光電技術(shù)綜合性研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

劉惠蘭，王聰昊

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

0 引言

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課，教師由于時(shí)間限制或怕學(xué)生損壞儀器，會(huì)仔細(xì)講解，有些關(guān)鍵地方會(huì)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)。因此學(xué)生處于被動(dòng)模仿的學(xué)習(xí)狀態(tài)，教學(xué)效果一般。常見的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，雖然可以在鞏固知識(shí)方面有很大作用，但內(nèi)容局限，不利于激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)興趣。綜合性實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn)是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的有效方式，近年來越來越多地得到高校和教師的重視[1-4]。

綜合性實(shí)驗(yàn)旨在綜合運(yùn)用多方面知識(shí)和方法解決問題，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能，提高分析和解決問題的能力[5]。研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不僅重視知識(shí)的開放性，更重視倡導(dǎo)學(xué)生的主體地位。教學(xué)成為師生、生生普遍交往互動(dòng)下的、持續(xù)的、積極的對(duì)話，教師更要在重視學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和功能的同時(shí)在教學(xué)中致力開發(fā)學(xué)生的潛能[6]。

綜合性、研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須有足夠的教學(xué)時(shí)間，因此最好的方式是設(shè)置專門的實(shí)驗(yàn)課程。我學(xué)院針對(duì)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)方向，設(shè)置了專業(yè)實(shí)驗(yàn)課“光電技術(shù)綜合性研究型實(shí)驗(yàn)”，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索和實(shí)踐。通過幾個(gè)輪次的教學(xué)實(shí)踐，取得了良好的效果。

1 綜合性研究型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)開發(fā)

綜合性研究型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置需要教師進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)，可以整合相關(guān)理論教學(xué)內(nèi)容，引進(jìn)與生活密切相關(guān)的新技術(shù)、新應(yīng)用，引起學(xué)生濃厚的興趣，更重要的是通過實(shí)驗(yàn)問題的設(shè)置，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)研究方法，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，有利于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

在“光電技術(shù)綜合性研究型實(shí)驗(yàn)”課程中，設(shè)置幾項(xiàng)綜合性實(shí)驗(yàn)研究題目，要求學(xué)生以項(xiàng)目、課題的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，學(xué)生在項(xiàng)目要求的引導(dǎo)下對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入研究和探討。量糖計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)就是其中的一項(xiàng)研究項(xiàng)目。

光的偏振特性作為光波的重要波動(dòng)特性，被廣泛應(yīng)用于食品檢測(cè)[7]，醫(yī)學(xué)診斷[8]等領(lǐng)域。旋光現(xiàn)象是光的偏振理論中一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)。在之前的實(shí)驗(yàn)中是利用一片旋光晶體，通過測(cè)量偏振光的旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算其旋光系數(shù)。實(shí)驗(yàn)比較簡(jiǎn)單，屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，同學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)的印象也不深刻。我們嘗試在原有的偏振實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，將量糖計(jì)作為一種光電測(cè)量?jī)x器進(jìn)行研究。采用分立元件，由學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建及測(cè)試研究。此項(xiàng)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包含6項(xiàng)內(nèi)容：①測(cè)定激光器的偏振度②測(cè)定檢偏器的消光比；③測(cè)定糖溶液的濃度；④研究比旋光度與溫度的關(guān)系；⑤研究帶摻雜的糖溶液的旋光現(xiàn)象；⑥仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究半影法在測(cè)量中的作用。

其中前兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是對(duì)器件特性的測(cè)試，同時(shí)使得學(xué)生對(duì)偏振度和消光比這兩項(xiàng)重要的偏振參數(shù)有更深的了解。第③項(xiàng)是搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量功能。在其中要考慮容器是否會(huì)造成附加旋光，要進(jìn)行系統(tǒng)誤差的去除。第④項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是研究不同溫度下的葡萄糖試劑溶液的比旋光度的變化，研究測(cè)量參數(shù)受外界因素影響的變化規(guī)律。第⑤項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是觀察摻雜左旋物質(zhì)和非旋光性物質(zhì)的葡萄糖試劑溶液的旋光現(xiàn)象，觀察摻雜物質(zhì)對(duì)旋光的綜合影響。第⑥項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中加入半波片，將視場(chǎng)分為兩個(gè)部分，利用仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究半影法的測(cè)量原理和其對(duì)于測(cè)量精度提高的效果。開發(fā)設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容為實(shí)際工程技術(shù)問題，包含了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、器件特性研究、測(cè)量影響因素研究、誤差分析以及精度提高這樣一個(gè)完整的研究過程。通過研究?jī)?nèi)容的設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生了解科學(xué)研究的方法和過程，學(xué)生在研究過程中涉及方案設(shè)計(jì)、理論分析、系統(tǒng)搭建、光路調(diào)整、器件和軟件使用、誤差理論與數(shù)據(jù)處理、軟件編程分析等。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)具有綜合性、趣味性、研究型的特點(diǎn)。

2 教學(xué)方式探索

綜合性研究型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。我們采取模擬項(xiàng)目研究的形式，采用了基于問題的教學(xué)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、專題討論等教學(xué)方法。教師提出研究題目要求，給出研究題目說明及部分參考書目。以學(xué)生為主體，學(xué)生組成研究小組查找和閱讀相關(guān)資料、自行設(shè)計(jì)研究方案。經(jīng)過討論課和教師及小組間討論確定研究方案、實(shí)驗(yàn)方案等，然后學(xué)生自行進(jìn)行資料調(diào)研、實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和研究，以及研究結(jié)果的總結(jié)，最后采用報(bào)告宣講形式進(jìn)行交流。學(xué)生自主地進(jìn)行討論、思考和實(shí)踐。

教師全程把握方向指導(dǎo)，發(fā)揮導(dǎo)師的作用，尤其要體現(xiàn)在科學(xué)研究方法的指導(dǎo)上。教師針對(duì)學(xué)生提出的方案進(jìn)行引導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生更深一步的思考和完善。通過教師的引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性，對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面的科學(xué)研究訓(xùn)練，使學(xué)生能力逐步提高。教師提供學(xué)生的資料少，但需要教師對(duì)研究項(xiàng)目有深入的認(rèn)識(shí)，并且要能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)討論中學(xué)生提出的各種想法，給出適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和提示，這就對(duì)指導(dǎo)教師提出了更高的要求。

這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式還體現(xiàn)了教學(xué)的互動(dòng)和團(tuán)隊(duì)合作。教學(xué)的互動(dòng)體現(xiàn)在教師的引導(dǎo)、學(xué)生與教師的討論以及學(xué)生間的交流。團(tuán)隊(duì)合作體現(xiàn)在學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式開展項(xiàng)目研究，在團(tuán)隊(duì)中進(jìn)行分工合作。

通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，使得學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)掌握更加牢固，體會(huì)更加深刻；鍛煉他們發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、溝通能力和表達(dá)能力；培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新思維和科學(xué)素質(zhì)。有效支撐了《中國(guó)工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)》的畢業(yè)要求中對(duì)于工程知識(shí)、設(shè)計(jì)開發(fā)解決方案、研究、溝通等幾個(gè)指標(biāo)點(diǎn)。

3 學(xué)生自主研究效果

通過綜合性研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，可提升學(xué)生分析問題解決問題的能力。以下以半影法分析為例，介紹學(xué)生自主研究結(jié)果。

在葡萄糖濃度檢測(cè)中，采用傳統(tǒng)的起偏器加檢偏器結(jié)構(gòu)，在消光位置測(cè)量消光角時(shí)存在較大測(cè)量誤差。半影法的使用可以提高對(duì)旋光角度的測(cè)量精度，在糖溶液濃度測(cè)試中使用的旋光儀也采用了類似結(jié)構(gòu)，將條形半波片放置在視場(chǎng)中間形成三分視場(chǎng)，利用旋轉(zhuǎn)檢偏器過程中出現(xiàn)的同暗位置來確定旋光角度[9]。學(xué)生開展了對(duì)這種方法的理論分析研究工作。從理論角度對(duì)半影法的精度進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證半影法較傳統(tǒng)消光實(shí)驗(yàn)在角度測(cè)量上精確度的提高。

在線偏振光測(cè)定上，為了提高確定檢偏器方位的精度，可使用半影式檢偏器[10]。半影式檢偏器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在檢偏器M前增加半波片H，半波片只有下半部分，因此形成上下兩個(gè)視場(chǎng)。半影式檢偏器原理如圖2所示。ox，oy為半波片的快慢軸，檢偏器的透光軸選為OA，OA的垂線與x軸成θ角。假設(shè)待檢測(cè)線偏振光振動(dòng)方向?yàn)镺P1，與x軸夾角為θ′，為方便表達(dá)設(shè)檢偏器歸一化振幅為1。對(duì)于上視場(chǎng)而言，未經(jīng)過半波片，檢偏器輸出強(qiáng)度為

圖1 半影式檢偏器θ

圖2 半影式檢偏器原理

I1=sin2(-θ′)

(1)

對(duì)于下視場(chǎng)而言，線偏振光由于經(jīng)過半波片產(chǎn)生π奇數(shù)倍相位延遲，偏振光的振動(dòng)方向向著ox旋轉(zhuǎn)2θ′至OP2。檢偏器輸出強(qiáng)度為

I2=sin2(θ+θ′)

(2)

θ′的變化將導(dǎo)致I1與I2的變化，只有當(dāng)θ′=0的時(shí)候，此時(shí)兩視場(chǎng)上下亮度一致，光強(qiáng)相同。這種比較上下視場(chǎng)亮度的方法叫做半影法。半影法可減小角度的測(cè)量誤差，更加準(zhǔn)確找到消光位置。

檢偏器方向OA在旋轉(zhuǎn)360°的過程中，將產(chǎn)生4 個(gè)特殊的視場(chǎng)。當(dāng)檢偏器OA與OP2平行時(shí)，原理圖如圖3(a)，在視野中將觀察到，下面的部分較明亮，而上面的部分較暗，視場(chǎng)如圖4(a)所示。當(dāng)檢偏器方向OA與OP1平行時(shí)，原理圖如圖3(b)，在視野中可以看到，下面的部分較暗，而上面的部分較亮，視場(chǎng)如圖4(b)所示。當(dāng)OA與ox平行時(shí)，原理圖如圖3(c)。根據(jù)馬呂斯定律，OP1和OP2在OA方向分量相同，上下視場(chǎng)光強(qiáng)相同，獲得均勻明亮視場(chǎng)，視場(chǎng)如圖4(c)。當(dāng)OA與oy平行時(shí)，原理圖如圖3(d)。根據(jù)馬呂斯定律同理分析上下視場(chǎng)均處于較暗視場(chǎng)，視場(chǎng)如圖4(d)。

圖3 半影法光強(qiáng)變化原理圖

圖4 半影法光強(qiáng)變化結(jié)果

在利用半影法提高光接收器的精度時(shí)，待檢測(cè)線偏振光振動(dòng)方向與半波片快軸夾角θ^′的變化將影響兩部分視場(chǎng)光強(qiáng)曲線的相位差，進(jìn)而造成其差函數(shù)的變化率極值點(diǎn)的左右平移，最終會(huì)影響到提高光接收器的精度。使用matlab對(duì)角度θ′=30°，60°，90°，120°進(jìn)行仿真，如圖5所示。虛線代表探測(cè)器接收到的上下視場(chǎng)的光強(qiáng)值，實(shí)線表示為上下視場(chǎng)對(duì)應(yīng)光強(qiáng)的差值。隨著θ′角從0°～90°逐漸增加，差值曲線在上下視場(chǎng)光強(qiáng)曲線相等所對(duì)應(yīng)的角度處，斜率逐漸增加。斜率越高，檢偏器微小角度的變化越易被探測(cè)，旋光角度測(cè)量的精確度就會(huì)提高。在θ′=90°時(shí)，差值曲線在兩視場(chǎng)光強(qiáng)相等處斜率變化最明顯，此時(shí)半影法的精度最高。

(a)θ′= 30°

使用傳統(tǒng)的消光方法進(jìn)行消光角度測(cè)量時(shí)，在0.005閾值條件下，理論仿真獲得可分辨角度誤差為8.1096°。當(dāng)θ′=90°時(shí)，使用半影法獲得的理論可分辨角度誤差為0.288°。可見，采用半影法可有效提高旋光角度的測(cè)量精度。

學(xué)生通過仿真分析對(duì)比了傳統(tǒng)方法和半影法的可分辨角度誤差，從而認(rèn)識(shí)到半影法的優(yōu)勢(shì)和作用，體會(huì)到半影法的巧妙之處，同時(shí)掌握了仿真分析的研究方法，對(duì)仿真分析的作用有更加清晰的理解。

4 結(jié)語

通過設(shè)計(jì)開放式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，進(jìn)行綜合性研究型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開展教學(xué)方式的探索，以及對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究方法和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。通過教學(xué)實(shí)踐探索，使得學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)掌握更加牢固；鍛煉其實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、溝通能力和表達(dá)能力；提升他們的科研能力、創(chuàng)新思維和綜合素質(zhì)。