比较法教学在《Optoelectronics》双语课程中的应用探索

[摘 要]《Optoelectronics》是光电信息科学与工程专业的一门重要的专业基础课， 课程中知识点多、课时紧，学生在学习该双语课程时有畏难情绪。从课程的特点出发， 结合实例阐述了比较法在关键概念、基本原理、器件结构和特性参量的教学中的应用， 研究和实践表明： 在教学中采用比较法， 可以激发学生学习兴趣， 引导学生注重知识的前后连贯，提高教学效果。

[关键词]比较法； 光电子学； 教学； 双语课程

中图分类号：H319 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0001-02

概述

《Optoelectronics》课程是光电信息科学与工程等专业一门重要的专业基础课程，主要讲述光的产生、光的探测、光的调制的基本原理。在高校专业课程教学中，为了让学生接触到本专业的一些前沿知识和最新研究进展，同时也是为了提高学生阅读外文科技书籍和资料的能力，课程采用外文原版教材和中英文参考书[1-3]，使用双语教学，学生刚接触该课程时出现畏难情绪，缺乏兴趣和主动性。为调动学生学习的积极性，提高教学效率和效果，在教学中应用比较法，不仅使学生在前修课程或本课程前面章节已学的知识点得到巩固和深化，而且使新知识点的教学事半功倍。

比较法的应用

比较法能够开拓学生的思维空间，在分析鉴别中把握知识的重点，较正确地把握概念、原理、结构、计算方法之间的联系与区别。将比较法如何运用于教学中呢？比较法教学，就是把内容或形式上有联系的知识点进行对比、分析，指出其相同点、不同点的教学方法[4]。其主要方法：

（一）求同比较。就是将相同的知识，或性质相似的知识点放在一起加以比较。这样通过相同点的比较，学生把握两组或多组知识点的内涵，能够使理解深入并真正掌握。

（二）求异比较。事物之间存在差异，这是极普遍的现象。在教学实践中，求异比较是启发学生尽量多地寻找出不同点，通过两组或多组知识点间差异的比较，抓住其本质区别，激发学生拓宽对知识点的理解的广度，并可使学生获得更新的结构、性能的设计思路。

高校教学中，在前修课程的基础上，通过专业基础课的学习，为后面的专业课程打下牢固的基础。《Optoelectronics》着重于与光通信技术相关的光电子器件，知识点教学主要分为概念、原理、结构和特性参量的教学。

一、比较法用于关键概念的教学

《Optoelectronics》双语课程中新概念多，仔细归类，发现可作比较的概念不少，如：带间跃迁和带内跃迁、损耗和增益等。在关键概念的教学中，引导学生与前修课程或本课程前面已学的相关概念进行比较，或者直接将两个并列的概念同时引入，比较其异同点。

如图1的PPT所示，在1.6节引入带内跃迁（Intraband transitions）时，与前面已学的1.4节中的带间跃迁通过示意图、条件、跃迁前后状态的变化以及各自应用进行比较，学生不仅很快理解了“带内跃迁”新概念，而且对“带间跃迁”掌握得更深刻。

自发辐射和受激辐射是4.2节中同时引入的概念，教学中：

先给出定义。在热平衡下，如果在半导体的导带与价带中分别有一定数量的电子与空穴，导带中电子以一定的几率与价带中空穴复合并以光子形式放出复合所产生的能量的过程称为自发发射跃迁；导带电子与价带空穴复合过程在适当能量的光子激励下进行的，由复合产生的光子与激发该过程的光子有完全相同的特性（包括频率、相位和传播方向等），这种跃迁过程称为受激发射。

再进行求同比较和求异比较。相同点如图2所示，两种过程前后的状态变化都是导带电子与价带空穴复合发出光子。不同点主要是条件不同，一个是自发的，一个必须有光子激励且光子能量等于禁带宽度；发出的光子的特性不同，自发辐射发出的光子是非相干的，对应半导体发光二极管（LED）的工作原理；受激辐射发出的光子是全同光子，是相干光，对应

半导体激光器（LD）、半导体光放大器（SOA）的工作原理。

通过这样的教学步骤，学生易于理解并在比较中牢固掌握概念，在后续器件原理的学习中，能够熟练应用概念，结合器件结构易于理解工作原理。

二、比较法用于基本原理的教学

基本原理是各课程的重点和基础。在《Optoelectronics》双语课程中，主要是各种器件的工作原理，如检测器原理与光源原理；各种工作模式的原理，如小信号调制、大信号调制和脉码调制。

《Optoelectronics》双语课程的第二章主要阐述了光电检测器――PIN和雪崩二极管（APD），第三章的重点是LED，第四章着重于LD的静态。那么在第四章教学的开始，如图3所示，将课程中光电子器件的两大类――检测器（PIN、APD）和光源（LED、LD）从整体上进行比较。首先找出共同点，无论检测器还是光源都是换能器（Transmitter），只不过检测器是将光能转换成电能，而光源是将电能转换成光能，这样的相同之处就可以引导学生学习第四章时类比前两章的方法。然后找不同点，主要是结构和偏置状态不同，检测器反向偏置，光源正向偏置，这样就可归结于前修课程中的不同偏置下的半导体PN结的工作原理，所以第四章中的很多公式的推导和分析只要抓住结构和偏置的不同，借鉴已有的知识和方法，难点就迎刃而解了。

类似的原理用比较法讲解，也起到了很好的效果，如图4所示，在5.2节引入LD的三种直接调制方式的原理时，通过三种调制方式输入输出波形的比较，让学生直观明了地理解了这三种调制方式，学生当堂能自己作分析比较：小信号调制和脉码调制本质上属于一类，输入脉冲信号都在阈值之上，所不同的仅在于输入信号在阈值之上的调制幅度的大小；大信号调制，并不是输入信号大，而是指输入信号在阈值的上下变化，因此响应速度是最慢的。

三、比较法用于核心器件结构的教学

前面已提到课程中涉及的光电子器件主要是检测器PIN、APD和光源LED、LD，差别主要在于结构，所以本课程中引入新结构的时候，一般都会与前面同一类型的结构进行比较，如PIN和APD、面发射和边发射LED、增益导引型和折射率导引型LD等。

在2.7节引入APD的典型结构时，与2.6节的PIN的结构比较，如图5所示。找出它们的异同，发现最外的两层都是重掺杂而且很薄，吸收区都很厚，区别在于APD多加了一层，这层作为雪崩区，电场强度大而且尽量保持均匀，因此接下来的教学主要围绕这层高场强的雪崩区展开，这样重点突出而且引入快，也引起学生的兴趣第3.5节阐述LED的先进结构，其中边发射和面发射的结构如图6中左边的两个结构图所示，应用比较法，突出主要异同点：都有异质PN结；不同之处以如图6中右边两个简图所示，边发射LED顶面是条形电极，侧边发光，类似LD的发光方式；面发射LED为了得到准直的光束，在顶面电极开口处放置微透镜聚焦。运用对比的方法，并化繁为简，画出简图，能让学生一目了然，对结构特点也易掌握。

四、比较法用于重要特性参量计算的教学

比较法不仅适用于定性知识的教学，对器件特性的定量计算也起到触类旁通的效果。

2.4节和2.6节中都有光电流的计算，可通过比较法，在2.4节的基础上便捷地推导出2.6节中的光电流。如图7中上面的能带图所示，当光入射到反向偏置的PN结中，产生的光电流包括P区和N区中的扩散电流以及耗尽区的漂移电流；而当光入射反向偏置的PIN检测器，如图7中下面的能带图所示，P和N都很薄，扩散电流可忽略，而I区的厚度比PN结中的耗尽区的厚度大得多，所以计算其中的漂移电流时，积分号中的产生率不能近似为常数。

课程中最重要的参量计算是围绕器件的转换效率，如图8所示，在第二章虽然反复强调PIN和APD的转换效率、输入光子流、输出电流三者的互算关系，但在作业中有不少同学没有理解，只是背公式，因此出现不少错误。在第三章中再次提到LED的转换效率、输入光子流、输出电流三者的互算关系时，利用比较法，抓住共同点都是换能器，输入量乘以转换效率得到输出量，这样大多数学生能马上领会到效率在等式中的位置对于检测器和光源是不同的，因为两者的输入输出量正好相反。

教学法应用体会

实践表明， 充分利用比较法进行课程教学， 可以帮助学生理解新概念、基本原理、器件结构以及特性参量的计算方法，并巩固原有知识，激发学生的学习兴趣，主动在比较中寻找规律，以达到触类旁通，充分培养学生综合分析能力，提高教学效果。

参考文献

[1] Jasprit Singh. 半导体光电子学（英文版）[M].纽约：McGraw-Hill出版社， 1995.

[2] S. O. Kasap.光电学与光子学（英文版）[M]. 伦敦：Prentice Hall出版社， 2001.

[3]黄德修.半导体光电子学[M].成都：电子科技大学出版社，2013.

[4]丁邦平. 比较教学论：21世纪比较教育学发展的一个重要领域[J].教育研究，2013（3）：12-19.

作者简介：施伟华，女，南京邮电大学光电工程学院，副教授。主要研究方向：光电子器件。