光電子技術課程的理論與實驗教學探索

李小燕 陳悅華 張禹

摘 要：光電子技術是光電信息科學與工程專業的核心課程，對學生掌握光電子基礎知識，熟悉基本的光電子器件、系統及其應用具有重要意義。通過分析光電子技術課程的教學內容，探討了理論與實驗的教學方法和手段，致力于起到激發學生學習熱情，提高學生專業創新思維，增強教學效果的目的。

關鍵詞：光電子技術；教學方法；教學手段

中圖分類號：G642 文獻標志碼：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

隨著現代信息技術的發展，光子作為信息和能量的載體，以其獨特的優點（具有極快的響應速度、極大的頻寬、信息容量和極高的信息效率）推動了信息科學技術的發展，具有越來越大的競爭力，光電信息產業在市場的份額逐年增加。隨著光電產業的持續發展，社會對光電相關技術人才的需求在不斷增長。為適應這一需求，許多高校開設了光電信息科學與工程等相關專業，培養具有光電信息知識背景的科技人才。

而“光電子技術”課程作為光電信息科學與工程專業的一門專業基礎課，從了解光電子技術的發展歷史和應用開始，以光學系統整體為主線，內容包括光源、傳輸、調制、探測、成像、顯示和存儲，引導學生系統、全面的學習光電子技術。該課程涉及光學、電磁場與電磁波、激光原理、半導體物理以及電子電路等多學科知識，知識面寬，造成學生的學習困難。因此，在光電子技術課程教學過程中，對教學內容進行適當取舍，并采用適合的教學手段與方法，可一定程度提高課程的教學質量，激發學生學習熱情，提高學生專業創新思維，增強教學效果。

以下從課程內容、教學方法和手段等方面探索光電子技術課程的理論和實驗教學思路與實踐。

一、理論教學探索

光電子技術課程是以整個光學系統為授課主線，如圖1所示。課程內容包括光輻射基本知識、光輻射傳播、光束調制、光輻射探測、成像、顯示技術等，其特點是知識面廣，數學要求高，物理概念抽象，理論多且復雜，學生學習時易有畏難情緒。為了激發學生理論基礎知識的學習興趣，培養學生探究性學習素養，啟迪學生創新思維，促進學生知識拓展應用能力，多種教學方法在教學過程中的有機結合運用，如討論式教學、演示式教學、比較式教學、問答式教學及實踐式教學等，能夠使抽象的概念形象化，復雜的理論簡單化，提高教學效果。

光輻射基本知識是本課程授課的基礎知識點，包括輻射度學和光度學基本物理量、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]。這部分教學內容涉及多個基本物理概念，內容比較抽象，學生不易理解和掌握。為了便于學生對基礎概念理解和激發他們的學習興趣，除了在課堂上多花時間重點講解這部分的知識點，應注意教學方法和教學手段的使用。比如：在講解輻射度學和光度學基本物理量時，可采取比較式教學方法；講解激光原理時，可采用討論式和演示法教學，制作動畫描述自發輻射、受激吸收、受激輻射的原理，引導學生理解激光如何產生；講解典型激光器時，可采用演示式教學，收集實物照片展示并利用實驗室激光器進行實物結構介紹等。另外，在學生已學電磁場與電磁波課程的基礎上，可對電磁波基本理論這節知識進行刪減，以節約課時，避免知識點重復講解。

光輻射傳播主要教學內容包括光波在大氣中、電光晶體、聲光晶體、磁光晶體、光纖波導中的傳播規律與特性等。這部分教學內容涉及多種物理效應，包括電光效應、聲光效應、磁光效應等，內容比較復雜，學生難學難懂。教學過程采用演示式，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，并且補充晶體光學知識輔助學生充分理解這些知識點[3]。

光束調制和掃描技術的理論教學內容包括：光束調制的基本原理，電光調制、聲光調制、磁光調制及直接調制技術，光束機械掃描、光束電光掃描及光束聲光掃描技術，空間光調制器等。光束調制和掃描技術除需要各種光學晶體以外，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，以完成光束的調制和掃描功能。因此在授課過程中需回顧工程光學課程中偏振光學的知識點，采用演示法教學，利用動畫或圖片等多媒體教學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概念[3]，幫助學生深刻理解光束的調制、掃描技術。

光輻射探測技術是本課程理論教學內容的重點，內容包括光電探測的物理效應和性能參數，光電探測器的噪聲，各種探測器件（光電導探測器、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體器件學生將來從事光電信息產業技術的相關工作可能用到，因此在理論教學過程中，除采用演示式教學，結合圖片等多媒體教學手段介紹相關光電子器件的工作原理外，還應采用實踐式教學法，利用實驗室光電子器件的實物，向學生展示并結合實驗內容動手操作，以便學生有更好的感官認識。

光電成像主要理論教學內容是固體攝像器件的基本原理、光電成像系統的基本結構及紅外成像系統的基本原理；而光電顯示技術主要包括陰極射線管、液晶顯示、等離子體顯示、電致發光顯示等。其中部分成像和顯示技術的應用已很廣泛和成熟，可以采用演示式和比較式教學法重點講解，以便學生掌握成熟的技術；另外可以采用撰寫調查研究報告的教學方式，讓學生了解當今光電成像和顯示技術的發展趨勢，有益于學生開拓思路，進行發現、創造性學習。

二、實驗教學探索

由于光電子技術的原理和規律比較抽象難懂，為使教學內容形象生動而同時兼具科學性，一般該課程配套有實踐環節：光電子技術實驗。通過實驗教學能夠培養學生的分析解決問題的能力、理論聯系實際的能力以及創新能力。

現在很多高校開設的光電子技術課程實驗內容相對應的實驗儀器為集成式實驗箱，其中光電器件是固定在實驗箱上的集成模塊中，只要按照實驗指導書的要求進行連線并按下開關即可進行實驗。這一類實驗基本屬于驗證性實驗，可讓學生鞏固理論教學知識，但缺點是不利于學生理解實驗內容，且學生的創新思維和創新能力受限。因此為加強實踐教學，能夠從多角度、多方位、多層次、多途徑啟迪學生思維，激發學生對課程的學習興趣[4]，充分發揮學生的研究能力、創新能力，需配套開設綜合性、設計性實驗，如表1。

光源及探測是光學系統最基礎和重要的兩個組成部分，驗證性實驗主要針對光源及探測元件的特性進行測試。LD、LED的 V-I 特性曲線測試旨在讓學生了解半導體激光器的基本工作原理并掌握其使用方法以及 LED 發光二極管的基本工作特性，測量得出 LD 半導體激光器電壓-電流（V-I）特性曲線以及 LED 發光二極管的電壓-電流（V-I）特性曲線，測試表格設計如表2所示。光敏電阻特性測量實驗旨在讓學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、光譜及時間響應特性。硅光電池（光伏）特性測量實驗旨在讓學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、光譜及時間響應特性。

綜合性實驗可運用光電子實驗箱平臺，利用其提供的多種光電器件的應用模塊，認識相應的光電設計電路原理。如光電導/光電結綜合實驗，借助光控開關電路及光照度計電路，認識光敏電阻及光電池在電路中的應用原理；電光調制綜合實驗，利用電光調制實驗裝置，掌握晶體電光調制的原理和實驗方法，可測量晶體的半波電壓，繪制晶體特性曲線等；脈沖 Nd3+：YAG 激光器綜合實驗，可掌握激光形成機理，掌握調Q、倍頻技術等。另外，教師通過演示式教學，讓學生認識整個設計電路的原理，為后續設計性實驗做好充分準備。

設計性實驗運用光電子技術實驗平臺提供的電子元器件以及配備的電源接口等，學生根據教師提供的設計課題進行電路設計并制作。學生首先需要根據課題進行基礎調研，了解選題的知識背景，然后再進行方案設計及制作。由于教師沒有提供具體的設計方案，可引導學生利用圖書館、網絡、文獻數據庫等資料去獲取所需知識，構建出自己的設計方案雛形。這個過程驅使學生發揮出獨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新意識。如光電報警系統設計實驗，學生需收集相關傳統報警器資料，分析傳統報警器特點，設計出一款簡單實用且克服傳統報警器缺點的光電式報警器。學生需要完成分析資料、設計方案、方案論證、設計制作以及電路調試等過程，這充分調動了學生的主觀能動性，提高了學生的學習興趣。

另外，在實驗教學過程中，教師需根據學生實驗操作過程給出過程性評價，及時記錄學生每個過程表現，準確掌握學生實驗具體情況，避免實驗失誤。評定內容及評定標準設計如表3。

三、結束語

現代光電學科領域的迅速發展，對人才工程實踐和創新素質要求在不斷提高。適應發展需求，提高教學效果，培養學生的工程實踐能力，是光電子技術課程教學改革的重點。該課程教學內容多，涉及的知識面較廣，培養學生既全面、系統地掌握光電子技術相關知識和基本原理，又鍛煉實際動手能力，需要采用恰當的教學方法和手段把理論和實踐教學內容有機結合，培養他們靈活運用所學知識，為今后從事光通信、光信息處理、光傳感等方面的研究開發工作提供必要的基礎知識和工程實踐能力。

參考文獻：

[1]安毓英.光電子技術（第3版）[M].北京：電子工業出版，2011.

[2]黃德修.半導體光電子學（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2013.

[3]葉莉華，崔一平，胡國華.“光電子技術“課程教改探索[J].電氣電子教學學報，2007，29（2）：10-12.

[4]牟海維，孫鑒，張勇，等.“光電子技術基礎”課程教學的研究與實踐[J].長春理工大學學報，2010，5（10）：97-98.

[5]胡安鐸，薛亮，李高芳.光電子技術課程教學探索[J].高教學刊，2015（24）：76+78.

[6]曾振武，肖榮輝.“321”互動課堂教學模式的構建與實踐——以《光電子技術基礎》課程為例[J].高教學刊，2015（10）：75-76.