林承友　邵曉紅　祁欣　戰(zhàn)可濤　王維

摘 要：該文闡述了光電子材料與器件課程在電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)中的重要地位，并根據(jù)筆者自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，討論了電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)中光電子材料與器件課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容、教學(xué)形式、課時(shí)安排與教材選擇等。

關(guān)鍵詞：電子科學(xué)與技術(shù) 光電子材料與器件 理論教學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）09（b）-0154-02

電子科學(xué)與技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱“電科”）專業(yè)是以培養(yǎng)具備微電子、光電子、集成電路等領(lǐng)域?qū)捄窭碚摶A(chǔ)、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯I(yè)知識(shí)，能在電子科學(xué)與技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域從事各種電子材料、元器件、集成電路、電子系統(tǒng)、光電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、科技開(kāi)發(fā)，以及科學(xué)研究、教學(xué)和生產(chǎn)管理工作的復(fù)合型專業(yè)人才為目標(biāo)的工程專業(yè)。作為電科專業(yè)教育中重要內(nèi)容的光電子技術(shù)，不僅是當(dāng)代信息技術(shù)兩大支柱之一，而且隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展持續(xù)煥發(fā)著生命活力。而讓光電子技術(shù)保持如此強(qiáng)勁發(fā)展勢(shì)頭的主要原因之一，正是光電子材料與器件的廣泛應(yīng)用，例如激光器與新型光電探測(cè)器的應(yīng)用的人你還。另外，諸如納米光電材料與器件、光子晶體及相關(guān)器件、超材料及相關(guān)器件與表面等離子體激元及器件等新型光電子材料與器件的研究與應(yīng)用，是目前國(guó)際上光學(xué)與光電子學(xué)研究領(lǐng)域的前沿?zé)衢T方向。由此可見(jiàn)，學(xué)習(xí)光電子材料與器件的相關(guān)知識(shí)，不僅對(duì)電科學(xué)生知識(shí)體系的構(gòu)建與就業(yè)方向的確定具有積極的影響，也為那些將來(lái)希望從事新型光電子材料與器件科研工作的學(xué)生，提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與知識(shí)儲(chǔ)備。然而，根據(jù)筆者的調(diào)研，雖然國(guó)內(nèi)許多重點(diǎn)大學(xué)的電科專業(yè)都開(kāi)設(shè)了光電子技術(shù)課程，但很少有大學(xué)專門開(kāi)設(shè)光電子材料與器件這門課程。而由于光電子技術(shù)的內(nèi)容多、涉及知識(shí)面廣，教學(xué)課時(shí)又往往有限（一般為32或48個(gè)學(xué)時(shí)），因此在光電子技術(shù)的實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，講授教師往往重視光電子技術(shù)基本概念與理論知識(shí)的教學(xué)，而輕視光電子材料與器件的教學(xué)。該文從光電子材料與器件的研究?jī)?nèi)容、應(yīng)用及發(fā)展等方面說(shuō)明其在電科專業(yè)教育中的重要性，并結(jié)合自身光電子材料與器件課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，研討電科專業(yè)中光電子材料與器件的教學(xué)方法。

1 光電子材料與器件簡(jiǎn)介

光電子材料是指能產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸、處理、存儲(chǔ)光電子信號(hào)的材料。光電子器件是指能實(shí)現(xiàn)光輻射能量與信號(hào)之間轉(zhuǎn)換功能或光電信號(hào)傳輸、處理和存儲(chǔ)等功能的器件。自1960年美國(guó)科學(xué)家梅曼發(fā)明世界上第一臺(tái)紅寶石激光器以來(lái)，光電子材料與器件如雨后春筍般發(fā)展迅速。在短短的50多年里，光電子材料與器件經(jīng)歷了從紅寶石激光器的發(fā)明，到半導(dǎo)體激光器、CCD器件及低損耗光纖的相繼問(wèn)世；從各種光無(wú)源器件、光調(diào)制器件、探測(cè)與顯示器件的小規(guī)模應(yīng)用到系統(tǒng)級(jí)集成制造實(shí)用化階段；從大功率量子阱陣列激光器的出現(xiàn)再到光纖激光器、光纖放大器和光纖傳感器的誕生。光電子材料與器件從未停止過(guò)發(fā)展的腳步，并正在不斷深刻影響著人類社會(huì)的方方面面。在實(shí)際需求的引導(dǎo)下，各種新型光電子材料與器件層出不窮，性能也不斷提高。尤其是近年來(lái)，隨著微米及納米級(jí)加工技術(shù)的成熟，新型的微納光電子材料與器件的研究異?；钴S。納米光電材料、光子晶體、超材料、表面等離子體器件等領(lǐng)域的研究成果豐碩，為未來(lái)光電子器件的微型化、集成化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

綜上所述，光電子材料與器件在當(dāng)代信息產(chǎn)業(yè)與科學(xué)技術(shù)中具有極其重要的地位，因此，光電子材料與器件這門課程不僅應(yīng)當(dāng)單獨(dú)作為一門課程獨(dú)立教學(xué)，而且應(yīng)該作為重視工程教育的電科專業(yè)的核心課程。

2 光電子材料與器件課程教學(xué)研究

2.1 光電子材料與器件課程的教學(xué)形式、課時(shí)安排與教材選擇

光電子材料與器件課程不僅包含豐富的理論知識(shí)，例如光電子材料的物理特性以及光電子器件的工作原理等，而且與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合精密，因此，本課程宜采取理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)形式。

在課時(shí)安排方面，作為電科專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，光電子材料與器件課程的總課時(shí)應(yīng)不低于32學(xué)時(shí)（2學(xué)分），理論課學(xué)時(shí)不低于26學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課不低于6學(xué)時(shí)。

另外，在教材選擇方面，由于光電子材料與器件是光電子技術(shù)中的一部分內(nèi)容，而目前國(guó)內(nèi)關(guān)于光電子技術(shù)方向的參考書籍很多，其中亦不乏一些光電子技術(shù)課程的經(jīng)典教材，例如西安電子科技大學(xué)安毓英主編的《光電子技術(shù)》[1]，西安交通大學(xué)朱京平主編的《光電子技術(shù)基礎(chǔ)》[2]等。雖然這些光電子技術(shù)參考書中或多或少都會(huì)介紹與光電子技術(shù)相關(guān)的材料與器件，但是，目前專門介紹光電子材料與器件方向的教科書卻是少之又少，市面上僅有國(guó)防工業(yè)出版社2012年出版的侯宏錄主編的《光電子材料與器件》[3]一書。加之，該書中所涉及的理論知識(shí)較深，基礎(chǔ)淺薄的本科生很難駕馭。由此可見(jiàn)，對(duì)于光電子材料與器件這門新興課程而言，設(shè)立統(tǒng)一的教材并不合適。因此，筆者建議該課程的講授教師根據(jù)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，自行編寫該課程的講義與課件。

2.2 光電子材料與器件課程的理論教學(xué)

按照電科專業(yè)的專業(yè)定位以及培養(yǎng)目標(biāo)，光電子材料與器件課程的理論教學(xué)也應(yīng)該突出“工程”內(nèi)容。傳統(tǒng)的光電子技術(shù)教學(xué)中所重視的原理、定律與規(guī)律等內(nèi)容，在光電子材料與器件教學(xué)中要弱化；而傳統(tǒng)光電子技術(shù)教學(xué)中往往被弱化乃至忽視的光電子材料與光電子器件的相關(guān)知識(shí)，要在光電子材料與器件課程教學(xué)中占主體地位。如此才能保證在有限理論課時(shí)的前提下，讓學(xué)生對(duì)光電子材料與器件有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。

在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置方面，由于光電子材料與器件主要應(yīng)用于光電子技術(shù)之中，因此，為了便于學(xué)生的理解與知識(shí)體系的構(gòu)建，筆者建議光電子材料與器件課程理論教學(xué)的章節(jié)設(shè)置按照光電子技術(shù)的章節(jié)設(shè)置進(jìn)行。以筆者講授光電子材料與器件理論課程（共26學(xué)時(shí)）為例，該理論課程共被分成了緒論（2學(xué)時(shí)）、激光原理與典型激光器（5學(xué)時(shí)）、太陽(yáng)能電池（4學(xué)時(shí)）、光通信器件與材料（5學(xué)時(shí)）、光探測(cè)器件（5學(xué)時(shí)）、光電顯示器件（3學(xué)時(shí)）與光存儲(chǔ)器件（2學(xué)時(shí)）等七個(gè)章節(jié)，這七章內(nèi)容基本囊括了光電子技術(shù)中光產(chǎn)生、光轉(zhuǎn)化、光傳輸、光探測(cè)、光顯示以及光存儲(chǔ)等各個(gè)重要環(huán)節(jié)中最為典型的器件以及所用到的材料。另外，在每章內(nèi)容的設(shè)置上，也盡可能突出“工程”內(nèi)容，弱化“理論”知識(shí)。下面，筆者將詳細(xì)介紹筆者在光電子材料與器件教學(xué)中各章的教學(xué)內(nèi)容。endprint

第一章緒論主要包括光電子材料與器件課程簡(jiǎn)介以及光電子技術(shù)的基本知識(shí)簡(jiǎn)介。在光電子材料與器件課程簡(jiǎn)介中，向?qū)W生介紹課程設(shè)置的目的和意義、課程的主要內(nèi)容、教學(xué)與考試方式與參考資料等。通過(guò)這部分內(nèi)容的介紹，讓學(xué)生對(duì)本課程的意義、內(nèi)容、側(cè)重點(diǎn)有一定的認(rèn)識(shí)。在光電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介中，重點(diǎn)向?qū)W生介紹光電子材料與器件與光電子技術(shù)的關(guān)系，并通過(guò)對(duì)光電子技術(shù)的概念、特征、發(fā)展等方面的介紹，讓學(xué)生對(duì)光電子技術(shù)以及光電子材料與器件有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。

第二章激光原理與激光器重點(diǎn)介紹幾種典型激光器的材料、結(jié)構(gòu)與工作特性，其主要內(nèi)容包括三個(gè)部分：激光原理簡(jiǎn)述、典型激光器與激光器的應(yīng)用。在激光原理簡(jiǎn)述部分，由于多數(shù)電科專業(yè)在學(xué)習(xí)光電子材料與器件課程之前已經(jīng)修過(guò)激光原理等類似課程，所以該部分內(nèi)容為簡(jiǎn)略介紹的內(nèi)容，主要幫助學(xué)生回顧激光的特征、歷史與光輻射理論等知識(shí)點(diǎn)。而第二部分內(nèi)容典型激光器是本章內(nèi)容的重中之重，在該部分內(nèi)容中，將依次向?qū)W生介紹固體、氣體、液體與半導(dǎo)體這四大類激光器中的典型激光器的結(jié)構(gòu)、特征與工作特性等知識(shí)。由于發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)與工作原理上的相似，在介紹完半導(dǎo)體激光器后，可以順理成章地介紹發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)與特征。另外，本章最后還簡(jiǎn)單介紹了激光器的幾種常見(jiàn)應(yīng)用。

太陽(yáng)能電池雖然是光電探測(cè)器中光伏效應(yīng)的一種特殊應(yīng)用，但是由于它在現(xiàn)如今光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)以及光電子器件中的重要地位以及良好的發(fā)展趨勢(shì)，該部分內(nèi)容被獨(dú)立成一章。在第三章太陽(yáng)能電池中，主要分兩小節(jié)給學(xué)生介紹，第一小節(jié)介紹當(dāng)今能源與環(huán)境問(wèn)題以及太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用，讓學(xué)生了解當(dāng)今能源資源的現(xiàn)狀以及新能源研究與應(yīng)用的迫切需求，然后介紹太陽(yáng)能利用的歷史以及發(fā)展趨勢(shì)；第二小節(jié)正式介紹太陽(yáng)能電池的工作原理、結(jié)構(gòu)以及特性等知識(shí)。

第四章光通信器件與材料主要介紹的是光通信系統(tǒng)中所用到的有源與無(wú)源光器件。本章內(nèi)容共分為兩小節(jié)：第一小節(jié)介紹光纖通信的基礎(chǔ)知識(shí)，包括光纖通信的定義，光纖的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)光原理、發(fā)展歷史，以及光纖通信系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)。第二小節(jié)正式介紹光纖通信系統(tǒng)中所用到的各類光電子器件以及構(gòu)成這些器件的核心材料。在光纖通信中，最重要的器件當(dāng)屬光纖，所以，本節(jié)開(kāi)始就著重介紹光纖的相關(guān)知識(shí)，包括它的結(jié)構(gòu)、原理、分類、特征參數(shù)與傳輸特性。然后，又將光纖通信系統(tǒng)中的其它光電子器件分為有源與無(wú)源器件兩類，并分別介紹了這兩類光器件中的代表器件：摻鉺光纖放大器與波分復(fù)用與解復(fù)用器。最后，在本章結(jié)尾還介紹了光纖通信系統(tǒng)中其它幾種常用光器件，例如光耦合器、光衰減器、光環(huán)行器等。

第五章光探測(cè)器首先介紹了光電探測(cè)器的物理效應(yīng)、性能參數(shù)、噪聲；其次，按照光電探測(cè)器物理效應(yīng)的不同一一介紹了幾種典型的外光電效應(yīng)探測(cè)器（光電管與光電倍增管）與內(nèi)光電效應(yīng)探測(cè)器（光電導(dǎo)、光電池與光電二極管）。教學(xué)的重心仍然放在對(duì)探測(cè)器結(jié)構(gòu)、工作原理以及特性等方面。

第六章光顯示器件重點(diǎn)介紹四種光顯示器：陰極射線管、液晶顯示器、等離子顯示器與電致發(fā)光顯示器。

第七章光存儲(chǔ)器件主要介紹了現(xiàn)如今最常用的一種光存儲(chǔ)系統(tǒng)—— 光盤系統(tǒng)以及其中最總要的器件光盤。

2.3 光電子材料與器件課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

光電子材料與器件實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)要與理論教學(xué)緊密相連，并重點(diǎn)介紹理論課上講解過(guò)的光電子材料與器件，實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)時(shí)應(yīng)不低于6學(xué)時(shí)，開(kāi)設(shè)的時(shí)間最好在理論教學(xué)完成之后，以保證學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前已對(duì)實(shí)驗(yàn)器件與實(shí)驗(yàn)原理有一定的了解。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)定方面，既要保證與理論課程內(nèi)容的相輔相成，又要盡量避免與其它課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重復(fù)，造成資源的浪費(fèi)。例如，許多大學(xué)的電科專業(yè)都已經(jīng)將激光原理一課作為該專業(yè)的核心專業(yè)課程，并配備了相應(yīng)的激光器實(shí)驗(yàn)。在這種情況下，如果在光電子材料與器件實(shí)驗(yàn)教學(xué)中再次引入激光器的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不僅消耗了寶貴的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)效果也會(huì)大大降低。

下面跟大家簡(jiǎn)單介紹筆者在光電子材料與器件實(shí)驗(yàn)教學(xué)（6學(xué)時(shí)）中的實(shí)驗(yàn)安排。

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：共包含六個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，它們分別是：光控開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)、光照度計(jì)實(shí)驗(yàn)、紅外遙控實(shí)驗(yàn)、PSD位移測(cè)試實(shí)驗(yàn)、太陽(yáng)能充電實(shí)驗(yàn)與光纖位移測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（每個(gè)實(shí)驗(yàn)1學(xué)時(shí)）。各實(shí)驗(yàn)中都應(yīng)用到了一個(gè)或幾個(gè)核心光電子器件，這些光電子器件基本涵蓋了學(xué)生在理論課程中所學(xué)到的最為重要的幾類器件，例如光控開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到了光電探測(cè)器中的光敏電阻作為核心元器件；而紅外遙控實(shí)驗(yàn)中用到了發(fā)光二極管光源與紅外探測(cè)器等光電子器件。

（2）實(shí)驗(yàn)要求：以往的光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)往往重視現(xiàn)象的觀察與定性分析，但經(jīng)筆者調(diào)研，這種實(shí)驗(yàn)方法很難最大限度激發(fā)學(xué)生的求知欲與動(dòng)手能力，因此，在對(duì)原有的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行改良后，筆者自行編寫了實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)書，并在每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中加入了一些測(cè)量與定量分析的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如太陽(yáng)能充電實(shí)驗(yàn)，原來(lái)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書只是觀察太陽(yáng)能充電的效果，但是，在新改良的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中，要求同學(xué)測(cè)量不同光源照射下太陽(yáng)能電池的輸出電壓與輸出電流，并要求學(xué)生分析比較其差別。通過(guò)這種方式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，在具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也取得了很好的效果。

（3）實(shí)驗(yàn)方式：分組實(shí)驗(yàn)，共同撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這樣，不僅提高實(shí)驗(yàn)效率，還能夠鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。

（4）考核方式：根據(jù)每位學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成的情況與實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫的情況綜合評(píng)分。

3 結(jié)語(yǔ)

光電子材料與器件在信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)代科學(xué)的研究中都具有舉足輕重的地位。它不僅是電科專業(yè)知識(shí)體系中的重要環(huán)節(jié)，也為電科專業(yè)學(xué)生提供著良好的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力與科研基礎(chǔ)。本文通過(guò)對(duì)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)特點(diǎn)與光電子材料與器件課程內(nèi)容的分析，討論了光電子材料與器件在電科專業(yè)教育中的重要性，并根據(jù)筆者自身的授課經(jīng)驗(yàn)，提出了光電子材料與器件在電科專業(yè)中的教學(xué)形式、課時(shí)安排、教材選擇以及理論與實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)置的一些意見(jiàn)與建議。

參考文獻(xiàn)

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