施偉華　李培麗　蔣建　鄒建華　王瑾　許吉　萬洪丹

[摘 要]《Optoelectronics》是光電信息科學與工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課， 課程中知識點多、課時緊，學生在學習該雙語課程時有畏難情緒。從課程的特點出發(fā)， 結合實例闡述了比較法在關鍵概念、基本原理、器件結構和特性參量的教學中的應用， 研究和實踐表明： 在教學中采用比較法， 可以激發(fā)學生學習興趣， 引導學生注重知識的前后連貫，提高教學效果。

[關鍵詞]比較法； 光電子學； 教學； 雙語課程

中圖分類號：H319 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）02-0001-02

概述

《Optoelectronics》課程是光電信息科學與工程等專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課程，主要講述光的產(chǎn)生、光的探測、光的調(diào)制的基本原理。在高校專業(yè)課程教學中，為了讓學生接觸到本專業(yè)的一些前沿知識和最新研究進展，同時也是為了提高學生閱讀外文科技書籍和資料的能力，課程采用外文原版教材和中英文參考書[1-3]，使用雙語教學，學生剛接觸該課程時出現(xiàn)畏難情緒，缺乏興趣和主動性。為調(diào)動學生學習的積極性，提高教學效率和效果，在教學中應用比較法，不僅使學生在前修課程或本課程前面章節(jié)已學的知識點得到鞏固和深化，而且使新知識點的教學事半功倍。

比較法的應用

比較法能夠開拓學生的思維空間，在分析鑒別中把握知識的重點，較正確地把握概念、原理、結構、計算方法之間的聯(lián)系與區(qū)別。將比較法如何運用于教學中呢？比較法教學，就是把內(nèi)容或形式上有聯(lián)系的知識點進行對比、分析，指出其相同點、不同點的教學方法[4]。其主要方法：

（一）求同比較。就是將相同的知識，或性質相似的知識點放在一起加以比較。這樣通過相同點的比較，學生把握兩組或多組知識點的內(nèi)涵，能夠使理解深入并真正掌握。

（二）求異比較。事物之間存在差異，這是極普遍的現(xiàn)象。在教學實踐中，求異比較是啟發(fā)學生盡量多地尋找出不同點，通過兩組或多組知識點間差異的比較，抓住其本質區(qū)別，激發(fā)學生拓寬對知識點的理解的廣度，并可使學生獲得更新的結構、性能的設計思路。

高校教學中，在前修課程的基礎上，通過專業(yè)基礎課的學習，為后面的專業(yè)課程打下牢固的基礎?！禣ptoelectronics》著重于與光通信技術相關的光電子器件，知識點教學主要分為概念、原理、結構和特性參量的教學。

一、比較法用于關鍵概念的教學

《Optoelectronics》雙語課程中新概念多，仔細歸類，發(fā)現(xiàn)可作比較的概念不少，如：帶間躍遷和帶內(nèi)躍遷、損耗和增益等。在關鍵概念的教學中，引導學生與前修課程或本課程前面已學的相關概念進行比較，或者直接將兩個并列的概念同時引入，比較其異同點。

如圖1的PPT所示，在1.6節(jié)引入帶內(nèi)躍遷（Intraband transitions）時，與前面已學的1.4節(jié)中的帶間躍遷通過示意圖、條件、躍遷前后狀態(tài)的變化以及各自應用進行比較，學生不僅很快理解了“帶內(nèi)躍遷”新概念，而且對“帶間躍遷”掌握得更深刻。

自發(fā)輻射和受激輻射是4.2節(jié)中同時引入的概念，教學中：

先給出定義。在熱平衡下，如果在半導體的導帶與價帶中分別有一定數(shù)量的電子與空穴，導帶中電子以一定的幾率與價帶中空穴復合并以光子形式放出復合所產(chǎn)生的能量的過程稱為自發(fā)發(fā)射躍遷；導帶電子與價帶空穴復合過程在適當能量的光子激勵下進行的，由復合產(chǎn)生的光子與激發(fā)該過程的光子有完全相同的特性（包括頻率、相位和傳播方向等），這種躍遷過程稱為受激發(fā)射。

再進行求同比較和求異比較。相同點如圖2所示，兩種過程前后的狀態(tài)變化都是導帶電子與價帶空穴復合發(fā)出光子。不同點主要是條件不同，一個是自發(fā)的，一個必須有光子激勵且光子能量等于禁帶寬度；發(fā)出的光子的特性不同，自發(fā)輻射發(fā)出的光子是非相干的，對應半導體發(fā)光二極管（LED）的工作原理；受激輻射發(fā)出的光子是全同光子，是相干光，對應

半導體激光器（LD）、半導體光放大器（SOA）的工作原理。

通過這樣的教學步驟，學生易于理解并在比較中牢固掌握概念，在后續(xù)器件原理的學習中，能夠熟練應用概念，結合器件結構易于理解工作原理。

二、比較法用于基本原理的教學

基本原理是各課程的重點和基礎。在《Optoelectronics》雙語課程中，主要是各種器件的工作原理，如檢測器原理與光源原理；各種工作模式的原理，如小信號調(diào)制、大信號調(diào)制和脈碼調(diào)制。

《Optoelectronics》雙語課程的第二章主要闡述了光電檢測器——PIN和雪崩二極管（APD），第三章的重點是LED，第四章著重于LD的靜態(tài)。那么在第四章教學的開始，如圖3所示，將課程中光電子器件的兩大類——檢測器（PIN、APD）和光源（LED、LD）從整體上進行比較。首先找出共同點，無論檢測器還是光源都是換能器（Transmitter），只不過檢測器是將光能轉換成電能，而光源是將電能轉換成光能，這樣的相同之處就可以引導學生學習第四章時類比前兩章的方法。然后找不同點，主要是結構和偏置狀態(tài)不同，檢測器反向偏置，光源正向偏置，這樣就可歸結于前修課程中的不同偏置下的半導體PN結的工作原理，所以第四章中的很多公式的推導和分析只要抓住結構和偏置的不同，借鑒已有的知識和方法，難點就迎刃而解了。

類似的原理用比較法講解，也起到了很好的效果，如圖4所示，在5.2節(jié)引入LD的三種直接調(diào)制方式的原理時，通過三種調(diào)制方式輸入輸出波形的比較，讓學生直觀明了地理解了這三種調(diào)制方式，學生當堂能自己作分析比較：小信號調(diào)制和脈碼調(diào)制本質上屬于一類，輸入脈沖信號都在閾值之上，所不同的僅在于輸入信號在閾值之上的調(diào)制幅度的大?。淮笮盘栒{(diào)制，并不是輸入信號大，而是指輸入信號在閾值的上下變化，因此響應速度是最慢的。

三、比較法用于核心器件結構的教學

前面已提到課程中涉及的光電子器件主要是檢測器PIN、APD和光源LED、LD，差別主要在于結構，所以本課程中引入新結構的時候，一般都會與前面同一類型的結構進行比較，如PIN和APD、面發(fā)射和邊發(fā)射LED、增益導引型和折射率導引型LD等。

在2.7節(jié)引入APD的典型結構時，與2.6節(jié)的PIN的結構比較，如圖5所示。找出它們的異同，發(fā)現(xiàn)最外的兩層都是重摻雜而且很薄，吸收區(qū)都很厚，區(qū)別在于APD多加了一層，這層作為雪崩區(qū)，電場強度大而且盡量保持均勻，因此接下來的教學主要圍繞這層高場強的雪崩區(qū)展開，這樣重點突出而且引入快，也引起學生的興趣第3.5節(jié)闡述LED的先進結構，其中邊發(fā)射和面發(fā)射的結構如圖6中左邊的兩個結構圖所示，應用比較法，突出主要異同點：都有異質PN結；不同之處以如圖6中右邊兩個簡圖所示，邊發(fā)射LED頂面是條形電極，側邊發(fā)光，類似LD的發(fā)光方式；面發(fā)射LED為了得到準直的光束，在頂面電極開口處放置微透鏡聚焦。運用對比的方法，并化繁為簡，畫出簡圖，能讓學生一目了然，對結構特點也易掌握。

四、比較法用于重要特性參量計算的教學

比較法不僅適用于定性知識的教學，對器件特性的定量計算也起到觸類旁通的效果。

2.4節(jié)和2.6節(jié)中都有光電流的計算，可通過比較法，在2.4節(jié)的基礎上便捷地推導出2.6節(jié)中的光電流。如圖7中上面的能帶圖所示，當光入射到反向偏置的PN結中，產(chǎn)生的光電流包括P區(qū)和N區(qū)中的擴散電流以及耗盡區(qū)的漂移電流；而當光入射反向偏置的PIN檢測器，如圖7中下面的能帶圖所示，P和N都很薄，擴散電流可忽略，而I區(qū)的厚度比PN結中的耗盡區(qū)的厚度大得多，所以計算其中的漂移電流時，積分號中的產(chǎn)生率不能近似為常數(shù)。

課程中最重要的參量計算是圍繞器件的轉換效率，如圖8所示，在第二章雖然反復強調(diào)PIN和APD的轉換效率、輸入光子流、輸出電流三者的互算關系，但在作業(yè)中有不少同學沒有理解，只是背公式，因此出現(xiàn)不少錯誤。在第三章中再次提到LED的轉換效率、輸入光子流、輸出電流三者的互算關系時，利用比較法，抓住共同點都是換能器，輸入量乘以轉換效率得到輸出量，這樣大多數(shù)學生能馬上領會到效率在等式中的位置對于檢測器和光源是不同的，因為兩者的輸入輸出量正好相反。

教學法應用體會

實踐表明， 充分利用比較法進行課程教學， 可以幫助學生理解新概念、基本原理、器件結構以及特性參量的計算方法，并鞏固原有知識，激發(fā)學生的學習興趣，主動在比較中尋找規(guī)律，以達到觸類旁通，充分培養(yǎng)學生綜合分析能力，提高教學效果。

參考文獻

[1] Jasprit Singh. 半導體光電子學（英文版）[M].紐約：McGraw-Hill出版社， 1995.

[2] S. O. Kasap.光電學與光子學（英文版）[M]. 倫敦：Prentice Hall出版社， 2001.

[3]黃德修.半導體光電子學[M].成都：電子科技大學出版社，2013.

[4]丁邦平. 比較教學論：21世紀比較教育學發(fā)展的一個重要領域[J].教育研究，2013（3）：12-19.

作者簡介：施偉華，女，南京郵電大學光電工程學院，副教授。主要研究方向：光電子器件。