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光电检测技术课程内容与教学方法优化和实践

（中北大学信息与通信工程学院,山西　太原　030051）

［摘　要］研究针对光电检测技术课程的特点和教学要求,对光电检测技术课程的教学内容和教学方法进行了优化,探索了如何把科研成果作为教学内容的方法,实践了如何把新的教学方法贯穿于课程的教学过程中.实践表明：科研成果用于教学,有利于使教学紧跟高科技的快速发展且充满活力和具有时代气息；新的教学方法能提高学生的学习兴趣和教师的教学质量,有利于培养学生的创新意识和创新能力.

［关键词］光电检测技术；科研成果；教学内容；教学方法；教学实践

［中图分类号］　G642.421　［文献标识码］　A　［文章编号］　2095-3437（2018）01-0086-03

光电检测技术是以光电子学为基础、以光电器件为基本组成,融合光学、微电子学、精密机械、计算机技术和控制技术为一体的一门高新技术,是基于光获取信息的重要手段,是研发光、机、电、算一体化高新技术产品的基础[1-3].其课程内容主要是研究各类光电器件的组成、工作原理、特性参数及光电转换的基本电路和实际应用.其教学对于衔接先前的光学、模拟电子技术和数字电子技术等课程内容以及拓展知识的综合运用具有非常重要的意义.因此,该课程的教学和研究越来越得到高等院校和科研机构的重视,成为许多本科理工科专业的必修课程,特别是成为光电信息科学与工程专业的学科基础教育课程[4,5,1].在光电检测技术的教学过程中,如何根据光电检测技术的快速发展,补充、更新和优化教学内容,将光电检测技术的发展趋势及前沿技术有机融入教学内容[6],是一个个需要探讨的重要课题.光电检测技术除具有很强的理论性外[7],也是一门实践性很强的课程[5].其课程实验作为课程内容的一个重要实践环节,学生通过实验除能验证书本的理论知识外,还能提升其创新和实践能力.另外,在教学方法上将光电检测技术的教学重心从“注重教”转移到“主动学”,有利于培养学生的创造性思维和提高学生的动手能力.本文主要研究光电检测技术课程内容及教学方法的优化与实践.

一、课程内容的研究

光电检测技术课程内容主要研究其思想性、科学性、启发性、前沿性和适用性.为此,我们认真调研和分析了多所高等院校开设光电检测技术课程选用的教材及教学大纲的内容,同时考虑了光电检测技术所具有的特征.以缪家鼎等人编写的《光电技术》为例,教材主要包括“辐射度学与光度学的基本知识、光电仪器中的常用光源、光辐射探测器的理论基础、真空光电器件、半导体光电导和结型光电器件、真空成像器件、固体成像器件以及红外探测器件及其阵列”等内容[7],其特点是“对原理、简单应用以及传统光电器件介绍的多,而对新领域的综合应用以及新型光电器件叙述的少”[1].光电检测技术以“光源激光化、传输光纤化、手段电子化、现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化”为特征[8],其新的器件和新的技术在国防和国民经济建设中发挥着越来越重要的作用,如固体成像器件、新型光纤传感器、激光外差干涉技术和太赫兹（THz）技术,而在以往的教材中没能很好地融入上述内容.光纤的问世引起了一系列现代科学技术革命,其传感技术则以“技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点”为世人所瞩目[9]；光纤面板除在军事上获得广泛应用外,现已渗透到许多尖端技术领域.近三十年来,THz脉冲产生技术及应用受到人们极大的关注,在基础研究、工业应用和军事领域都有相当重要的应用[10].激光外差干涉技术能够利用相位比较获得较高的测量分辨率,具有测量速度快、抗干扰能力强、测量灵敏度高等优点,在激光通信、激光雷达、激光测长、激光测速、激光测振和激光光谱学等方面获得了十分广泛的应用[11].

在我们编著的《光电检测技术》（第1版）中,根据光电检测技术的特征及其最新发展趋势,对传统的光电（检测）技术的内容有所删减,保留基础性内容,增加了光纤、光纤面板、光纤传感器原理和应用实例,增加了THz技术.《光电检测技术》（第2版）结合我们的科研成果“一种测量溶液浓度的光纤传感器”（论文获山西省第十五届优秀学术论文奖）,在第9章《光导纤维与光纤传感器》中补充了光纤液体折射率传感器.《光电检测技术》（第3版）基于负电子亲和势光电阴极的重要性,增加了负电子亲和势及其形成,考虑到知识的衔接,在《热平衡下的载流子浓度》一节中增加了“能级密度、费米能级和电子占据率、平衡载流子浓度、本征半导体中的载流子浓度、杂质半导体的载流子浓度”.普朗克辐射公式是两物体间热力传导的基本法则,在大多数情况下都成立,但在两物体微距时是否成立一直以来无法得到证明.2009年,华裔陈刚及其团队首次以实验质疑“黑体辐射定律”公式,实验证明两物体极度近距时的热力传导远高于公式所预测的值.基于此,增加了普朗克辐射公式的实证结果,特别是结合我们的科研成果“一种多通道蜜蜂出勤计数系统及方法、基于激光外差干涉的金属微振动检测、48级灰度线性声光调制驱动源（用于构建光外差干涉系统的主要器件）以及基于外差干涉的激光超声检测技术”等,在第3章的结型光电器件中补充了透过型光电传感器的应用电路,同时增加了第11章《光外差检测技术》,内容包括光外差检测原理、光外差检测调相信号的解调方法、光外差检测的特性、光外差检测系统对光电转换器性能的要求和光外差检测的空间匹配条件及频率条件.另外,教材在结构上也有所调整,以适合“宽口径—重基础—知前沿”的专业教学要求和反映光电检测技术的最新成果及发展趋势.

二、实验教学内容的研究

光电检测技术是一门实践性很强的课程,强调理论与实践相结合.《光电检测技术》（第2版）增加了光电检测技术的基础性和前沿性实验内容.实验内容主要包括光电探测器光谱响应度、响应时间,探测率的测量实验和光敏电阻,光电二极管、三极管,光电位置传感器（Position Sensitive Detectors,PSD）和电荷耦合器件（Changed Coupled Device,CCD）的基本特性测量实验,以及PSD与CCD的应用实验和光纤传感器实验.

对于无法独立开设的分组实验,但又与科研结合较密切的综合性实验,则要求学生以整体感性认知为主,采用集中演示法对实验内容进行教学.在实验教学前,教师首先对开展科研的思路和方法进行详细讲授,使学生详尽了解课题的研究内容和意义,并对演示内容做到心中有数,然后进行相应的演示实验,借此提升他们综合多种理论知识点的水平和创新能力.

三、教学方法的研究与实践

在光电检测技术的教学方法中,教师首先确立以学生为中心的教学理念,在教师的引导下充分发挥学生的主观能动性,活跃课堂教学气氛,取得良好的教学效果.同时将先进的多媒体教学方法引入光电检测技术教学中,按照教学大纲、教材及教学内容的要求,制作具有启发性、新颖性、适用性,集文字、照片、动画和声音于一体的光电检测技术教学课件.研究通过多种教学方法,改变传统的“教师—教材—黑板”教学模式,激发学生的求知欲及创新意识.

（一）采用多媒体技术,充分发挥优质资源的作用,提高学生的学习效果

近年来随着计算机和多媒体技术的发展,采用多媒体课件开展教学活动,已成为高校教改的一项重要内容,课堂教学已不仅仅停留在口头叙述和黑板板书上.教师在教学中充分利用多媒体辅助教学,使教学重点更突出、难点易突破,同时使学生的学习充实而轻松,有利于调动学生学习的积极性,激发学生的学习兴趣.比如CCD是本课程的一个重点和难点,其中的光输入线阵CCD是建立在光电效应和MOS器件基础上的一种成像器件,但光电效应的抽象性,使得电荷的产生与转移过程不具有可视性,很难引起学生学习CCD的兴趣,更不用谈其创新能力的培养.为此,在我们制作的CCD摄像器件课件中,利用小圆圈和小黑点分别代表光照光电转换器后转换的光生载流子空穴和电子,其中的多子空穴进入衬底,通过地消失；而少子电子进入深势阱中成为信号电荷被储存,表示光子转换为电子（信号电荷）,这一过程表示CCD成像器件的电荷输入过程；之后,用计算机有序地显现相应深浅可变“势阱”的电脉冲波形幅度的高低,动画模拟无法看到的电荷“输入—转移—输出”过程；对于面阵CCD也制作相应的课件.对这些课件的应用,既有利于激发学生学习兴趣,又容易突出重点、突破难点,具有事半功倍之效果.另外,我们也充分运用仿真模拟软件,把一些抽象的内容以仿真结果体现在课堂教学中.例如,利用Matlab仿真软件把普朗克辐射公式模拟展现在教学过程中.

（二）融趣味性于知识传授过程中,以提高学生的学习热情和探索兴趣

在讲解光纤与光纤传感器的内容时,教师结合英籍华人髙锟研究“高纯光纤”的过程中出现的被认为是“痴人说梦”和“被公开的嘲笑”的故事,通过对“光与光纤”相互作用的深入研究,发现了光纤的“三个窗口”,从而导致了光纤通信系统的几次升级换代的事例进行教学,增添了学生学习的兴趣.在讲解CCD时告诉学生“数码相机电子眼”CCD其实是两位科学家一次下午“头脑风暴”的结果.这两位科学家起初是为了研究一种新型的信息储存装置,后来却误打误撞地在电子图像成像技术上广为发展这一趣事,用以引起学生的学习兴趣,在此基础上讲解CCD的组成、工作原理及其应用；通过介绍CCD的“中年危机”,开始讲解CMOS图像传感器.这样教学使学生认识到知识积累及学好理论知识的重要性,提高了学生的学习热情和探索兴趣.

（三）把教师的科研成果与教学内容有机地融合在一起,以提高教师讲课的生动性和学生学习的兴趣

在讲解非功能型光纤传感器时,教师结合已发表的科研论文《一种基于菲涅耳公式测量液体折射率的简单模型》,以光纤棱镜液体折射率传感器为例,通过对菲涅耳公式中反射光特性的深入研究,开发了新型的光纤传感器,为测量溶液浓度的变化提供了新的检测手段.在讲解结型光电器件的应用时,结合我们的发明专利“一种多通道蜜蜂出勤计数系统及方法”（与山西省农科院园艺研究所合作项目）,以透射型光电传感器为例,结合放大、整形电路及单片机控制技术,设计了可识别蜜蜂进出蜂箱的光电传感装置,为研发多通道蜜蜂出勤计数系统提供了新的计数手段.由于教师在教学时引入自己在科研过程中的一些趣事,同时把物理光学中的理论和实际的光电传感器设计结合在一起,容易激发学生的学习兴趣,启发他们的创新思维和科研意识.

(四)开展启发式教学

启发式教学具有互动性特点[7],因此,我们在教学过程中注重运用启发式教学,引导学生转变角色.以光电导器件中的光敏电阻教学为例,教师没有平铺直叙地介绍光敏电阻的组成、工作原理、性能特征以及应用,而是先给学生提出“为什么照相机能实现自动”“为什么大街上的路灯能在拂晓时自动熄灭、黄昏时自动点亮”“为什么楼道照明系统在白天时熄灭”等问题,让学生思考后结合课堂教学内容给出问题的可能答案.带着解决问题的强烈愿望,给学生介绍光敏电阻的组成、工作原理等相关内容,学生能够积极主动地参与教学的全过程,提出的问题随着课堂教学内容的深入而得到了满意的答案.

四、结论

对光电检测技术课程内容及教学方法的优化与实践,有利于使其内容变得丰富、新颖且具有创造性,使其教学和实验内容能紧跟新技术发展的要求.实践表明：多种形式的教学方法,如多媒体技术和板书的结合,融趣味性于知识传授过程中,把教师的科研成果与教学内容有机地融合在一起以及启发式教学的运用,能够大大激发学生对高新技术的学习兴趣,提升学生构建光电检测系统的能力,取得令人可喜的教学效果.同时还应指出的是,尽管对光电检测技术课程的内容及教学方法进行了优化与实践,仍然跟不上科学技术的快速发展.我们仍将继续努力探索,使充满时代新气息的光电检测技术课程内容更加完善,教学方法更有效.

［　参　考　文　献　］

［1］　李步洪.《光电技术》课程的教学改革与实践［J］.福建师范大学学报（自然科学版）,2002（2）:104-107.

［2］　陈家凤.《光电技术》课程理论与实践教学改革探讨［J］.实验科学与技术,2012（3）:74-76.

［3］　华文深,陈玉丹,毛少娟,等.“光电技术”课程教学改革研究与实践［J］.教育教学论坛2015（29）:99-101.

［4］　闫俊红,李文涛.“光电检测技术”课程教学改革与实践［J］.中国电力教育,2013（4）:56-57.

［5］　赵光兴,李丹,方挺.光电检测技术教学模式与内容的改革和实践［J］.安徽工业大学学报（社会科学版）,2012（６）:132-133.

［6］　李少年,魏列江,梁金梅.启发式教学在《光电检测技术》课堂教学中的应用［J］.大学教育,2013（３）:115-116.

［7］　缪家鼎,徐文娟,牟同升编著.光电技术［M］.杭州:浙江大学出版社,２００９.

［8］　朱京平编著.光电子技术基础［M］.北京:科学出版社,2009.

［9］　朱金凤.传递现状感知未来——传感器技术专题探讨［J］.国内外机电一体化技术,2009（6）:30-3７.

［10］赵尚弘,陈国夫,赵卫,等.THz射线产生技术及应用最新进展［J］.激光技术,2000（6）:351-356.

［11］侯文玫,王俊.外差激光干涉仪非线性的细分和消除［J］.计量学报,2007（3）:210-215.