張志偉+趙冬娥+趙輝

[摘 要]研究針對光電檢測技術課程的特點和教學要求，對光電檢測技術課程的教學內容和教學方法進行了優(yōu)化，探索了如何把科研成果作為教學內容的方法，實踐了如何把新的教學方法貫穿于課程的教學過程中。實踐表明：科研成果用于教學，有利于使教學緊跟高科技的快速發(fā)展且充滿活力和具有時代氣息；新的教學方法能提高學生的學習興趣和教師的教學質量，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

[關鍵詞]光電檢測技術；科研成果；教學內容；教學方法；教學實踐

[中圖分類號] G642.421 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）01-0086-03

光電檢測技術是以光電子學為基礎、以光電器件為基本組成，融合光學、微電子學、精密機械、計算機技術和控制技術為一體的一門高新技術，是基于光獲取信息的重要手段，是研發(fā)光、機、電、算一體化高新技術產品的基礎[1-3]。其課程內容主要是研究各類光電器件的組成、工作原理、特性參數(shù)及光電轉換的基本電路和實際應用。其教學對于銜接先前的光學、模擬電子技術和數(shù)字電子技術等課程內容以及拓展知識的綜合運用具有非常重要的意義。因此，該課程的教學和研究越來越得到高等院校和科研機構的重視，成為許多本科理工科專業(yè)的必修課程，特別是成為光電信息科學與工程專業(yè)的學科基礎教育課程[4，5，1]。在光電檢測技術的教學過程中，如何根據(jù)光電檢測技術的快速發(fā)展，補充、更新和優(yōu)化教學內容，將光電檢測技術的發(fā)展趨勢及前沿技術有機融入教學內容[6]，是一個個需要探討的重要課題。光電檢測技術除具有很強的理論性外[7]，也是一門實踐性很強的課程[5]。其課程實驗作為課程內容的一個重要實踐環(huán)節(jié)，學生通過實驗除能驗證書本的理論知識外，還能提升其創(chuàng)新和實踐能力。另外，在教學方法上將光電檢測技術的教學重心從“注重教”轉移到“主動學”，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維和提高學生的動手能力。本文主要研究光電檢測技術課程內容及教學方法的優(yōu)化與實踐。

一、課程內容的研究

光電檢測技術課程內容主要研究其思想性、科學性、啟發(fā)性、前沿性和適用性。為此，我們認真調研和分析了多所高等院校開設光電檢測技術課程選用的教材及教學大綱的內容，同時考慮了光電檢測技術所具有的特征。以繆家鼎等人編寫的《光電技術》為例，教材主要包括“輻射度學與光度學的基本知識、光電儀器中的常用光源、光輻射探測器的理論基礎、真空光電器件、半導體光電導和結型光電器件、真空成像器件、固體成像器件以及紅外探測器件及其陣列”等內容[7]，其特點是“對原理、簡單應用以及傳統(tǒng)光電器件介紹的多，而對新領域的綜合應用以及新型光電器件敘述的少”[1]。光電檢測技術以“光源激光化、傳輸光纖化、手段電子化、現(xiàn)代電子學中的理論模式和電子學處理方法光學化”為特征[8]，其新的器件和新的技術在國防和國民經濟建設中發(fā)揮著越來越重要的作用，如固體成像器件、新型光纖傳感器、激光外差干涉技術和太赫茲（THz）技術，而在以往的教材中沒能很好地融入上述內容。光纖的問世引起了一系列現(xiàn)代科學技術革命，其傳感技術則以“技術含量高、經濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點”為世人所矚目[9]；光纖面板除在軍事上獲得廣泛應用外，現(xiàn)已滲透到許多尖端技術領域。近三十年來，THz脈沖產生技術及應用受到人們極大的關注，在基礎研究、工業(yè)應用和軍事領域都有相當重要的應用[10]。激光外差干涉技術能夠利用相位比較獲得較高的測量分辨率，具有測量速度快、抗干擾能力強、測量靈敏度高等優(yōu)點，在激光通信、激光雷達、激光測長、激光測速、激光測振和激光光譜學等方面獲得了十分廣泛的應用[11]。

在我們編著的《光電檢測技術》（第1版）中，根據(jù)光電檢測技術的特征及其最新發(fā)展趨勢，對傳統(tǒng)的光電（檢測）技術的內容有所刪減，保留基礎性內容，增加了光纖、光纖面板、光纖傳感器原理和應用實例，增加了THz技術?！豆怆姍z測技術》（第2版）結合我們的科研成果“一種測量溶液濃度的光纖傳感器”（論文獲山西省第十五屆優(yōu)秀學術論文獎），在第9章《光導纖維與光纖傳感器》中補充了光纖液體折射率傳感器?！豆怆姍z測技術》（第3版）基于負電子親和勢光電陰極的重要性，增加了負電子親和勢及其形成，考慮到知識的銜接，在《熱平衡下的載流子濃度》一節(jié)中增加了“能級密度、費米能級和電子占據(jù)率、平衡載流子濃度、本征半導體中的載流子濃度、雜質半導體的載流子濃度”。普朗克輻射公式是兩物體間熱力傳導的基本法則，在大多數(shù)情況下都成立，但在兩物體微距時是否成立一直以來無法得到證明。2009年，華裔陳剛及其團隊首次以實驗質疑“黑體輻射定律”公式，實驗證明兩物體極度近距時的熱力傳導遠高于公式所預測的值。基于此，增加了普朗克輻射公式的實證結果，特別是結合我們的科研成果“一種多通道蜜蜂出勤計數(shù)系統(tǒng)及方法、基于激光外差干涉的金屬微振動檢測、48級灰度線性聲光調制驅動源（用于構建光外差干涉系統(tǒng)的主要器件）以及基于外差干涉的激光超聲檢測技術”等，在第3章的結型光電器件中補充了透過型光電傳感器的應用電路，同時增加了第11章《光外差檢測技術》，內容包括光外差檢測原理、光外差檢測調相信號的解調方法、光外差檢測的特性、光外差檢測系統(tǒng)對光電轉換器性能的要求和光外差檢測的空間匹配條件及頻率條件。另外，教材在結構上也有所調整，以適合“寬口徑—重基礎—知前沿”的專業(yè)教學要求和反映光電檢測技術的最新成果及發(fā)展趨勢。

二、實驗教學內容的研究

光電檢測技術是一門實踐性很強的課程，強調理論與實踐相結合?！豆怆姍z測技術》（第2版）增加了光電檢測技術的基礎性和前沿性實驗內容。實驗內容主要包括光電探測器光譜響應度、響應時間，探測率的測量實驗和光敏電阻，光電二極管、三極管，光電位置傳感器（Position Sensitive Detectors，PSD）和電荷耦合器件（Changed Coupled Device，CCD）的基本特性測量實驗，以及PSD與CCD的應用實驗和光纖傳感器實驗。endprint

對于無法獨立開設的分組實驗，但又與科研結合較密切的綜合性實驗，則要求學生以整體感性認知為主，采用集中演示法對實驗內容進行教學。在實驗教學前，教師首先對開展科研的思路和方法進行詳細講授，使學生詳盡了解課題的研究內容和意義，并對演示內容做到心中有數(shù)，然后進行相應的演示實驗，借此提升他們綜合多種理論知識點的水平和創(chuàng)新能力。

三、教學方法的研究與實踐

在光電檢測技術的教學方法中，教師首先確立以學生為中心的教學理念，在教師的引導下充分發(fā)揮學生的主觀能動性，活躍課堂教學氣氛，取得良好的教學效果。同時將先進的多媒體教學方法引入光電檢測技術教學中，按照教學大綱、教材及教學內容的要求，制作具有啟發(fā)性、新穎性、適用性，集文字、照片、動畫和聲音于一體的光電檢測技術教學課件。研究通過多種教學方法，改變傳統(tǒng)的“教師—教材—黑板”教學模式，激發(fā)學生的求知欲及創(chuàng)新意識。

（一）采用多媒體技術，充分發(fā)揮優(yōu)質資源的作用，提高學生的學習效果

近年來隨著計算機和多媒體技術的發(fā)展，采用多媒體課件開展教學活動，已成為高校教改的一項重要內容，課堂教學已不僅僅停留在口頭敘述和黑板板書上。教師在教學中充分利用多媒體輔助教學，使教學重點更突出、難點易突破，同時使學生的學習充實而輕松，有利于調動學生學習的積極性，激發(fā)學生的學習興趣。比如CCD是本課程的一個重點和難點，其中的光輸入線陣CCD是建立在光電效應和MOS器件基礎上的一種成像器件，但光電效應的抽象性，使得電荷的產生與轉移過程不具有可視性，很難引起學生學習CCD的興趣，更不用談其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為此，在我們制作的CCD攝像器件課件中，利用小圓圈和小黑點分別代表光照光電轉換器后轉換的光生載流子空穴和電子，其中的多子空穴進入襯底，通過地消失；而少子電子進入深勢阱中成為信號電荷被儲存，表示光子轉換為電子（信號電荷），這一過程表示CCD成像器件的電荷輸入過程；之后，用計算機有序地顯現(xiàn)相應深淺可變“勢阱”的電脈沖波形幅度的高低，動畫模擬無法看到的電荷“輸入—轉移—輸出”過程；對于面陣CCD也制作相應的課件。對這些課件的應用，既有利于激發(fā)學生學習興趣，又容易突出重點、突破難點，具有事半功倍之效果。另外，我們也充分運用仿真模擬軟件，把一些抽象的內容以仿真結果體現(xiàn)在課堂教學中。例如，利用Matlab仿真軟件把普朗克輻射公式模擬展現(xiàn)在教學過程中。

（二）融趣味性于知識傳授過程中，以提高學生的學習熱情和探索興趣

在講解光纖與光纖傳感器的內容時，教師結合英籍華人髙錕研究“高純光纖”的過程中出現(xiàn)的被認為是“癡人說夢”和“被公開的嘲笑”的故事，通過對“光與光纖”相互作用的深入研究，發(fā)現(xiàn)了光纖的“三個窗口”，從而導致了光纖通信系統(tǒng)的幾次升級換代的事例進行教學，增添了學生學習的興趣。在講解CCD時告訴學生“數(shù)碼相機電子眼”CCD其實是兩位科學家一次下午“頭腦風暴”的結果。這兩位科學家起初是為了研究一種新型的信息儲存裝置，后來卻誤打誤撞地在電子圖像成像技術上廣為發(fā)展這一趣事，用以引起學生的學習興趣，在此基礎上講解CCD的組成、工作原理及其應用；通過介紹CCD的“中年危機”，開始講解CMOS圖像傳感器。這樣教學使學生認識到知識積累及學好理論知識的重要性，提高了學生的學習熱情和探索興趣。

（三）把教師的科研成果與教學內容有機地融合在一起，以提高教師講課的生動性和學生學習的興趣

在講解非功能型光纖傳感器時，教師結合已發(fā)表的科研論文《一種基于菲涅耳公式測量液體折射率的簡單模型》，以光纖棱鏡液體折射率傳感器為例，通過對菲涅耳公式中反射光特性的深入研究，開發(fā)了新型的光纖傳感器，為測量溶液濃度的變化提供了新的檢測手段。在講解結型光電器件的應用時，結合我們的發(fā)明專利“一種多通道蜜蜂出勤計數(shù)系統(tǒng)及方法”（與山西省農科院園藝研究所合作項目），以透射型光電傳感器為例，結合放大、整形電路及單片機控制技術，設計了可識別蜜蜂進出蜂箱的光電傳感裝置，為研發(fā)多通道蜜蜂出勤計數(shù)系統(tǒng)提供了新的計數(shù)手段。由于教師在教學時引入自己在科研過程中的一些趣事，同時把物理光學中的理論和實際的光電傳感器設計結合在一起，容易激發(fā)學生的學習興趣，啟發(fā)他們的創(chuàng)新思維和科研意識。

（四）開展啟發(fā)式教學

啟發(fā)式教學具有互動性特點[7]，因此，我們在教學過程中注重運用啟發(fā)式教學，引導學生轉變角色。以光電導器件中的光敏電阻教學為例，教師沒有平鋪直敘地介紹光敏電阻的組成、工作原理、性能特征以及應用，而是先給學生提出“為什么照相機能實現(xiàn)自動曝光”“為什么大街上的路燈能在拂曉時自動熄滅、黃昏時自動點亮”“為什么樓道照明系統(tǒng)在白天時熄滅”等問題，讓學生思考后結合課堂教學內容給出問題的可能答案。帶著解決問題的強烈愿望，給學生介紹光敏電阻的組成、工作原理等相關內容，學生能夠積極主動地參與教學的全過程，提出的問題隨著課堂教學內容的深入而得到了滿意的答案。

四、結論

對光電檢測技術課程內容及教學方法的優(yōu)化與實踐，有利于使其內容變得豐富、新穎且具有創(chuàng)造性，使其教學和實驗內容能緊跟新技術發(fā)展的要求。實踐表明：多種形式的教學方法，如多媒體技術和板書的結合，融趣味性于知識傳授過程中，把教師的科研成果與教學內容有機地融合在一起以及啟發(fā)式教學的運用，能夠大大激發(fā)學生對高新技術的學習興趣，提升學生構建光電檢測系統(tǒng)的能力，取得令人可喜的教學效果。同時還應指出的是，盡管對光電檢測技術課程的內容及教學方法進行了優(yōu)化與實踐，仍然跟不上科學技術的快速發(fā)展。我們仍將繼續(xù)努力探索，使充滿時代新氣息的光電檢測技術課程內容更加完善，教學方法更有效。

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[責任編輯：龐丹丹]endprint