“光子学”课程教学改革探索

李岳彬, 蔡亚旋, 袁 勋, 陈 勇, 顾豪爽

(湖北大学 物理与电子科学学院， 湖北 武汉430062)

“光子学”课程教学改革探索

李岳彬, 蔡亚旋, 袁 勋, 陈 勇, 顾豪爽

(湖北大学 物理与电子科学学院， 湖北 武汉430062)

“光子学”是电子科学与技术专业重要的专业课程。本文根据我我校“宽口径、大培养、能力强”的培养体系的要求，针对培养方案深入开展“光子学”'课程教学探索，优化课程内容和有机结合多媒体教学手段和网络教学资源，逐步推进双语教学来夯实学生的基本知识和培养学生的创新能力。

光子学；教学方法；教学改革

0 引言

光子技术已成为当今光电子信息产业领域第二大关键支柱[1]。为应对这一需求，培养相关知识背景的高素质人才势在必行。

作为光子技术的基础，“光子学”是一门综合性很强的课程，其特点是多学科交叉、涉及面宽、发展速度快和应用范围广。因此，用发展的眼光看待“光子学”,针对专业人才培养方案优化课程内容,提高课程教学水平,夯实学生基本理论基础,培养创新意识和科研能力,已成为一项重要的教学研究任务。

1 光子学内涵

光是一种频率范围很宽的电磁波，不仅给人类带来多姿多彩的世界，而且为生活生产提供了主要能源。人类对光孜孜不倦的探索研究对科学技术的发展产生了巨大推动作用。经典光学主要研究光的宏观传输特性，如透射、折射、反射、衍射和成像等物理光学现象，较少研究其微观物理机制。随着20世纪60年代初激光的出现，人们在研究光与物质相互作用过程中，逐步加深了光子(Photon)是电磁辐射的一种基本粒子的认识，以及对光子的产生、传播和探测等微观机制的理解[2]。荷兰科学家Poldervaart于1970年首次提出关于光子学的定义，他认为，光子学是研究以光子为信息或能量载体的科学。近五十年的发展使光子学的内涵及研究范围不断扩展，已成为一门研究光子作为信息和能量载体的行为及其应用的科学。光子学在强调理论基础的同时，还注重不断拓展其技术应用，理论光子学主要研究光子的量子特性及其与分子、原子、电子和光子自身的相互作用的各类物理效应，而应用光子学主要研究光子的产生、传输、控制以及探测技术。实际上，光子学的发展已渗透到各个基础理论 (物理光学、电子学、光电子学和生物医学等)和应用(激光技术、光电信息技术、光子存储技术、光子探测技术、传感器技术、光子显示技术和光伏技术等)领域，成为一门具有极强理论基础、交叉背景和应用前景的新兴学科。因此在这个意义上讲，光子学是一门既有科学理论的支撑，又能服务于实际应用的学科。

2 优化“光子学”课程内容

为了满足经济社会的发展需求和我校“宽口径、大培养、能力强”的培养体系的要求，各种实训和专业课逐渐增加，“光子学”课程授课学时已从原先的54学时压缩至32学时。因此，针对新的专业人才培养方案和有限教学课时，及时优化整合该课程教学内容,制定切实可行的教学方案，提高教学质量刻不容缓。

面对有限课时， 我们采取的措施是在保证“光子学”课程核心内容的基础下，压缩经典光学的内容至10课时，增加现代光子学理论和应用技术内容，充分利用有关“光子学”课程的最新教学研究成果，在内容的编排上注重知识本身的内在规律性、系统性及相互联系，增强“光子学”课程各个内容之间的逻辑连贯性，重视教材内容的科学组织及教学方法，这样不但节省了学时，而且优化整合了教学内容提高了教学质量。

1)精简经典光学理论部分

在光的经典理论部分，精简几何光学，以电磁场基本方程介绍媒介中的麦克斯韦方程，进一步考虑媒介和边界条件，解出媒介中的波动方程，了解电磁波的基本特性，包括电磁波的偏振、衰减、色散和模式场。在波动光学部分，采用简化标量波来描述光的反射、折射、透射、衍射、相干及其在色散介质中的传输特性。此外，还精简了波的模式场部分内容，并以麦克斯韦方程为主线阐述光的电磁理论和波动光学的个性与区别，让学生更快、更好地掌握相关基础知识。

2) 优化光量子理论部分

在光的量子理论部分，首先以经典电磁学理论解释黑体辐射的困难出发，提出电磁场的量子化，进而阐述单光子和光子流的特性、统计分布规律及量子态的描述方法[2]。以电磁场的量子化为主线讨论光子的量子现象，解释有关光与金属、半导体中的电子和光子的相互作用规律、现象。增加表面等离子体激元纳米光子学内容，介绍基本的米氏理论、准静态近似和偶极子近似，重点解释贵金属纳米阵列的散射、吸收和透射特性，阐述表面等离子体激元阵列对光的调控及应用[3]。

3) 拓展光子学应用基础部分

在光子学应用基础部分，从基本物理能级结构出发，结合半导体激光器，讨论激光产生的机制和原理，在此基础上阐述激光及其在介质中的传输特性及其在光通讯系统中的应用。以器件工作时的光子效应、热效应和波相互作用效应进一步阐述光探测器与光子开关的工作原理[4]。

3 教学方法的探索与改革

我们对“光子学”课程教学方法改革的主要思路是：以多样化的教学形式和高效率的教学节奏，提高学生的学习兴趣，夯实学生的基本知识，培养其创新能力。

1)合理运用多媒体教学手段和网络资源

托尔斯泰曾说过：“成功的教学需要的不是强制，而是激发学生的学习兴趣。” 可见兴趣在教学中所起的作用。由于“光子学”课程涉及大量抽象的理论图像，采用Flash 、Photoshop 等三维绘图软件制成《电磁波传播》、《高斯光束》、《光子与原子的相互作用》和《激光器的构成与工作机理》等动态课件，在课堂教学中生动形象地演示理论图像和光子动态传输过程，这样做大大提高学生的课堂学习兴趣，从而加深学生对理论内容的理解，收到事半功倍的教学效果。此外，作为基础的本科教学要让学生掌握书本知识的思想内涵，更重要的是教会他们学习获取知识的本领，引导他们独立阅读各类课外资料，特别是借助网络强大信息量的优点，可为学生提供大量的课外资料，开阔学生的知识视野，提高课堂的教学效率。还可通过建立光子学课程网站，提供基本课程理论知识学习库和课外阅读资料，给学生提供有限课时外自学的有益补充。但必须注意一点，尽管多媒体课件和网络资源具有较多的优越性，但在基础理论课程的具体教学过程中，多媒体课件还不能完全代替传统教学方法，应该合理调配运用多媒体课件与传统教学方法，使两者相互补充，协同服务于课堂教学。

2)增加课程论文培养学生创新素养

适时将相关的科学前沿的最新成果融入到教学中来，不断丰富更新教学内容，对于创新型人才的培养尤为重要。 我们在“光子学”应用基础部分的课堂教学中融入国内外最新的光子学领域的科研成果，向学生推荐和提供与课程相关的参考资料以方便学生课下阅读，拓宽学生的专业知识。在此基础上分小组组织调研新兴的光子学理论和技术，例如“Au纳米阵列表面等离子体激元光子技术”、“半导体纳米光探测器”和“光子晶体激光器”等。通过调研以及撰写课程论文，加深本科生对课程重点和难点的深入理解，同时也拓宽了他们的视野，调动了其学习积极性。

3) 增强双语教学全面提高学生素质

作为新兴学科，光子学的新理论和新技术发展极快，而且相关报道多是以英文学术论文和著作的形式出现。为了让学生掌握 了解该领域新动态和新理论的能力，我们在教学过程中以英文原版教材和英文多媒体课件为主，授课采取“英语教材-英语讲义-汉语讲授”和“英语教材-英语讲义-英语讲授”的步进方式逐步展开双语教学，在诸如“光与原子的相互作用”和“激光器的工作原理”等重点基本理论和技术章节的授课上采用全英文教学，对于难点和重点辅以双语小视频和中文重点解释，以此激发学生对学习双语课程的积极性，使得学生在熟练掌握专业知识的同时能有效提高专业文献阅读能力[4]。

4 结语

本文介绍了我校深入开展“光子学”'课程教学改革探索，有机结合多媒体教学手段和网络教学资源，逐步推进双语教学，为夯实学生专业基础知识和培养创新能力创造了良好氛围。学生的科学素养和创新能力得到了很大的提升，为后续开展“本科生进实验室”的研究活动打下较好的基础。在教改开展期间，在师生共同努力下，先后发表了多篇国内外研究论文，获得了多项省级优秀毕业设计和国家大学生创新创业项目，取得了明显的成效。

[1] 国家自然科学基金委员会. 光子学与光子技术[M].北京：高等教育出版社，1999. 11 -33.

[2] 周文，陈秀峰，杨冬晓，光子学基础[M]. 杭州：浙江大学出版社，2000, 1-5.

[3] Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich. Fundamentals of Photonics. 2nd Edition, Hoboken: Wiley- Interscience, 2007.

[4] S.O. Kasap. Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices[M], Second Edition, New York：Pearson,2012.

Teaching Reform Exploration of Photonics Course

LI Yue-bin, CAI Ya-xuan, RUAN Xun, CHEN Yong, GU Hao-shuang

(Facultyofphysicalandelectronicsciences,HubeiUniversity,Wuhan430062China)

Photonics is a comprehensive and foundation course in the field of electronic science and technology. Aiming at demand of the personnel training system, this paper introduces optimizing the course content, exploring the course-teaching technique, combining the multimedia teaching strategy and network teaching resources, and gradually promoting the bilingual teaching, strengthening the students′ basic knowledge and cultivating students′ innovation ability.

photonics；teaching tmethods；teaching reform

2016-01-24;

2017-02- 14

湖北大学教学改革与研究项目(NOs.201443)湖北大学研究生教育教学改革研究项目(NOs.20150005)

李岳彬 (1983-)，男，博士，副教授，主要从事光子学课程的教学和光电子材料与器件的科研工作，E-mail：davidleenanoc@gmail.com

G642

A

1008-0686(2017)02-0042-03