陳海燕，羅江華，黃春雄 （長江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，湖北荊州434023）

一千年來，光技術(shù)帶給人類文明巨大的進步，為此，聯(lián)合國宣布2015年為 “光和光基技術(shù)國際年”（International Year of Light），以紀念千年來人類在光領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)。尤其是近半個世紀以來，光電子學(xué)科得到了突飛猛進的發(fā)展，形成了信息光電子、能量光電子、生物光電子、消費光電子和綠色光電子等一系列分支學(xué)科，涵蓋了短波與亞波長光學(xué)、太赫茲光子學(xué)、光度學(xué)與色度學(xué)、瞬態(tài)光子學(xué)、微納光子學(xué)、空間與海洋光學(xué)、生物光子學(xué)、環(huán)境光子學(xué)和太陽能利用等領(lǐng)域。面對如此復(fù)雜龐大的光電子學(xué)科體系以及學(xué)科迅速膨脹的態(tài)勢，光電子學(xué)科教育該如何應(yīng)對，成為光電子學(xué)科教育的一個新挑戰(zhàn)［1～3］。筆者以美國亞利桑那大學(xué)光科學(xué)學(xué)院的本科光電類課程體系為藍本，結(jié)合長江大學(xué)實際情況，按照CDIO 工程教育模式［4］，對長江大學(xué)光學(xué)工程系列課程進行改革與優(yōu)化。依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標，在教學(xué)理念、課程體系、教學(xué)模式、實驗課程項目與內(nèi)容等方面進行改革，給出了光電專業(yè)光學(xué)工程系列課程的優(yōu)化方案。

1 長江大學(xué)光電類光學(xué)工程系列課程體系存在的不足

課程設(shè)置是光電子學(xué)科教育的重要組成部分，目前國內(nèi)光電方向?qū)I(yè)所開設(shè)的光學(xué)工程系列課程有13～14門，其中學(xué)科基礎(chǔ)課3～4門，專業(yè)核心課3～4門，專業(yè)選修課6～7門。由于各學(xué)校的具體情況不同，所開設(shè)的光學(xué)工程系列課程也不同。長江大學(xué)所開設(shè)的光學(xué)工程系列課程共13門：學(xué)科基礎(chǔ)課是工程光學(xué)與光學(xué)實驗，專業(yè)核心課程是激光原理與技術(shù)、光纖通信技術(shù)、光電信息技術(shù)實驗、光電探測與信號處理，專業(yè)選修課是信息光學(xué)、光電子技術(shù)、光纖光學(xué)、半導(dǎo)體光電子學(xué)、光電圖像處理、激光器件原理與設(shè)計、光電子器件驅(qū)動技術(shù)。另外，還有工程光學(xué)課程設(shè)計與光纖通信技術(shù)課程設(shè)計2個實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。所開設(shè)的光學(xué)工程系列課程體系不夠完善，專業(yè)課與選修課設(shè)置不太合理，部分課程所涉及的內(nèi)容之間有一定的交叉，沒有體現(xiàn)數(shù)學(xué)與計算機在課程中的應(yīng)用，沒有體現(xiàn)現(xiàn)代科技成果等。此外，現(xiàn)行課程體系內(nèi)容陳舊、理論性太強、缺少必要的實驗，晦澀難懂、與生產(chǎn)實際脫節(jié)，滿足不了當(dāng)今社會對課程的要求。因此，大力開展光學(xué)工程系列課程體系與教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革是當(dāng)務(wù)之急。

2 亞利桑那大學(xué)與長江大學(xué)光電類光學(xué)工程系列課程的比較

亞利桑那大學(xué)光科學(xué)學(xué)院是全美規(guī)模最大的光學(xué)教育與科研機構(gòu)，研究范圍廣，涉及當(dāng)前光學(xué)研究前沿的主要方向：光纖光學(xué)、激光與光學(xué)材料、醫(yī)用光學(xué)與圖象科學(xué)、納米技術(shù)、光存儲、光學(xué)工程與測試、光學(xué)設(shè)計與制造、光電子器件、半導(dǎo)體與量子納米光學(xué)、量子光學(xué)、遙感、半導(dǎo)體光物理、光通信和薄膜等。

亞利桑那大學(xué)光科學(xué)學(xué)院設(shè)有光學(xué)、光電子、光學(xué)材料和光機械4個本科專業(yè)，所設(shè)置課程以應(yīng)用類和工程類為主，目標是培養(yǎng)光學(xué)工程師。其光電方向光學(xué)工程必修課程為幾何與儀器光學(xué)Ⅰ、幾何與儀器光學(xué)Ⅱ、物理光學(xué)Ⅰ、物理光學(xué)Ⅱ、幾何與儀器光學(xué)實驗Ⅰ、幾何與儀器光學(xué)實驗Ⅱ、激光與光子學(xué)、媒質(zhì)光學(xué)實驗Ⅰ、媒質(zhì)光學(xué)實驗Ⅱ、光學(xué)實驗Ⅰ、光學(xué)實驗Ⅱ、光學(xué)設(shè)計、光學(xué)工程師電子學(xué)、光通信、光輻射與探測、光學(xué)制造與測試、光機械設(shè)計導(dǎo)論；長江大學(xué)所開設(shè)的課程為工程光學(xué)、光學(xué)實驗、激光原理與技術(shù)、光電信息技術(shù)實驗、工程光學(xué)課程設(shè)計、光纖通信技術(shù)、光電探測與信號處理、光纖通信技術(shù)課程設(shè)計等。通過比較可以看出，幾何與儀器光學(xué)Ⅰ、Ⅱ及物理光學(xué)Ⅰ、Ⅱ和工程光學(xué)對應(yīng)；幾何與儀器光學(xué)實驗Ⅰ、Ⅱ和光學(xué)實驗對應(yīng)；激光與光子學(xué)和激光原理與技術(shù)對應(yīng)；媒質(zhì)光學(xué)實驗Ⅰ、Ⅱ及光學(xué)實驗Ⅰ、Ⅱ和光電信息技術(shù)實驗對應(yīng)；光學(xué)設(shè)計和工程光學(xué)課程設(shè)計對應(yīng)；光通信和光纖通信技術(shù)對應(yīng)；光輻射與探測和光電探測與信號處理對應(yīng)；光學(xué)制造與測試，光機械設(shè)計導(dǎo)論2門工程類實訓(xùn)課程長江大學(xué)沒開設(shè)，而光纖通信技術(shù)課程設(shè)計實訓(xùn)環(huán)節(jié)亞利桑那大學(xué)沒開設(shè)，而是在通信類專業(yè)方向開設(shè)。

亞利桑那大學(xué)光電類課程體系的特點是：①課程設(shè)置很科學(xué)，體系清晰，符合CDIO （構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運作）工程教育模式；②重視實驗與理論的結(jié)合。其課程講義特點是：①課程強調(diào)基礎(chǔ)、由淺入深、循序漸進；②課程安排上注重專業(yè)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；③引用了許多新技術(shù)領(lǐng)域的實例，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、擴大了視野；④諸多內(nèi)容都匯集了老師的研究成果和經(jīng)驗，使得概念更清楚，應(yīng)用領(lǐng)域清晰。

3 課程設(shè)置優(yōu)化方案

課程設(shè)置與專業(yè)培養(yǎng)目標息息相關(guān)，為此，筆者將專業(yè)培養(yǎng)目標定為培養(yǎng)光電子工程師。光學(xué)工程系列課程的課程體系、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)手段都圍繞這一目標進行，從學(xué)科整體高度構(gòu)建課程體系，從科學(xué)研究與工程應(yīng)用角度對課程內(nèi)容進行優(yōu)化，并將最新的科研成果及前沿引入課程。注重專業(yè)的物理思想與數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，以基于Matlab科學(xué)計算語言的數(shù)值模擬為手段，并將NLSE與Optisystem 仿真軟件引入課堂，對光電專業(yè)光學(xué)工程系列課程進行全方位優(yōu)化。

3．1 “全光譜光學(xué)”的教學(xué)理念

目前，學(xué)生對光波的認識主要集中在可見光 （波長范圍380～760nm），而對其他波段了解甚少。由大學(xué)物理學(xué)方面的知識可知，光是一種電磁波，廣義上講，電磁波也可稱光波。實際上，從波譜來看，目前光電子學(xué)科所涉及的波譜范圍包括從微波／毫米波、THz波到紫外的很寬波段。“全光譜光學(xué)”的教學(xué)理念拓展了現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容的光譜范圍，有助于學(xué)生把握光電子學(xué)科全局，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)全局觀。

3．2 構(gòu)建科學(xué)的課程體系

光電專業(yè)光學(xué)工程系列的課程體系應(yīng)從人才培養(yǎng)層次的全局通盤考慮，即博士生、碩士生與本科生3個層次，并與大學(xué)物理課程作適當(dāng)銜接。光電專業(yè)本科生的培養(yǎng)目標是培養(yǎng)光電工程師，為此，筆者將光電專業(yè)本科生的光學(xué)工程課程體系分成專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心光電課及專業(yè)選修課3個模塊?；A(chǔ)光學(xué)課程包括幾何光學(xué)與光學(xué)儀器、物理光學(xué)、光學(xué)實驗3門課程及光學(xué)設(shè)計實訓(xùn)環(huán)節(jié)；專業(yè)核心課程有光電子技術(shù)、激光原理與技術(shù)、光纖通信技術(shù)、光電信息技術(shù)綜合實驗4門課程及光纖通信技術(shù)實訓(xùn)環(huán)節(jié)；專業(yè)選修課包括信息光學(xué)、半導(dǎo)體光電子學(xué)、激光器件原理與設(shè)計、光電探測與信號處理。

3．3 課程內(nèi)容優(yōu)化

1）幾何光學(xué)與光學(xué)儀器主要介紹分析光傳輸?shù)墓饩€追跡方法及其在成像、光學(xué)儀器中的應(yīng)用，并簡要介紹矩陣光學(xué)初步與Zemax光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的基本原理與實踐。物理光學(xué)課程主要介紹光的波動性與量子性初步及其在光電子學(xué)中的應(yīng)用，從頻域、時域與空間域3個方面介紹波動說，從光的產(chǎn)生與探測方面介紹光子說，并增加相干性定義擴展等相關(guān)內(nèi)容。光學(xué)實驗內(nèi)容分別與幾何光學(xué)、光學(xué)儀器和物理光學(xué)講授內(nèi)容對應(yīng)，光學(xué)設(shè)計實訓(xùn)環(huán)節(jié)主要內(nèi)容是熟悉利用Zemax仿真軟件，學(xué)生獨立完成光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。

2）專業(yè)核心課程光電子技術(shù)主要介紹光波導(dǎo)理論及其應(yīng)用，包括耦合模理論、耦合器、調(diào)制器、分束器和傳感器等無源光電子器件；激光原理與技術(shù)主要介紹激光的產(chǎn)生、激光與物質(zhì)的相互作用、激光控制的基本激光現(xiàn)象與基本原理，內(nèi)容包括激光器基礎(chǔ)、激光諧振腔理論、電磁場與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論與速率方程理論、連續(xù)波激光器工作特性、激光調(diào)制技術(shù)、脈沖激光器工作特性 （包括調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)）、激光放大器、模式選擇、穩(wěn)頻及倍頻技術(shù)、常見激光器；光纖通信技術(shù)主要介紹光纖通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成、基本原理和相關(guān)技術(shù)，內(nèi)容包括光纖通信技術(shù)基礎(chǔ)、光纖／光纜與光傳輸、光發(fā)射機與接收機、光纖基光電子器件、光纖通信系統(tǒng)設(shè)計、光網(wǎng)絡(luò)、光纖通信新技術(shù)以及Optisystem 仿真舉例；光電信息技術(shù)綜合實驗內(nèi)容分別與光電子技術(shù)、激光原理與技術(shù)及光纖通信技術(shù)講授內(nèi)容相對應(yīng)；光纖通信技術(shù)實訓(xùn)環(huán)節(jié)主要內(nèi)容是熟悉利用Optisystem 仿真軟件，學(xué)生獨立完成光纖通信系統(tǒng)設(shè)計。

3）專業(yè)選修課用于擴展學(xué)生的專業(yè)知識，提高學(xué)生的專業(yè)實踐技能。信息光學(xué)又稱傅立葉光學(xué)，主要介紹光傳輸?shù)母盗⑷~變換理論，利用線性系統(tǒng)理論處理光學(xué)成像、光學(xué)空間濾波器、全息等現(xiàn)象。半導(dǎo)體光電子學(xué)主要介紹半導(dǎo)體光學(xué)特性的物理基礎(chǔ)及其應(yīng)用，如基于半導(dǎo)體材料的激光器、放大器、可飽和吸收體等。光電探測與信號處理主要介紹光電子器件中的噪聲處理。激光器件原理與設(shè)計主要以光纖光柵激光器為例，介紹連續(xù)波、調(diào)Q 及脈沖激光器的結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計、實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品封裝等內(nèi)容，該課程的目的是提高學(xué)生的專業(yè)實踐技能。

3．4 課程教學(xué)模式

具體課程采用研究式教學(xué)模式，主要包括看圖說話式教學(xué)模式［5］、實驗現(xiàn)象－現(xiàn)象解釋 （即理論－數(shù)值）模擬－新現(xiàn)象預(yù)言的教學(xué)模式［6］、計算機仿真與實驗相結(jié)合等教學(xué)模式［7］。

1）看圖說話式教學(xué)模式是將課程內(nèi)容概括為一幅圖，每一章也歸納為一幅圖。先讓學(xué)生看圖，然后分析圖，從而引出教學(xué)內(nèi)容。該教學(xué)模式具有全局性、啟發(fā)式和創(chuàng)新性等特點，教學(xué)實踐表明該方案能有效地培養(yǎng)學(xué)生的全局觀與創(chuàng)新能力。

2）實驗現(xiàn)象－現(xiàn)象解釋 （即理論）－數(shù)值模擬－新現(xiàn)象的預(yù)言，即 “四維一體”的教學(xué)模式，是將馬克思主義哲學(xué)認識論觀點應(yīng)用到理工科專業(yè)課的教學(xué)中。從實踐中來，到實踐中去，即 “從現(xiàn)象中來，到現(xiàn)象中去”，使本科教學(xué)不再抽象，所選用的實驗現(xiàn)象資料均來自主講教師或國內(nèi)外科研人員的最新科研成果，將課堂講授內(nèi)容與科學(xué)研究結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3）光學(xué)工程系列課程中的各種原理是模型，數(shù)學(xué)知識是方法與工具，注重數(shù)學(xué)知識與計算技術(shù)在光學(xué)工程系列課程中的應(yīng)用，有助于提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。選用Matlab科學(xué)計算語言對光學(xué)工程系列課程的各種理論進行仿真與可視化，并與實驗結(jié)果進行比較，將數(shù)學(xué)知識、Matlab科學(xué)計算語言和課程教學(xué)有機結(jié)合。利用NLSE仿真軟件模擬超短脈沖在光纖中的傳輸與演化，利用Optisystem 仿真軟件設(shè)計光纖通信系統(tǒng)，計算機的應(yīng)用能有效地彌補理論與實驗課程教學(xué)的不足，有利于提高學(xué)生自我驗證與形象思維能力。

3．5 實驗課程項目的設(shè)置與優(yōu)化

依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標，對實驗課程項目的設(shè)置進行優(yōu)化，打破課程獨立實驗的界限，避免實驗設(shè)置的無序和可能造成的交叉重復(fù)，建立綜合實驗教學(xué)體系，按照有源器件、無源器件和系統(tǒng)實驗3個模塊設(shè)置相關(guān)課程實驗。有源器件實驗項目有固體激光器綜合實驗、摻鉺光纖放大器、光纖激光器參數(shù)測量、光纖拉曼放大、激光諧振腔衰蕩特性測量等；無源器件實驗項目有光纖熔接與色散測量、光纖光斑測量、光調(diào)制器特性測量、光纖傳感器綜合實驗、光纖光柵特性測量等；系統(tǒng)方面的實驗項目有模擬光纖通信系統(tǒng)綜合實驗、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)綜合實驗、光纖傳輸系統(tǒng)綜合實驗等。

4 結(jié)語

筆者曾于2006～2007年間在亞利桑那大學(xué)光科學(xué)學(xué)院作訪問學(xué)者，與世界一流大學(xué)相比，長江大學(xué)在光電類光學(xué)工程系列必修課程的設(shè)置、師資力量、實驗條件和講義編寫等諸多方面都存在較大差距。參照亞利桑那大學(xué)光科學(xué)學(xué)院光電專業(yè)光學(xué)工程系列課程，結(jié)合長江大學(xué)具體實際，提出長江大學(xué)光電專業(yè)光學(xué)工程系列課程為幾何光學(xué)與光學(xué)儀器、物理光學(xué)、光學(xué)實驗、光電子技術(shù)、激光原理與技術(shù)、光纖通信技術(shù)、光電信息技術(shù)綜合實驗、信息光學(xué)、半導(dǎo)體光電子學(xué)、激光器件原理與設(shè)計、光電探測與信號處理以及2個實訓(xùn)環(huán)節(jié)光學(xué)設(shè)計與光纖通信技術(shù)。該優(yōu)化方案合理，課程體系清晰，重視實驗與理論結(jié)合，符合CDIO 工程教育理念，具有很好的操作性。

［1］劉偉平，鄭力明，陳舜兒，等．電子信息類專業(yè)光子技術(shù)課程的教學(xué)改革 ［J］．高等理科教育，2003，51 （5）：24～27．

［2］狄紅衛(wèi)，張永林．光電子技術(shù)人才培養(yǎng)的教學(xué)改革與實踐 ［J］．高等理科教育，2003，52 （6）：36～39．

［3］關(guān)榮鋒，董興法，肖金球．電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)光電子與光通信方向課程群的建設(shè)與教學(xué)改革 ［J］ ．高等理科教育，2010，59 （5）：110～113．

［4］Crawley E F，Malmqvist J，Ostlund S，et al．Rethinking Engineering Edcation－The CDIO Approach ［M］．New York：Springer，2007．

［5］陳海燕．“激光原理與技術(shù)”課程看圖說話教學(xué)模式 ［J］．中國電力教育，2011 （5）：111～112．

［6］陳海燕．現(xiàn)象－理論－模擬－新現(xiàn)象教學(xué)模式探索 ［J］．中國電力教育，2013 （4）：45～46．

［7］陳海燕．脈沖光入射時法布里－珀羅腔的透射特性 ［J］．電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011，33 （4）：99～103．