时间：2023-03-27 16:37:57
关键词 本性；学说；波动性；粒子性
中图分类号O6 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）55-0091-02
0 引言
光学是物理学中较古老的一门基础学科，又是当前物理学领域最活跃的前沿之一然而光学也是经过一场场磨难和斗争才发展起来的，其历史被当作自然科学发展史的典范，对光本性认识的争论是光学发展主要动力之一光的本性是什么对这个问题人们自古就有不同的认识，形成了一场关于光的本性的激烈的争论，即微粒说和波动说之争。
1 光本性的两种学说之争
关于光本性的两种学说―微粒说合波动说。其中微粒说的代表人物是牛顿，而波动说则以胡克和惠更斯为代表，牛顿在向皇家学会提交的一封信中，首次提出了自己对光的物质见解，指出“光线可能是球形的物体” 即光的微粒说，牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子，它们一个接着一个地迅速发射出来，以直线进行，人们感觉不到相继两个之间的时间间隔。并用这种观点解释了光的直线传播，光的反射和折射。
牛顿的论点遭到胡克等人反对并引起争论。胡克主张光是一种振动，而且是短促的。他举出金刚石受摩擦或打击时在暗中会发光来说明他的论点，同时认为在均匀媒质中，振动在各个方向以相等的速度因此发光体的每次振动都将形成一个球面，球面在不断扩大，就像石块落水激起的环波越来越大一样。这就是较早提出的光的波动性的概念。
惠更斯则在其基础上没有能继续研究下去，即没有从理论上弄清楚振荡电流作为振源，是怎样把电磁振荡传播出去的这样。惠更斯提出类似于空气中的声波，以太波也是纵波。注意：这里惠更斯作了错误的类比，实际上光波是横波。正由于被认为是纵波，所以对“偏振”现象就无法解释了，加上“以太”是否存在还是一个疑问，而且初期的波动说还缺乏数学基础，所以难以与微粒所抗衡。
开尔文又错过了发现电磁波的契机开尔文曾两次走到电磁理论的大门，但都因其少年早慧带来的弱点徘徊而去，错失发现电磁理论的良机，使其与电磁理论的发现者这一称号无缘。不过，这并不影响开尔文在电磁理论发展中起的作用。这种作用就是，开尔文在这一领域作了开拓性的研究，为后来麦克斯韦、赫兹在这方面的工作奠定了基础。
通过一系列的实验，赫兹终于在年发现并证实了电磁波的存在。赫兹发现电磁波则是“利用开尔文勋爵在研究电容器放电时所推导出来的数学方程式作为他实验的理论基础，这方程式给出了一振荡回路的振荡周期与电容量和自感量的关系。
式中为T振荡周期， L为自感量，C为电容量。这样，我们就可以求得波长，并可使之足够小，以便在实验中进行测量。”通过一系列的实验，赫兹终于在1988年发现并证实了电磁波的存在。
至此，麦克斯韦总结出的电磁理论，才算最终成型。可见开尔文在电磁理论方面的工作是电磁理论发展史上相当重要的一环，起着承上启下的作用。提出了光的波动性理论。
19世纪，托马斯・杨发现通过双缝的光会在光屏上出现明暗相间的条纹即著名的杨氏双缝干涉实验，提出了干涉理论，且成功地解释了牛顿环当时人们没有接受杨氏的观点十多年后，菲涅耳发现了光的衍射现象，提出了衍射理论，与杨氏不同的是菲涅耳采用了波振的概念，发展了次波的概念，形成了新的波动理论与此同时，杨氏在研究光的偏振现象时对纵波说进行了反思， 最后提出了横波说， 成功地解释了一直卡在波动说脖子上的偏振疑难， 后来菲涅耳等人为光的横向振动理论提供了证明，这样，19世纪光的波动理论就基本确立了但确立了的波动理论认为光波是一种机械弹性波，机械波传播需要媒质，光波是靠一种“以太”的物质传播，至于以太是什么物质谁也说不清楚随着真空的获得，人们发现光在真空的传播与声波的传播正好相反， 这就使得刚建立的光的机械弹性波动理论又面临挑战世纪电磁学发展很快，物理实验大师法拉第在实验中发现光的振动在强磁场中会旋转，从而揭示了光和电磁的联系这个时期人们对光速的测定也越来越精确，麦克斯韦从理论上指出电磁波以光速传播，赫兹证实了理论的预言光的电磁波理论也解释了包括光波是横波及光色在内的当时已发现了的光现象。
同时在解释光色的问题上，微粒说认为不同的色由不同的微粒构成，波动说则认为引进这么多种物质假设不如引进一种物质更方便，各自的色有各自的波长另外，微粒说者认为按照光的波动理论，把一张纸放在灯的前面，结果在墙上应会产生一个模糊的影子，而实际情况不是这样，当然，波动说一下子就反驳了这个责难，指出当人射波的波长比障碍物及实验所用的小孔小得多时可能会出现光线弯曲的现象，并期待着实验加以验证。实际上当时没有仪器能提供检验，人们还是接受了光的微粒说。
人们发现用经典理论无法解释黑体辐射能量的分布和光电效应等现象世纪之初，普朗克提出能量量子化，之后，爱因斯坦在能量量子化的基础上提出了光量子的假说，解释了光电效应，似乎光本性的认识又回到了微粒说，但光量子假说不能解释光的偏振等电磁波理论已经圆满解释了的现象爱因斯坦对光本性的两种认识作了辩证的思考，大胆提出了光的波粒二象性，认为光同时具有波动性和粒子性，“波”不是惠更斯的波，“粒”不是牛顿所描述的粒，波粒二象性是两个概念的统一，也是对光本性认识的统一，光是一种物质，具有波粒二象性。
2 光的波粒二象性
根据前面所述，可以看出，对于光的本性的认识，经历了不同的过程和阶段。
微粒说认为光是沿直线传播的高速微粒流，微粒具有弹性，这种学说得到著名物理学家牛顿的支持。光的微粒说能成功地解释光的直进、反射等物理现象，然而在解释光的折射、光的交叉相遇后会彼此毫无妨碍地继续向前传播等现象时，却发生了很大的困难。
荷兰物理学家惠更斯提出了光的波动说，波动说能成功地解释光的干涉、衍射、折射、光相遇时互不相干扰地向前传播等物理现象，但在解释光的直进、光介质等问题上遇到了很大的困难。
英国物理学家麦克斯韦提出了光的电磁说，认为光是一种频率很高的电磁波。电磁说进一步揭示了光的物质性，成功地解释了惠更斯波动说所不能解释的光介质的问题，但在解释光电效应等物理现象时，遇到了极大的困难。
爱因斯坦在普朗克量子论的基础上提出了光子说（粒子说），光子说能很好地解释光电效应等物理现象。
德国物理学家普朗克发现，电磁波的辐射和吸收是不连续的，是一份一份进行的，每一份的能量E和频率ν成正比，即E=hν，式中h是一个普适常量，叫做普朗克常量。为了解释光电效应的规律，爱因斯坦提出在空间传播的光也是一份一份的，每一份是一个光子，光子的能量跟它的频率成正比这就是光子说。
1909年，爱因斯坦明确地提出了光的波粒二象性，并说这“可以被理解为波动理论和微粒说的一种统一”。他提出两个著名的关系式：
将标志波动性的n 和l 通过h与标志粒子性的E和p联系起来了。光在传播时显示了波动性，在与物质相互作用而转移能量时显示出了粒子性，两者不会同时显示出来。 能量为E＝hν的光子照射到金属上时，被金属中的某个电子吸收在光的照射下，从物体发射出电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫光电子。
实验表明：1）各种金属都有一个极限频率，入射光的频率低于这个频率的光，无论强度如何，照射时间多长，也不能产生光电效应；2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大；3）当入射光的频率大于极限频率时，光电流与入射光强度成正比；4）光电子的产生几乎是瞬时的。
光电效应说明光具有粒子性。由于光不仅具有波动性而且还有粒子性，光具有的这种性质称为光的波粒二象性。
任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验方法的验证。1923年美国物理学家康普顿证明了X射线的粒子性，是继光电效应后证明光的粒子性的又一个独立的关键性实验。X射线源发射一束波长为的X射线，经一块石墨发生散射，散射光穿过光阑，其波长和强度可以由晶体和探测器所组成的光谱仪来测定。康普顿接受爱因斯坦的观点，认为X射线的光子好比一个个小刚球，每一个不但有能量E=hn，而且具有动量p=h/l(ln =c)。
康普顿实验比光电效应更进一步证实了电磁辐射的“粒子性”，因为在解释光电效应实验时，只涉及到了光子的能量。而在解释康普顿效应时，不仅考虑了光子的能量，还考虑了光子的动量。所以康普顿散射实验为爱因斯坦的光量子假设提供了更完全的依据，在这以后，怀疑“光量子”说的人就非常少了。康普顿因此获得1927年的诺贝尔物理学奖。
3结论
从上面的分析和研究可以看出，人们对光的认识和探索，分别从两个方面即波动性和粒子性去探讨。一方面，人们通过光的干涉、衍射等现象验证了光具有波动性的特征；另一方面，通过光电效应以及麦克斯韦的研究成果人们又验证了光的粒子性。光的这两个不同的特性属于两个不同的概念，为了进一步研究和探索光的本性，人们进行了不懈的努力和艰苦的探索。最终，经过许多科学家前赴后继的努力，终于发现和验证了光具有波粒二象性的本质。通过严密的实验和理论分析可以证明，单个粒子的运动规律是偶然的，具有粒子性。大量粒子的运动规律具有波动性。
人类对于光的认识还远远没达到最终目标，对于光的本性的探讨和研究还需要一代又一代的人的共同努力。
参考文献
[1]爱因斯坦.爱因斯坦文集(第3卷)[M].北京：商务印书馆，1983，485，23.
【关键词】光电子技术；教学方法；仿真教学
【Abstract】With the rapid development of science and technology， the optoelectronic technology， as the most cutting-edge scientific fields， promotes the progress of information technology. Based on the characteristics of optoelectronic technology course and simulation teaching， the feasibility and significance of simulation teaching are discussed in the teaching of optoelectronic technology course.
【Key words】Optoelectronic technology； Teaching method； Simulation teaching
0 引言
1960年，世界上第一台红宝石激光器的诞生推动了光电子技术的长足发展。在这50多年间，从红宝石激光器的发明到半导体激光器及低损耗光纤的问世；从各种无源器件的小规模应用到系统集成实用化阶段，光电子技术在国防、工农业生产、光纤通信、医学、精密测量、地质、天文等领域获得了广泛的应用。我国政府将光电子技术列入国家战略性产业结构调整的重点领域。因此，光电子技术受到了研究所及企业的广泛关注，促使很多高校在物理、电子、通信、材料等专业纷纷开设光电子技术这门课程[1]。
如何培养专业知识强、综合素质高、实践能力优异的人才是当前光电子技术课程教学的热点话题。因此，在光电子技术课程教学过程中，很多教师以教学内容、教学手段和教学方法的改革为重点，优化教学内容，制定合理的理论与实验教学计划。同时，建立科学的教学管理制度以及严密的教学质量反馈系统，以此确保教学质量。随着计算机技术的不断提高，仿真技术为人们提供了一种有效的教学手段[2]。基于仿真技术完成的课程教学具有成本低、维护简单、使用方便等特点，所以很多课程的教学纷纷采用仿真教学，然而目前关于光电子技术课程仿真教学的探讨还非常少。本文主要研究光电子技术课程及仿真教学的特点，得出仿真教学在光电子技术课程教学中的可行性。分析表明，仿真教学是提高光电子技术课程教学质量的一种有效的方法。
1 仿真教学
仿真教学是仿真技术应用的一个重要方面。仿真教学就是利用计算机创设虚拟环境来模拟真实环境，并结合真实环境中的情况在虚拟环境中进行设计、操作、运行、验证等的教学方式[2，3]。
目前，仿真教学的使用越来越广泛。教师可将精心设计的教学内容融合在这个虚拟仿真环境中，并通过各种手段和方法将仿真教学中的情境呈现出来，这是仿真技术应用在教学中的一大进展。结合自己的实践和他人丰富的教学经验，总结出仿真教学有以下特征：
1）成本低，使用率高。购买所需实验设备的费用一般比较高，是很多高校不能承受的。如果采用仿真教学，那么只需购买软件和建设机房，这样就可以大大降低费用，并且设备的使用率也非常高。
2）维护简单，更新方便。仪器设备的不当操作和长时间运行使其容易损坏，而仪器维护费用也非常高。仪器购买的时间久了，就需要自己进行更新设计，有的甚至需直接购买新的设备仪器。仿真教学只需对计算机、教学软件进行维护和升级，而且仿真软件一般自带有软件升级功能。
3）使用方便，提高学习效率。光电子技术所需的仪器设备一般比较笨重，不容易搬动，而且学生只能在特定的实验室完成实验项目。在仿真教学中，学生可以利用计算机方便地进行自主探讨和摸索学习，发挥学生的学习积极性，进而提高学习效率。
4）实验安全，提高教学效率。在教学中，实验有时需要高温、高压、强腐蚀等环境条件，操作失误或实验仪器故障都有可能对学生的人身安全构成威胁。在仿真教学实验中，学生不仅可以随意设置实验条件，而且可以高效、安全地完成实验。通常完成实验的时间一般很长，而利用仿真教学可以将实验的时间缩减，明显地提高教学效率。
2 仿真教学在“光电子技术”课程教学中的可行性和重要性
光电子技术是电子学和光子学相结合而产生的综合叉学科，并成为现代信息科学技术的重要组成部分[4-6]。课程的特点如下：
1）知识面宽。光电子技术课程是电子、通信、光电材料等专业的核心课程，内容包括半导体发光、固体激光器、光纤、非线性光学、光调制、光探测及光电显示方面的材料及器件，涉及光子学、电子学及半导体物理的相关知识，对学生的基础提出了较高的要求。
2）知识更新快。随着信息技术的不断发展，光电子技术已取得了令人瞩目的成就，并将不断影响人类社会的方方面面。在实际应用需求的引导下，各类新型的微纳光子器件与材料的研究突飞猛进，如光子晶体、等离子体、超材料等领域，其相关研究为光子器件的微型化奠定基础。
3）理论性强，而实践内容较少。大多光电子技术课程教材过于注重理论知识讲解和公式推导，对其应用及相关设计性实验开展的非常少，导致学生不了解这门课的用途，从而感觉光电子技术课程枯燥乏味，难以理解。
4）仪器较贵。为了让学生更好地理解、掌握所学内容，需开展相关的实验，但是相关仪器设备比较贵，一般的高校很难承受相关的费用，导致他们不得不减少实验课，从而不能使学生获得有效的指导，最终降低了教学效果。
基于仿真教学和光电子技术课程的上述特点，低成本的仿真教学可以解决光电子技术课程教学中仪器设备价格昂贵的问题。基于仿真教学中使用和更新方便的特点，教师可以根据最新科研进展，拓宽教学内容，更新实验软件，从而可以让学生自主学习、掌握新的科研成果，认识各类新型光电子信息材料和器件的属性及用途。众所周知，掌握光电子技术课程中涉及光子学、电子学及半导体物理的相关知识是非常重要的，因为理论教学是专业课程学习的基础。为了能使学生理解相关的理论知识和公式推导，将仿真教学融于课堂教学中，让学生体会计算机模拟的结果，然后再进行理论推导，这样有助于加深学生对系统知识的理解，使枯燥的理论教学生动有趣。同时，学生可利用仿真实验室进行探索式学习，提高自学能力，最终提升光电子技术课程的教学质量。
3 结论
总之，随着计算机技术的不断进步，仿真技术已经成为人们工作的重要手段，被广泛用于科学研究、教育、军事、医疗等领域。基于仿真教学和光电子技术课程的特点，探讨了仿真教学在光电子技术课程教学中的可行性和重要性，提出了仿真教学可促进学生自主学习新的科研成果，认识各类新型光电子信息材料和器件的属性及用途，从而有助于加深学生对系统知识的理解，使枯燥的理论教学生动有趣，最终提高光电子技术课程教学的质量。
【参考文献】
[1]马冰，任芊.光电子信息材料的发展浅论[J].光学技术，1995，06：36-39.
[2]刘建高.基于自主学习的仿真教学研究与实践[D].南昌大学，2011.
[3].仿真教学在高等职业教育中应用研究[D].山东师范大学，2008.
[4]林若波，彭燕标，陈炳文，方春城.虚拟仿真技术在“电力电子技术”课程教学中的应用[J].云南民族大学学报：自然科学版，2013，22（5）：378-381.
Abstract： There is more emphasis on scientific research than teaching in current universities. In fact， teaching and research reinforceeach other. This article briefly analyzes the reasons why most universities focus on scientific research and underestimate teaching. Some methods on reinforcing teaching and research mutually are provided based on teaching of optoelectronics-related courses in Huaihai Institute of Technology. Initial teaching results show several methods on integrating scientific research into teaching can improve the training of the talents of the photoelectric information technology. Meanwhile， the teaching process has brought a lot of inspiration to the teachers' scientific research. To a certain extent， we obtain the improvement on scientific research and teaching at the same time.
关键词：教研相长；方法；例子；光电子类课程
Key words： reinforcing teaching and research mutually；methods；example；optoelectronics-related courses
中图分类号：G640 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）30-0172-02
0 引言
中国近代力学之父、著名的科学家钱伟长院士在谈论教学与科研的关系时说：“大学必须拆除教学与科研之间的高墙，教学没有科研做底蕴，就是一种没有观点的教育，没有灵魂的教育。”教学是科研的前提和基础条件，科研是提高教育质量和层次的关键，二者相互支撑、相辅相成。但是，当前对于大部分高校来说，教学和科研之间存在的主要问题在于过于重视科研。本文首先简单分析造成这种重科研、轻教学的原因，然后以淮海工学院电子工程学院的光电子类课程教学为例初步探讨教研相长的具体实现途径。相应的研究成果可以在其他工科专业教师中推广，以帮助他们在教学方面和科研方面都取得好的效果。
1 重科研、轻教学原因分析
目前造成大部分高校重科研、轻教学的原因是多方面的，大致可以总结为以下几点：
1.1 与大学教师所处的大环境有关
“目前社会上有很多人认为，我国高校和世界一流大学的差距主要是科研水平低、师资差。包括时下流行各种“高校排行榜”，也多以科研为主要指标”[1]，而教学的实际效果对于学校的综合排名则无足轻重。如，时下流行的“武书连2015中国734所大学教师学术水平排行榜”[2]。那些科研搞得好、综合排名靠前的高校，其知名度也高。在这种情况下，高校为了自身的生存与发展，学校投入大量人力、财力力争在科研上有所突破。作为高校一分子的大学教师自然也不可能置身世外。
1.2 与我国现行的职称评审制度有关
目前我国大学教师的职称评审，实际上主要依据的是科研， 包括有没有科研论文、论著，有没有科研立项和科研成果。如评讲师、副教授、教授要多少篇论文，什么级别的论文，论著要有多少字，什么级别的立项和成果等。教学在职称评审中虽然也受重视，作了许多规定，但大都显得笼统模糊，而且缺乏可操作性。教学水平的高低和教学效果的好坏对教师职称的评审几乎没有什么影响。
1.3 与学校的实际情况有关
有一部分教师，尤其是青年教师，几乎很少主持或参与科研工作，这在淮海工学院非常普遍。不参与科研工作则容易造成理论与实践脱节，除了不能提高自己的科研能力，也不利于教学能力和教学效果的提高[3]。这其中部分原因是由于这些教师教学任务繁重，还有一些承担行政工作；同时没有良好的科研团队，形不成一个良好的科研氛围，而不能提供有效的科研条件让他们从事科研工作。
上述几种情况造成科研与教学分离，更难做到相辅相成，共同进步。作为一名普通的高校教师，自然无法去改变整个社会的大环境，也无法撼动现有的职称评审制度，但从大学教师的自身职责来看，我们不仅需要承担教书育人的工作，还需要承担一定的科研任务。同时做好科研与教学是每一位高校教师的职责所在。因此教学和科研孰重孰轻，如何处理好教学工作和科研工作的关系以及如何把自己的科研和教学很好地结合，对于教师自身非常重要。
2 教研相长途径初步探索
本节从普通高校教师角度出发，探索如何处理好教学与科研之间的关系，如何把科学研究应用到教学实践，以做到教研相长。下面分别从专业建设、人才培养及教师的教学和科研能力提高三个方面，以淮海工学院电子工程学院光电子类课程教学为例探讨教学相长的方法和途径。
2.1 专业建设方面
目前淮海工学院电子工程学院的电子科学与技术、测控技术与仪器等专业仅有7年的历史，虽已初具规模，但课程体系与专业建设仍需进一步完善和优化。以光波为信息载体的检测、控制技术、仪器系统、精密测试等内容是电子科学与技术、仪器科学与技术学科中的重要内容。
根据相关专业领域教师的科研基础，本课题组首先对电子工程学院的光电子类课程（光电子技术基础、光电传感与检测技术、光纤通信技术等）实施了教改研究，包括课程体系与教学大纲完善，加深了理论与实践的结合，即将教师的科研新成果融入理论和实验教学，并利用教师科研条件进行直观教学，这样既培养了学生动手能力，也促进了学生对理论知识学习的兴趣。
如，电子工程学院建有自适应光学实验室，是相关任课教师的科研平台。自适应光学技术是一门可以让光波适应外界变化而被能动控制的技术，也可以理解为光学中的自动化技术，集科学性和工程性为一体。相关专业学生已经学习过自动控制原理，对常规的液位、流量等过程控制非常熟悉，但对“光波”这样一个看得见摸不着的物理现象该如何完成控制呢？学生们非常好奇。通过分批次带领相关专业学生亲自动手完成光电成像校正实验，学生既加深了对光信号传输、光电信息转换及光电检测等方面知识的理解，又巩固和拓展了以前学习的自动控制相关理论知识的应用，学习到了教材中没有学到的内容，进一步扩大了学生的知识面，学生反馈非常好。
对于一些不具备实验条件的重点实验内容，由于实验条件比较苛刻，部分光电现象在实际实验中不明显，难以观察；另外也因为实验仪器有限，学生无法通过实验观察到所有的实验现象。针对这种现状，利用了科研过程中获得的数值仿真能力，帮助学生实现虚拟实验。
2.2 人才培养方面
通过科研与教学的有机结合，提高高等学校的教学质量，从而培养出新形势下的“综合型、应用型”人才。注重因材施教，将学有所长的学生引入到教师的科研项目中。通过教学改革，重点突出相关专业中的光电检测方法、光电系统研制与工程应用的能力培养，强调学生实践动手能力与创新意识的培养，使之成为应用型和创新型高级人才。在这个过程当中，学生除了实践书本知识外，还能在科研小组中学会分工及团队协作，为将来攻读研究生或进入相关企业累积经验。
本课题组已承担和参与国家及省市级科研项目多项，通过光电检测和光电子技术课程的学习，已有相关专业的多名学生主动要求参与到教师的科研项目中来。喜欢编程的学生让他们完成实验平台的软件建设，喜欢摆弄光电子器件的学生让他们完成硬件平台的搭建，爱动脑筋的学生让他们直接参与到教师科研课题的实验，和相关教师一起分析实验中出现的问题并解决它们。通过相关科研项目的训练，将科研渗透到教学内容中，培养了学生的创新能力、创新精神以及科研素养。
在2013-2015期间，多名相关专业学生有了参与教师科研项目的经历之后，积极申报各级创新项目。目前，已有多个光电子之创新项目获得校内立项。同时，淮海工学院电子工程学院已有多名毕业生进入光电专业研究生阶段的学习，如太原理工大学物电学院、中国科学院光电技术研究所等，开始了他们人生新的篇章。
2.3 提升教师教学与科研能力方面
教师一方面通过专业知识学习、关注本领域最新研究成果来提高自身业务能力，又通过教学工作，学习最新研究成果并有意识地积累未知问题、认真思考教学过程中学生所提出的疑问，进一步激发科研热情，并帮助了科研选题。
教学内容的主体是“基本理论、基本知识、基本技能”，但是，课堂教学除了围绕基本理论和概念进行外，还要注重科研成果和科技最新发展动态的渗透。让学生了解学科前沿的概况及其发展动态，开阔视野，启迪思维，进一步拓宽学生的知识面。并且使学生能够认识到，基础知识不仅仅是概念理论和公式，更是实际应用中的产品和解决实践问题的手段，以此提高学生的学习兴趣，同时使学生更容易接受抽象的理论知识。
如，教师分别在每学期开始和结束时举办了激光和光电子领域的最新研究成果或相关专题讲座，既提升了自身的业务能力，又达到了教书育人的效果。开学初的专题讲座有助于引领学生对光电子技术领域的兴趣，讲座的内容从围绕人们把光波作为一种载波进行信息传递开始一直到现阶段的激光通信、激光武器等。讲座结束，学生对光电子技术充满了好奇，这为学生学好光电子课程打下了良好的基础。学期结束时专门对学生比较感兴趣的以及近期比较热门的激光3D打印技术从原理到应用及未来发展趋势进行了一次专题讲座，扩大了学生的视野。
又如，基于光电子类课程涵盖知识面广、理论与应用相结合的特点，针对一些典型知识点，为加深学生理解，设置专题讨论课，鼓励学生课前主动查找相关文献，让学生事先做好研讨准备，写好研讨提纲。在课堂上进行交流、讨论，培养学生的表达能力、思维能力、分析能力，让学生充分发表不同意见。学期过程中，这样的专题讨论课进行了2次，学生提出的问题给了相关教师的科研很大的启发。
专题讲座和讨论形式的授课方式深受学生欢迎，教学效果好，学生评教均在90分以上，学生深受其益。课题组教师通过上述教学活动充分认识到要通过高水平科学研究苦练真功夫，又要通过钻研教学规律来加强组织教学的能力，从而真正做到科学研究和教学育人互相促进。
3 结束语
“教研相长”虽是一个老话题，但目前社会大环境中面临的“重研轻教”现象使得我们有必要对这个老话题展开新的研究。如何加强教学与科研的联系、在科学研究中如何开展教学活动以使得科研成果能够支持教学改革、并使得教学与科研互相促进是每一个高校教师的职责。本文以淮海工学院电子工程学院光电子类课程教改为例，分别从专业课程建设、人才培养、教学和科研能力提升等方面初步探讨了实现教研相长的一般化途径。改革的结果表明以上为今后存在这方面困惑的青年教师提供有价值的参考。
参考文献：
[1]张志峰，杨婷.“重研轻教”不可取（关注“朱淼华现象”）[N].人民日报，2005-11-28（11）.
Geometrical Charged-Particle Optics
2009
Hardcover
ISBN 9783540859154
H.H.罗斯著
本书是德国Springer丛书《光学科学》的第142卷。丛书的主编是美国佐治亚技术学院(Georgia Institute of Technology)的 W.T. Rhodes教授。本书是著者罗斯教授在德国达姆施塔特技术大学(Technische Universitt Darmstadt)多年教学的基础上写成的,也融入了他近年在劳伦斯-伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)讲授带电粒子光学课的内容。像差、曲轴系统以及像差校正方面的大部分内容来自著者本人几十年来的研究结果。
电子显微镜的像差校正技术在近年有较大的发展,本书详细地介绍了各种类型校正器的性质;包括一些未发表的有关多极系统的内容;一种新颖的分析计算程序,该程序用来测定无空间电荷效应的高斯光学和电子枪的像差;任意曲轴系统的计算程序;设计或优化一些特殊组件的方法,例如像差校正器、谱仪、能量过滤器、单色仪、离子阱、电子镜和阴极棱镜等;介绍了具有次埃级空间分辨率,0.1电子伏能量分辨率的新型电子组件的设计方法;在最后一章里,在相对论电子运动的范畴内,借助于新颖的协变式处理方法,探讨了电子在电磁场中的自旋运动和辐射效应。本书共14章,附137张插图:1.引言;2.电子的一般性质;3.静态电磁场的多极展开;4.高斯光学;5.颗粒运动的一般规律;6.粒子束的性质;7.路径的偏差;8.像差;9.像差的校正;10.电子镜;11.电子枪的光学;12.带电粒子的约束;13.单色仪及镜像能过滤器;14.相对论电子运动和自旋过程。书的末尾给出了参考文献目录、主题索引以及丛书的部分书目。
罗斯博士是德国达姆施塔特技术大学的退休教授。他的研究兴趣包括:理论电子光学,特别是电子显微镜中像差的校正、电子散射和成像的理论。他发表了200多篇论文,并是105项科学仪器或电子部件的专利发明人。他是美国显微镜学会、德国电子显微镜学会以及日本促进科学学会141委员会的成员。曾获得很多荣誉和奖励;1987年来他一直是中国交通大学的名誉教授;2008年他成为皇家学会成员。
本书的内容覆盖了现代几何带电粒子光学理论的各方面,也注重于介绍技术,使读者在阅读此书的同时还能自己动手进行电子光学设计和计算。本书可作为研究生的教科书,也适合于工作在电子光学仪器设计或光导系统设计领域的科学家。读者需要有较好的数学基础。
刘克玲,退休研究员
(中国科学院过程工程研究所)
关键词：光电子技术 虚拟仪器LabVIEW 光电实验 教学改革
中图分类号：G642.4 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2014）02（a）-0067-01
光电子技术课程是一门理论和实践相结合的一门课程。但我们学院自从2003年开设光电子技术课程以来，由于因教学条件所限，该课程主要强调理论，实践教学内容很少，到目前为止还没有专门的光电子技术实验室。这种情况下或多或少会影响到学生对本课程内容的理解和应用。可见，我们学院的光电子技术课程教学改革势在必行，特别要把实验环节的教学提到日程上来。
1 改革理论课程
1.1 教学内容改革
光电子技术课程是我们学院光信息科学与技术专业和应用物理两个学科的专业课，最初选择的教材不太合适，经过两次调整，最终选定高教出版社张铁林主编的《光电子技术》的和科学出版社朱京平主编的《光电子技术基础》两本书作为我们的指定教材。光电子课程是我院光信息和应用物理两个专业的学位课，原来把两个专业设置的课程内容是完全一样的，但由于光信息开设了激光原理，所以教改中将这部分内容从光电子技术课程中删减掉，而应用物理专业由于开设了固体物理课程所以他们的光电子技术课程中晶体部分就不再讲解。
1.2 教学方法的改革
（1）提高教师自身能力和素质。要想把这门是理论与实践高度结合的课程落到实处，该专业的教师应主动吸收社会高水平的一线工程技术人员的经验，聘请优秀技术人员参与指导综合设计和创新实践活动，以此提高自身的素质。（2）建立以学生为中心的实践教学方法。以各类创新活动激发学生参与的主动性和积极性。注意将学生课外科技活动和教学体系结合起来，在学分承认下，既激发了学生学习和实践的积极性，又使科技活动取得了很好的效果。
2 引入虚拟实验教学
光电子技术是一门理论联系实践很强的一门课程。如果单单讲授理论而没能很好的配合实验和实践教学，最后学生学习的效果可想而知。遗憾的是由于经费有限，我们学院一直没能设立专门的光电子技术实验室。即使在光学实验中有涉猎光电的实验，但也都是一些非常简单的项目。基于以上情况，我们课题组进行了光电子技术虚拟实验教学的探索。这也是本次教学改革的重点。
2.1 虚拟实验平台的选择
所谓虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI），即将现有的计算机主流技术与革新的灵活易用的软件和高性能模块化硬件结合在一起，建立起功能强大又灵活易变的基于计算机的测试测量与控制系统[1]。近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件[2]。我们选用了国际上最早和最具影响的开发软件，即NI公司的LabVIEW软件和LabWindows/CVI开发软件。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。除了编程方式不同，LabVIEW具有所有语言的特征，因此被称为G语言，即图形化语言。它与传统高级编程语言最大的差异在于编程的方式是图形编程方式即使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图[3]。
2.2 基于虚拟仪器LabVIEW的光电实验可行性分析
课题组已成功虚拟了光敏电阻、光电二极管、光电池、光电倍增管等光电仪器的主要特性。虽然目前还没建立一套完善的虚拟光电实验平台，还会涉及一些不同的光电实验，但所有实验所需的仪器虚拟仪器LabVIEW本身完全可以通过提供控件来实现，所涉及的关系式完全可以通过LabVIEW本身提供的函数编程来实现。可见，建立一套基于虚拟仪器LabVIEW的完善的虚拟光电实验平台是非常可行的。
2.3 虚拟仪器LabVIEW虚拟光电实验的一般步骤
（1）熟悉所选实验的原理与内容。（2）虚拟出实验所需仪器。每个实验所需仪器并不一样，这里就需要自己来虚拟，好的是LabVIEW中提供了丰富的控件。设计者可以从中选择自己所需的控件来作为实验仪器，如果LabVIEW本身所带的控件中没有合适的，那么还可以创建自定义控件来满足实验的需求。（3）设计实验操作界面。实验操作界面是用户进行实验的平台，所以设计时要尽量体现出人性化，使所设计的界面简洁、美观、实用。（4）在LabVIEW中根据需要进行编程。LabVIEW中提供了丰富的功能强大的函数。这为设计者的编程提供了很大的方便。（5）调试并优化所设计的虚拟实验平台。在完成以上四步后，接下来就要检验所设计的实验平台能否正常运作。如果存在问题，可以根据需要进行修改和优化。
3 改革考核标准
在改革教学内容、教学方法特别是引进虚拟实验的前提下，改革考核方法是顺理成章的事情。我们必须建立与教学改革先符合的健全的考核机制，采取良好灵活的考核方式。这样才能使我们这次的教改真正得到落实。考核方式可采取理论考试、实验制作、动手能力等，从多角度综合评判。同时，光电子设计竞赛选拔和该课程的教学考核结合起来，进一步激发学生的学习和创新热情。具体情况如下。
3.1 理论课的考核要求
平时考核：主要包括作业质量、回答问题、考勤等项目；半期考试：主要包括学到半期知识内容，考察基本概念和理论的掌握情况，培养学生重视平时学习的习惯；期末考核：采用闭卷考试，全方位考察所学内容。分值分配为：平时20%，期中考20%，期末考60%。
3.2 实验课的考核要求
利用虚拟实验不受时间和空间限制的优势，学生完全可以做到提前预习，这样就可以加入考核预习情况的一个环节。预习报告：考核实验前的准备工作；操作：考察学生动手能力；实验报告：考察学生对实验数据的处理情况以及对实验的新认识。具体的分值分配为：预习20%，操做50%，实验报告30%。
3.3 实践创新考核
由于我院把光电子技术课程设为光信息和应用物理两个专业的学位课程，最后满学分才准予毕业。所以课题组拟改革后把实践创新正式作为附加成绩加入考核成绩中，学生所设计的作品分部级获奖，省级获奖和校级获奖三个等级分别记学分为0.5、0.3、0.15。
4 结语
本次教改的目的是以理论有机结合实验进行的，在本科第五学期完成光电子技术课程的教学，所授内容分为六大模块，由浅入深，由简入繁，注意学科交叉，注意技术性、综合性与探索性之间的关系，知识结构合理，理论和实际紧密联系的课程。最终目的是让学生能受益于此全新的教学体系。
参考文献
[1] 李乐坚.激光扫描成像系统硬件电路的设计与实现[D].北京邮电大学，2011.
关键词：科学史；近代物理；教学改革；高等教育
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）50-0072-03
近代物理是高等学府物理类、化学类和电子类学科的一门必修课，通常放在讲授完大学物理之后。大学物理的内容主要是理论力学、电动力学、热力学和统计物理。近代物理的内容主要是相对论和量子力学。由于相对论和量子力学离我们的日常生活经验比较远，所以学起来比较晦涩难懂。本文介绍了笔者如何通过讲授近代物理知识和对应的近代物理科学史相接合，来提高同学们对近代物理的理解和兴趣。
一、近代物理科学史简介
近代物理的科学史是一部十分生动活泼的历史，时间跨度大概是从1900年到现代。这段时间可以说是十分不平凡和波澜壮阔的一百多年。这期间发生了人类历史上仅有的二次世界大战，其中涌现的具有极高才华和贡献的科学家数量差不多抵得上人类历史上前五千年的科学家数量总合。而人物传记作家也多对他们的人生经历极为感兴趣，出了很多关于他们的传记[1-3]。另外这些近代物理学家们很多本身也颇博学多才，具有良好的文学才能和修养，因此很多人他们自己也出自传。这些传记和自传都能给《近代物理》课堂上的科学史教学提供丰富的素材和参考。相对论和量子力学的理论和公式虽然比较高深难懂，但是它们解释的现象由于跟人们的日常经验相悖，所以还是会引起人们广泛的兴趣。比如时间和空间是不可分的，物体的动量和时间不能同时精确测量，光速是宇宙中最快的速度，这些一般人凭经验的确很难理解。进而人们也会对提出和发现这些理论的科学家们（如爱因斯坦）感兴趣。图1为作者按照时间顺序出场依次在课堂上介绍的量子力学史上各个重要的历史人物。这些科学人物大多数彼此交往比较密切，在学术上好像切磋和影响，进而也加速了思想火花的碰撞和创新性理论的诞生。
在课堂上讲述近代物理科学史的过程中，还可以帮助同学们了解在学术研究过程中需要注意的问题。比如搞科研不能囿于自己的私密空间，而要鼓励多做学术交流。学术交流的好处是：（1）可以了解最新的研究动态；象在近代物理史上著名的哥本哈根学派就是个很好的例子。1921年，在著名量子物理学家波尔的倡议下，成立了哥本哈根大学理论物理学研究所，由此形成哥本哈根学派。其中波恩、海森堡、泡利以及狄拉克等都是这个学派的主要成员。由于哥本哈根学派提供了很好的学术交流环境和学术氛围，在这个学派里鼓励发表不同的观点，不迷信权威，所以涌现出了很多重要的量子力学成果。（2）可以发现自己的不足；比如爱因斯坦于1919年在刚开始推导广义相对论的时候，在公式里人为增加了一个常数项，从而得出他起先所认为的静态宇宙模型。不过1922年亚历山大・弗里德曼摒弃了这个常数项，从而得出相应的宇宙膨胀理论。比利时牧师勒梅特应用这些解构造了宇宙大爆炸的最早模型，模型预言宇宙是从一个高温致密的状态演化而来。到1929年，哈勃等人又用实际的观测证明我们的宇宙的确处于膨胀状态。通过学术交流，爱因斯坦终于接受了宇宙膨胀理论，并承认添加宇宙常数项是他一生中犯下的最大错误。（3）可以激发自己的灵感；比如波尔在1911年从丹麦哥本哈根大学获得博士学位后去英国学习，先在剑桥汤姆逊主持的卡文迪许实验室工作，几个月后又去曼彻斯特在卢瑟福的手下搞科研，这使得他对汤姆逊关于原子的西瓜模型和卢瑟福的核式原子模型了如指掌，同时他又很熟悉普朗克和爱因斯坦的量子学说，这些学术交流活动激发了他的灵感，使得他最终于1913年初创造性地把普朗克的量子说和卢瑟福的原子核概念结合起来，提出了自己的波尔原子模型。（4）可以激励自己不断进步和成长。比如薛定谔在1925年受到爱因斯坦关于单原子理想气体的量子理论和德布罗意的物质波的假说的启发，从经典力学和几何光学间的类比提出了对应于波动光学的波动力学方程，从而奠定了波动力学的基础。但是他一开始并不清楚他自己建立的波动方程中的波具体代表什么物理概念。起初他试图把波函数解释为三维空间中的振动，把振幅解释为电荷密度，把粒子解释为波包，但他无法解决“波包扩散”的问题。最终经过他与波恩的多次学术交流，他逐渐认识到波函数其实是代表粒子在某时某个位置出现的几率，是一种几率波。
二、近代物理知识简介
近代物理的知识主要分为两大类：相对论和量子力学。相对论分为狭义相对论和广义相对论，内容包括伽利略坐标系、迈克尔逊-莫雷实验、洛伦兹变换、闵可夫斯基空间、质能关系式和相对论能量-动量关系式等。量子力学知识包括黑体辐射、光电效应、波尔原子模型、康普顿效应、德布罗意波、戴维逊和革末实验证实了电子的波动性、不确定性原理和薛定谔方程等。这些近代物理理论的公式通常比较复杂，需要用到高等数学的知识，比如薛定谔方程是一个偏微分方程，狄拉克方程里包含矩阵。因而对于近代物理公式的求解就变得十分困难，也不太直观。图2罗列了按时间顺序出现的课堂上需要讲授的量子力学公式。
黑体辐射公式描述的是频谱（单色能密度）u（v，T）和温度以及频率的关系式。光电效应是指每种金属存在截止频率。当照射在金属上的频率小于截止频率时，不管光强多大，照射时间多长，也不会有光电子产生。而当照射在金属上的频率大于截止频率时，不管光强多小，也会产生光电子，且响应时间小于1纳秒。光电子具有各种初速度，其最大初动能与光辐射频率成线性关系，而与光辐射强度无关。当频率在截止频率之上时，单位时间内发射出来的电子数目即光电流强度与光辐射强度成正比。在光电效应理论中，光的能量和光的频率成正比，光的动量和光的波长成反比。
波尔的原子模型给出了电子在分立轨道上的能量公式。能量和电荷的四次方成正比，跟定态的平方成反比。电子在定态具有分立的能量，在定态运动时不辐射电磁能量；但电子可以从一个定态能级跃迁到另一个能量低的定态能级，相应于两个能级差的能量将作为光子被释放出来。德布罗意公式则是给出了物体的能量和动量与其说对应的物质波的波长和频率之间的关系。动量和波长成反比，而能量和频率成正比。薛定谔方程精确地给出了物质波函数的表现形式。微观粒子的量子态可用波函数表示。当波函数确定，粒子的任何一个力学量及它们的各种可能的测量值的几率就完全确定。波函数跟粒子的质量和势能相关。波函数的自变量中包含空间坐标和时间坐标。由于薛定谔方程中出现虚数i，所以波函数原则上应是复数。它同时满足能量守恒，是线性的、单值解的。它给出的自由粒子解与简单的德布罗意波相一致，满足因果律。相对于薛定谔方程之于非相对论量子力学，狄拉克方程[4]是相对论量子力学的一项描述自旋-1/2粒子的波函数方程，不带矛盾地同时遵守了狭义相对论与量子力学两者的原理，实则为薛定谔方程的洛伦兹协变式。这个方程预言了反粒子的存在。
三、近代物理科学史和近代物理知识的结合讲解
近代物理课如果只是讲解近代物理知识，往往显得枯燥无味，难以理解。其实任何科学知识都不是凭空产生的，往往经历了好几代人的不懈努力，最终从量变到质变，导致相对论或量子力学的建立。薛定谔方程也不是一蹴而就，而是经过很多科学家几十年的努力。如果一开始就讲解薛定谔方程，同学们通常很难理解。而如果采用循序渐进的方法并结合科学史来讲，抽丝剥茧，逐渐揭开真理的面纱，那么同学们不光饶有兴趣，而且更容易理解。图3列出了结合科学史和科学人物的近代物理讲解流程。在讲解科学史的过程中，重点讲解科学人物和他们的研究方法，以及这些近代物理公式是怎么一步步得来的。通过近代物理知识和科学史的结合讲解，可以启发同学，让他们了解任何知识都是建立在前人知识和研究的基础上。比如普朗克的黑体辐射公式来自于瑞利-金斯定律和维恩位移定律的启发。瑞利-金斯定律能够解释低频率下的结果，却无法解释高频率下的测量结果。而维恩位移定律能够解释高频率下的结果，却无法解释低频率下的测量结果。而普朗克公式是把这两种定律公式进行一下内插。通过这种历史背景的介绍，同学们就对普朗克公式的来龙去脉知道得一清二楚，对此公式也就理解得更深刻。普朗克公式其实一开始是一个不得已而为之的公式，然后普朗克对此公式进行反推，发现只有认为能量是量子化的，才能得出跟实验结果相吻合的普朗克公式。能量是非连续而是分立的，即使这个想法在当时是多么背离人的日常经验和惊世骇俗，由于它是唯一的解释，普朗克也就不得不接受了这个能量量子化思想。
而能量量子化这个理论不管在当时看上去多么荒谬，还是有人慧眼识珠的。5年之后的1905年，爱因斯坦凭着他对物理学的敏锐欣然接受了能量量子化这个观点，并在此基础上解释了光电效应。近代物理的科学史是一环扣一环，十分引人入胜。在课堂上授课时通过人物->公式->人物…->公式的顺序把所有近代物理的公式合理地衔接起来，自成一个整体，同学们学习起来就会思路清晰，公式也会记得牢，进而对公式能活学活用。普朗克和爱因斯坦彼此惺惺相惜，而普朗克也是少数很快发现爱因斯坦狭义相对论重要性的人之一。在爱因斯坦发表光电效应的8年之后，波尔也接受了能量量子化这个观点，并进而创新性地提出了三个假设：（1）定态假设，即电子只能在一系列分立的轨道上绕核运动，这些轨道对应确定能量值的稳定态，电子在这些状态（轨道）上不辐射电磁波；（2）跃迁假设，即原子在不同定态之间跃迁，以电磁辐射形式吸收或发射能量；（3）角动量量子化假设，即电子轨道角动量是分立的，首尾位相相同的环波才能稳定存在。波尔根据这三种假设成功推导出了氢原子的光谱公式，和实验结果完全吻合。
接下来就轮到德布罗意登场。在波尔提出原子模型的10年之后，1923年德布罗意创新性地在他的博士论文里提出了波粒二象性的观点。以前的量子论观点都是围绕光和能量，没有触及实际的物质或粒子。而德布罗意破天荒地提出任何物体都具有波粒二象性，既包括光，也包括电子、原子甚至人体等所有宇宙中的物体。德布罗意当时的博士生导师朗之万不认可这个观点，但是他比较有责任心，没有直接否决掉德布罗意的博士论文，而是把论文寄给爱因斯坦定夺。而爱因斯坦对物理的理解十分透彻，他马上承认了德布罗意的博士论文的正确性，并且将论文送去柏林科学院，使此理论在物理学界广为传播。1924年，德布罗意又提出可以用晶体作光栅观察电子束的衍射来验证他的波粒二象性理论，因为电子的波长和晶格间距处于同一个数量级。很快就有人响应了德布罗意的实验设想，1927年，克林顿・戴维森和雷斯特・革末用电子轰击镍晶体，果然发现电子的衍射图谱，和布拉格定律预测的一模一样，这证实了德布罗意的波粒二象性理论正确无误。既然电子是一个波，那就应该有个波动方程。所以德布罗意的理论极大地启发了海森堡和薛定谔，导致这两位科学家同时在1925年分别发表了薛定谔方程和矩阵力学，两者可以得到同样的结果。薛定谔随后证明，两者在数学上是等效的。薛定谔方程使用微分方程的形式，比矩阵力学容易理解，所以近代物理的授课一般只讲薛定谔方程。薛定谔提出了薛定谔方程之后，又有个新问题，就是此方程不符合相对论协变性原理，即物理规律的形式在任何的惯性参考系中应该是相同的。所以需要有另外一个量子力学方程来满足相对论。这个任务最终是3年之后（即1928年）由狄拉克来完成的。至此，在讲述有趣的近代物理科学史的同时同学们也掌握了丰富的近代物理知识。
总而言之，在近代物理的教学过程中结合近代物理科学史进行授课，提高了同学们对于近代物理知识的理解和兴趣，避免了填鸭式的教育，让同学们在掌握知识的同时更了解了科学家们科学的研究方法，“授之以渔不如授之以鱼”。该教改收到了十分良好的效果。
参考文献：
[1]格雷克.牛顿传[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]艾萨克森.爱因斯坦传[M].长沙：湖南科技出版社，2012.
社会需求 光电信息 专业建设
1 引言
2008年1月，广西北部湾经济区上升为国家发展战略，实行全面的开放与开发。为了适应北部湾经济区的新发展形势和社会发展的新需求，培养符合社会需求的光电信息高层次人才，加强面向社会需求的光电信息专业建设是非常必要和有意思的。从广西人民政府颁发的《广西北部湾经济区2008-2015年人才发展规划》中可以看出，无论是人才储备的数量，还是人才结构的形式都不能满足经济区发展的需求，特别是北部湾经济发展中的一些紧缺专业，均没有形成一支人才培养的后备力量。在这些相关产业的人才需求中，对于光电信息高层次人才的需求更是非常迫切，光电信息人才的培养和发展能满足北部湾经济区发展中众多领域的人才需求。我校具有强大的电子信息人才培养大环境，在此基础上发展起来的光信息科学与技术专业兼具了电子信息技术和光信息技术的优势，所培养的人才能够满足社会新形势下的要求，具有较强的社会竞争力。积极推进光电信息专业建设，加强人才培养质量，可更好地服务于社会需求。
2 理论教学体系建设
教学内容是培养人才的基础，为了适应新形势下社会的需求，桂林电子科技大学光信息科学与技术专业适时调整了相关教学内容，加强了教学方法改革。在理论教学体系中，将以模块的形式进行分类，主要有：人文素质模块、基础必修模块、专业必修模块、专业选修模块，每一个模块都有特定的课时数和学分数的要求。值得一体的是，在理论教学体系建设中，重点加强了课堂理论教学和实践教学的有机结合，突出了实践教学的比例。在此基础上逐步提高教学方法的改革和建设，在传统授课模式基础上，逐步增加了外文教材的引入，利用电子课堂、双语课堂等丰富的授课形式提升了教学方法的力度，在很大程度上改善了学生汲取知识的积极性和能动性。为适应社会和学科发展的需求，逐步与国际化接轨，在理论教学体系建设中，注重双语教学的推进和实施。按照专业培养计划的要求，对部分课程实施了双语教学模式，创设双语教学环境，提升学生利用双语学习专业课程知识，促进其对国内外本专业最新发展现状和趋势的掌握。
3 实践教学体系建设
社会发展的新形势下，具有丰富实践技能的人才越来越受到社会的青睐。在专业建设和人才培养过程中，为了加强实践技能环节的培养力度，增强所培养人才的实践经验和实践技能，在实践教学体系建设中主要从三个方面出发：第一，增强综合性实验环节。结合本专业所设置的光电基础实验室和光电专业实验室，开设了诸如激光散斑干涉技术测量面位移、全光纤干涉语音信号传输、数字光纤通信系统信号眼图测试等兼具光电内容的综合性实验。实践证明，综合性实践环节的加强有利于学生综合运用光电理论基础知识的能力，有利于主观能动性和学习效率的提高；第二，加强创新性研究环节。我校是全国大学生创新性实验实施单位，结合专业建设的基本目标，积极推进学生参与大学生创新性实验项目。相关指导教师根据大学生创新性实验项目的特点和自身科研工作的环境，积极指导和启发学生，使学生能够根据现有的实验条件，自行设计实验方案，独立完成光电类项目的开发。通过两年的实践证实了该种环节能够充分展示学生独立思维的能力，既开阔了学生视野，活跃了学习气氛，又使学生掌握了较强的独立分析、解决问题的能力。第三，以电子设计大赛为平台，推进实践教学环节建设。我校具有浓厚的电子设计大赛氛围。为加强实践教学体系建设，自学生入学开始便积极引导，使其积极参与到每年一度的电子设计大赛中来。通过定期举办培训班、定期举行院内电子大赛等环节，使得80%以上的学生都能参与到这种结合专业知识进行实践能力培养的体系中来。以此为基础，在良好的电子设计大赛基础上选拔部分优秀学生投入到广西和全国电子大赛中。本专业的学生利用所掌握的光电基础知识积极参赛，每界都会获得广西和全国的一、二等奖。
4 师资队伍建设
建设高水平的教师队伍是专业办学的基础和前提，为此光电信息专业建设过程别注重师资队伍的建设。在师资队伍建设过程中，结合本校光电信息的专业特色及培养目标，通过外引-内培等多种方式逐步提升专业办学的师资力量，使专业教师队伍的整体水平有了很大提高。
（1）为加强专业建设，提升专业教学的师资力量，注重通过外引的方式提升师资水平。近三年，分别从美国Old Dominition University和中国科学院引进了两名博士后，他们在国内外工作和学习多年，具有丰富的工作经验和极高的研究水平，为学科专业的发展带来了新的生机和力量。他们利用自身的教学、科研经验积极投身到学科、专业建设中来，分别承担了1～2门主干课程的教学任务，此外在科研上更是成为了学科的带头人。近两年所引进的高层次人才分别承担了国家自然科学基金、国家863协作项目、广西自然科学基金等，为提升专业水平做出了很大的贡献。
（2）在外引的同时，亦注重通过内培方式提升专业建设师资力量。针对本专业较为年青，教学、科研经验较少的现状，积极开拓渠道，促进年青教师的成长。主要途径有：第一，鼓励和资助部分青年教师继续攻读博士学位，进入重点大学学习更为先进的教学和科研经验；第二，选派部分青年教师至国外名校进行短期教学、科研进修，以学习和吸收国外高校先进的学科、专业建设经验。通过上述两种方式，逐步提升了青年教师的教学、科研水平，在很大程度上促进了学科、专业建设力度和水平，为促进光电信息专业建设奠定了良好基础。
5 结论
在光电信息人才的培养过程中，通过理论教学体系、实践教学体系的建设，配合师资力量的提高，实现了理论知识体系和实践技能培养的有机结合，从而可以加强光电信息专业的人才培养，提高人才的社会竞争力。
参考文献：
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[3]王宁，贾传磊，焦志勇等.光信息科学与技术专业人才培养现状分析与思考[J].科技信息，2008(23)：372.
[4]王福娟，王嘉辉，雷宏香，蔡志岗.紧跟社会需求，培养高素质光电子专业人才[J].中山大学学报论丛，2007（27）：127.
[关键词]轴子；量子色动力学；光子静质量效应
[中图分类号]E933.43 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）05-0009-01
1轴子、光子相关理论简介
本文首先简述了关于轴子和光子的理论，以方便研究轴子和光子的相关理论，进行相关实验。
1.1量子场论
量子场论是以量子力学原理等为基础，一种解释了微观物理学的理论。量子动力学具有悠久的历史，也比较成熟。他研究的内容主要是电磁场和带电粒子的相互影响的情况以及这种相互影响的量子性质、带电粒子相关活动等。它还对相关高精度实验进行了分析。
我们所生存的世界中存在着许多量子场系统。粒子的生成或消失取决于量子场的情况。所渭真空就是指量子场中的能量处于一种最低状态。与其他激发态相比较，这种最低态指的是不存在任何粒子的状态，可是，真空中存在着许多量子场，并时时刻刻运动，即物理学中所谓的真空零点振动，该点对应的能量则称为真空零点能。在这种情况下，若能够使量子场不再扩散到更大的空间中去，而它所在的较小的空间的大小出现改变时，此量子场产生的零点振动能也会出现较小的改变，即得出了著名的卡西米尔效应。
1.2对称性和守恒律
对称性和守恒律在物理学中有着非常重要的地位。物质的情况及其运动特点在对称变换时所展现出的固有性质就是对称n生。如果物体的运动及其能量最低态具有对称性特点，则其相应的物理量均守恒。物质在运动过程中都满足守恒定律。
1.3规范场和规范玻色子质量
规范场是一类物质场，它与相关规律的固定性联系很大，规范玻色子指的是一种场量子。电磁场也是常见的规范场。其不变性对周总耦合形式的形成有很大的影响。规范场的量子就是规范玻色子，也使其相互影响。因为规范对称性的规定，规范场的相关量中没有规范场的质量项，它会影响规范对称性。当相应的规范玻色子质量为零时，这说明其对应的作用是长程力。
2强场激光偏振法探测轴子实验简述
二十世纪末，世界著名大学罗切斯特大学的一位博士和一些学术专家在美国国立实验室做了该实验。他们通过变更激光射向强磁场偏振方向的方式，来探测轴子。下面着重研究光子非静止质量的相关情况。
强场激光偏振法探测轴子实验，指的是研究轴子与光子的电磁耦合作用。有相关效应可知，当一束线偏振光出现于强磁场时，而与磁场正交的分量则与磁场相互作用生成新的轴子，所以，此分量的幅值就会降低，进而造成其偏振方向会与原偏振方向有一定的角度。二十世纪末，有一些博士和专家就在这一理论的基础上来探测肘子。
该实验体系由三部分组成，一是强磁场；二是光学系统；三是椭圆偏振检测系统。强磁场主要是生成新的轴子，磁场是通过超导偶极磁体形成的。还有其他物体如起偏器等，其光轴方向与磁场方向须有一定的夹角，如此方能满足实验的要求。
实验时，首先在某一横向磁场中引入一束线偏振光，激光先经过隔离器到达起偏器，其光轴方向与磁场方向会有一定的夹角，而后会产生一定角度的线偏振光，接着射进光学反射腔，最后又到达检测区，反射腔位于磁场区中，一旦磁场中形成新的轴子，则反射腔发出光线，其偏振状态会有一定的改变。实验对变化的激光偏振方向夹角进行分析，以达到探测轴子的目的。
光首先进入反射腔，射出后又进入法拉第盒，并得到其一定的调制，如此有利于避免不必要的非线性项，随后射到检偏器上，需要说明的是，它和起偏器一样也是偏振晶体，二者的光轴方向是正交的，结果发出的光电信号传到光电二极管，并在此处被检测出。我们要想了解该偏振光的椭圆率，可以把一定规格的波片放在法拉第盒的前边，这样就可以通过测量偏振方向的变化来得出该椭圆率。
3光子静止质量为零时的实验分析
由相关效应知，当线偏振光经过较强磁场时，与磁场正交的分量在与磁场相互作用的过程中形成轴子。有量子动力学理论可知，光子主要来源于激光束，并在强磁场的影响下，形成了轴子。磁场中的场强张量存在于一定区域的总电磁场中，它包括两部分，一是外部产生的强磁场；二是由激光束产生的电磁场场强。
因为Primakoff效应中的光为外磁场平行的部分时才能形成轴子，但和外磁场正交的部分却未出现任何改变。二十世纪末期，有一些专家教授根据相关理论和原理，并采用相应的方法来探测轴子。当激光经过一个非纵向的磁场区时，其偏振方向则会与磁场形成一定的角度，约为45度。发出的激光的偏振方向与原方向也会形成相应的角度。
4光子静止质量不为零时的实验分析
从一些图书资料中可以查知，爱因斯坦在狭义相对论中提出了两个基本假设，即所谓的光速不变和相对性原理，它对现代物理学的发展起了巨大的推动作用。光子静止质量上述假设中的观点。物理学是建立在实验的基础上的，因此，只有进行科学的实验才能得出正确的理论。我们可以从电动力学中得出光子静止质量为零时的电磁场的密度等参数。由此密度推导出电磁场的运动方程。当光子静止质量为非零时，玛克斯韦尔电磁场必须把其静止质量项考虑在内。然后才能对其进行独立地光子静止质量研究。实验中测得的角度与磁场区域长度呈线h生关系，为方便探测，在实验中安装了反射镜，使激光循环反射，从而增强了相应的测量效应。
结束语
轴子是一种假定的粒子，它是为了说明量子色动力学中的强CP问题，人们很青睐这种冷暗物质粒子。轴子一旦被发现，其意义非凡，否则，就不可能存在轴子模型，我们也就找不到解决强CP问题的具体方法，这要求我们另寻其他方式方法。本篇论文简要介绍了其相关理论和一些模型，还有现在探测轴子的一系列实验。此外，我们经过一番理论分析后，得出了轴子和光子的相关参数及关系式，从而推导出并得出轴子质量限。
关键词：光电效应；高中物理复习；电子；光子
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2013）2（S）-0043-2
光电效应现象是光具有粒子性的第一个实验证据，在人类对光的本性认识中占有很重要的地位，是高中物理教材中物理光学的重点，同时也是一个公认的难点。在新授课教学中学生接受起来十分困难。复习时这一部分知识也是学生难以逾越的坎。要突破这个难点，光电效应复习中要处理好这样几个问题。
1 弄清光电效应的过程
教材中指出：照到金属表面的光能使金属中的电子从表面逸出，这个现象称为光电效应。在复习课中，学生已经了解了光子的概念。在光电效应的复习过程中就可以渗入光子的概念。光电效应过程包括两个小过程：第一个过程，一个光子射到金属表面的一个电子上，光子的能量传递给这个电子；第二个过程，这个电子克服金属的逸出功，从金属表面逸出，成为光电子。弄清光电效应过程中的这两个小过程，是了解什么是光电效应现象，理解光电效应规律的前提。
光电效应有如下四条规律：
1.每一种金属产生光电效应是都存在一个截止频率，入射光的频率低于截止频率将不能发生光电效应。
2.光电效应中产生的光电子的最大初动能与光的频率有关，而与光强无关。
3.光电效应的瞬时性，只要入射光的频率高于金属的截止频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，响应时间不超过10-9s。
4.入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由单位面积逸出的光电子数目。入射光越强，一定时间内发射的电子数目越多。
光子的能量是由光的频率决定的，接受到光子的电子的能量也就与光的频率相关，电子的能量超过金属的逸出功，才可能从金属表面逸出，成为光电子。因此，截止频率的存在也就顺理成章了。
光电效应过程中金属表面的电子获得光子的能量hv，克服逸出功W，剩下的能量就是光电子的初动能了。这样理解爱因斯坦的光电效应方程：Ek=hv-W就没有任何障碍了。一个电子接受一个光子，瞬间可以完成，光电效应的瞬时性就可以理解了。而光强度越大，单位时间内接受到光子的电子也就越多，逸出金属表面的光电子也就越多，第4条规律也就迎刃而解。
2 弄清一个电子为什么一次只能接受一个光子
入射光子的能量小于某金属的逸出功就不能发生光电效应，那么几个光子同时作用于一个电子不就可以使电子的能量大于逸出功，从而逸出金属表面了，这样不就没有截止频率的存在了吗？善于思考的学生自然会有这样的疑问，执教者有必要帮助学生弄清：一个电子为什么一次只能接受一个光子？
取普通光源强度的数量级为P=105W/m2，入射光强度的频率取为v=5×1014Hz，电子线度的数量级取为l=10-17m（电子显然应该比原子核小得多），则电子面度的数量级为S=10-34m，据此可估算一个电子接收到两个光子所需平均时间的数量级为t=6.63×1010s。而实验表明：无论光强如何，光电效应的发生几乎是瞬时的，并不需要经过一段显著的时间，据现代的测量，这时间不超过10-9s。对比上述两个时间值，很容易得到电子同时吸收二个或二个以上光子的几率可以忽略的结论。
由热力学知识可知，当电子吸收光子后，它的能量便高于周围的电子和原子核而处于非热平衡状态。不平衡系统会通过各种方式趋于平衡，电子便会把所得能量向四周围粒子传递，实验证明，这个传递时间非常短，不超过10-8s。而在这么短的时间内电子几乎不可能再吸收一个光子，从而让两个光子的能量叠加。特别是每种金属都存在截止频率的结论是正确的。
当然也可补充说明。可见普通光源照射下的双光子吸收概率是非常小的，以致于在实验中无法观察到。但要在强光下的光电效应中，例如当用激光作光源进行光电效应时，多光子吸收已经证明也是可以实现的。但这种情形，高中阶段不作研究。
3 一个应该舍弃的问题
有这样的问题：“一束绿光照射某金属发生了光电效应，保持光的强度不变而改用紫光照射，则单位时间内逸出的光电子数目是增加减少还是不变？”
对于此问题，常有两种理解。一种是单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比。而与光的频率无关，故逸出的光电子数目不变。另一种理解是：光强不变，则光的能流密度不变，而频率增加，每份光子的能量也相应增加，光子数密度也相应减少，则单位时间内逸出的光电子数目一定减少。
对于前一种理解，显然是对光电效应的规律加入了自己的想象发挥。光电效应规律之一“单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比”是对于频率一定的光而言，从何谈起与“与光的频率无关”。
对于后一种理解，也是片面的。频率不同的光子，其能量不同，激发起光子的“能力”也不同，这里有一个“量子效率”问题。至于光子激发电子的效率与光子的频率的关系，很为复杂，是一般的大学普通物理学都回避的问题，而现在将其交给中学生去解决，显然是离谱了。因此，我们在教学中应该毫不犹豫地舍弃这样的问题。
摘要：激光二极管是采用化合物材料制作成的多量子阱结构的器件，其具有成本低、功耗低、发光均匀以及稳定性高的优势，在正向偏压下可产生蓝、红、绿等光，是一种应用价值较高的光电子器件。对激光二极管的正向电特性进行研究，能够掌握内部物理机制，增强激光二极管的性能。为增强激光二极管的性能，采用表征方法对发光二极管的电学特性实施精确检测。采用正向交流小信号C-V融合直流I-V特性的方法，获取激光二极管的电参数。结果表明，不同颜色的激光二极管在低频率以及高电压时产生显著的负电容，同电压间呈现指数关系；不同频率下的表观电导，在高电压下随着电压的增大而呈现指数提升，在低电压和高频率时对表观电导造成微弱干扰。
关键词：激光二极管；正向电；特性；检测
1引言
激光二极管是采用化合物材料制作成的多量子阱结构的器件，其具有成本低、功耗低、发光均匀以及稳定性高的优势，在正向偏压下可产生蓝、红、绿等光，是一种应用价值较高的光电子器件。对激光二极管的正向电特性进行研究，能够掌握内部物理机制，增强激光二极管的性能[1]。以往通常采用直流下的电流-电压(I-V)法，分析激光二极管的正向电特性，然而从直流I-V曲线图中获取的信息量有限，并且需要设置大量的假设条件，导致该种方法无法对激光二极管的正向电特性进行准确检测[2]。因此，寻求有效的方法，准确检测激光二极管的正向电特性，变得尤为重要。
2激光二极管正向电特性的检测
2.1并联模式的正向交流小信号检测
通常情况下的p-n结激光二极管的等效电路是由结电容C、结电导G以及串联电阻rs构成。（1）反向或小正向电压下，激光二极管的结电导G值较低[4,5]，存在1,r1ssrGC。（2）高电压情况下结电导G的主要表现是微分电导，其随电压呈现指数增长[6]。此时式(3)中的条件将无法满足，若该种情况下存在较高的结电导G和较低的结电容C。
2.2激光二极管电参数估计
通过上述描述的正向交流小信号法无法获取激光二极管的结特性[8,9]，激光二极管是一种两端子器件，其I-V特性同p-n结器件存在相似性。因此，采用正向交流小信号C-V融合直流I-V特性的方法[10]，获取激光二极管的串联电阻(V)sr、理论型因子n(V)以及结电容C(V)等参量随电压V的变化关系是：将理论型因子n以及串联电阻rs当成受到外部电压和电流变化而出现变化的量。
3激光二极管正向特性的检测实验
蓝激光二极管的表观电容在不同频率状态下随着电压的变化而变化的曲线。电压值比3.0V小的情况下，各频率状态下的C-V曲线基本一致。因为在低电压情况下，扩散电容以及负电容对激光二激光电容的价值度较低，激光二极管的端电容同耗尽层电容间具有较高的关联性[15]，而第正向偏压以及反向偏压状态下的耗尽层电容能够保持平稳，所以各频率下的电容曲线间具有较低的差异性。电压值比3.0V高的情况下，从图1(a)中可以看到10kHz频率状态时，实验检测的蓝激光二极管未出现负电容，其电容值随着电压值的提升而呈现指数提升的趋势[16]；但是在100Hz和1kHz的低频率下，蓝激光二极管的负电容值随着电压的增加而增加，能够看出蓝激光二极管产生负电容情况下的电压同频率间的具有较强的关联性。蓝激光二极管的总中断电容是耗尽层电容、扩散电容以及负电容的汇总，耗尽层电容具有较高的稳定性,扩散电容在电压值提升情况下，呈现指数提升的状态[17]。
当电压值呈现大幅度提升趋势时，负电容对终端电容的影响力逐渐提升，最终高于正扩散电容对总电容的影响力，该种情况下电容将呈现大幅度降低趋势，形成负电容。在100Hz以及1kHz的低频率状态时，蓝激光二极管在较小电压时形成负电容，随着电压的增加，负电容出现了显著的下降趋势。绘制蓝激光二极管的正电容对数ln|Cp|-V曲线，分析蓝极光二极管的电容同电压间的关系。能够看出，在1kHz以及100Hz状态时，由于电压值的不断增加，激光二极管的负电容的绝对值也逐渐增加，各频率下的ln|Cp|-V曲线呈现平行状态。拟合曲线性波动范围能够看出随着电压的提升，负电容出现指数提升趋势，负电容和电压间的关系可用mVpCe描述。基于肖克莱p-n结原理可得电容C同exp(qV/nkT)存在正相关性[18]。其中q表示电子电量，n是理论型因子，k是波尔滋蔓常数，T和V分别表示绝对温度和结电压，高电压状态下，对对数ln|Cp|-V曲线实施拟合操作，能够获取其斜率m的值是10，因此得到理论型因子n为4。
4结束语
本文采用正向交流小信号C-V融合直流I-V特性的方法，获取激光二极管的电参数。通过实验对不同颜色的激光二极管正向电特性进行检测研究，获取的结论为：固定频率状态下，激光二极管的电容随着电压的提升出现先升后降的趋势，最终降低到负值。负电容在电压不断提升下呈现出显著的表观特性。随着电压的提升表观电阻呈现指数提升趋势。
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关键词: 环芳化合物；手性光学活性；电子圆二色谱；康登效应；密度泛函理论
中图分类号:O 641.12 文献标志码:A 文章编号:1672-8513(2011)03-0220-05
Quantum Chemical Study on the Ultraviolet Spectra and Circular Dichroism of Square (S, S, S, S) Chiral Aromatic
GOU Gaozhang1,ZHAO Shengkui2,SHEN Yanqiong2,MA Yongcui1,ZHANG Xinhuan1,MANG Chaoyong3
(1.School of Chemistry and Chemical Engineering, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China; 2.School of Chemistry and Biotechnology，Yunnan University of Nationalities，Kunming 650500, China;3.College of Pharmacy and Chemistry, Dali University, Dali 671000, China）
Abstract: Using the density functional theory to study the ultraviolet spectra（UV-Vis） and electronic circular dichroism (ECD) of square (S, S, S, S) chiral cyclophane. From the microscopic point of view it analyzes the UV-Vis and ECD with the molecular orbital electronic transition absorption of the origin, and explains the relationship between the molecular structure and the optical activity.
Key words: cyclophane compound; chiral optical activity; electronic circular diachronic; Cotton effect; density functional theory
具有单一手性光学活性的环芳(cycolphna)分子［1］，诸如拓扑有趣的螺旋和笼状环芳分子是一类非常引人注目的分子母体，这不仅仅是因为其分子结构优美和在合成上富有挑战性［2］，更重要的是这些具有独特结构特征的物质在光、电、磁等领域的应用潜能值得关注［3-6］.Diederich等［7］报道过一个(R,R,R,R)四联萘笼状分子, 但炔键是在联萘的3,3′-位置链接的,结构差异较大.遗憾的是他们没有报道另一个对映体, 因而不能对比旋光度和圆二色谱等重要的光学性质进行比较.并且报道的多是非手性的环芳分子或一些消旋化的混合物［8］.然而2005年安德烈等［9］以对映异构形式获得了另一类新的且有趣的拓扑环芳分子四联萘笼状对映异构体(R,R,R,R)和(S,S,S,S)共轭环芳分子.而对此类化合物进行的理论研究却未见报道，更何况是从微观角度对其光学性质进行分析.本文计算了安德烈等合成的(S,S,S,S) 环芳分子，得到了(S,S,S,S)环芳分子的紫外吸收光谱（UV-Vis）和电子圆二色谱（ECD）,并从微观的角度分析归属了分子轨道电子跃迁情况，分析了(S,S,S,S)环芳分子光学性质的微观起源.
1 计算方法
由于计算机技术的快速发展，量子理论工作者能够采用密度泛函理论(DFT)方法［10］来优化计算分子、采用含时密度泛函理论(TD-DFT)方法［11-13］来计算分子的ECD谱［14-16］.本文计算的分子结构如图1.采用梯度校正的DFT方法［17-18］和杂化的B3LYP函数［19-20］，在TD-B3LYP/6-31G理论水平上，优化了(S,S,S,S)环芳分子结构，处理了包含164个原子的分子，并计算了它的紫外吸收光谱（UV-Vis）和电子圆二色谱(Electronic Circular Dichroism，ECD).采用SCRF (Self-Consistent Reaction Field)方法［21-22］，所有计算工作采用Gaussian 09程序完成.计算中，采用了紧缩的SCF (Self-Consistent Field)收敛标准和GIAO (Gauge-Invariant Atomic Orbitals)算法［23-24］.采用计算的电子跃迁吸收波长、跃迁偶极强度和电子旋转强度拟合了UV-Vis和ECD谱.
根据电磁场理论［25］，当一束平面偏振光通过手性物质时，手性物质分子对平面偏振光的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的吸收不同，产生圆二色性.在ECD谱中，纵坐标摩尔吸光系数差Δε(ν)为：
Δε(ν) =ν∑Rjfj(νj)×4.35×1038.[JY]（1）
其中fj(νj)是归一化的罗伦兹峰型函数，ν表示入射光频率.Rj表示在频率为νj时，电子从基态能级g跃迁到激发态能级j时的旋转强度，其中，纵坐标为摩尔吸光系数差ΔA = AL-AR, 或Δε=εL-εR.采用Re表示电子从基态跃迁到激发态的旋转强度，数值上等于电偶极矩矢量(μge)和磁偶极矩矢量(mge)点积的虚部［26］，
Re=Im ［ ］[JY]（2）
采用旋转强度Re对吸收波长λ作图，得到分子的ECD谱.正的吸收是正Cotton效应，负的吸收是负Cotton效应.表1中列出了计算结果，拟合的紫外吸收光谱、圆二色谱表示在图2中，图3描绘了(S,S,S,S) 环芳分子的前线分子轨道.
2 结果与讨论
2.1 紫外吸收光谱
如图2所示.前线分子轨道见图3，计算与实验的UV-Vis数据见表1.
a：Calculated at the B3LYP/6-31G level.
b：See ref.（in CH2Cl2）［11］.
计算值在TD- B3LYP/6-31G水平上获得，电子旋转强度Re采用长向元，单位是10-40 erg-esu-cm/Gauss.
(S,S,S,S)环芳分子的最高占据轨道（HOMO）能量为-0.19809eV，最低空轨道（LUMO）能量为-0.06190eV.从图2（a）可知，(S,S,S,S)环芳分子在330~390nm UV-Vis谱有3个吸收带.第I吸收带位于波长336.39nm、跃迁频率1.6196处，起源于分子HOMO-1LUMO+3(ππ*)电子对称跃迁，是分子中芳环上共轭双键电子跃迁所产生的K吸收带，对UV-Vis谱贡献甚大；在360.43nm处产生第Ⅱ吸收带，跃迁频率为0.4416，这与实验数据348nm相符合，波长相差12nm，对UV-Vis谱有一定贡献，但不是很大；而在376.14nm处产生了第Ⅲ吸收带，其跃迁频率为0.4807，对UV-Vis贡献甚小，实验测定值为374nm，计算结果与实验结果吻合很好.以上2个吸收带微观归属为二炔链接单元(binaphthyl―C[HT5，4”][HT]C―C[HT5，4”][HT]C―和binaphthyl―C[HT5，4”][HT]C―C[HT5，4”][HT]C―binaphthyl)中非参与大共轭体系的π电子跃迁，是HOMOLUMO（ππ*）电子非对称跃迁所形成的B吸收带.
需要说明的是，第I吸收带336.39nm，实验上没有实验值与之相对应，此外，实验上在295、275、238nm都有不同程度的吸收，而在计算的UV-Vis谱上却找不到与之相对映的数据（在表1中已列出）.可能原因为:一是计算中我们只计算了25个激发态的电子跃迁情况，波长范围在330~440nm，并没有计算330nm以下的跃迁情况，所以330nm之前的UV谱没有进行验证；二是实验是在溶液中（c=1.3×10-3mol/L、CH2Cl2）进行测定，计算与实验会存在在误差范围内的偏差，此外由于稠环化合物的共轭范围的增大，有的吸收带会被淹没.重要的是从前面第Ⅱ、Ⅲ吸收带的对比，可知计算结果与实验相符合.
2.2 ECD谱
如图2所示，计算与实验的ECD数据如表1.ECD谱在340~390nm有2个吸收带，第I吸收带在343.16nm处，旋转强度Re为754.2129，在ECD谱上表现出一个强的正性Cotton效应，起源于共轭稠环上C[FY（=，*1][FY）]C的 HOMO-1LUMO+1 (ππ*)非对称电子跃迁，而360.43nm处同样也有吸收，旋转强度Re为586.5445，ECD谱上表现为强的正性Cotton效应，起源于二炔链接单元(binaphthyl―C[HT5，4”][HT]C―C[HT5，4”][HT]C―和binaphthyl―C[HT5，4”][HT]C―C[HT5，4”][HT]C―binaphthyl)中非参与大共轭体系的π电子的HOMOLUMO（ππ*）电子非对称跃迁.376.14nm处有一个负吸收，Re为-212.6747，ECD谱上表现为负性Cotton效应，微观归属也是由二炔链接单元(binaphthyl―C[HT5，4”][HT]C―C[HT5，4”][HT]C―和binaphthyl―C[HT5，4”][HT]C―C[HT5，4”][HT]C―binaphthyl)中非参与大共轭体系的π电子的HOMOLUMO（ππ*）电子非对称跃迁.
与实验测定的CD数据进行比较我们发现，实验第1吸收峰波长为273nm，第2吸收峰波长为308nm.可以看出273nm处的吸收带就是计算的343.16、360.43nm处产生的第I吸收带，只是计算结果裂分为2个峰，计算与实验的波长差为70nm.其间的差异可能来源于2个因素.一是由于采用的基组不是完备基组，计算精度不够高，因此，如果采用完备基组计算，计算值有可能进一步减小并接近实验值.二是计算的假定条件为气相孤立分子，气相孤立分子的分子间距较大，而实验测定则在溶液中，分子间距较近，此外，计算的ECD谱仅是最稳定构象体的，还有一些亚稳定的构象体，原则上需要采用波子曼分布来求各种可能构象体的旋光度贡献总和.因此以上是在计算允许的误差范围内，结果与实验值相符合.
此外需要说明的是计算的ECD谱在383.85nm产生一个弱的负性Cotton效应，与实验值373nm相符合.另外实验上测定的ECD谱在348、234nm的吸收在计算结果中未能找到（表1中已标出），可能由于计算误差原因使实验值并不在计算的范围内.
3 结论
文中运用Gaussian09在B3LYP/6-31G水平计算了(S,S,S,S)环芳烃分子的UV-Vis、ECD 谱，从微观起源方面分析归属了它的手性光学活性. 得出结论：(S,S,S,S)环芳烃分子的UV-Vis谱在336.39、360.43、376.14nm处有吸收，分别起源于HOMO-1LUMO+3(ππ*)电子对称跃迁的K吸收带和二炔链接单元(binaphthyl―C[HT5，4”][HT]C―C[HT5，4”][HT]C―和binaphthyl―C[HT5，4”][HT]C―C[HT5，4”][HT]C―binaphthyl)中非参与大共轭体系的π电子的HOMOLUMO（ππ*）非对称跃迁引起的B吸收带.而ECD谱在343.16、360.43nm产生2个强的正性Cotton效应，在376.14nm有一个较强的负性Cotton效应.通过对微观起源分析发现，分子电子的对称跃迁对UV-Vis谱贡献甚大，对ECD谱贡献则不一定，而分子电子的非对称跃迁对ECD谱贡献甚大，对UV-Vis谱则不能确定.ECD谱起源于(S,S,S,S)环芳烃分子的电子非对称转移跃迁，是电子跃迁的不对称性的光谱响应.
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收稿日期:2010-10-26.
基金项目:云南省教育厅科学研究基金（07Z11621）.
关键词：教学改革；太阳能发电；MPPT；MATLAB仿真
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）23-0013-02
对能源危机和环境的日益关注，使用可再生能源发电得到理论研究人员和工程技术人员的广泛关注和深入探讨。在可再生能源系统中一个重要的议题是太阳能能源系统。而太阳能发电系统与电力电子课程有着紧密的关联，因此在“电力电子技术”教学创新过程中可以把太阳能发电系统放置在电力电子学的应用介绍中，这使课堂理论教学与社会发展和社会热点更加契合，也能使电力电子学更有吸引力。
普通的教学方法通常采用纯理论方式，其缺点是：在大学生电力电子的课程中，学生对于实验中突然出现的现象和对系统元件的探索缺少关注，很难达到良好的教学效果和知识传授。而太阳能控制系统的课程设计具有较强的实践性，实验环节尤为重要，由于受到实验设备、实验人员和实验条件等的限制，传统的实验教学很难开展，但是软件仿真虚拟实验则没有这方面的限制。因此，本文提出了基于MATLAB/ SIMULINK仿真软件对太阳能发电系统进行仿真研究，包括MPPT算法和变流器的拓扑设计，帮助学生加深对电力电子基础理论和应用系统设计知识的理解，填补基础理论教学与实际应用之间的断带，掌握利用仿真技术进行辅助分析与设计的技能。
一、太阳能发电系统
电力电子电路主要包括四大类：整流电路（AC-DC变换）、斩波电路（DC-DC变换）、逆变电路（DC-AC变换）、交流电力控制及交交变频电路（AC-AC变换）。与太阳能发电系统密切相关的为斩波电路和逆变电路。本文介绍的太阳能发电系统运行在离网模式，主要变流器为DC-DC变换，所以本文着重介绍斩波电路。在教学设计上，学生初次接触电力电子应用实例，实际的感观并不多，对太阳能发电系统各个模块理解有些困难，因此本文提出了一种精简的太阳能发电系统，从而达到电力电子技术教学的目的。太阳能发电系统的拓扑如图1所示。[1]它由光伏电池板、升压斩波电路、MPPT控制器和负载组成，下面详细介绍各部分的作用。
太阳能电池是太阳能发电的能量转换器件。其原理是光生伏打效应，当太阳光照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光电子-空穴对。在电池内电场的作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。[2]
太阳能电池后级一般采用Boost电路进行DC/DC变换。[3]由于在太阳能发电系统中，太阳能电池的输出功率受多种因素影响，如太阳光照强度、环境温度。在不同的环境下，太阳能电池的输出曲线是不同的，相应的最大功率点也不同。日照越强，太阳能电池能够输出的功率越大；本身温度越高，其输出功率越小。在特定的日照强度和温度条件下，太阳能电池具有唯一的最大功率输出点（MPP），也只有工作在最大功率点才输出最大功率。
根据太阳能电池特性，有以下几种最大功率点跟踪方法：CVT法；基于扰动的自寻优控制算法，主要有扰动观察法、电导增量法等；基于优化模型的控制算法，主要有短路电流检测法、开路电压检测法、电流扫描法等；基于人工智能的处理算法，主要有模糊控制、人工神经网络等；负载电流/电压最大法。扰动观察法是目前研究最广也是应用较为普遍的控制算法之一。其原理是每隔一段时间对太阳能阵列的工作点实施扰动，然后测量其功率变化，与扰动之前的功率值相比较，若功率值增加，则表示扰动方法正确，可朝同一方向扰动；若扰动后的功率值小于扰动前，则往相反的方向扰动。由于扰动观察法结构简单，跟踪算法简单，容易实现，容易被接受和理解，所以采用扰动法进行最大功率点跟踪。
二、仿真实例
为了构建与实际相符合的教学场景，引入仿真软件MATLAB/
SIMULINK，利用 MATLAB/ SIMLINK软件构建电力电子电路进行仿真演示，电力电子变换与控制领域的典型开关电路均可建立仿真模型，通过对模型的仿真，可直观展示各种参数变化对电路波形的影响以及数值计算，可以为教学现场营造一种真实的电力电子电路工作场景，能够有效地弥补传统教学方式的不便和不足，学生能够全面准确理解教学内容。同时，在电路仿真时，可以模拟各种电力电子器件故障，如开路、短路等，能够清晰地展示各种电力电子电路的工作过程，使学生能够直观、全面地掌握课程学习内容，同时将学习活动情境化、趣味化，大大加深了学生对所学知识的理解，使学生能够将隐性的理论知识转化为显性的技能。[4]因此，将MATLAB仿真软件引入太阳能发电系统课程设计的教学，可以充分利用MATLAB的强大运算与图形化功能，提高课程教学质量与教学效果。
1.太阳能电池内部特性MATLAB仿真
太阳能电池的I-V特性随光照和电池表面温度的变化而变化。单个太阳能电池的输出伏安特性表达式为：
（1）
式中：I――太阳能电池输出电流；U――太阳能电池输出电压；Iph――光生电流；I0――二极管反相饱和电流；K――玻尔兹曼常数（K=1.38×10-23J/K）；q――电子的电荷量（q=1.6× 1019C）；n――二极管特性因子；RS――太阳能电池的串联电阻；Rsh――太阳能电池的并联电阻。
根据太阳能电池内部特性，结合式（1）在MATLAB/ SIMULINK仿真实验平台中建立太阳能电池内部特性仿真模型，如图2所示，对太阳能电池的输出特性进行实验研究。本案例初步设置光照强度Sref为400W/m2，温度Tref为25℃，电池开路电压UOC为66V，峰值电压Um为54.2V，短路电流ISC为25.44A，峰值电流Im为23.25A。
2.占空比扰动法的MATLAB仿真研究
干扰观测法算法简单且易于硬件实现，所以被广泛地应用。经典干扰控制法步长不易确定，如果步长大可以较快跟踪到最大功率，但在最大功率附近振动较大。如果步长较小，虽然在最大功率点附近振荡较小，但跟踪的速度又太慢。在本案例中，采用PWM信号占空比D作为控制变量，相对于干扰观测法，占空比扰动法由于直接把占空比作为控制变量，只需要控制一个参数，从而使控制器简单化。[5]图3为MPPT模块的MATLAB仿真模型。
3.太阳能发电系统MATLAB仿真模型
在建立太阳能电池内部特性模型及MPPT模块模型后，在SIMULINK中建立太阳能发电系统整体仿真模型，该模型采用光照强度S和温度T作为输入，以流过负载的电流I和负载两端的电压U作为输出来进行仿真。将电路元器件模块按太阳能发电系统结构图连接起来组成仿真电路，如图4所示，主要由太阳能电池板模型、升压斩波电路、MPPT模块、负载（500Ω电阻）组成。
4.仿真结果分析
太阳能电池板输出电压（左）、电流（右）波形如图5所示，图6左右分别为负载电压和电流波形。由仿真结果可以看出，给定参数的太阳能电池在光照强度Sref为400W/m2，温度Tref为25℃条件下，输出电压为78V，输出电流为9.7A，负载电压为550V，电流约为1.1A。由图5、图6可见，电池输出电压、电流在1s前已达稳定，说明Boost电路实现太阳能发电系统最大功率点跟踪是可行的。此仿真模型和仿真结果有利于本科生学习太阳能发电控制系统和理解相关电力电子技术。
三、结论
以太阳能光伏发电系统为案例，基于MATLAB仿真平台设计的“电力电子技术”教学模式，不仅在教学方式上进行整改，并且在教学内容上也进行了改革创新，形成理论与实践并进，理论与仿真相结合的教学新思路和新模式。一方面改善了教育质量，提高了学生对课堂学习的兴趣，另一方面向学生介绍了新能源，增强“电力电子技术”吸引力的同时使学生拥有更多的实践经验，帮助学生加深对电力电子基础理论和应用系统设计知识的理解，掌握利用仿真技术进行辅助分析与设计的技能。
参考文献：
[1]P.Bauer，W.Kolar.Teaching Power Electronics in the 21st Century[J].EPE Journal，2003，13（4）：43-50.
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