陳海燕，羅江華，黃春雄 （長(zhǎng)江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，湖北荊州434023）

一千年來(lái)，光技術(shù)帶給人類文明巨大的進(jìn)步，為此，聯(lián)合國(guó)宣布2015年為 “光和光基技術(shù)國(guó)際年”（International Year of Light），以紀(jì)念千年來(lái)人類在光領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)。尤其是近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，光電子學(xué)科得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，形成了信息光電子、能量光電子、生物光電子、消費(fèi)光電子和綠色光電子等一系列分支學(xué)科，涵蓋了短波與亞波長(zhǎng)光學(xué)、太赫茲光子學(xué)、光度學(xué)與色度學(xué)、瞬態(tài)光子學(xué)、微納光子學(xué)、空間與海洋光學(xué)、生物光子學(xué)、環(huán)境光子學(xué)和太陽(yáng)能利用等領(lǐng)域。面對(duì)如此復(fù)雜龐大的光電子學(xué)科體系以及學(xué)科迅速膨脹的態(tài)勢(shì)，光電子學(xué)科教育該如何應(yīng)對(duì)，成為光電子學(xué)科教育的一個(gè)新挑戰(zhàn)［1～3］。筆者以美國(guó)亞利桑那大學(xué)光科學(xué)學(xué)院的本科光電類課程體系為藍(lán)本，結(jié)合長(zhǎng)江大學(xué)實(shí)際情況，按照CDIO 工程教育模式［4］，對(duì)長(zhǎng)江大學(xué)光學(xué)工程系列課程進(jìn)行改革與優(yōu)化。依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，在教學(xué)理念、課程體系、教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目與內(nèi)容等方面進(jìn)行改革，給出了光電專業(yè)光學(xué)工程系列課程的優(yōu)化方案。

1 長(zhǎng)江大學(xué)光電類光學(xué)工程系列課程體系存在的不足

課程設(shè)置是光電子學(xué)科教育的重要組成部分，目前國(guó)內(nèi)光電方向?qū)I(yè)所開(kāi)設(shè)的光學(xué)工程系列課程有13～14門，其中學(xué)科基礎(chǔ)課3～4門，專業(yè)核心課3～4門，專業(yè)選修課6～7門。由于各學(xué)校的具體情況不同，所開(kāi)設(shè)的光學(xué)工程系列課程也不同。長(zhǎng)江大學(xué)所開(kāi)設(shè)的光學(xué)工程系列課程共13門：學(xué)科基礎(chǔ)課是工程光學(xué)與光學(xué)實(shí)驗(yàn)，專業(yè)核心課程是激光原理與技術(shù)、光纖通信技術(shù)、光電信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)、光電探測(cè)與信號(hào)處理，專業(yè)選修課是信息光學(xué)、光電子技術(shù)、光纖光學(xué)、半導(dǎo)體光電子學(xué)、光電圖像處理、激光器件原理與設(shè)計(jì)、光電子器件驅(qū)動(dòng)技術(shù)。另外，還有工程光學(xué)課程設(shè)計(jì)與光纖通信技術(shù)課程設(shè)計(jì)2個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。所開(kāi)設(shè)的光學(xué)工程系列課程體系不夠完善，專業(yè)課與選修課設(shè)置不太合理，部分課程所涉及的內(nèi)容之間有一定的交叉，沒(méi)有體現(xiàn)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)在課程中的應(yīng)用，沒(méi)有體現(xiàn)現(xiàn)代科技成果等。此外，現(xiàn)行課程體系內(nèi)容陳舊、理論性太強(qiáng)、缺少必要的實(shí)驗(yàn)，晦澀難懂、與生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)，滿足不了當(dāng)今社會(huì)對(duì)課程的要求。因此，大力開(kāi)展光學(xué)工程系列課程體系與教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革是當(dāng)務(wù)之急。

2 亞利桑那大學(xué)與長(zhǎng)江大學(xué)光電類光學(xué)工程系列課程的比較

亞利桑那大學(xué)光科學(xué)學(xué)院是全美規(guī)模最大的光學(xué)教育與科研機(jī)構(gòu)，研究范圍廣，涉及當(dāng)前光學(xué)研究前沿的主要方向：光纖光學(xué)、激光與光學(xué)材料、醫(yī)用光學(xué)與圖象科學(xué)、納米技術(shù)、光存儲(chǔ)、光學(xué)工程與測(cè)試、光學(xué)設(shè)計(jì)與制造、光電子器件、半導(dǎo)體與量子納米光學(xué)、量子光學(xué)、遙感、半導(dǎo)體光物理、光通信和薄膜等。

亞利桑那大學(xué)光科學(xué)學(xué)院設(shè)有光學(xué)、光電子、光學(xué)材料和光機(jī)械4個(gè)本科專業(yè)，所設(shè)置課程以應(yīng)用類和工程類為主，目標(biāo)是培養(yǎng)光學(xué)工程師。其光電方向光學(xué)工程必修課程為幾何與儀器光學(xué)Ⅰ、幾何與儀器光學(xué)Ⅱ、物理光學(xué)Ⅰ、物理光學(xué)Ⅱ、幾何與儀器光學(xué)實(shí)驗(yàn)Ⅰ、幾何與儀器光學(xué)實(shí)驗(yàn)Ⅱ、激光與光子學(xué)、媒質(zhì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)Ⅰ、媒質(zhì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)Ⅱ、光學(xué)實(shí)驗(yàn)Ⅰ、光學(xué)實(shí)驗(yàn)Ⅱ、光學(xué)設(shè)計(jì)、光學(xué)工程師電子學(xué)、光通信、光輻射與探測(cè)、光學(xué)制造與測(cè)試、光機(jī)械設(shè)計(jì)導(dǎo)論；長(zhǎng)江大學(xué)所開(kāi)設(shè)的課程為工程光學(xué)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)、激光原理與技術(shù)、光電信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)、工程光學(xué)課程設(shè)計(jì)、光纖通信技術(shù)、光電探測(cè)與信號(hào)處理、光纖通信技術(shù)課程設(shè)計(jì)等。通過(guò)比較可以看出，幾何與儀器光學(xué)Ⅰ、Ⅱ及物理光學(xué)Ⅰ、Ⅱ和工程光學(xué)對(duì)應(yīng)；幾何與儀器光學(xué)實(shí)驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ和光學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)；激光與光子學(xué)和激光原理與技術(shù)對(duì)應(yīng)；媒質(zhì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ及光學(xué)實(shí)驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ和光電信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)；光學(xué)設(shè)計(jì)和工程光學(xué)課程設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)；光通信和光纖通信技術(shù)對(duì)應(yīng)；光輻射與探測(cè)和光電探測(cè)與信號(hào)處理對(duì)應(yīng)；光學(xué)制造與測(cè)試，光機(jī)械設(shè)計(jì)導(dǎo)論2門工程類實(shí)訓(xùn)課程長(zhǎng)江大學(xué)沒(méi)開(kāi)設(shè)，而光纖通信技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)亞利桑那大學(xué)沒(méi)開(kāi)設(shè)，而是在通信類專業(yè)方向開(kāi)設(shè)。

亞利桑那大學(xué)光電類課程體系的特點(diǎn)是：①課程設(shè)置很科學(xué)，體系清晰，符合CDIO （構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作）工程教育模式；②重視實(shí)驗(yàn)與理論的結(jié)合。其課程講義特點(diǎn)是：①課程強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)、由淺入深、循序漸進(jìn)；②課程安排上注重專業(yè)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；③引用了許多新技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)例，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、擴(kuò)大了視野；④諸多內(nèi)容都匯集了老師的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，使得概念更清楚，應(yīng)用領(lǐng)域清晰。

3 課程設(shè)置優(yōu)化方案

課程設(shè)置與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)息息相關(guān)，為此，筆者將專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)定為培養(yǎng)光電子工程師。光學(xué)工程系列課程的課程體系、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)手段都圍繞這一目標(biāo)進(jìn)行，從學(xué)科整體高度構(gòu)建課程體系，從科學(xué)研究與工程應(yīng)用角度對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，并將最新的科研成果及前沿引入課程。注重專業(yè)的物理思想與數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，以基于Matlab科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言的數(shù)值模擬為手段，并將NLSE與Optisystem 仿真軟件引入課堂，對(duì)光電專業(yè)光學(xué)工程系列課程進(jìn)行全方位優(yōu)化。

3．1 “全光譜光學(xué)”的教學(xué)理念

目前，學(xué)生對(duì)光波的認(rèn)識(shí)主要集中在可見(jiàn)光 （波長(zhǎng)范圍380～760nm），而對(duì)其他波段了解甚少。由大學(xué)物理學(xué)方面的知識(shí)可知，光是一種電磁波，廣義上講，電磁波也可稱光波。實(shí)際上，從波譜來(lái)看，目前光電子學(xué)科所涉及的波譜范圍包括從微波／毫米波、THz波到紫外的很寬波段。“全光譜光學(xué)”的教學(xué)理念拓展了現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容的光譜范圍，有助于學(xué)生把握光電子學(xué)科全局，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)全局觀。

3．2 構(gòu)建科學(xué)的課程體系

光電專業(yè)光學(xué)工程系列的課程體系應(yīng)從人才培養(yǎng)層次的全局通盤(pán)考慮，即博士生、碩士生與本科生3個(gè)層次，并與大學(xué)物理課程作適當(dāng)銜接。光電專業(yè)本科生的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)光電工程師，為此，筆者將光電專業(yè)本科生的光學(xué)工程課程體系分成專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心光電課及專業(yè)選修課3個(gè)模塊?；A(chǔ)光學(xué)課程包括幾何光學(xué)與光學(xué)儀器、物理光學(xué)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)3門課程及光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)；專業(yè)核心課程有光電子技術(shù)、激光原理與技術(shù)、光纖通信技術(shù)、光電信息技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)4門課程及光纖通信技術(shù)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)；專業(yè)選修課包括信息光學(xué)、半導(dǎo)體光電子學(xué)、激光器件原理與設(shè)計(jì)、光電探測(cè)與信號(hào)處理。

3．3 課程內(nèi)容優(yōu)化

1）幾何光學(xué)與光學(xué)儀器主要介紹分析光傳輸?shù)墓饩€追跡方法及其在成像、光學(xué)儀器中的應(yīng)用，并簡(jiǎn)要介紹矩陣光學(xué)初步與Zemax光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理與實(shí)踐。物理光學(xué)課程主要介紹光的波動(dòng)性與量子性初步及其在光電子學(xué)中的應(yīng)用，從頻域、時(shí)域與空間域3個(gè)方面介紹波動(dòng)說(shuō)，從光的產(chǎn)生與探測(cè)方面介紹光子說(shuō)，并增加相干性定義擴(kuò)展等相關(guān)內(nèi)容。光學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分別與幾何光學(xué)、光學(xué)儀器和物理光學(xué)講授內(nèi)容對(duì)應(yīng)，光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)主要內(nèi)容是熟悉利用Zemax仿真軟件，學(xué)生獨(dú)立完成光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2）專業(yè)核心課程光電子技術(shù)主要介紹光波導(dǎo)理論及其應(yīng)用，包括耦合模理論、耦合器、調(diào)制器、分束器和傳感器等無(wú)源光電子器件；激光原理與技術(shù)主要介紹激光的產(chǎn)生、激光與物質(zhì)的相互作用、激光控制的基本激光現(xiàn)象與基本原理，內(nèi)容包括激光器基礎(chǔ)、激光諧振腔理論、電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論與速率方程理論、連續(xù)波激光器工作特性、激光調(diào)制技術(shù)、脈沖激光器工作特性 （包括調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)）、激光放大器、模式選擇、穩(wěn)頻及倍頻技術(shù)、常見(jiàn)激光器；光纖通信技術(shù)主要介紹光纖通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成、基本原理和相關(guān)技術(shù)，內(nèi)容包括光纖通信技術(shù)基礎(chǔ)、光纖／光纜與光傳輸、光發(fā)射機(jī)與接收機(jī)、光纖基光電子器件、光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光網(wǎng)絡(luò)、光纖通信新技術(shù)以及Optisystem 仿真舉例；光電信息技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分別與光電子技術(shù)、激光原理與技術(shù)及光纖通信技術(shù)講授內(nèi)容相對(duì)應(yīng)；光纖通信技術(shù)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)主要內(nèi)容是熟悉利用Optisystem 仿真軟件，學(xué)生獨(dú)立完成光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3）專業(yè)選修課用于擴(kuò)展學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，提高學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐技能。信息光學(xué)又稱傅立葉光學(xué)，主要介紹光傳輸?shù)母盗⑷~變換理論，利用線性系統(tǒng)理論處理光學(xué)成像、光學(xué)空間濾波器、全息等現(xiàn)象。半導(dǎo)體光電子學(xué)主要介紹半導(dǎo)體光學(xué)特性的物理基礎(chǔ)及其應(yīng)用，如基于半導(dǎo)體材料的激光器、放大器、可飽和吸收體等。光電探測(cè)與信號(hào)處理主要介紹光電子器件中的噪聲處理。激光器件原理與設(shè)計(jì)主要以光纖光柵激光器為例，介紹連續(xù)波、調(diào)Q 及脈沖激光器的結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品封裝等內(nèi)容，該課程的目的是提高學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐技能。

3．4 課程教學(xué)模式

具體課程采用研究式教學(xué)模式，主要包括看圖說(shuō)話式教學(xué)模式［5］、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象－現(xiàn)象解釋 （即理論－數(shù)值）模擬－新現(xiàn)象預(yù)言的教學(xué)模式［6］、計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合等教學(xué)模式［7］。

1）看圖說(shuō)話式教學(xué)模式是將課程內(nèi)容概括為一幅圖，每一章也歸納為一幅圖。先讓學(xué)生看圖，然后分析圖，從而引出教學(xué)內(nèi)容。該教學(xué)模式具有全局性、啟發(fā)式和創(chuàng)新性等特點(diǎn)，教學(xué)實(shí)踐表明該方案能有效地培養(yǎng)學(xué)生的全局觀與創(chuàng)新能力。

2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象－現(xiàn)象解釋 （即理論）－數(shù)值模擬－新現(xiàn)象的預(yù)言，即 “四維一體”的教學(xué)模式，是將馬克思主義哲學(xué)認(rèn)識(shí)論觀點(diǎn)應(yīng)用到理工科專業(yè)課的教學(xué)中。從實(shí)踐中來(lái)，到實(shí)踐中去，即 “從現(xiàn)象中來(lái)，到現(xiàn)象中去”，使本科教學(xué)不再抽象，所選用的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象資料均來(lái)自主講教師或國(guó)內(nèi)外科研人員的最新科研成果，將課堂講授內(nèi)容與科學(xué)研究結(jié)合起來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3）光學(xué)工程系列課程中的各種原理是模型，數(shù)學(xué)知識(shí)是方法與工具，注重?cái)?shù)學(xué)知識(shí)與計(jì)算技術(shù)在光學(xué)工程系列課程中的應(yīng)用，有助于提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。選用Matlab科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言對(duì)光學(xué)工程系列課程的各種理論進(jìn)行仿真與可視化，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，將數(shù)學(xué)知識(shí)、Matlab科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言和課程教學(xué)有機(jī)結(jié)合。利用NLSE仿真軟件模擬超短脈沖在光纖中的傳輸與演化，利用Optisystem 仿真軟件設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用能有效地彌補(bǔ)理論與實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的不足，有利于提高學(xué)生自我驗(yàn)證與形象思維能力。

3．5 實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目的設(shè)置與優(yōu)化

依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目的設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，打破課程獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的界限，避免實(shí)驗(yàn)設(shè)置的無(wú)序和可能造成的交叉重復(fù)，建立綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，按照有源器件、無(wú)源器件和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)3個(gè)模塊設(shè)置相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)。有源器件實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有固體激光器綜合實(shí)驗(yàn)、摻鉺光纖放大器、光纖激光器參數(shù)測(cè)量、光纖拉曼放大、激光諧振腔衰蕩特性測(cè)量等；無(wú)源器件實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有光纖熔接與色散測(cè)量、光纖光斑測(cè)量、光調(diào)制器特性測(cè)量、光纖傳感器綜合實(shí)驗(yàn)、光纖光柵特性測(cè)量等；系統(tǒng)方面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有模擬光纖通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)、光纖傳輸系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)等。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者曾于2006～2007年間在亞利桑那大學(xué)光科學(xué)學(xué)院作訪問(wèn)學(xué)者，與世界一流大學(xué)相比，長(zhǎng)江大學(xué)在光電類光學(xué)工程系列必修課程的設(shè)置、師資力量、實(shí)驗(yàn)條件和講義編寫(xiě)等諸多方面都存在較大差距。參照亞利桑那大學(xué)光科學(xué)學(xué)院光電專業(yè)光學(xué)工程系列課程，結(jié)合長(zhǎng)江大學(xué)具體實(shí)際，提出長(zhǎng)江大學(xué)光電專業(yè)光學(xué)工程系列課程為幾何光學(xué)與光學(xué)儀器、物理光學(xué)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)、光電子技術(shù)、激光原理與技術(shù)、光纖通信技術(shù)、光電信息技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)、信息光學(xué)、半導(dǎo)體光電子學(xué)、激光器件原理與設(shè)計(jì)、光電探測(cè)與信號(hào)處理以及2個(gè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)光學(xué)設(shè)計(jì)與光纖通信技術(shù)。該優(yōu)化方案合理，課程體系清晰，重視實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合，符合CDIO 工程教育理念，具有很好的操作性。

［1］劉偉平，鄭力明，陳舜兒，等．電子信息類專業(yè)光子技術(shù)課程的教學(xué)改革 ［J］．高等理科教育，2003，51 （5）：24～27．

［2］狄紅衛(wèi)，張永林．光電子技術(shù)人才培養(yǎng)的教學(xué)改革與實(shí)踐 ［J］．高等理科教育，2003，52 （6）：36～39．

［3］關(guān)榮鋒，董興法，肖金球．電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)光電子與光通信方向課程群的建設(shè)與教學(xué)改革 ［J］ ．高等理科教育，2010，59 （5）：110～113．

［4］Crawley E F，Malmqvist J，Ostlund S，et al．Rethinking Engineering Edcation－The CDIO Approach ［M］．New York：Springer，2007．

［5］陳海燕．“激光原理與技術(shù)”課程看圖說(shuō)話教學(xué)模式 ［J］．中國(guó)電力教育，2011 （5）：111～112．

［6］陳海燕．現(xiàn)象－理論－模擬－新現(xiàn)象教學(xué)模式探索 ［J］．中國(guó)電力教育，2013 （4）：45～46．

［7］陳海燕．脈沖光入射時(shí)法布里－珀羅腔的透射特性 ［J］．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33 （4）：99～103．