李小燕 陳悅?cè)A 張禹

摘 要：光電子技術(shù)是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程，對學(xué)生掌握光電子基礎(chǔ)知識，熟悉基本的光電子器件、系統(tǒng)及其應(yīng)用具有重要意義。通過分析光電子技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容，探討了理論與實(shí)驗的教學(xué)方法和手段，致力于起到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生專業(yè)創(chuàng)新思維，增強(qiáng)教學(xué)效果的目的。

關(guān)鍵詞：光電子技術(shù)；教學(xué)方法；教學(xué)手段

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）09-0084-03

Abstract： As an important course of electronic science and technology majors， Optoelectronic Technology is of great significance to master the basic knowledge of photoelectron technology and optoelectronic devices. Through the analysis of the teaching content of Optoelectronic Technology， the methods of theoretical and experimental teaching are discussed to stimulate students' enthusiasm for learning， cultivating students' professional innovative thinking and enhancing the teaching effect.

Keywords： optoelectronic technology； teaching method； teaching means

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，光子作為信息和能量的載體，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)（具有極快的響應(yīng)速度、極大的頻寬、信息容量和極高的信息效率）推動了信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，具有越來越大的競爭力，光電信息產(chǎn)業(yè)在市場的份額逐年增加。隨著光電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，社會對光電相關(guān)技術(shù)人才的需求在不斷增長。為適應(yīng)這一需求，許多高校開設(shè)了光電信息科學(xué)與工程等相關(guān)專業(yè)，培養(yǎng)具有光電信息知識背景的科技人才。

而“光電子技術(shù)”課程作為光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，從了解光電子技術(shù)的發(fā)展歷史和應(yīng)用開始，以光學(xué)系統(tǒng)整體為主線，內(nèi)容包括光源、傳輸、調(diào)制、探測、成像、顯示和存儲，引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)、全面的學(xué)習(xí)光電子技術(shù)。該課程涉及光學(xué)、電磁場與電磁波、激光原理、半導(dǎo)體物理以及電子電路等多學(xué)科知識，知識面寬，造成學(xué)生的學(xué)習(xí)困難。因此，在光電子技術(shù)課程教學(xué)過程中，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)取舍，并采用適合的教學(xué)手段與方法，可一定程度提高課程的教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生專業(yè)創(chuàng)新思維，增強(qiáng)教學(xué)效果。

以下從課程內(nèi)容、教學(xué)方法和手段等方面探索光電子技術(shù)課程的理論和實(shí)驗教學(xué)思路與實(shí)踐。

一、理論教學(xué)探索

光電子技術(shù)課程是以整個光學(xué)系統(tǒng)為授課主線，如圖1所示。課程內(nèi)容包括光輻射基本知識、光輻射傳播、光束調(diào)制、光輻射探測、成像、顯示技術(shù)等，其特點(diǎn)是知識面廣，數(shù)學(xué)要求高，物理概念抽象，理論多且復(fù)雜，學(xué)生學(xué)習(xí)時易有畏難情緒。為了激發(fā)學(xué)生理論基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)素養(yǎng)，啟迪學(xué)生創(chuàng)新思維，促進(jìn)學(xué)生知識拓展應(yīng)用能力，多種教學(xué)方法在教學(xué)過程中的有機(jī)結(jié)合運(yùn)用，如討論式教學(xué)、演示式教學(xué)、比較式教學(xué)、問答式教學(xué)及實(shí)踐式教學(xué)等，能夠使抽象的概念形象化，復(fù)雜的理論簡單化，提高教學(xué)效果。

光輻射基本知識是本課程授課的基礎(chǔ)知識點(diǎn)，包括輻射度學(xué)和光度學(xué)基本物理量、熱輻射基本定律、激光原理及典型激光器，電磁波基本理論等[1-2]。這部分教學(xué)內(nèi)容涉及多個基本物理概念，內(nèi)容比較抽象，學(xué)生不易理解和掌握。為了便于學(xué)生對基礎(chǔ)概念理解和激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，除了在課堂上多花時間重點(diǎn)講解這部分的知識點(diǎn)，應(yīng)注意教學(xué)方法和教學(xué)手段的使用。比如：在講解輻射度學(xué)和光度學(xué)基本物理量時，可采取比較式教學(xué)方法；講解激光原理時，可采用討論式和演示法教學(xué)，制作動畫描述自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射的原理，引導(dǎo)學(xué)生理解激光如何產(chǎn)生；講解典型激光器時，可采用演示式教學(xué)，收集實(shí)物照片展示并利用實(shí)驗室激光器進(jìn)行實(shí)物結(jié)構(gòu)介紹等。另外，在學(xué)生已學(xué)電磁場與電磁波課程的基礎(chǔ)上，可對電磁波基本理論這節(jié)知識進(jìn)行刪減，以節(jié)約課時，避免知識點(diǎn)重復(fù)講解。

光輻射傳播主要教學(xué)內(nèi)容包括光波在大氣中、電光晶體、聲光晶體、磁光晶體、光纖波導(dǎo)中的傳播規(guī)律與特性等。這部分教學(xué)內(nèi)容涉及多種物理效應(yīng)，包括電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)等，內(nèi)容比較復(fù)雜，學(xué)生難學(xué)難懂。教學(xué)過程采用演示式，制作PPT教案時要盡可能使用圖片或動畫描述一些原理性的知識，并且補(bǔ)充晶體光學(xué)知識輔助學(xué)生充分理解這些知識點(diǎn)[3]。

光束調(diào)制和掃描技術(shù)的理論教學(xué)內(nèi)容包括：光束調(diào)制的基本原理，電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制及直接調(diào)制技術(shù)，光束機(jī)械掃描、光束電光掃描及光束聲光掃描技術(shù)，空間光調(diào)制器等。光束調(diào)制和掃描技術(shù)除需要各種光學(xué)晶體以外，還需要半波片、全波片、起偏器、檢偏器共同組成一個完整系統(tǒng)，以完成光束的調(diào)制和掃描功能。因此在授課過程中需回顧工程光學(xué)課程中偏振光學(xué)的知識點(diǎn)，采用演示法教學(xué)，利用動畫或圖片等多媒體教學(xué)手段形象地描繪線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光等基本光學(xué)概念[3]，幫助學(xué)生深刻理解光束的調(diào)制、掃描技術(shù)。

光輻射探測技術(shù)是本課程理論教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)，內(nèi)容包括光電探測的物理效應(yīng)和性能參數(shù)，光電探測器的噪聲，各種探測器件（光電導(dǎo)探測器、硅光探測器、光電二極管、光熱探測器等）以及直接光電探測系統(tǒng)和光頻外差探測的基本原理等。由于該部分所介紹的各種光電半導(dǎo)體器件學(xué)生將來從事光電信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的相關(guān)工作可能用到，因此在理論教學(xué)過程中，除采用演示式教學(xué)，結(jié)合圖片等多媒體教學(xué)手段介紹相關(guān)光電子器件的工作原理外，還應(yīng)采用實(shí)踐式教學(xué)法，利用實(shí)驗室光電子器件的實(shí)物，向?qū)W生展示并結(jié)合實(shí)驗內(nèi)容動手操作，以便學(xué)生有更好的感官認(rèn)識。

光電成像主要理論教學(xué)內(nèi)容是固體攝像器件的基本原理、光電成像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及紅外成像系統(tǒng)的基本原理；而光電顯示技術(shù)主要包括陰極射線管、液晶顯示、等離子體顯示、電致發(fā)光顯示等。其中部分成像和顯示技術(shù)的應(yīng)用已很廣泛和成熟，可以采用演示式和比較式教學(xué)法重點(diǎn)講解，以便學(xué)生掌握成熟的技術(shù)；另外可以采用撰寫調(diào)查研究報告的教學(xué)方式，讓學(xué)生了解當(dāng)今光電成像和顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢，有益于學(xué)生開拓思路，進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造性學(xué)習(xí)。

二、實(shí)驗教學(xué)探索

由于光電子技術(shù)的原理和規(guī)律比較抽象難懂，為使教學(xué)內(nèi)容形象生動而同時兼具科學(xué)性，一般該課程配套有實(shí)踐環(huán)節(jié)：光電子技術(shù)實(shí)驗。通過實(shí)驗教學(xué)能夠培養(yǎng)學(xué)生的分析解決問題的能力、理論聯(lián)系實(shí)際的能力以及創(chuàng)新能力。

現(xiàn)在很多高校開設(shè)的光電子技術(shù)課程實(shí)驗內(nèi)容相對應(yīng)的實(shí)驗儀器為集成式實(shí)驗箱，其中光電器件是固定在實(shí)驗箱上的集成模塊中，只要按照實(shí)驗指導(dǎo)書的要求進(jìn)行連線并按下開關(guān)即可進(jìn)行實(shí)驗。這一類實(shí)驗基本屬于驗證性實(shí)驗，可讓學(xué)生鞏固理論教學(xué)知識，但缺點(diǎn)是不利于學(xué)生理解實(shí)驗內(nèi)容，且學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力受限。因此為加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，能夠從多角度、多方位、多層次、多途徑啟迪學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣[4]，充分發(fā)揮學(xué)生的研究能力、創(chuàng)新能力，需配套開設(shè)綜合性、設(shè)計性實(shí)驗，如表1。

光源及探測是光學(xué)系統(tǒng)最基礎(chǔ)和重要的兩個組成部分，驗證性實(shí)驗主要針對光源及探測元件的特性進(jìn)行測試。LD、LED的 V-I 特性曲線測試旨在讓學(xué)生了解半導(dǎo)體激光器的基本工作原理并掌握其使用方法以及 LED 發(fā)光二極管的基本工作特性，測量得出 LD 半導(dǎo)體激光器電壓-電流（V-I）特性曲線以及 LED 發(fā)光二極管的電壓-電流（V-I）特性曲線，測試表格設(shè)計如表2所示。光敏電阻特性測量實(shí)驗旨在讓學(xué)生了解光敏電阻探測元件的工作原理和使用方法，測量得出光敏電阻的光電、伏安、光譜及時間響應(yīng)特性。硅光電池（光伏）特性測量實(shí)驗旨在讓學(xué)生了解光電池的工作原理及使用方法，測量得出光電池的光照、伏安、光譜及時間響應(yīng)特性。

綜合性實(shí)驗可運(yùn)用光電子實(shí)驗箱平臺，利用其提供的多種光電器件的應(yīng)用模塊，認(rèn)識相應(yīng)的光電設(shè)計電路原理。如光電導(dǎo)/光電結(jié)綜合實(shí)驗，借助光控開關(guān)電路及光照度計電路，認(rèn)識光敏電阻及光電池在電路中的應(yīng)用原理；電光調(diào)制綜合實(shí)驗，利用電光調(diào)制實(shí)驗裝置，掌握晶體電光調(diào)制的原理和實(shí)驗方法，可測量晶體的半波電壓，繪制晶體特性曲線等；脈沖 Nd3+：YAG 激光器綜合實(shí)驗，可掌握激光形成機(jī)理，掌握調(diào)Q、倍頻技術(shù)等。另外，教師通過演示式教學(xué)，讓學(xué)生認(rèn)識整個設(shè)計電路的原理，為后續(xù)設(shè)計性實(shí)驗做好充分準(zhǔn)備。

設(shè)計性實(shí)驗運(yùn)用光電子技術(shù)實(shí)驗平臺提供的電子元器件以及配備的電源接口等，學(xué)生根據(jù)教師提供的設(shè)計課題進(jìn)行電路設(shè)計并制作。學(xué)生首先需要根據(jù)課題進(jìn)行基礎(chǔ)調(diào)研，了解選題的知識背景，然后再進(jìn)行方案設(shè)計及制作。由于教師沒有提供具體的設(shè)計方案，可引導(dǎo)學(xué)生利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫等資料去獲取所需知識，構(gòu)建出自己的設(shè)計方案雛形。這個過程驅(qū)使學(xué)生發(fā)揮出獨(dú)立思考的能力去收集各種資料，加深了理解和鞏固課堂上的理論知識，提高動手動腦能力及創(chuàng)新意識。如光電報警系統(tǒng)設(shè)計實(shí)驗，學(xué)生需收集相關(guān)傳統(tǒng)報警器資料，分析傳統(tǒng)報警器特點(diǎn)，設(shè)計出一款簡單實(shí)用且克服傳統(tǒng)報警器缺點(diǎn)的光電式報警器。學(xué)生需要完成分析資料、設(shè)計方案、方案論證、設(shè)計制作以及電路調(diào)試等過程，這充分調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

另外，在實(shí)驗教學(xué)過程中，教師需根據(jù)學(xué)生實(shí)驗操作過程給出過程性評價，及時記錄學(xué)生每個過程表現(xiàn)，準(zhǔn)確掌握學(xué)生實(shí)驗具體情況，避免實(shí)驗失誤。評定內(nèi)容及評定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計如表3。

三、結(jié)束語

現(xiàn)代光電學(xué)科領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對人才工程實(shí)踐和創(chuàng)新素質(zhì)要求在不斷提高。適應(yīng)發(fā)展需求，提高教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，是光電子技術(shù)課程教學(xué)改革的重點(diǎn)。該課程教學(xué)內(nèi)容多，涉及的知識面較廣，培養(yǎng)學(xué)生既全面、系統(tǒng)地掌握光電子技術(shù)相關(guān)知識和基本原理，又鍛煉實(shí)際動手能力，需要采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和手段把理論和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)他們靈活運(yùn)用所學(xué)知識，為今后從事光通信、光信息處理、光傳感等方面的研究開發(fā)工作提供必要的基礎(chǔ)知識和工程實(shí)踐能力。

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