光电技术综合性研究型实验教学探索

2022-01-07刘惠兰王聪昊

电气电子教学学报 2021年6期

刘惠兰，王聪昊

(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191)

0 引言

传统的实验课，教师由于时间限制或怕学生损坏仪器，会仔细讲解，有些关键地方会重点强调。因此学生处于被动模仿的学习状态，教学效果一般。常见的验证性实验项目，虽然可以在巩固知识方面有很大作用，但内容局限，不利于激发学生的实验和学习兴趣。综合性实验和研究型实验是激发学生学习兴趣、培养学生综合能力的有效方式，近年来越来越多地得到高校和教师的重视[1-4]。

综合性实验旨在综合运用多方面知识和方法解决问题，培养学生综合运用所学知识、实验方法和实验技能，提高分析和解决问题的能力[5]。研究型实验教学方法不仅重视知识的开放性，更重视倡导学生的主体地位。教学成为师生、生生普遍交往互动下的、持续的、积极的对话，教师更要在重视学生的认知结构的特点和功能的同时在教学中致力开发学生的潜能[6]。

综合性、研究型实验教学必须有足够的教学时间，因此最好的方式是设置专门的实验课程。我学院针对光电信息科学与工程专业方向，设置了专业实验课“光电技术综合性研究型实验”，进行了实验教学的探索和实践。通过几个轮次的教学实践，取得了良好的效果。

1 综合性研究型实验内容设计开发

综合性研究型实验内容的设置需要教师进行精心的设计，可以整合相关理论教学内容，引进与生活密切相关的新技术、新应用，引起学生浓厚的兴趣，更重要的是通过实验问题的设置，引导学生掌握科学研究方法，提高学生解决实际问题的能力，有利于学生创新意识和创新能力的培养。

在“光电技术综合性研究型实验”课程中，设置几项综合性实验研究题目，要求学生以项目、课题的方式进行实验研究，学生在项目要求的引导下对实验进行深入研究和探讨。量糖计综合实验就是其中的一项研究项目。

光的偏振特性作为光波的重要波动特性，被广泛应用于食品检测[7]，医学诊断[8]等领域。旋光现象是光的偏振理论中一个重要的知识点。在之前的实验中是利用一片旋光晶体，通过测量偏振光的旋转角度计算其旋光系数。实验比较简单，属于验证性实验，同学对实验的印象也不深刻。我们尝试在原有的偏振实验教学仪器基础上进行设计和开发，将量糖计作为一种光电测量仪器进行研究。采用分立元件，由学生进行系统设计搭建及测试研究。此项综合实验设计包含6项内容：①测定激光器的偏振度②测定检偏器的消光比；③测定糖溶液的浓度；④研究比旋光度与温度的关系；⑤研究带掺杂的糖溶液的旋光现象；⑥仿真分析及实验研究半影法在测量中的作用。

其中前两项实验是对器件特性的测试，同时使得学生对偏振度和消光比这两项重要的偏振参数有更深的了解。第③项是搭建实验测试系统，实现仪器的测量功能。在其中要考虑容器是否会造成附加旋光，要进行系统误差的去除。第④项实验是研究不同温度下的葡萄糖试剂溶液的比旋光度的变化，研究测量参数受外界因素影响的变化规律。第⑤项实验是观察掺杂左旋物质和非旋光性物质的葡萄糖试剂溶液的旋光现象，观察掺杂物质对旋光的综合影响。第⑥项实验是在实验系统中加入半波片，将视场分为两个部分，利用仿真分析及实验研究半影法的测量原理和其对于测量精度提高的效果。开发设计的研究内容为实际工程技术问题，包含了系统设计、器件特性研究、测量影响因素研究、误差分析以及精度提高这样一个完整的研究过程。通过研究内容的设计，引导学生了解科学研究的方法和过程，学生在研究过程中涉及方案设计、理论分析、系统搭建、光路调整、器件和软件使用、误差理论与数据处理、软件编程分析等。实验内容设计具有综合性、趣味性、研究型的特点。

2 教学方式探索

综合性研究型实验的教学方式不同于传统的实验教学方式。我们采取模拟项目研究的形式，采用了基于问题的教学、基于项目的学习、专题讨论等教学方法。教师提出研究题目要求，给出研究题目说明及部分参考书目。以学生为主体，学生组成研究小组查找和阅读相关资料、自行设计研究方案。经过讨论课和教师及小组间讨论确定研究方案、实验方案等，然后学生自行进行资料调研、实验方案实施、实验结果的分析和研究，以及研究结果的总结，最后采用报告宣讲形式进行交流。学生自主地进行讨论、思考和实践。

教师全程把握方向指导，发挥导师的作用，尤其要体现在科学研究方法的指导上。教师针对学生提出的方案进行引导，鼓励学生更深一步的思考和完善。通过教师的引导，激发学生的学习兴趣和主观能动性，对学生进行全面的科学研究训练，使学生能力逐步提高。教师提供学生的资料少，但需要教师对研究项目有深入的认识，并且要能够及时应对讨论中学生提出的各种想法，给出适当的指导和提示，这就对指导教师提出了更高的要求。

这种实验教学方式还体现了教学的互动和团队合作。教学的互动体现在教师的引导、学生与教师的讨论以及学生间的交流。团队合作体现在学生以团队形式开展项目研究，在团队中进行分工合作。

通过实验实践教学，使得学生对专业知识掌握更加牢固，体会更加深刻；锻炼他们发现问题解决问题的能力、团队合作能力、沟通能力和表达能力；培养了他们的创新思维和科学素质。有效支撑了《中国工程教育认证通用标准》的毕业要求中对于工程知识、设计开发解决方案、研究、沟通等几个指标点。

3 学生自主研究效果

通过综合性研究型实验教学实践，可提升学生分析问题解决问题的能力。以下以半影法分析为例，介绍学生自主研究结果。

在葡萄糖浓度检测中，采用传统的起偏器加检偏器结构，在消光位置测量消光角时存在较大测量误差。半影法的使用可以提高对旋光角度的测量精度，在糖溶液浓度测试中使用的旋光仪也采用了类似结构，将条形半波片放置在视场中间形成三分视场，利用旋转检偏器过程中出现的同暗位置来确定旋光角度[9]。学生开展了对这种方法的理论分析研究工作。从理论角度对半影法的精度进行了仿真，验证半影法较传统消光实验在角度测量上精确度的提高。

在线偏振光测定上，为了提高确定检偏器方位的精度，可使用半影式检偏器[10]。半影式检偏器结构如图1所示，在检偏器M前增加半波片H，半波片只有下半部分，因此形成上下两个视场。半影式检偏器原理如图2所示。ox，oy为半波片的快慢轴，检偏器的透光轴选为OA，OA的垂线与x轴成θ角。假设待检测线偏振光振动方向为OP1，与x轴夹角为θ′，为方便表达设检偏器归一化振幅为1。对于上视场而言，未经过半波片，检偏器输出强度为

图1 半影式检偏器θ

图2 半影式检偏器原理

I1=sin2(-θ′)

(1)

对于下视场而言，线偏振光由于经过半波片产生π奇数倍相位延迟，偏振光的振动方向向着ox旋转2θ′至OP2。检偏器输出强度为

I2=sin2(θ+θ′)

(2)

θ′的变化将导致I1与I2的变化，只有当θ′=0的时候，此时两视场上下亮度一致，光强相同。这种比较上下视场亮度的方法叫做半影法。半影法可减小角度的测量误差，更加准确找到消光位置。

检偏器方向OA在旋转360°的过程中，将产生4 个特殊的视场。当检偏器OA与OP2平行时，原理图如图3(a)，在视野中将观察到，下面的部分较明亮，而上面的部分较暗，视场如图4(a)所示。当检偏器方向OA与OP1平行时，原理图如图3(b)，在视野中可以看到，下面的部分较暗，而上面的部分较亮，视场如图4(b)所示。当OA与ox平行时，原理图如图3(c)。根据马吕斯定律，OP1和OP2在OA方向分量相同，上下视场光强相同，获得均匀明亮视场，视场如图4(c)。当OA与oy平行时，原理图如图3(d)。根据马吕斯定律同理分析上下视场均处于较暗视场，视场如图4(d)。

图3 半影法光强变化原理图

图4 半影法光强变化结果

在利用半影法提高光接收器的精度时，待检测线偏振光振动方向与半波片快轴夹角θ^′的变化将影响两部分视场光强曲线的相位差，进而造成其差函数的变化率极值点的左右平移，最终会影响到提高光接收器的精度。使用matlab对角度θ′=30°，60°，90°，120°进行仿真，如图5所示。虚线代表探测器接收到的上下视场的光强值，实线表示为上下视场对应光强的差值。随着θ′角从0°～90°逐渐增加，差值曲线在上下视场光强曲线相等所对应的角度处，斜率逐渐增加。斜率越高，检偏器微小角度的变化越易被探测，旋光角度测量的精确度就会提高。在θ′=90°时，差值曲线在两视场光强相等处斜率变化最明显，此时半影法的精度最高。