陈海燕，罗江华，黄春雄 （长江大学物理与光电工程学院，湖北荆州434023）

一千年来，光技术带给人类文明巨大的进步，为此，联合国宣布2015年为 “光和光基技术国际年”（International Year of Light），以纪念千年来人类在光领域的重大发现。尤其是近半个世纪以来，光电子学科得到了突飞猛进的发展，形成了信息光电子、能量光电子、生物光电子、消费光电子和绿色光电子等一系列分支学科，涵盖了短波与亚波长光学、太赫兹光子学、光度学与色度学、瞬态光子学、微纳光子学、空间与海洋光学、生物光子学、环境光子学和太阳能利用等领域。面对如此复杂庞大的光电子学科体系以及学科迅速膨胀的态势，光电子学科教育该如何应对，成为光电子学科教育的一个新挑战［1～3］。笔者以美国亚利桑那大学光科学学院的本科光电类课程体系为蓝本，结合长江大学实际情况，按照CDIO 工程教育模式［4］，对长江大学光学工程系列课程进行改革与优化。依据专业培养目标，在教学理念、课程体系、教学模式、实验课程项目与内容等方面进行改革，给出了光电专业光学工程系列课程的优化方案。

1 长江大学光电类光学工程系列课程体系存在的不足

课程设置是光电子学科教育的重要组成部分，目前国内光电方向专业所开设的光学工程系列课程有13～14门，其中学科基础课3～4门，专业核心课3～4门，专业选修课6～7门。由于各学校的具体情况不同，所开设的光学工程系列课程也不同。长江大学所开设的光学工程系列课程共13门：学科基础课是工程光学与光学实验，专业核心课程是激光原理与技术、光纤通信技术、光电信息技术实验、光电探测与信号处理，专业选修课是信息光学、光电子技术、光纤光学、半导体光电子学、光电图像处理、激光器件原理与设计、光电子器件驱动技术。另外，还有工程光学课程设计与光纤通信技术课程设计2个实践教学环节。所开设的光学工程系列课程体系不够完善，专业课与选修课设置不太合理，部分课程所涉及的内容之间有一定的交叉，没有体现数学与计算机在课程中的应用，没有体现现代科技成果等。此外，现行课程体系内容陈旧、理论性太强、缺少必要的实验，晦涩难懂、与生产实际脱节，满足不了当今社会对课程的要求。因此，大力开展光学工程系列课程体系与教学内容和教学方法的改革是当务之急。

2 亚利桑那大学与长江大学光电类光学工程系列课程的比较

亚利桑那大学光科学学院是全美规模最大的光学教育与科研机构，研究范围广，涉及当前光学研究前沿的主要方向：光纤光学、激光与光学材料、医用光学与图象科学、纳米技术、光存储、光学工程与测试、光学设计与制造、光电子器件、半导体与量子纳米光学、量子光学、遥感、半导体光物理、光通信和薄膜等。

亚利桑那大学光科学学院设有光学、光电子、光学材料和光机械4个本科专业，所设置课程以应用类和工程类为主，目标是培养光学工程师。其光电方向光学工程必修课程为几何与仪器光学Ⅰ、几何与仪器光学Ⅱ、物理光学Ⅰ、物理光学Ⅱ、几何与仪器光学实验Ⅰ、几何与仪器光学实验Ⅱ、激光与光子学、媒质光学实验Ⅰ、媒质光学实验Ⅱ、光学实验Ⅰ、光学实验Ⅱ、光学设计、光学工程师电子学、光通信、光辐射与探测、光学制造与测试、光机械设计导论；长江大学所开设的课程为工程光学、光学实验、激光原理与技术、光电信息技术实验、工程光学课程设计、光纤通信技术、光电探测与信号处理、光纤通信技术课程设计等。通过比较可以看出，几何与仪器光学Ⅰ、Ⅱ及物理光学Ⅰ、Ⅱ和工程光学对应；几何与仪器光学实验Ⅰ、Ⅱ和光学实验对应；激光与光子学和激光原理与技术对应；媒质光学实验Ⅰ、Ⅱ及光学实验Ⅰ、Ⅱ和光电信息技术实验对应；光学设计和工程光学课程设计对应；光通信和光纤通信技术对应；光辐射与探测和光电探测与信号处理对应；光学制造与测试，光机械设计导论2门工程类实训课程长江大学没开设，而光纤通信技术课程设计实训环节亚利桑那大学没开设，而是在通信类专业方向开设。

亚利桑那大学光电类课程体系的特点是：①课程设置很科学，体系清晰，符合CDIO （构思、设计、实现、运作）工程教育模式；②重视实验与理论的结合。其课程讲义特点是：①课程强调基础、由浅入深、循序渐进；②课程安排上注重专业的数学基础；③引用了许多新技术领域的实例，提高了学生的学习兴趣、扩大了视野；④诸多内容都汇集了老师的研究成果和经验，使得概念更清楚，应用领域清晰。

3 课程设置优化方案

课程设置与专业培养目标息息相关，为此，笔者将专业培养目标定为培养光电子工程师。光学工程系列课程的课程体系、教学内容及教学手段都围绕这一目标进行，从学科整体高度构建课程体系，从科学研究与工程应用角度对课程内容进行优化，并将最新的科研成果及前沿引入课程。注重专业的物理思想与数学基础，以基于Matlab科学计算语言的数值模拟为手段，并将NLSE与Optisystem 仿真软件引入课堂，对光电专业光学工程系列课程进行全方位优化。

3．1 “全光谱光学”的教学理念

目前，学生对光波的认识主要集中在可见光 （波长范围380～760nm），而对其他波段了解甚少。由大学物理学方面的知识可知，光是一种电磁波，广义上讲，电磁波也可称光波。实际上，从波谱来看，目前光电子学科所涉及的波谱范围包括从微波／毫米波、THz波到紫外的很宽波段。“全光谱光学”的教学理念拓展了现有教学内容的光谱范围，有助于学生把握光电子学科全局，培养学生的专业全局观。

3．2 构建科学的课程体系

光电专业光学工程系列的课程体系应从人才培养层次的全局通盘考虑，即博士生、硕士生与本科生3个层次，并与大学物理课程作适当衔接。光电专业本科生的培养目标是培养光电工程师，为此，笔者将光电专业本科生的光学工程课程体系分成专业基础课、专业核心光电课及专业选修课3个模块。基础光学课程包括几何光学与光学仪器、物理光学、光学实验3门课程及光学设计实训环节；专业核心课程有光电子技术、激光原理与技术、光纤通信技术、光电信息技术综合实验4门课程及光纤通信技术实训环节；专业选修课包括信息光学、半导体光电子学、激光器件原理与设计、光电探测与信号处理。

3．3 课程内容优化

1）几何光学与光学仪器主要介绍分析光传输的光线追迹方法及其在成像、光学仪器中的应用，并简要介绍矩阵光学初步与Zemax光学系统设计的基本原理与实践。物理光学课程主要介绍光的波动性与量子性初步及其在光电子学中的应用，从频域、时域与空间域3个方面介绍波动说，从光的产生与探测方面介绍光子说，并增加相干性定义扩展等相关内容。光学实验内容分别与几何光学、光学仪器和物理光学讲授内容对应，光学设计实训环节主要内容是熟悉利用Zemax仿真软件，学生独立完成光学系统设计。

2）专业核心课程光电子技术主要介绍光波导理论及其应用，包括耦合模理论、耦合器、调制器、分束器和传感器等无源光电子器件；激光原理与技术主要介绍激光的产生、激光与物质的相互作用、激光控制的基本激光现象与基本原理，内容包括激光器基础、激光谐振腔理论、电磁场与物质相互作用的经典理论与速率方程理论、连续波激光器工作特性、激光调制技术、脉冲激光器工作特性 （包括调Q技术与锁模技术）、激光放大器、模式选择、稳频及倍频技术、常见激光器；光纤通信技术主要介绍光纤通信系统的基本构成、基本原理和相关技术，内容包括光纤通信技术基础、光纤／光缆与光传输、光发射机与接收机、光纤基光电子器件、光纤通信系统设计、光网络、光纤通信新技术以及Optisystem 仿真举例；光电信息技术综合实验内容分别与光电子技术、激光原理与技术及光纤通信技术讲授内容相对应；光纤通信技术实训环节主要内容是熟悉利用Optisystem 仿真软件，学生独立完成光纤通信系统设计。

3）专业选修课用于扩展学生的专业知识，提高学生的专业实践技能。信息光学又称傅立叶光学，主要介绍光传输的傅立叶变换理论，利用线性系统理论处理光学成像、光学空间滤波器、全息等现象。半导体光电子学主要介绍半导体光学特性的物理基础及其应用，如基于半导体材料的激光器、放大器、可饱和吸收体等。光电探测与信号处理主要介绍光电子器件中的噪声处理。激光器件原理与设计主要以光纤光栅激光器为例，介绍连续波、调Q 及脉冲激光器的结构、工作原理、设计、实验现象、数据处理、产品封装等内容，该课程的目的是提高学生的专业实践技能。

3．4 课程教学模式

具体课程采用研究式教学模式，主要包括看图说话式教学模式［5］、实验现象－现象解释 （即理论－数值）模拟－新现象预言的教学模式［6］、计算机仿真与实验相结合等教学模式［7］。

1）看图说话式教学模式是将课程内容概括为一幅图，每一章也归纳为一幅图。先让学生看图，然后分析图，从而引出教学内容。该教学模式具有全局性、启发式和创新性等特点，教学实践表明该方案能有效地培养学生的全局观与创新能力。

2）实验现象－现象解释 （即理论）－数值模拟－新现象的预言，即 “四维一体”的教学模式，是将马克思主义哲学认识论观点应用到理工科专业课的教学中。从实践中来，到实践中去，即 “从现象中来，到现象中去”，使本科教学不再抽象，所选用的实验现象资料均来自主讲教师或国内外科研人员的最新科研成果，将课堂讲授内容与科学研究结合起来，培养学生的创新能力。

3）光学工程系列课程中的各种原理是模型，数学知识是方法与工具，注重数学知识与计算技术在光学工程系列课程中的应用，有助于提高学生分析问题、解决问题的能力。选用Matlab科学计算语言对光学工程系列课程的各种理论进行仿真与可视化，并与实验结果进行比较，将数学知识、Matlab科学计算语言和课程教学有机结合。利用NLSE仿真软件模拟超短脉冲在光纤中的传输与演化，利用Optisystem 仿真软件设计光纤通信系统，计算机的应用能有效地弥补理论与实验课程教学的不足，有利于提高学生自我验证与形象思维能力。

3．5 实验课程项目的设置与优化

依据专业培养目标，对实验课程项目的设置进行优化，打破课程独立实验的界限，避免实验设置的无序和可能造成的交叉重复，建立综合实验教学体系，按照有源器件、无源器件和系统实验3个模块设置相关课程实验。有源器件实验项目有固体激光器综合实验、掺铒光纤放大器、光纤激光器参数测量、光纤拉曼放大、激光谐振腔衰荡特性测量等；无源器件实验项目有光纤熔接与色散测量、光纤光斑测量、光调制器特性测量、光纤传感器综合实验、光纤光栅特性测量等；系统方面的实验项目有模拟光纤通信系统综合实验、数字光纤通信系统综合实验、光纤传输系统综合实验等。

4 结语

笔者曾于2006～2007年间在亚利桑那大学光科学学院作访问学者，与世界一流大学相比，长江大学在光电类光学工程系列必修课程的设置、师资力量、实验条件和讲义编写等诸多方面都存在较大差距。参照亚利桑那大学光科学学院光电专业光学工程系列课程，结合长江大学具体实际，提出长江大学光电专业光学工程系列课程为几何光学与光学仪器、物理光学、光学实验、光电子技术、激光原理与技术、光纤通信技术、光电信息技术综合实验、信息光学、半导体光电子学、激光器件原理与设计、光电探测与信号处理以及2个实训环节光学设计与光纤通信技术。该优化方案合理，课程体系清晰，重视实验与理论结合，符合CDIO 工程教育理念，具有很好的操作性。

［1］刘伟平，郑力明，陈舜儿，等．电子信息类专业光子技术课程的教学改革 ［J］．高等理科教育，2003，51 （5）：24～27．

［2］狄红卫，张永林．光电子技术人才培养的教学改革与实践 ［J］．高等理科教育，2003，52 （6）：36～39．

［3］关荣锋，董兴法，肖金球．电子信息科学与技术专业光电子与光通信方向课程群的建设与教学改革 ［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］陈海燕．“激光原理与技术”课程看图说话教学模式 ［J］．中国电力教育，2011 （5）：111～112．

［6］陈海燕．现象－理论－模拟－新现象教学模式探索 ［J］．中国电力教育，2013 （4）：45～46．

［7］陈海燕．脉冲光入射时法布里－珀罗腔的透射特性 ［J］．电气电子教学学报，2011，33 （4）：99～103．