《信息光子學》教材改革研究與實踐

摘 要：信息光子學是圍繞光子學與信息科學交叉形成的學科，是光電專業(yè)的重要基礎課程。為了同時兼顧理論教學與工程教育，決定對其教材改革進行研究。我們致力于將光子學的基本原理與光電器件的工作特性與工程實際中的案例相結合。通過列舉諸多用MATLAB代碼實現(xiàn)的仿真模擬，使學生對基礎理論有直觀的認知與深入的理解，并能夠建立合適的模型對實際問題進行描述與解決。

關鍵詞：信息光子學;MATLAB;教學

一、 引言

作為教育部建設的新工科專業(yè)之一，光電信息科學與工程專業(yè)的課程改革勢在必行，而教材是施行課程教學的基本工具，是高校教學工作開展的基礎，也是高校教學、科研水平及其成果的真實反映。信息光子學是本專業(yè)的必修課程，因此以該課程的教材改革為切入點，使教學內(nèi)容與教學方法適應新的工程教育理念以及新的工程人才培養(yǎng)模式，進而推動教育教學改革，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

二、 光電專業(yè)教材的現(xiàn)存問題

光電專業(yè)的教學應該理論與應用并重。然而本專業(yè)現(xiàn)有的教材卻存在著一些問題。以信息光子學課程為例：

1. 課程有較多、較深的理論內(nèi)容，教師往往過于注重公式的推導而忽略了物理過程、物理圖像的解釋，并且一些概念較為抽象，因此學生在學習的過程中可能興趣不足，或者由于缺乏必要的基礎知識而對有關現(xiàn)象懵懵懂懂。

2. 在教學當中應該兼顧所授知識在生產(chǎn)、生活中的運用，尤其是要適應新工科專業(yè)的建設要求，重點培養(yǎng)學生對于專業(yè)基礎知識的應用能力。然而，現(xiàn)有此方向的教材在應用方面的知識內(nèi)容相對陳舊，不能與時俱進，無法讓學生對將從事的工作有具體與現(xiàn)實的認知。

3. 現(xiàn)有相關教材要么過于偏重理論的探討，如《導波光學》《光纖光學》，要么過于偏重實際應用，如《光纖通信技術》，而沒有將二者有機結合起來。因此學生需要學習多門課程或者選用多本教材。如何使學生在一門課程中既知其然，又知其所以然，既掌握相關理論，又了解其應用，是擺在本專業(yè)教師面前的一項重要課題。

三、 教材改革研究與實踐

針對上述問題，我們對《信息光子學》開展教材研究與編寫工作，有針對性地選擇教材內(nèi)容，改革編寫方式，以匹配我們專業(yè)的教學要求與人才培養(yǎng)，同時完善教材體系內(nèi)容，以供全國兄弟高校選用。在對教學內(nèi)容進行研究與整理的過程中形成了自己的體系結構：首先從電磁場及光學的基礎理論出發(fā)，討論了光束在波導和光纖中的傳播模式與特性，讓學生在有限的學時內(nèi)掌握相關的基礎理論以及分析模型。在此基礎上系統(tǒng)地介紹了光信息系統(tǒng)中的有源光器件和波分復用系統(tǒng)的原理及實際應用，循序漸進，有利于學生對信息光子學有一個全景式的認識。教學內(nèi)容深淺適度，符合高年級本科學生及研究生的實際水平，同時形成了自己的特色：

1. 用計算光子學的方法貫穿各章節(jié)內(nèi)容，通過計算機建模的手段研究光與物質(zhì)的相互作用。采用MATLAB仿真工具，將各種物理現(xiàn)象以圖像、圖形的方式生動地呈現(xiàn)出來，并且介紹了模擬光在波導、光纖中傳輸?shù)墓馐鴤鞑シā＿@為學生理解光子學及光電子器件的原理提供了一種路徑：從物理概念出發(fā)，建立相應的理論模型，針對光學器件的工作原理、工作模式，將光子學問題歸結為特征方程求根、積分求解、常微分方程求解等積分數(shù)值求解問題。通過列舉諸多用MATLAB實現(xiàn)的仿真模擬，使學生對基礎理論有直觀的認知與深入的理解，并能夠建立合適的模型對實際問題進行描述與解決。通過對光子學問題的仿真求解，使學生在理論學習的基礎上更有參與感。在光束傳播法原理和應用方面，編者依據(jù)多年的科研積累，總結了有關原理以及使用經(jīng)驗與技巧，提升了課程內(nèi)容深度，也為研究生及年輕學者應用光束傳播法開展相關研究提供了指導。

2. 深入淺出講解理論的同時立足于實用。在各章節(jié)中都注意將光子學的基本原理與光電器件的工作特性與工程實際案例相結合，比如對于法布里-珀羅干涉儀、量子阱激光器、摻鉺光纖放大器等等應用案例的分析與講解。教材結合了行業(yè)發(fā)展動態(tài)與需求，提供了波分復用系統(tǒng)的兩個實際調(diào)試操作，可供學生加以實際應用，使學生能將理論知識運用于實踐。

3. 融合國內(nèi)外高校的專業(yè)教學經(jīng)驗與方法，整合相關課程的教學內(nèi)容。教材編寫團隊由既具有扎實的專業(yè)理論，又具有國際視野和企業(yè)工程經(jīng)驗的專家隊伍組成，因此在編寫過程中參考了大量的國內(nèi)外教材與著述，反復商討對內(nèi)容的選取。同時注意與其他課程內(nèi)容的銜接關系：如基礎理論部分的光學、電磁場與波、導波光學，技術應用部分的激光技術、光纖通信技術、光電檢測技術，軟件仿真上的MATLAB在光信息處理中的應用、光通信器件設計等等，重點論述相關知識在本課程體系中的運用，而非贅述交叉的內(nèi)容，以保證知識體系的獨立、完整。

四、 結束語

隨著我國高等教育改革的不斷推進，課程建設、教材建設成為了教學改革研究的熱點。我們對光電專業(yè)的必修課程信息光子學的教材改革進行了深入的研究，并完成了新編教材。該教材內(nèi)容豐富、特色鮮明、原理闡述正確，科學事實和物理現(xiàn)象描述清楚、準確，并且獲批為“十三五”江蘇省高等學校重點教材。我們以教材改革構建課程的立體化教學，進而推動專業(yè)及學科建設，以實現(xiàn)教育部新工科建設的戰(zhàn)略目標，培養(yǎng)學生運用現(xiàn)代信息技術工具分析并解決專業(yè)領域的復雜工程問題的能力。

參考文獻：

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[2]黃世釗，談玲瓏.新工科視角下電子信息工程專業(yè)建設探究[J].科技經(jīng)濟導刊，2018（26）：137-138.

作者簡介：

楊磊，上海市，江蘇大學機械工程學院。