光電專業(yè)光源原理與設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革探索

張?zhí)煊? 顧大偉 朱杰君 吳高建

摘 ?要 光源原理與設(shè)計(jì)課程內(nèi)容繁雜，涉及不同光源產(chǎn)品的光色度學(xué)參量、發(fā)光原理和電氣化設(shè)計(jì)內(nèi)容。根據(jù)目前課程難以開設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、課程內(nèi)容陳舊等問題進(jìn)行課堂教學(xué)改革探索，在課堂教學(xué)過程中加入演示實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀擴(kuò)充與最具應(yīng)用前景的OLED光源相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞 光電專業(yè);光源原理與設(shè)計(jì);教學(xué)改革;虛擬仿真實(shí)驗(yàn);教材

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）15-0093-02

0 ?前言

21世紀(jì)以來，光電信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，為適應(yīng)光電領(lǐng)域日益增長的人才需求，目前國內(nèi)有超過200所高校開設(shè)了光電信息科學(xué)與工程專業(yè)（簡(jiǎn)稱光電專業(yè)）。光電專業(yè)是由光學(xué)、光電子、微電子等學(xué)科結(jié)合而成的多學(xué)科綜合專業(yè)，涉及光的產(chǎn)生（光源）、傳輸、成像、傳感及探測(cè)，以及光電信息的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)、處理與顯示等技術(shù)，是南京工業(yè)大學(xué)校級(jí)品牌專業(yè)。光源是產(chǎn)生光的根源，各校一般選擇開設(shè)激光原理類課程和光源原理與設(shè)計(jì)課程來介紹相關(guān)知識(shí)。相對(duì)于工業(yè)應(yīng)用性較強(qiáng)的激光來說，普通光源產(chǎn)品的質(zhì)量和性能直接影響人民生活質(zhì)量，其應(yīng)用范圍更為廣泛，與人們?nèi)粘Ｉ铌P(guān)系更為密切。普通光源類課程介紹光色度學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，白熾燈、熒光燈和LED等日常光源與鹵鎢燈、鈉燈、汞燈和氙燈等專用光源的工作原理。國內(nèi)一些開設(shè)了電氣類下設(shè)的光源與照明專業(yè)和光電專業(yè)的高校開設(shè)了普通光源原理類課程，也有一些高校單獨(dú)開設(shè)光色度學(xué)類課程，或在半導(dǎo)體物理與器件課程中少量介紹LED光源相關(guān)知識(shí)。

目前，學(xué)校在第四學(xué)期針對(duì)光電專業(yè)學(xué)生開設(shè)光源原理與設(shè)計(jì)課程，主要參考教材為周太明等著的《光源原理與設(shè)計(jì)》一書。光源原理與設(shè)計(jì)是一門偏電氣類的課程，可以引導(dǎo)學(xué)生將學(xué)習(xí)的理論知識(shí)與實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)聯(lián)系起來，方便學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際。針對(duì)目前課程教學(xué)中存在的問題積極地進(jìn)行課堂教學(xué)改革，取得一定的成效。

1 ?課程教學(xué)存在的問題

1.1 ?教學(xué)模式單一

光源原理與設(shè)計(jì)課程為32學(xué)時(shí)的理論課程，課時(shí)數(shù)相對(duì)于所講述的常見光源產(chǎn)品的原理和設(shè)計(jì)內(nèi)容偏少，一些復(fù)雜的光源工作原理和性能指標(biāo)的講解還停留在書面上，比如鈉燈、氙燈、低壓汞燈的光譜特性;一些光源的基本知識(shí)也只能通過PPT進(jìn)行文字結(jié)合圖片的簡(jiǎn)單講解，比如色溫、顯色指數(shù)、色坐標(biāo)和亮度等。在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)加入實(shí)驗(yàn)課程是不可行的，一方面占用課時(shí)要以裁剪理論講解章節(jié)作為代價(jià)，會(huì)破壞知識(shí)體系的完整性;另一方面，除了光度學(xué)和色度學(xué)少數(shù)基本概念的相關(guān)實(shí)驗(yàn)是成體系且較為成熟的，大多數(shù)光源工作原理相關(guān)的實(shí)驗(yàn)并不成體系，知識(shí)點(diǎn)零散且缺少成型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。另外，對(duì)于大班授課情況，如果每人（或兩人）一套設(shè)備，將會(huì)占用大量實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，并需較高的資金投入來搭建實(shí)驗(yàn)設(shè)施，所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)施用途非常單一，這對(duì)于普通的專業(yè)課程是不現(xiàn)實(shí)的。

1.2 ?缺少與時(shí)俱進(jìn)的教材

早期以白熾燈泡為主流產(chǎn)品的第一代光源已漸淡出日常生活。由于白熾燈泡效率低且能耗高，人們開發(fā)了以熒光燈管為代表的第二代光源產(chǎn)品。時(shí)至今日，LED作為高效的新興光源產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外照明領(lǐng)域。但是由于熒光燈管內(nèi)常充有毒性汞蒸氣，環(huán)保性能較差，而熒光燈管和LED的顯色指數(shù)太低，顯色質(zhì)量較差，廣大科研人員正在積極開發(fā)OLED產(chǎn)品。根據(jù)發(fā)展和使用現(xiàn)狀及應(yīng)用前景，LED和OLED產(chǎn)品都應(yīng)當(dāng)單獨(dú)開辟章節(jié)進(jìn)行介紹，但現(xiàn)有光源原理教材對(duì)于它們的介紹停留在簡(jiǎn)介狀態(tài)，脫離了產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，影響學(xué)生直接對(duì)接先進(jìn)產(chǎn)業(yè)科技的進(jìn)程，不利于對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.3 ?復(fù)雜工藝無法實(shí)現(xiàn)可視化

一些光源的工作原理較為復(fù)雜，其中氣體放電燈、LED和OLED的工作原理與生產(chǎn)制備環(huán)節(jié)涉及復(fù)雜生產(chǎn)工藝流程內(nèi)容。這些過程的講解較為枯燥，而又無法通過課堂演示來增強(qiáng)講授效果，學(xué)生學(xué)習(xí)停留在死記硬背的狀態(tài)。

2 ?針對(duì)存在的問題進(jìn)行的教學(xué)改革探索

2.1 ?課堂演示實(shí)驗(yàn)

針對(duì)教學(xué)模式單一而無法增加實(shí)驗(yàn)課時(shí)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)并優(yōu)化一些課堂演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容占時(shí)短、成本合理，但是教學(xué)效果顯著，能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并給學(xué)生留下深刻印象。典型的演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下。

1）控制教室燈光，以學(xué)生為主體，利用彩色圖片和色度學(xué)視覺效果圖片演示彩色視覺切換到黑白視覺的過程，以及負(fù)后像等視覺現(xiàn)象。

2）課堂上利用光纖光譜儀測(cè)量太陽、白熾燈、鹵鎢燈、高低壓汞燈、金鹵燈、氙燈和LED等光源的光譜特性，讓學(xué)生了解不同光源的光譜特性并加深對(duì)光色度學(xué)中一些基本概念（輻射度、亮度、顯色指數(shù)、色坐標(biāo)和色溫等）的理解，同時(shí)了解測(cè)量光譜和以上光色度學(xué)參量的基本方法。

3）課堂演示鈉燈和低壓水銀熒光燈的開啟過程，加深學(xué)生對(duì)氣體放電燈的工作原理及氣體輝光放電和弧光放電等現(xiàn)象的理解。

4）利用紫外光源激發(fā)燈用熒光粉和OLED發(fā)光材料，同時(shí)利用光纖光譜儀測(cè)量熒光光譜，可以方便學(xué)生了解熒光粉和發(fā)光材料的光譜特性;通過組合熒光粉可以演示光譜設(shè)計(jì)原理;通過對(duì)比稀土發(fā)光粉和OLED發(fā)光材料的光譜特性，可以讓學(xué)生認(rèn)知OLED光源的照明優(yōu)勢(shì)并深刻理解光源產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要領(lǐng)。由于這一實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的視覺沖擊感，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并提升學(xué)生的專業(yè)自信心。

2.2 ?裁剪章節(jié)內(nèi)容，增強(qiáng)課程體系的完整性

在課時(shí)偏少的前提下裁定授課內(nèi)容時(shí)需要格外謹(jǐn)慎。以周太明等編著的《光源原理與設(shè)計(jì)》（第二版）作為主要參考教材，以日常生活使用最為廣泛的光源的發(fā)展歷程為主線，選擇光色度學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、白熾燈+鹵鎢燈、氣體放電燈+低壓汞燈和LED+OLED等光源設(shè)計(jì)和工作原理作為課程主要內(nèi)容。其中，白熾燈、低壓汞燈和LED分別是日常照明用光源三個(gè)發(fā)展階段的代表產(chǎn)品，而鹵鎢燈是白熾燈的改進(jìn)型光源，低壓水銀熒光燈是氣體放電燈的一種，OLED是既LED光源之后的最理想的日常光源。教材中一些非日常使用的光源的學(xué)習(xí)則以學(xué)生調(diào)研并提交報(bào)告的形式完成。

教材中僅對(duì)LED和OLED兩種光源進(jìn)行了簡(jiǎn)介，需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行與時(shí)俱進(jìn)的擴(kuò)展，才能讓學(xué)生與當(dāng)今產(chǎn)業(yè)技術(shù)接軌。當(dāng)前LED已經(jīng)廣泛使用在各種照明場(chǎng)景中，而OLED作為照明光源中的明星產(chǎn)品，也正在逐漸走進(jìn)千家萬戶。因此，放棄一些非常用光源的內(nèi)容介紹，而利用八個(gè)學(xué)時(shí)來進(jìn)行LED和OLED光源的制備工藝、工作原理和光源性能的講解，一方面讓學(xué)生了解科技前沿動(dòng)態(tài)，方便對(duì)接就業(yè)環(huán)境;另一方面按照照明光源發(fā)展的三個(gè)階段來介紹光源產(chǎn)品，使課程內(nèi)容更加完整。另外，光源的設(shè)計(jì)需同時(shí)考慮光譜、電氣特性和能耗等因素，很難找到兼顧各方的光源產(chǎn)品，而OLED恰恰是滿足所有要求的潛力產(chǎn)品。因此將授課內(nèi)容調(diào)整為包含OLED光源部分，既能滿足授課內(nèi)容的革新，又能讓整個(gè)課程內(nèi)容更成體系。

2.3 ?增加虛擬仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為了提升學(xué)生對(duì)各種光源涉及的工藝和原理的學(xué)習(xí)，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)資源和網(wǎng)絡(luò)資源開發(fā)和增設(shè)部分光源原理和工藝的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.3.1 ?OLED器件制備和測(cè)試流程 ?南京工業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有OLED制備設(shè)備兩套，占用實(shí)驗(yàn)室面積30 m2。進(jìn)行一次基于AlQ3的標(biāo)準(zhǔn)OLED器件制備實(shí)驗(yàn)，耗時(shí)約六小時(shí)。結(jié)合現(xiàn)有儀器設(shè)備進(jìn)行“真空的獲得”和“OLED器件制備與測(cè)試”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。虛擬實(shí)驗(yàn)中高度仿真的1∶1等比例3D場(chǎng)景設(shè)計(jì)，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)室參觀形成整體印象后，可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問虛擬仿真實(shí)驗(yàn)服務(wù)器再次“回到”實(shí)驗(yàn)室中親自操作完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。該部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了真空獲得和測(cè)量、膜厚監(jiān)測(cè)原理、OLED器件設(shè)計(jì)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程采用通關(guān)任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模式，將各工藝環(huán)節(jié)和材料選擇等知識(shí)點(diǎn)與特定實(shí)驗(yàn)操作結(jié)合，以便考核學(xué)生對(duì)復(fù)雜工藝和易混知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。當(dāng)學(xué)生操作失誤時(shí)，系統(tǒng)將提示學(xué)生錯(cuò)誤原因和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，方便學(xué)生重復(fù)實(shí)驗(yàn)來沉浸式地學(xué)習(xí)和鞏固知識(shí)。由于學(xué)時(shí)數(shù)限制，目前該部分實(shí)驗(yàn)由學(xué)生課后完成并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式進(jìn)行。

2.3.2 ?訪問國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái) ?氣體放電光源與氣體放電過程相關(guān)，如鈉燈、高低壓汞燈和氙燈等。不同光源工作在氣體放電過程的不同階段，但是學(xué)校目前沒有開設(shè)與氣體放電過程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程。同樣，盡管LED已經(jīng)較為普遍地走進(jìn)人們?nèi)粘Ｉ?，但由于制造設(shè)備成本昂貴，工藝流程復(fù)雜，學(xué)院沒有從事相關(guān)科研工作的教師，因此，LED的制備流程也無法開展實(shí)驗(yàn)。而通過訪問國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)，可以讓學(xué)生更加深入地學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)知識(shí)。目前，已經(jīng)將該平臺(tái)的三個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)推薦給學(xué)生：輝光放電等離子體物理虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn);半導(dǎo)體照明LED外延生長虛擬仿真實(shí)驗(yàn);氮化鎵發(fā)光二極管工藝制造與光電特性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。致力于深入學(xué)習(xí)的學(xué)生可以通過訪問各實(shí)驗(yàn)的服務(wù)器，利用平臺(tái)提供的實(shí)驗(yàn)賬號(hào)和密碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。目前，該部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為選作內(nèi)容供學(xué)生完成，打印并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告或者實(shí)驗(yàn)心得的學(xué)生將得到平時(shí)分加法獎(jiǎng)勵(lì)。

3 ?結(jié)語

針對(duì)光源原理與設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式單一、內(nèi)容雜亂陳舊、無法開設(shè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等問題，對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行初步改革，設(shè)計(jì)一系列課堂演示實(shí)驗(yàn)，調(diào)整授課內(nèi)容體系并利用各種先進(jìn)教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)復(fù)雜工藝的可視化學(xué)習(xí)。改革激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到學(xué)生將書本理論與科技前沿技術(shù)相聯(lián)系的效果，為學(xué)生建立了先進(jìn)的學(xué)習(xí)模式和理念。

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