现代光学实验教学体系的研究与实践

王吉明，刘友文，赫崇君，杨雁南，张广斌，李香莲，丁 冰

(1.南京航空航天大学 理学院，南京 211106;2.青岛酒店管理职业技术学院 基础部，山东 青岛 266100)

现代光学实验教学体系的研究与实践

王吉明1，刘友文1，赫崇君1，杨雁南1，张广斌1，李香莲1，丁 冰2

(1.南京航空航天大学 理学院，南京 211106;2.青岛酒店管理职业技术学院 基础部，山东 青岛 266100)

针对高校光信息科学与技术及相关本科专业的现代光学实验教学，系统地阐述了现代光学特色化实验教学体系的建设理念。以南京航空航天大学现代光学实验室的建设和教学改革为例，探讨了现代光学实验教学体系的构建，对相关实验教学体系和实验室的建设有一定的借鉴意义。

现代光学实验；光信息科学与技术；实验教学体系；研究

现代光学的理论基础是麦克斯韦电磁场理论和爱因斯坦光量子理论。现代光学应用技术的发展是在20世纪60年代初激光器发明之后，由于激光本身的特性，决定了光子作为信息和能量载体的可能性，因此激光器技术、光信息处理、光通信与光传感技术、纳米及生物光子学技术等现代光学技术迅速发展起来[1]。相应地，以这些技术为基础的现代光学实验也正逐渐成为现今高校实验教学的重要组成部分。

光信息科学与技术专业是近年来在多所高校开设的一个新专业，主要学习光信息科学与技术的基本理论和技术，熟悉光学、电子学技术和计算机技术，进行科学实验与科学思维的训练。目前国内有四十多家高校开设了该专业，由于是新兴的专业，因此各个学校的教学侧重点、教学课程体系以及教学模式不尽相同。专业的建设大都处在发展与完善阶段，主要的教学改革目标集中在专业培养目标与培养方案设置、课程体系的改革规划、实践教学基地建设等方面[2_6]。其中，现代光学实验的教学体系建设是一个核心的问题，其关键在于实验内容建设和教学体系改革。我们以南京航空航天大学现代光学实验室的建设和教学改革为例，通过阐述建设理念和经验，探讨现代光学实验教学体系的建设途径。

1 现代光学实验教学体系的建设理念

现代光学实验教学体系建设之初，我校就确立了自己的建设思路。以学院现有的教学、科研资源为基础，以理学院应用物理系和物理实验中心为依托，以实验课程与实验内容建设为先导，以培养创新思维、训练学生实验技能和夯实学生现代光学理论与技术为目的，发挥研究性实验导向作用。根据已建设完成的实验，整合和利用物理实验中心相关实验教学资源，构建实验项目合理、受益学生面广、具有一定特色的专业兼顾公共的实验教学平台，推进实验教学模式的优化和学生培养质量的提高。同时通过构建网络化、智能化、系统化的实验教学模式，进行教学资源的共享，在我实验中心开放性实验教学网络平台上，构建具有先进教学理念的实验课程体系，提高实验室管理水平和实验教学水平，培养学生的科学思维能力和创新能力。

建设过程，以新增实验项目的开设为重点，对实验内容进行有效融合，结合应用物理系光学工程专业教师的研究方向，开设研究性实验，现代光学实验室教学平台建设完成后，目前已成为一门开放的、开设内容丰富、实验技术先进的实验课程。

建设过程中我们着重注意以下3个原则：

1.1 教研融合的原则

实验室建设以现代光学实验教学要求为基础，形成相对稳定的实验教学课程。以实验课程学习的形式来发挥平台在学生培养过程中的作用，达到提高学生的现代光学实验能力，培养学生的创新思维，拓展学生的创新视野的目的;在教学实验基础之上，尤其注重结合应用物理系光学工程各研究小组的科研项目，进行研究性实验和拓展性实验的开设，让学生在学习实验知识的同时，得到研究能力的培养，拓展了学生在光学工程领域的视野。

1.2 开放共享原则

课程体系的建设要充分体现开放性的原则。除完成光信息科学与技术专业本科生、光学与光学工程专业研究生的实验教学内容之外，还要能够支撑不同学科本科生、研究生的交叉选课，从而能够为全校的教学服务。

1.3 体现特色与水平原则

建设的着眼点应放在加强实验教学体系，提高学生的实验动手能力，了解和掌握现代光学先进的实验技术和实验手段上。同时，要在特色和水平上下工夫，鼓励学生开展开拓性与研究性实验项目。例如，使三维面形测量技术、调制相位精密检测技术、空间光调制器系列实验等部分实验项目，能够与科研项目交叉，进一步开拓新实验，对大学生创新项目、提供相关实验支持，对部分专业研究生提供部分实验支持。

2 现代光学实验教学体系的建设

在开设现代光学相关理论课程，如《激光原理与技术》《信息光学》《现代光学测量》等的基础上，各高校大都一并开设了现代光学相关实验。而各高校的现代光学实验教学内容又都不尽相同，主要可分为三类：(1)基础型。这种模式是偏重理学的培养模式，注重宽口径培养，加强光学基本理论的训练，实验项目设置注重光学基础的掌握与应用。培养的学生专业基础扎实，在光学与光学工程学术科研方面具有优势。(2)应用型。根据自身学科和研究方向优势，有重点地建设实验室并相应地设置实验教学计划，涉及方向如光电子器件设计与制造、激光加工与材料处理、光学系统设计和先进光电测试技术等。这类发展模式的特点是，实验室建设先进、完备，相应的实践基地建设较完善。(3)理工结合型。以物理学基础、光电子学基础、光信息应用技术基础并重培养的模式，对基础课程与专业课进行结构调整和课程整合，注重实验项目内涵，突出光信息科学与技术专业的特色。这类发展模式的优点是，在短时间内能有效利用现有实验资源，实验课程丰富且设置合理，培养的学生知识结构合理，同时具有创新的意识与创新的能力。根据实验室已有资源，结合理学院特点，我们现代光学实验室的教学平台建设与课程体系按照第三类理工结合的方式进行。

2.1 现代光学实验教学体系的建设

主要建设内容是，根据教学硬件条件和开放实验教学网络系统，建设与完善现代光学教学体系。建立了网上自选实验开放系统，进行开放性实验教学。建设过程中，从现代光学的核心理论概念与技术、学科发展前景出发，根据实验项目，对现代光学实验教学体系进行建设与完善，完成体系中的实验项目与相关实验学科方向内容的整合，有重点、有特色地在后续实验室建设计划中增置相关实验器材，发展与教学体系相关的实验项目，防止无目的、无计划、重复性及低端实验仪器及实验项目的建设。计划建立的教学内容和分类表格如图1所示。共五个系列的实验，这些实验系列分别代表了现代光学的各个分支和学科发展方向，各个系列均有多组实验。

图1 现代光学实验教学内容与分类

2.2 现代光学实验项目完善

实验教学平台建设的重点在新增实验教学内容、实验资源的整合性与开放性上，关键是新开实验项目与后续增加的实验项目的实验收益性。根据现有实验仪器，结合实验室新实验项目建设，我们对新开设实验的实验内容、实验教学模式及实验仪器的有效使用与运行进行了研究，对后续实验项目的开设进行管理与整合，对新实验、已有实验进行资源整合，将现代光学实验室发展成为一个开放的、共享的、先进的教学平台。以激光原理与技术系列实验为例，实验室原有脉冲固体激光器、气体He_Ne激光器两个实验，考虑到半导体激光器(LD)、发光二极管(LED)在现代光电技术中的广泛应用，增加了LD/LED输出特性测试实验;同时，为加强学生对激光光束调控的认识，增加了光束参数变换和测量实验，这些新旧实验项目构成了较完备的实验系统。光通信是现代光学技术很重要的一个应用方向，由于原实验室无光通信方面的实验，因此增加了光纤通信方面的实验项目。通过我们两年多的建设，根据以上的五个系列的现代光学光学教学内容，目前已有的教学实验项目如表1所示，每个系列与其中9项(加*)为近两年新增加的实验项目。

表1 现代光学实验项目

其中，第四个系列实验即先进光信息检测技术系列实验，是根据我们发展模式有所偏重建设的有特色和水平的实验项目。例如，考虑到偏振光学近年来在现代光学技术中的应用，我们增加了调制偏振光相位延迟测量实验，主要是根据根据补偿相位原理和电光调制原理进行相位延迟量的精密测量，可以训练学生对偏振光学理论和技术的深刻理解;增加的空间光调制实验，为自己搭设的实验，涉及使用液晶空间光调制器对空变偏振矢量光束的调控，可以增加学生对如线偏振光束、径向偏振光束等新型矢量光束的了解，同时熟悉和掌握空间光调制器的操作和应用。其他系列实验里，如全息光学与技术谢列实验里的激光全息干涉振动分析，同样也是由老师自己搭建实验平台进行实验的开设。

以上实验项目目前对光信息科学与技术、应用物理等专业的本科生开设。光信息专业学生所有实验项目为必修，应用物理专业选修其中部分实验项目，对高一级培养层次的研究生，主要针对光学、光学工程、物理电子学等专业的学生，且在大学阶段未进行相关实验项目的训练，设置了现代光学实验选修课，选择以上实验中的4～5项，如电光、声光与磁光调制、调制偏振光相位延迟测量、条纹投影三维面形测量、空间光调制器等实验项目开设研究性实验，包括改进实验平台、增加实验内容、在实验深度上进行调整等。在以后的实验教学中，将进一步考虑在开放实验教学平台上，针对电子信息科学类、机电类、仪器仪表类、电气信息类的各专业本科生开设选修实验。

为方便实验教学，我们编写了《光学实验讲义》，其中包括基础光学实验和现代光学实验两部分，已经过三届学生使用，反映良好。

3 结束语

依据教研融合、开放共享和体现特色与水平的原则，以理工结合为特色，我们阐述了现代光学特色化实验教学体系建立和完善的经验。目前，已完成了现代光学实验课程体系建设，包括现代光学实验教学基础性实验项目建设、研究性实验项目扩展、实验讲义编写、现代光学实验网络教学资源等。该实验室有可供学生实验教学使用的固定的实验室，有较为先进的实验仪器设备并能够保证教学使用，除专业实验课程外，能辐射相关学科，开设内容丰富先进的实验课程。其与我们开设的基础光学实验、应用物理实验一起，构成我校光信息科学与技术、应用物理学等本科专业，以及光学、光学工程等研究生专业的完备实验教学体系，同时现代光学实验室可作为毕业设计研学的实验基地。

[1]刘颂豪.光子学技术与应用[M].广东：广东科技出版社，2006.

[2]陈国庆，吴亚敏.光信息科学与技术实验室建设的实践和探索[J].实验技术与管理，2005，22(11)：121 _123.

[3]孔伟金，云茂金，黄家寅，等.光信息科学与技术专业实践教学创新体系的研究[J].实验技术与管理，2010，27(3)：19_21.

[4]李叶芳，于清旭，王晓旭，等.光信息科学与技术专业实验室的建设[J].实验技术与管理，2005，22 (8)：110_112.

[5]张斌，陈士谦，汪家升.光信息科学与技术专业实验教学改革与实践[J].实验技术与管理，2006，23 (10)：23_25.

[6]王仕璠，刘艺，余学才.现代光学实验教程[M].北京：北京邮电大学出版社，2004.

Research on the Teaching System of M odern Optics EXperiment

WANG Jiming1，LIU Youwen1，HE Chongjun1，YANG Yannan1，ZHANG Guangbin1，LIXianglian1，DING Bing2
(1.College of Science，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China; 2.Education Department，Qingdao Hotel Management College，Qingdao266100，China)

We presened the construction idea ofmodern optics experiment system for the undergraduate program of optical information science and technology.From the construction and development of the Modern Optics Laboratory of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，we discussed the practical experience and gave the construction procedure.Our experience would benefit the related teaching reformation.

modern optics experiment;optical information science and technology;system of experiment teaching;research

G542.423；O43

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.039

2013_02_06；修改日期：2013_04_07

南京航空航天大学教改项目（V0968_083）。

王吉明（1977_），男，副教授，主要从事微纳光学与光子学的研究工作以及光信息科学与技术专业的教学工作。