率小的優(yōu)點，很適合短距離傳輸聲音信號.而光敏三極管對于紅外光信號具有很好的檢測接收能力，紅外無線耳機利用光敏三極管的光電轉(zhuǎn)換和無線特性，將聲音信號進行無線傳輸和接收.此裝置主要由發(fā)射單元、接收及存儲單元組成，如圖1所示.紅外發(fā)射部分將聲音信號通過三極管加載到紅外管上發(fā)射出來；接收部分則將接收到的紅外光轉(zhuǎn)化成電信號并將之分成兩路：一路直接通過功率放大在耳機上輸出，另一路則將聲音信號A/D轉(zhuǎn)換后送進存儲部分以備需要時調(diào)用收聽.

圖1 無線紅外耳機裝置系統(tǒng)圖

(2)智能太陽能隧道燈

在我國的鐵路和公路中存在大量隧道，目前國內(nèi)外大多數(shù)的隧道燈都是“長明燈”，導致能源的大量浪費.智能太陽能隧道裝置正是本著遵循節(jié)約能源，保護環(huán)境的理念而設(shè)計的，如圖2所示.該裝置以太陽能為能源，通過單片機的控制設(shè)計不僅解決了隧道中隧道燈適時開閉和能源供給的問題，還模擬了實際隧道的各種情況，當隧道內(nèi)出現(xiàn)各種突發(fā)狀況時能及時報警，具有很強的實用性和現(xiàn)實意義.

圖2 智能太陽能隧道燈的裝置系統(tǒng)圖

(3)大氣能見度監(jiān)測

大氣能見度是用特殊標志或發(fā)光體的可視距離來表征大氣透明度的物理量.工業(yè)污染的加重與異常氣候的活躍，由霧、霾、污染等各種因素導致的極低能見度天氣頻繁發(fā)生，提高能見度的監(jiān)測能力迫在眉睫.此裝置利用光在大氣中傳播受到的直接衰減原理，根據(jù)激光在大氣中衰減幅度的大小將能見度分成不同的等級.該系統(tǒng)由密閉裝置、顯示部分和測量部分3個部分組成.其中密閉裝置用于放置激光發(fā)射器和光敏器件等；測量部分主要由放大電路、二氧化碳傳感電路、能見度信號處理電路等組成；顯示部分用于顯示測量結(jié)果，包括電壓、能見度分級顯示，如圖3所示.

圖3 大氣能見度監(jiān)測裝置系統(tǒng)圖

(4)發(fā)光二極管參數(shù)測量

發(fā)光二極管(LED)是世界上產(chǎn)量最多的半導體光電產(chǎn)品，無論是計算機，家用電器，照明等領(lǐng)域都廣泛地采用LED，檢測LED的特性參數(shù)對于合理使用LED有著重要的意義.本裝置的設(shè)計目的就是為了測定LED的各種基本參數(shù)，包括安全工作電壓和電流，伏安特性，光照強度特性，光強分布特性和顏色值，其裝置系統(tǒng)圖如圖4所示.該裝置可以用于測量LED的出廠參數(shù)，還可以用于LED參數(shù)測量教學.

圖4 發(fā)光二極管參數(shù)測量裝置系統(tǒng)圖

(5)非接觸式測溫

在任何溫度下，物體都會以紅外波的形式向外輻射能量，其紅外波的形狀和峰值的位置由物體表面的溫度決定.紅外光傳感器可以接收從被測物體表面發(fā)射的紅外輻射能量，并輸出電壓信號，從而測量被測表面的溫度.非接觸式紅外測溫具有非接觸、響應(yīng)快和準確度高等優(yōu)點，在當前疫情防控背景下具有很強的實用性和安全性.

本裝置利用紅外光敏傳感器采集人體的紅外電磁輻射能量，并使用單片機進行數(shù)據(jù)的采集存儲和處理，最后將其顯示人體溫度，其裝置系統(tǒng)圖如圖5所示.

圖5 非接觸式測溫裝置系統(tǒng)圖

3.2 創(chuàng)新實驗教育實施方法

我們在實施創(chuàng)新實驗教育全過程中，主要分成了4個步驟.首先，在實驗課程的講授中引入光敏傳感器在生產(chǎn)生活中的創(chuàng)新應(yīng)用示例，并向?qū)W生們展示往屆學生的創(chuàng)新實驗作品，讓學生們主動分析和評價這些作品的優(yōu)缺點，鍛煉學生的創(chuàng)新和批判思維.隨后，在課堂結(jié)束前公布以上開放實驗選題，課后學生們根據(jù)自己的興趣和能力選擇題目并組成團隊進行創(chuàng)新實驗.實驗室提供進行創(chuàng)新實驗所需的器材和場地，并有專職教師進行現(xiàn)場指導.第三，在開放實驗結(jié)束后，教師根據(jù)學生們的創(chuàng)新實驗能力和作品進行綜合評分，選拔優(yōu)秀的學生或團隊參加全校性的物理實驗競賽.最后，根據(jù)學生的校內(nèi)競賽結(jié)果，選拔優(yōu)秀的學生或團隊參加北京市物理實驗競賽或iCAN國際大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等賽事.

3.3 創(chuàng)新實驗教育成效

近年來，通過光敏傳感器開放創(chuàng)新實驗選拔出來的學生參加北京市大學生物理實驗競賽，共獲得一等獎2項，二等獎3項和三等獎5項.除了鍛煉學生的創(chuàng)新實踐能力，我們還鼓勵學生將裝置和測量數(shù)據(jù)成果整理成論文發(fā)表在相關(guān)學術(shù)期刊，進一步訓練學生的科研能力和學術(shù)表達能力.截至目前，已發(fā)表相關(guān)論文6篇[9～14]，多名學生赴中國科學院、北京郵電大學和北京交通大學等重點高校深造.通過理論與實踐的緊密結(jié)合，可以幫助學生鞏固課堂知識，提高動手能力.進一步激發(fā)學生的求知欲望和創(chuàng)新精神，實現(xiàn)課程思政全方位和全過程育人的目標.

此外，依托實驗課程的思政教育和創(chuàng)新教育探索，教師也積極參與教學和競賽研討.近年來獲批校級教學和課程改革項目多項，發(fā)表相關(guān)教學改革論文多篇[2, 15, 16].筆者獲得2015年第六屆校級實驗教學基本大賽一等獎和2019年高等學校物理基礎(chǔ)課程(實驗)青年教師講課比賽北京賽區(qū)二等獎.真正做到了教學相長，教師和學生共同進步.

4 總結(jié)

光敏傳感器實驗是工科專業(yè)本科生必做的一個物理實驗，蘊含了豐富的思政元素，是實施課程思政教育和創(chuàng)新教育的良好載體.本文首先闡述了光敏傳感器實驗中蘊含的思政元素，主要包括光電效應(yīng)的研究史、光敏傳感器研制中的啟示和我國科學家在相關(guān)領(lǐng)域的杰出貢獻；其次舉例論述了如何利用光敏傳感器進行創(chuàng)新實驗教育和取得的成效，以實現(xiàn)課程思政全方位和全過程育人的目標.