光电专业光源原理与设计课程教学改革探索

张天佑 顾大伟 朱杰君 吴高建

摘  要 光源原理与设计课程内容繁杂，涉及不同光源产品的光色度學参量、发光原理和电气化设计内容。根据目前课程难以开设相关实验内容、课程内容陈旧等问题进行课堂教学改革探索，在课堂教学过程中加入演示实验和虚拟仿真实验，并根据行业发展现状扩充与最具应用前景的OLED光源相关的教学内容。

关键词 光电专业;光源原理与设计;教学改革;虚拟仿真实验;教材

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）15-0093-02

0  前言

21世纪以来，光电信息产业发展迅猛，为适应光电领域日益增长的人才需求，目前国内有超过200所高校开设了光电信息科学与工程专业（简称光电专业）。光电专业是由光学、光电子、微电子等学科结合而成的多学科综合专业，涉及光的产生（光源）、传输、成像、传感及探测，以及光电信息的转换存储、处理与显示等技术，是南京工业大学校级品牌专业。光源是产生光的根源，各校一般选择开设激光原理类课程和光源原理与设计课程来介绍相关知识。相对于工业应用性较强的激光来说，普通光源产品的质量和性能直接影响人民生活质量，其应用范围更为广泛，与人们日常生活关系更为密切。普通光源类课程介绍光色度学基础知识，白炽灯、荧光灯和LED等日常光源与卤钨灯、钠灯、汞灯和氙灯等专用光源的工作原理。国内一些开设了电气类下设的光源与照明专业和光电专业的高校开设了普通光源原理类课程，也有一些高校单独开设光色度学类课程，或在半导体物理与器件课程中少量介绍LED光源相关知识。

目前，学校在第四学期针对光电专业学生开设光源原理与设计课程，主要参考教材为周太明等著的《光源原理与设计》一书。光源原理与设计是一门偏电气类的课程，可以引导学生将学习的理论知识与实际产品设计联系起来，方便学生理论联系实际。针对目前课程教学中存在的问题积极地进行课堂教学改革，取得一定的成效。

1  课程教学存在的问题

1.1  教学模式单一

光源原理与设计课程为32学时的理论课程，课时数相对于所讲述的常见光源产品的原理和设计内容偏少，一些复杂的光源工作原理和性能指标的讲解还停留在书面上，比如钠灯、氙灯、低压汞灯的光谱特性;一些光源的基本知识也只能通过PPT进行文字结合图片的简单讲解，比如色温、显色指数、色坐标和亮度等。在有限的学时内加入实验课程是不可行的，一方面占用课时要以裁剪理论讲解章节作为代价，会破坏知识体系的完整性;另一方面，除了光度学和色度学少数基本概念的相关实验是成体系且较为成熟的，大多数光源工作原理相关的实验并不成体系，知识点零散且缺少成型实验设计。另外，对于大班授课情况，如果每人（或两人）一套设备，将会占用大量实验场所，并需较高的资金投入来搭建实验设施，所需的实验设施用途非常单一，这对于普通的专业课程是不现实的。

1.2  缺少与时俱进的教材

早期以白炽灯泡为主流产品的第一代光源已渐淡出日常生活。由于白炽灯泡效率低且能耗高，人们开发了以荧光灯管为代表的第二代光源产品。时至今日，LED作为高效的新兴光源产品已经被广泛应用于室内外照明领域。但是由于荧光灯管内常充有毒性汞蒸气，环保性能较差，而荧光灯管和LED的显色指数太低，显色质量较差，广大科研人员正在积极开发OLED产品。根据发展和使用现状及应用前景，LED和OLED产品都应当单独开辟章节进行介绍，但现有光源原理教材对于它们的介绍停留在简介状态，脱离了产业现状，影响学生直接对接先进产业科技的进程，不利于对学生创新意识和创新能力的培养。

1.3  复杂工艺无法实现可视化

一些光源的工作原理较为复杂，其中气体放电灯、LED和OLED的工作原理与生产制备环节涉及复杂生产工艺流程内容。这些过程的讲解较为枯燥，而又无法通过课堂演示来增强讲授效果，学生学习停留在死记硬背的状态。

2  针对存在的问题进行的教学改革探索

2.1  课堂演示实验

针对教学模式单一而无法增加实验课时的实际情况，设计并优化一些课堂演示实验内容。这些实验内容占时短、成本合理，但是教学效果显著，能够极大地激发学生的学习兴趣并给学生留下深刻印象。典型的演示实验内容如下。

1）控制教室灯光，以学生为主体，利用彩色图片和色度学视觉效果图片演示彩色视觉切换到黑白视觉的过程，以及负后像等视觉现象。

2）课堂上利用光纤光谱仪测量太阳、白炽灯、卤钨灯、高低压汞灯、金卤灯、氙灯和LED等光源的光谱特性，让学生了解不同光源的光谱特性并加深对光色度学中一些基本概念（辐射度、亮度、显色指数、色坐标和色温等）的理解，同时了解测量光谱和以上光色度学参量的基本方法。

3）课堂演示钠灯和低压水银荧光灯的开启过程，加深学生对气体放电灯的工作原理及气体辉光放电和弧光放电等现象的理解。

4）利用紫外光源激发灯用荧光粉和OLED发光材料，同时利用光纤光谱仪测量荧光光谱，可以方便学生了解荧光粉和发光材料的光谱特性;通过组合荧光粉可以演示光谱设计原理;通过对比稀土发光粉和OLED发光材料的光谱特性，可以让学生认知OLED光源的照明优势并深刻理解光源产品设计的要领。由于这一实验具有很强的视觉冲击感，可以充分调动学生的学习兴趣并提升学生的专业自信心。

2.2  裁剪章节内容，增强课程体系的完整性

在课时偏少的前提下裁定授课内容时需要格外谨慎。以周太明等编著的《光源原理与设计》（第二版）作为主要参考教材，以日常生活使用最为广泛的光源的发展历程为主线，选择光色度学基础知识、白炽灯+卤钨灯、气体放电灯+低压汞灯和LED+OLED等光源设计和工作原理作为课程主要内容。其中，白炽灯、低压汞灯和LED分别是日常照明用光源三个发展阶段的代表产品，而卤钨灯是白炽灯的改进型光源，低压水银荧光灯是气体放电灯的一种，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学习则以学生调研并提交报告的形式完成。

教材中仅对LED和OLED两种光源进行了简介，需要对教学内容进行与时俱进的扩展，才能让学生与当今产业技术接轨。当前LED已经广泛使用在各种照明场景中，而OLED作为照明光源中的明星产品，也正在逐渐走进千家万户。因此，放弃一些非常用光源的内容介绍，而利用八个学时来进行LED和OLED光源的制备工艺、工作原理和光源性能的讲解，一方面让学生了解科技前沿动态，方便对接就业环境;另一方面按照照明光源发展的三个阶段来介绍光源产品，使课程内容更加完整。另外，光源的设计需同时考虑光谱、电气特性和能耗等因素，很难找到兼顾各方的光源产品，而OLED恰恰是满足所有要求的潜力产品。因此将授课内容调整为包含OLED光源部分，既能滿足授课内容的革新，又能让整个课程内容更成体系。

2.3  增加虚拟仿真设计实验内容

为了提升学生对各种光源涉及的工艺和原理的学习，结合现有实验资源和网络资源开发和增设部分光源原理和工艺的虚拟仿真实验内容。

2.3.1  OLED器件制备和测试流程  南京工业大学物理实验中心现有OLED制备设备两套，占用实验室面积30 m2。进行一次基于AlQ3的标准OLED器件制备实验，耗时约六小时。结合现有仪器设备进行“真空的获得”和“OLED器件制备与测试”两个实验内容的虚拟仿真实验设计。虚拟实验中高度仿真的1∶1等比例3D场景设计，学生通过实验室参观形成整体印象后，可以通过网络访问虚拟仿真实验服务器再次“回到”实验室中亲自操作完成实验内容。该部分实验内容涵盖了真空获得和测量、膜厚监测原理、OLED器件设计。整个实验过程采用通关任务驱动式教学模式，将各工艺环节和材料选择等知识点与特定实验操作结合，以便考核学生对复杂工艺和易混知识点的掌握程度。当学生操作失误时，系统将提示学生错误原因和相关知识点，方便学生重复实验来沉浸式地学习和巩固知识。由于学时数限制，目前该部分实验由学生课后完成并提交实验报告的形式进行。

2.3.2  访问国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台  气体放电光源与气体放电过程相关，如钠灯、高低压汞灯和氙灯等。不同光源工作在气体放电过程的不同阶段，但是学校目前没有开设与气体放电过程相关的实验课程。同样，尽管LED已经较为普遍地走进人们日常生活，但由于制造设备成本昂贵，工艺流程复杂，学院没有从事相关科研工作的教师，因此，LED的制备流程也无法开展实验。而通过访问国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台，可以让学生更加深入地学习和掌握相关知识。目前，已经将该平台的三个虚拟仿真实验推荐给学生：辉光放电等离子体物理虚拟仿真综合实验;半导体照明LED外延生长虚拟仿真实验;氮化镓发光二极管工艺制造与光电特性虚拟仿真实验。致力于深入学习的学生可以通过访问各实验的服务器，利用平台提供的实验账号和密码进行实验学习。目前，该部分实验内容作为选作内容供学生完成，打印并提交实验报告或者实验心得的学生将得到平时分加法奖励。

3  结语

针对光源原理与设计课程教学模式单一、内容杂乱陈旧、无法开设实验内容等问题，对课程教学进行初步改革，设计一系列课堂演示实验，调整授课内容体系并利用各种先进教学资源实现学生对复杂工艺的可视化学习。改革激发了学生学习兴趣，达到学生将书本理论与科技前沿技术相联系的效果，为学生建立了先进的学习模式和理念。

参考文献

[1]尹娟娟，俞侃，包佳祺.光电专业“物理光学”课程教学改革的探索[J].教育教学论坛，2014（36）：36-37.

[2]丁岚，普小云.光电专业“光子学基础”课程多元化教学模式初探[J].云南大学学报（自然科学版），2014（36）：142-145.

[3]孟云吉，傅吉云.光电专业信息光学课程教学探索[J].黄山学院学报，2019（21）：110-113.