启迪思维点石成金

启迪思维点石成金——“光电子学”课程

刘　旭　葛剑虹
光电信息工程学系

一、课程简介

1.课程类别

专业课程

2.学科类别

工学—光学工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:随着信息技术的发展，人类进入信息时代。光子与电子一起成为信息的基本载体，因此驾驭光与电子的科学理论与技术成为信息社会的关键知识之一，它是认识信息载体的行为、制备各种信息器件以及构造系统应用的基础。本课程是现代光学理论的基本组成部分，是一门研究处理光电信息的产生、传输、探测、获取、显示、存储与处理的基础学科。本课程将给予学生在光电子学领域的专业教育与训练，通过物理概念和应用实例的介绍，以及课后的实践教学，培养学生综合分析问题、解决问题和动手的能力，为将来从事光电技术领域的科研、开发和应用工作奠定知识的基础。

（2）教学内容:本课程系统和全面地阐述了光电子学的基本原理、基本概念，内容包括半导体物理、激光原理和技术、波导理论和非线性光学四个模块。半导体物理包括半导体光学性质、发光二极管、半导体激光器等；激光原理和技术包括高斯光学、谐振腔理论、激光振荡和放大原理及特性、典型激光器、光辐射调制等。波导理论主要介绍导波光学和光纤光学等基本概念。非线性光学主要介绍非线性极化概念、非线性光学材料特性、耦合波理论、一阶及二阶非线性效应。

4.教学对象

大三学生；每年开设3个教学班，每班人数40人左右，采用小班化教学。

5.课程学时与教学场景

（1）课程时数:课堂教学40学时，实验教学16学时。

（2）教学场景:课堂教学在多媒体教室，实验教学在系实验中心。

二、课程教学重点解决的问题

本课程全面阐述了光电子学的基本原理、基本概念及基本技术，涵盖的领域较广，知识点多且分散，相关的物理概念丰富，推导计算较多。因此，本课程教学重点是要给学生一个清楚的思路，并且在讲解原理概念的同时，讲授与其相关的技术应用，避免理论与实践的脱节，并通过案例教学法让学生能够做到活学活用。

（1）讲解概念时采用深入浅出的办法，举例说明物理含义，集中上几次习题课，通过习题讲解帮助学生理解理论。

（2）在讲解高斯光束与谐振腔、能级理论、激光原理、半导体物理、非线性光学等原理性内容时要讲清楚各个知识点的物理含义，包括公式的物理意义及来龙去脉，避免学生陷在一堆公式里。

（3）在讲解半导体光器件、光电探测器、光的调制技术与器件、光通讯器件、光显示与存储等内容时要引入现在最新的科技发展成果及应用实例，使学生在了解光电子学原理的基础上，能够掌握和应用相关的技术，开阔视野，培养创新意识，做到活学活用。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

本课程采用“启发式教学、师生同台讲课、自行设计实验、参加光电竞赛”四位一体的教学方法。

（1）启发式教学:在教师的具体指导下，充分发挥学生的主体作用，通过教师提问、学生自主思考来获取知识，把学习的主动权还给学生。教师进行示范性讲授，启发思维，解疑析难。

（2）师生同台讲课:学生课前查阅与课程知识点有关的前沿技术文献资料，并制作成PPT，在教师讲授完知识点后留出10～15分钟，由学生上台讲述相关的技术应用案例。通过这样的案例教学法，加深学生对课程知识点的理解和掌握，提高了课程内容的生动性，拓宽了学生的知识面，激发了学生的上课热情。

（3）自行设计实验:现有的实验教学多为验证型实验，这样学生在做实验前已知实验结果，整个实验过程缺乏创造性思维，仅是一个验证过程。因此，我们增加了需要学生自主设计的实验，提供给学生相应的实验器材，学生根据要求自行设计和搭建不同类型的光路来验证相关的知识点。

（4）参加光电竞赛:组织学生参加校系乃至全国的大学生光电设计大赛，学生自由组队，每个任课教师担任指导教师。学生以小组为单位根据竞赛主题的要求提出设计思想，进行方案设计，并进行可行性论证，形成设计方案；之后将参赛方案送给6位专家初审排名，并进行参赛方案获得实物资助与否的现场答辩，获得资助的队伍将在任课老师的指导下按方案实施并完成作品的制作。

2.具体实施方法举例

（1）激光放大原理:引导学生思考为什么能产生激光？有几个要素？提出光放大的物理机制，以二能级系统为例讲解如何实现光放大，并引出速率方程理论，让学生基于上述这些问题来自主思考三能级及四能级系统如何实现光放大，并讨论如何通过速率方程来求解。（启发式教学）

（2）激光放大器类型及特点:学生预先查阅跟激光放大器有关的文献资料，包括激光放大器的类型及应用实例等最新研究成果，并归纳制作成PPT，在老师讲解完激光放大的原理之后，由学生上台讲述他们查阅到的最新的有关激光放大器的技术应用实例及最新的发展成果，学生可提问和展开讨论，既增加了课程的趣味性，又加深了学生对课程内容的理解。（启发式教学、师生同台讲课）

（3）微纳光学技术:部分已进入实验室开始专题研究的学生，会接触到与本课程相关领域的最新研究进展，比如有学生通过科研Family团队的形式在光电子所微纳光学小组研究学习，研究如何制作微纳光纤，有何特点和新奇的应用，可通过在课堂上做专题报告的机会把自己的研究成果和心得体会跟其他学生分享，把自己遇到的问题提出来和其他学生讨论，从而获得启发。对于其他学生而言，也可以加深对所学专业的了解，激发科研创新的兴趣。（启发式教学、师生同台讲课）

（4）Nd:YVO4激光器的搭建及倍频实验。提供给学生的实验器材有半导体泵浦源、导轨、激光晶体、倍频晶体、谐振腔镜、不同类型的输出镜等。学生自行设计和搭建不同类型的谐振腔，可获得激光输出，并可改变通过腔长和腔型来验证课程中有关稳定腔、稳定条件及非线性频率变换等知识点。该实验让学生学习固体激光器的搭建，了解不同腔型、不同温度下激光输出功率的差异；了解光在非线性材料中的非线性极化及倍频过程中的有效非线性系数计算；验证倍频过程中的角度相位匹配、温度相位匹配方法；熟悉激光倍频晶体的调节及倍频效率的测量。（自行设计实验）

（5）液晶电光调制及性能测试实验。提供给学生的实验器材有激光器、起偏镜、检偏镜、液晶盒、反射镜、偏振分束镜、波形发生器、光电探测器等。学生自行设计和搭建液晶电光调制和测试光路，观察液晶电光调制现象，并测量液晶的电光调制曲线、响应速度等。该实验让学生了解液晶的电光调制原理、液晶的偏振调制性能以及液晶作为光强调制器的实现方法；验证透射工作模式和反射工作模式下液晶扭曲角的差异性；并对液晶显示中的液晶响应速度和视角等性能等有一个直观的理解。（自行设计实验）

（6）在光电竞赛的过程中，每一位任课老师都给予参赛小组全程的指导。譬如，对于激光监听这个题目，在激光器的选择方面，到底是采用光斑质量较好但价格昂贵的气体激光器，还是采用光斑质量一般但廉价易得的半导体激光器，老师利用自己的经验给学生提建议；针对pin管、光电三极管、硅光电池的选取，就几种常见的光电探测器件给学生逐一分析，为参赛同学拓宽了视野，清晰了思路，从而可以做出正确的选择；在音频信号AD转换与后期算法方面，给学生讲解数字滤波和互相关时延算法等。总之，在学生困惑的关键点给予建议和指导，让他们通过这个过程培养解决问题的能力。（参加光电竞赛）

3.教学方法特点分析

本课程为专业基础课程和主干课程。培养高素质的创新型人才是本课程的教学理念，因此课程教学注重理论联系实际，注重对学生学习能力的培养。具体来说，该教学方法有以下特点:

（1）教学与科研紧密结合。学生通过以SRTP或科研Family团队的形式进入各研究小组参与科研项目、参加大学生光电竞赛、课后查阅文献归纳新技术和新应用等多种形式开展科研活动，并把参加这些科研活动的成果和体会通过课堂小报告与其他学生交流研讨，这个过程让他们了解了科研并培养了独立科研能力。在整个教学活动中突出了科研地位，以科研活动达到提高教育质量的目的。

（2）增进师生交流，密切师生关系。在以往的传授式教学中，师生之间缺乏必要的沟通，基本是一言堂。采用启发式教学法后，教师从“独唱演员”变成了“导演”，学生从消极的“听众”变成了“演员”，师生之间的交流和互动大大加强。整个教学过程变为学生基于问题的学习，围绕问题展开，以问题的提出开始，以问题的解决结束，将研究与讨论贯穿于教学活动的始终。

（3）在实践教学中培养学生多方面的能力，提高学生的综合素质。课程增加自行设计实验、学生参与科研及参加竞赛，这些教学措施都使得学生的综合分析、解决问题和动手的能力得到培养，为将来从事光电技术领域的科研、开发和应用工作奠定了基础。

（4）兼顾知识、能力、素质的协调发展，注重能力的培养与素质的提高。教学过程是作为主体的学生在教师的帮助和指导下自主探索、合作研讨、相互沟通、解决问题的过程。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

课程的总评成绩组成为:课堂讨论的参与度与出勤率（10%）、前沿技术课堂报告（10%）、平时作业（10%）、实验（20%）、期末闭卷考试（50%）、光电竞赛（加分）。

2.支撑手段

本课程教学方法的实施需要有以下条件支撑:

（1）需要小班教学（班级规模在40人左右）。无论是启发式教学、习题课还是师生同台讲课都需要每个学生的参与，如果教学班学生人数过多将难以保证课堂研讨的质量和效果。

（2）需要任课老师指导学生参加光电竞赛。校光电竞赛开始的时间为每年的3月，刚好与学生上本课程的时间符合，学生自由组队，任课教师担任指导老师。整个参赛过程从方案论证到实施都需要任课老师的指导。

（3）有相应的课程网站，包括丰富的教学资源，比如教学大纲及知识点、课件、例题详解、习题库、光电百科（前沿技术应用实例）等栏目，便于学生课后自学。

可参见本课程网址:http://opt.zju.edu.cn/optelec/。

（4）自行设计实验需要任课老师先规划可能的实验方案，并准备各类可能用到的实验器材，给出相应的实验指导书。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

本课程的教学方法改革自2009年秋季学期开始实施。目前进行了3届学生实验，涉及近300名学生。改革效果良好，获得了学生很好的评价。典型评价有:

“光电子学这门课程打破了大学里上百人授课的常规模式，采用了40多人的小班化教学方式，6位老师负责3个班级，最大可能地满足了每一个同学在这门课程中的需求。”

“这门课内容深奥，但是课上老师以浅显的语言讲述知识，课下老师和助教也及时回应同学们的提问，并鼓励互相讨论，使我们在一次次提出疑问、得到解答、初步理解、深入讨论后真正明白了书中的知识。更重要的是，在学长们的帮助和解答下，我们除了阅读课本外，还通过英文原版教材及相关文献的查阅，加深了对知识的理解。这门课让我有了扎扎实实学到知识的踏实感，也让我有了学习更深入内容的动力。”

“从课程伊始，老师就布置了以光电知识为背景的创意设计题目。学生们通过在课程学习中不断积累知识来不断构思自己的创意。老师反复审核学生的创意设计论文并提出修改意见。在师生的共同努力下，以光电创意设计为内容的课堂演讲取得圆满成功。”

“光电子学这门课程的内容比我之前想得更加丰富多彩，在这门课程中，大家通过光电百科投稿的方式发掘光电世界的美妙，并针对一个小小的专题进行查找文献，然后尝试着去研究，得出自己的结论。光电百科投稿，不仅让我收获了知识，而且教会了平时的课程也常常包涵创新思维。”

“光电子学的课后作业量不多，但是都很具有代表性，同学们在课后的讨论也非常积极，这种讨论给我们带来了极大的收获。大家往往带着问题上课，老师们也会针对大家提出的问题进行详细讲解，所以能牢牢抓住大家的注意力，引领同学们去思考，进而形成自己对这门课程独特的理解，这是其他大三专业课程所没有的。”

“通过半年的光电子学课程学习，我最大的收益不是一个不错的成绩，而是在课程学习的过程中更进一步地认识到大学的学习中，光理解和运用前人的智慧是不够的，更重要的是学会主动提出新的想法，培养属于自己的创新意识。我认为，这或许才是光电子学带给我最大的成长和收益吧。”

“……从报名参赛时的茫然无知，到查阅文献时的手足无措，再到自学Altium Designer和Labview，将图纸发给商家订做PCB，最终搭建起一套完整的监听定位系统，学到的知识远远大于参赛的重要性。从车模、舵机的选择，到激光、摄像头的使用，再到单片机编程和现场调试，无一不提升着大家的能力……”

2.推广性分析

本课程教学方法的改革既具有光电子学课程的特色，同时又兼具一般理工类课程适用的普遍性，因此对于其他课程的教学方法改革也具有一定的借鉴意义。

近两年在实施教学方法改革的同时，既提高了教学效果，激发了学生的求知欲，培养了学生的创新意识，又促使全体课程组的老师也不断学习和进行教学研究。自2001年以来共发表了教学论文近20篇，并获得多次教学奖励。同时在全体课程组老师的努力下还完成了《光电子学》教材的编著，将于2013年由浙江大学出版社出版，并将争取列入国家的十二五规划教材。

六、课程教材及实验参考书

［1］Bahaa E A Saleh，Malvin Carl Teich.Fundamentals of Photonics.第二版.美国:John Wiley＆Sons，Inc.，2004.

［2］辅助教材:光电子学，自编讲义.

［3］实验参考书:光电子学实验指导书，自编讲义.