光电子技术课程的理论与实验教学探索

李小燕 陈悦华 张禹

摘 要：光电子技术是光电信息科学与工程专业的核心课程，对学生掌握光电子基础知识，熟悉基本的光电子器件、系统及其应用具有重要意义。通过分析光电子技术课程的教学内容，探讨了理论与实验的教学方法和手段，致力于起到激发学生学习热情，提高学生专业创新思维，增强教学效果的目的。

关键词：光电子技术；教学方法；教学手段

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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

随着现代信息技术的发展，光子作为信息和能量的载体，以其独特的优点（具有极快的响应速度、极大的频宽、信息容量和极高的信息效率）推动了信息科学技术的发展，具有越来越大的竞争力，光电信息产业在市场的份额逐年增加。随着光电产业的持续发展，社会对光电相关技术人才的需求在不断增长。为适应这一需求，许多高校开设了光电信息科学与工程等相关专业，培养具有光电信息知识背景的科技人才。

而“光电子技术”课程作为光电信息科学与工程专业的一门专业基础课，从了解光电子技术的发展历史和应用开始，以光学系统整体为主线，内容包括光源、传输、调制、探测、成像、显示和存储，引导学生系统、全面的学习光电子技术。该课程涉及光学、电磁场与电磁波、激光原理、半导体物理以及电子电路等多学科知识，知识面宽，造成学生的学习困难。因此，在光电子技术课程教学过程中，对教学内容进行适当取舍，并采用适合的教学手段与方法，可一定程度提高课程的教学质量，激发学生学习热情，提高学生专业创新思维，增强教学效果。

以下从课程内容、教学方法和手段等方面探索光电子技术课程的理论和实验教学思路与实践。

一、理论教学探索

光电子技术课程是以整个光学系统为授课主线，如图1所示。课程内容包括光辐射基本知识、光辐射传播、光束调制、光辐射探测、成像、显示技术等，其特点是知识面广，数学要求高，物理概念抽象，理论多且复杂，学生学习时易有畏难情绪。为了激发学生理论基础知识的学习兴趣，培养学生探究性学习素养，启迪学生创新思维，促进学生知识拓展应用能力，多种教学方法在教学过程中的有机结合运用，如讨论式教学、演示式教学、比较式教学、问答式教学及实践式教学等，能够使抽象的概念形象化，复杂的理论简单化，提高教学效果。

光辐射基本知识是本课程授课的基础知识点，包括辐射度学和光度学基本物理量、热辐射基本定律、激光原理及典型激光器，电磁波基本理论等[1-2]。这部分教学内容涉及多个基本物理概念，内容比较抽象，学生不易理解和掌握。为了便于学生对基础概念理解和激发他们的学习兴趣，除了在课堂上多花时间重点讲解这部分的知识点，应注意教学方法和教学手段的使用。比如：在讲解辐射度学和光度学基本物理量时，可采取比较式教学方法；讲解激光原理时，可采用讨论式和演示法教学，制作动画描述自发辐射、受激吸收、受激辐射的原理，引导学生理解激光如何产生；讲解典型激光器时，可采用演示式教学，收集实物照片展示并利用实验室激光器进行实物结构介绍等。另外，在學生已学电磁场与电磁波课程的基础上，可对电磁波基本理论这节知识进行删减，以节约课时，避免知识点重复讲解。

光辐射传播主要教学内容包括光波在大气中、电光晶体、声光晶体、磁光晶体、光纤波导中的传播规律与特性等。这部分教学内容涉及多种物理效应，包括电光效应、声光效应、磁光效应等，内容比较复杂，学生难学难懂。教学过程采用演示式，制作PPT教案时要尽可能使用图片或动画描述一些原理性的知识，并且补充晶体光学知识辅助学生充分理解这些知识点[3]。

光束调制和扫描技术的理论教学内容包括：光束调制的基本原理，电光调制、声光调制、磁光调制及直接调制技术，光束机械扫描、光束电光扫描及光束声光扫描技术，空间光调制器等。光束调制和扫描技术除需要各种光学晶体以外，还需要半波片、全波片、起偏器、检偏器共同组成一个完整系统，以完成光束的调制和扫描功能。因此在授课过程中需回顾工程光学课程中偏振光学的知识点，采用演示法教学，利用动画或图片等多媒体教学手段形象地描绘线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光等基本光学概念[3]，帮助学生深刻理解光束的调制、扫描技术。

光辐射探测技术是本课程理论教学内容的重点，内容包括光电探测的物理效应和性能参数，光电探测器的噪声，各种探测器件（光电导探测器、硅光探测器、光电二极管、光热探测器等）以及直接光电探测系统和光频外差探测的基本原理等。由于该部分所介绍的各种光电半导体器件学生将来从事光电信息产业技术的相关工作可能用到，因此在理论教学过程中，除采用演示式教学，结合图片等多媒体教学手段介绍相关光电子器件的工作原理外，还应采用实践式教学法，利用实验室光电子器件的实物，向学生展示并结合实验内容动手操作，以便学生有更好的感官认识。

光电成像主要理论教学内容是固体摄像器件的基本原理、光电成像系统的基本结构及红外成像系统的基本原理；而光电显示技术主要包括阴极射线管、液晶显示、等离子体显示、电致发光显示等。其中部分成像和显示技术的应用已很广泛和成熟，可以采用演示式和比较式教学法重点讲解，以便学生掌握成熟的技术；另外可以采用撰写调查研究报告的教学方式，让学生了解当今光电成像和显示技术的发展趋势，有益于学生开拓思路，进行发现、创造性学习。

二、实验教学探索

由于光电子技术的原理和规律比较抽象难懂，为使教学内容形象生动而同时兼具科学性，一般该课程配套有实践环节：光电子技术实验。通过实验教学能够培养学生的分析解决问题的能力、理论联系实际的能力以及创新能力。

现在很多高校开设的光电子技术课程实验内容相对应的实验仪器为集成式实验箱，其中光电器件是固定在实验箱上的集成模块中，只要按照实验指导书的要求进行连线并按下开关即可进行实验。这一类实验基本属于验证性实验，可让学生巩固理论教学知识，但缺点是不利于学生理解实验内容，且学生的创新思维和创新能力受限。因此为加强实践教学，能够从多角度、多方位、多层次、多途径启迪学生思维，激发学生对课程的学习兴趣[4]，充分发挥学生的研究能力、创新能力，需配套开设综合性、设计性实验，如表1。

光源及探测是光学系统最基础和重要的两个组成部分，验证性实验主要针对光源及探测元件的特性进行测试。LD、LED的 V-I 特性曲线测试旨在让学生了解半导体激光器的基本工作原理并掌握其使用方法以及 LED 發光二极管的基本工作特性，测量得出 LD 半导体激光器电压-电流（V-I）特性曲线以及 LED 发光二极管的电压-电流（V-I）特性曲线，测试表格设计如表2所示。光敏电阻特性测量实验旨在让学生了解光敏电阻探测元件的工作原理和使用方法，测量得出光敏电阻的光电、伏安、光谱及时间响应特性。硅光电池（光伏）特性测量实验旨在让学生了解光电池的工作原理及使用方法，测量得出光电池的光照、伏安、光谱及时间响应特性。

综合性实验可运用光电子实验箱平台，利用其提供的多种光电器件的应用模块，认识相应的光电设计电路原理。如光电导/光电结综合实验，借助光控开关电路及光照度计电路，认识光敏电阻及光电池在电路中的应用原理；电光调制综合实验，利用电光调制实验装置，掌握晶体电光调制的原理和实验方法，可测量晶体的半波电压，绘制晶体特性曲线等；脉冲 Nd3+：YAG 激光器综合实验，可掌握激光形成机理，掌握调Q、倍频技术等。另外，教师通过演示式教学，让学生认识整个设计电路的原理，为后续设计性实验做好充分准备。

设计性实验运用光电子技术实验平台提供的电子元器件以及配备的电源接口等，学生根据教师提供的设计课题进行电路设计并制作。学生首先需要根据课题进行基础调研，了解选题的知识背景，然后再进行方案设计及制作。由于教师没有提供具体的设计方案，可引导学生利用图书馆、网络、文献数据库等资料去获取所需知识，构建出自己的设计方案雏形。这个过程驱使学生发挥出独立思考的能力去收集各种资料，加深了理解和巩固课堂上的理论知识，提高动手动脑能力及创新意识。如光电报警系统设计实验，学生需收集相关传统报警器资料，分析传统报警器特点，设计出一款简单实用且克服传统报警器缺点的光电式报警器。学生需要完成分析资料、设计方案、方案论证、设计制作以及电路调试等过程，这充分调动了学生的主观能动性，提高了学生的学习兴趣。

另外，在实验教学过程中，教师需根据学生实验操作过程给出过程性评价，及时记录学生每个过程表现，准确掌握学生实验具体情况，避免实验失误。评定内容及评定标准设计如表3。

三、结束语

现代光电学科领域的迅速发展，对人才工程实践和创新素质要求在不断提高。适应发展需求，提高教学效果，培养学生的工程实践能力，是光电子技术课程教学改革的重点。该课程教学内容多，涉及的知识面较广，培养学生既全面、系统地掌握光电子技术相关知识和基本原理，又锻炼实际动手能力，需要采用恰当的教学方法和手段把理论和实践教学内容有机结合，培养他们灵活运用所学知识，为今后从事光通信、光信息处理、光传感等方面的研究开发工作提供必要的基础知识和工程实践能力。

参考文献：

[1]安毓英.光电子技术（第3版）[M].北京：电子工业出版，2011.

[2]黄德修.半导体光电子学（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]叶莉华，崔一平，胡国华.“光电子技术“课程教改探索[J].电气电子教学学报，2007，29（2）：10-12.

[4]牟海维，孙鉴，张勇，等.“光电子技术基础”课程教学的研究与实践[J].长春理工大学学报，2010，5（10）：97-98.

[5]胡安铎，薛亮，李高芳.光电子技术课程教学探索[J].高教学刊，2015（24）：76+78.

[6]曾振武，肖荣辉.“321”互动课堂教学模式的构建与实践——以《光电子技术基础》课程为例[J].高教学刊，2015（10）：75-76.