導波光學教學中加強創新教育的幾點探討

摘要：導波光學是光學有關專業的一門重要前沿課程，傳統的教學內容和教學方法不利于現代創新實踐教學的需求。本文結合筆者實際教學和科研工作經驗，從教學方法、教學內容等方面探討如何在導波光學的課堂教學中融入創新教育，提高學生的學習積極性和對有關科學問題的興趣，培養創新意識。

關鍵詞：導波光學；創新教育；波導

中圖分類號：G640？搖 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）47-0028-02

導波光學是現代光電子器件、集成光學、光通信等領域的重要課程，是光信息科學、光通信、光電子等專業的特色課程。傳統的導波光學教學內容和教學方法偏向于基本原理闡述、理論公式推導等，對學生創新能力的培養顯得不足。隨著現代創新實踐教育的形式需求，導波光學作為一門專業前沿課程有必要從教學內容、教學方法等方面著手改革，使得創新教育融入專業知識的講授中。筆者根據近幾年的導波光學教學積累、結合相關專業研究經驗，探討分析如何在導波光學的教學中加強學生的創新教育。

一、緊扣主線，形散神不散

模式是導波光學中一個非常重要的概念，對本科生來說，也是一個比較全新的概念，學生在學習的過程中，剛開始有個理解、接受的過程。這就要求教師在講授內容時，要循序漸進、不時提醒、重點強調。雖然導波光學的研究內容比較廣泛，但對各種問題的求解分析，主要歸結為建立模式本征方程、求解分析模式本征方程。例如：從波導的結構來看，有平板波導、矩形波導、條形波導，脊形波導等，三層波導、多層波導、金屬包覆波導等；從波導的折射率分布來看，有均勻折射率分布波導、漸變折射率分布波導、W型折射率分布波導等。表面上看起來這些波導形式多樣，但實際處理問題的思路和方法基本類似。教師在講授時應從思路入手，引導學生利用已學知識，借鑒其他類型波導的處理方法，試探自行分析求解，激發創新思維。這樣學生也易于抓住導波光學的主要內容和處理問題的方法，形成融會貫通，為今后相關方向的創新打好扎實的基礎知識、訓練過硬的專業技能。

二、善于歸納總結、分析對比，概念明確

導波光學的處理方法包括幾何光學理論和電磁理論，兩種方法各有優缺點。幾何光學方法比較直觀、簡便，處理起來較容易，但不能給出模場的分布形式，而電磁理論比較精確，能夠給出模場分布，但處理起來較復雜。教師在講授時結合實例，分析總結兩種方法的優缺點和適用范圍，通過歸納對比使得學生概念明確、牢固掌握導波光學的基本處理方法。再例如，導波光學中的模式本征方程可有多種形式，包括：由全反射半相移？表示的形式，由導模傳播常數？表示的形式，由導模有效折射率N表示的形式，由波導歸一化參量V，b和a表示的形式等。這些形式的模式本征方程之間可相互轉化，實際應用中，應根據討論的具體問題選擇合適形式的模式本征方程。通過這些歸納總結、分析對比，學生對導波光學的內容和概念有了總體的印象，使得所學的知識掌握牢固，促進創新教育。

三、將模擬計算引入教學中，形象生動，激發學生學習興趣

導波光學的理論較為復雜，涉及到的數學推導較多，且比較煩瑣，學生學習過程中容易出現疲倦、失去興趣等情況。大多數情況下，導波光學中所求解的模式本征方程是一種超越方程，無法給出解析解，通常需要通過數值計算才能得出模式的具體情況。教師在教學的過程中，可以通過示范數值求解過程和步驟、點明方法，引導學生自行編程求解，或者作為課后作業的形式布置給學生自行完成。另外，導模的場分布，根據電磁場的數學形式很難感受到其實際分布情景，而通過Matlab等軟件能夠將場分布的形式直觀地顯現出來。通過這些計算、模擬的實踐，能夠培養學生數值求解、理論模擬問題的能力，這也是今后從事相關創新活動的基本技能，同時學生可以從中感受到成功的喜悅，對模式的概念、模場分布等有更加直觀的印象，進而激發了學生的學習興趣。因此，在導波光學中引入模擬計算是專業前沿課程中進行創新教育的一種有益嘗試。

四、將現代前沿研究問題引入課堂教學中，培養學生的創新意識

導波光學是一門專業前沿課程，與導波光學有關的現代前沿研究問題頗多，在課堂教學中，教師將導波光學有關的最新前沿研究問題介紹給學生，將會激發學生的興趣和部分學生的科研熱情，培養學生的創新意識。例如，Slot波導為兩個條形波導靠得很近時，條形波導間的間隙處（或者是低折射率區域）的場強將得到很大的增強，這有利于光與物質相互作用。其原理可以用電磁場的邊界連續性條件給出解釋，通過類似這類問題的介紹，學生對電磁理論方法處理導波問題及其在實際中的應用的認識將從理性升華到感性的高度。另外，還可以對光子晶體及光子晶體波導這類導波光學高級應用進行實例介紹，光子晶體效應會使得某個頻率范圍的光完全不能通過介質，而光子晶體波導則可以實現光90o彎折而無損耗地傳輸，這些基于導波效應的新奇光學現象將會引起一些學生濃厚的科學興趣，成為其今后進一步探索和創新的動力，進而達到創新教育的目的。

在實驗教學條件允許的情況下，可向學生演示倏逝場的概念及其傳感應用。將一根普通單模光纖通過高溫拉細或者通過氫氟酸腐蝕使其外徑變細，這樣光纖的外圍就會有較強的倏逝場，其對外圍環境變化非常敏感，據此可以實現傳感的功能。例如，纖徑變細的光纖浸入不同溶液或者不同濃度的某種溶液中（如：蔗糖水溶液），此時由于外圍環境的折射率改變，將導致光纖的透射光強發生明顯的變化，如用He-Ne激光器等可見光源進行實驗，透射光強的變化可肉眼觀察到。這對學生鞏固理論知識、強化有關概念和原理、增強感性認識、加強動手能力、培養興趣等諸多方面有非常積極的意義。導波光學是一門理論性強、數學推導過程煩瑣的課程，通過教學方法的改進、教學內容的修訂更新、現代前沿研究問題的引入等措施將在一定程度上激起學生的學習及對相關科學研究問題的興趣，增強創新意識，同時也將使得學生更加明確導波光學中的物理概念，牢固掌握導波光學的基礎知識，使得創新教育融入專業知識的課堂教學中。

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基金項目：上海理工大學理學院課程建設項目

作者簡介：卜勝利（1978-），男，安徽和縣人，主要從事物理學、光學的教學和科研工作。