生物光子学（精选4篇）
生物光子学 篇1
在教育部《关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》颁发后, 全国掀起了深化本科教学改革的热潮。但受原有教学模式和传统教育观念的影响, 长期以来《生物医学电子学》的课堂教学主要采取自下而上的教学模式, 即从运算放大器的工作原理开始, 然后利用这些运算放大器构建一些基本电路, 分析这些基本电路的功能, 最后给出这些电路的应用例子。但在这种教学模式中学生的学习是被动的, 因此需要教师在课程内容和讲授方法上进行改革。近年来, 我们课程组采用自上而下的教学方法, 增强实验课内容, 改革实验考试方法, 充分调动学生学习的积极性, 使学生主动掌握如何设计具体电路, 同时更早开始设计实用电路。本教学改革旨在把学生融入有意义的任务完成的过程中, 让学生积极地学习、自主地进行知识建构, 增强学习兴趣。
1 教学内容改革
《生物医学电子学》的开设时间通常是在大三第二学期或大四第一学期, 学生已经学完了《电路分析》、《信号与系统》和《模拟电子技术》等课程。《生物医学电子学》既是电子学的后续和提高课程, 又为今后能更好地从事生物物理学和生物医学仪器设计的研究打下技术基础。我们使用的教材主要有《Medical Instrumentation: Application and Design》, 1997;李刚等编著的《现代测控电路》;蔡建新, 张唯真编著的《生物医学电子学》, 1997。本课程的主要内容包括:生物医学信号测量的特殊性及基本条件, 信号的检测、处理、变换和传输的基本理论与方法, 涉及的电子电路以半导体集成电路为主, 注重新型、实用及通用性。通过学习, 让学生较深入地理解电子测量的基本概念、以及解决问题的基本思想方法, 逐步掌握测量电路的设计。本课程的理论课共54学时, 以生物电信号源为起点, 分别介绍生物电检测的基本方法, 生物电信号放大、隔离、滤波和射频传输中的基本理论与方法, 使学生能使用放大器和模拟电子学设计我们要实现的系统功能。我们采用自上而下的讲课方法, 如图1所示, 即先从整体考虑:系统的测量的精度与性能、被测量的量、被测量信号的大小与频率。然后是测量系统的使用条件和所具有的功能, 如信号的显示、记录、存储及其它一些功能。再以信号增益和误差分配, 来确定前向信号通道 (即从传感器到模数转换器的模拟信号放大、处理部分电路) 所需信号放大、滤波或变换电路的级数, 各级的增益, 滤波器的阶数、形式和截止频率等。最后确定各个组成部分的具体设计要求。
在第一节课上, 我们将从心电, 血压到超声, CT仪器, 再到医院实验室仪器和治疗仪器的实际电路图给学生看, 找出仪器电路的共同点, 得出一般仪器的一般框架。在此基础上, 将医学仪器的一般框架与整个课程即将讲授的内容逐一联系起来, 让学生从整体上知道学习的内容和目的。针对每一章, 我们也是从一个生理量测量开始, 提出技术指标和原始设计要求, 然后逐渐过渡到与实际医学仪器中相关的电路。与此同时, 结合各类大学生电子竞赛题目, 组织学生设计能实现不同功能的集成运算放大器电路, 给他们提供开放实验室, 让学生通过实验过程, 将理论知识转化为实践技能, 有利于知识的巩固与吸收。
2 实验改革和手段创新
2.1 实验教学改革
生物医学电子学实验课是为了配合生物医学电子学理论课而设置的, 实践性较强。实验室是高等学校教学和科研的重要基地, 高校的实验教学与实验室建设工作是衡量高校办学实力和人才培养质量的重要标志。过去的实验课, 采用电子实验箱, 任课教师在课前把仪器设备及元器件准备好, 学生做实验就是依照实验手册在实验箱面板上插线, 根本看不到电路, 学生处于被动地位。采用实验箱在学生不断增多情况下, 不仅增加教学经费和占用空间, 学生也依赖于实验室。改革后的实验课由三部分组成, 一部分是用Mutisim (一个能Windows下运行的专门用于电子线路仿真与设计的 EDA工具软件) 仿真, 另一部分是实验箱实验, 最后一部分是课程设计, 即综合性设计实验。
随着计算机技术的发展, 一部分实验采用国际流行的电子辅助设计软件——美国国家仪器公司的Mutisim, 它不仅是一个能在Windows下运行的专门用于电子线路仿真与设计的 EDA工具软件, 也是一个能装进计算机的实验室。它具有直观的图形界面, 整个操作界面就像一个电子实验工作台, 绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上, 轻点鼠标可用导线将它们连接起来, 软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似, 测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。它还有来自美国模拟器件公司 (Analog Devices) 、德州仪器 (Texas Instruments) 和凌力尔特公司 (Linear Technologies) 丰富的元器件和模块库和从数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪到逻辑分析仪高性能的测试仪器。所设计出的电路除了可用于实验室的测量之外, 还可以做直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点——零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析等定量分析。Multisim不仅提供了高指标的虚拟仪器和充足的元器件资源, 还弥补了因实验仪器及经费不足造成的缺憾。更为重要的是只要有一台计算机就能拥有自己的实验室, 打破了时间和空间的限制, 学生可以在不同的时间、地点和领域自主进行实验, 增强他们提出问题、分析问题和解决问题的能力, 并发展自己的兴趣爱好。Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的问题。学生有机会按自己的思维开展设计性实验, 使他们进行研究性和探索性实验成为可能。
在利用仿真软件的同时, 开展实际硬件的实验。实验室资源有:42台连着计算机和测量仪表的实验台。针对有限的实验台资源, 把学生分为14个小组, 每组安排3人, 以小组为单位进行实验并考核。课程组教师同时担任着每个小组的实验导师, 学生可以自由提问, 教师负责指导他们测量问题、指正错误, 但不能给出设计思路和方案。通过这样与学生在实验中的接触, 了解他们的水平。在实验操作中, 不给出任何具体的提前写好的实验提纲, 要求学生根据命题自己计划在实验中做什么。为了在实验室的时间更有效率, 要求预习实验, 通过仿真软件来确定设计是否正确, 并在实验箱面包板上将设计图连线。在实验室没有安排固定实验时, 就对学生开放, 让学生可以自由准备实验。
实验操作的重要环节是开展小组讨论, 其目的是使学生找出课堂给出的设计问题的解决方案, 以便在实验期间做好准备。约半个小时长的小组讨论主要解决以下问题:①理解题目:每位学生都要发现自己有没有不清楚和不理解的地方。②发表创造性意见:学生对问题能自由想象, 展开讨论。小组中的一个人记录问题。③评估上述意见:学生把他们的观点、意见组织好, 把无关的分类出来, 把和问题重点相关的记录下来。④解决问题或计划如何解决问题:提出具体设计思路和实践方案。这时, 课程组的教师可以帮助他们弄清或解释相关提问, 但要让学生自己组织施行, 只有学生太偏离目标的时候才出来指正。通过这样的实验课训练, 很多本科生都利用寒暑假, 备战各种电子大赛, 自主设计智能模拟仪器等, 在参赛的之余体会到利用运算放大器的灵活性、趣味性及优势。
2.2 实验考核改革
在实验教学改革中, 削减了验证性实验, 提高综合性和设计性实验的比例[2]。为了得到更多的反馈以不断改进实验课内容, 我们把传统的实验考试改为在课程学习中的三次考试。每次以提出设计问题的方式教完固定的某一模块内容后, 相关的检查设计能使学生对该模块的学习有更深入的理解。
比如要求学生设计一套仪器放大器, 这需要学生了解Electronics Workbench 安装方法与运行方式电路仿真技术的基本知识;掌握集成运算放大器的主要性能参数及其含义;掌握仪器放大器的构成形式、原理、特点及其适用场合。在放大器的大致结构确定下来之后, 分析仪器放大器的频率响应;在幅频特性曲线上找出设计放大器的截止频率;改编反馈电阻, 观察反馈电阻对幅频特性的影响。这部分便与传统的模拟电子学课程衔接起来了, 同时检查了学生对理论知识的理解和应用能力。
考试内容:需要上交的一系列解决问题的方法, 学生可以自己独立或者以小组为单位一起解决问题。我们分小组对每位学生都给出不同的题目, 每位学生都要上交个人解决方法的电子版作业, 用特定的元件性质来设计和搭建实现不同功能的测量电路。考试时以小组为单位, 每个人单独汇报设计思路, 监考教师和其他学生都可以对设计提问, 根据学生的解答和设计来给出分数。
实验课考试的总分是以上三部分考试的平均分。只有以上三部分测验都合格, 才能算通过实验考试。刚开始这门课的教学改革时, 不少学生第一次考试成绩都很不理想, 但到学期末的最后一次考试成绩普遍都有了很大提高, 说明这种改革的确提高了学生解决问题的积极性和动手能力。
3 总结
实践证明, 运用自上而下的理论课教学模式能使课程内容生动化, 给学生搭建出生物医学仪器的整体框架之后再分别讲解元器件能启发学生全面了解本课程, 激发他们自主学习的期望。其次, 丰富实验课的软件、硬件内容, 使考试与解决问题相结合, 采取新的实验考试方法来进行《生物医学电子学》教学, 经过整个学期的训练, 多数学生的动手能力有了很大提高, 并对这种学习方法有良好的反馈。
教学改革的目的是使学生将课堂学习的理论知识与科研实践相结合, 培养本科生的科研能力, 提高学生解决实际问题的综合能力, 培养我国发展交叉学科需要的、具有科研能力的创新型人才[3]。值得可喜的是, 学生在第四学年参加各类电子大赛中屡获佳绩, 这跟他们整体设计思路和动手能力的提高有莫大关系, 也验证了《生物医学电子学》的教学改革具有可行性, 但如何使这门课程与就业相结合还是一项长期艰巨、需要教师不断更新知识结构的任务。
参考文献
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生物光子学 篇2
生物电子学 (Bioelectronics) 是以生物学和电子学为代表但又涉及化学、物理、材料及信息技术等许多学科和高新技术相结合的一门新兴交叉学科。电子信息科学技术和生物科学 (含医学科学) 是十分重要的两个学科领域, 它们对科学技术进步和经济发展, 乃至于对人类的社会生活方式都将产生深刻而重要的影响。生物电子学的发展充分体现了上述两个学科的相互依赖和和相互促进的关系。生物电子学自20世纪50年代诞生以来, 发展迅速, 领域不断拓宽, 地位日益重要, 已经展示了广阔的发展前景[1,2]。子学的研究领域大致可以包括如下7个方面: (1) 生物信息检测; (2) 生物医学信息处理; (3) 生物系统建模和仿真; (4) 场与生物物质的作用; (5) 分子和生物分子电子学; (6) 生物信息学; (7) 生物医学仪器。近20年来, 随着各种新原理、新技术和新方法不断地应用到生物电子学的研究中, 生物电子学的发展日新月异, 目前越来越的科研工作者聚集生物电子学方面的研究。
1 研究领域
生物电子学作为新兴的交叉学科, 发展迅猛, 涉及多个研究领域。国外的大学很早就开展生物电子学的相关研究。如英国的克兰菲尔德大学, 其生物电子学方面的研究就包括生物信息学、生物传感器与生物诊断、环境与健康、环境与自然、环境与安全、智能材料和转化医学等。我国在1985年, 由韦钰院士创立了分子与生物分子电子学实验室, 通过20年的发展, 2002年, 东南大学生物电子学国家重点实验室开始建设。目前, 该重点实验室的发展目标是瞄准生物电子学的国际发展前沿, 开展应用基础研究, 侧重综合应用信息科学领域的最新成果, 发展生物领域研究的新方法和新技术, 并用于探究生命过程的本质, 揭示重大疾病的机制, 为医学发展开辟新途径。该国家重点实验室以生物信息材料与器件、生物信息获取和传感、生物信息系统和应用为主要研究方向, 研究内容涉及分子 (纳米) 有序材料及其制备、分子有序结构的组装与表征、分子/纳米器件、生物/纳米材料及其应用、植入式电子器件、单分子与单细胞检测、生物传感器、微阵列芯片技术、微流体生物芯片、生物信息学、仿生信息处理系统及应用、脑信息系统的建模和应用等。
2 教材选择
本课程是专业选修课, 开设对象是低年级的硕士研究生和博士研究生。相对于本科生, 研究生具有良好的自学能力和独立思考能力, 因此, 如何选择实用、全面和专业的参考教材尤其重要。目前, 国内还没有《生物电子学》课程的统一教材, 很多医学专业的高等院校选用的是生物电子医学方面的教材, 并不能很好的满足普通高校本科生或者研究生的课程需要。因此, 在依据本学校和本学院的专业设置 (材料物理、材料科学和信息显示等专业) , 以及本学院教师的科研方向, 选用了以色列著名科学家Itamar Willner为主编, 汇集了众多在生物电子学方面的专家编著的《Bioelectronics》[3]教材, 从生物电子学的定义, 生物电子学的发展和研究领域等方面, 并结合当前热门生物电子学方面的科研资料和科研文献, 多方位、多角度的向研究生展示生物电子学的研究内容、研究方向、研究前沿和研究热点。这样的安排, 让研究生从一开始就接触科学前沿, 开阔了眼界, 更好的领悟科学的真谛。
3 授课对象
《生物电子学》是硕士和博士研究生的专业选修课程, 目前选修本门课程的学生的专业跨度很大, 有材料化学、材料物理和高分子材料与工程等不同专业。我们开设本门课程的宗旨是让不同学生都了解什么是生物电子学、当前生物电子学发展到怎样的阶段和生物电子学涉及的研究领域。通过对这些方面的学习, 结合各自的研究背景, 将生物电子学领域的研究内容糅合到各自的科学研究中, 实现科学创新, 更好更快的进行科学研究。
4 授课形式和课程内容
本门课程为研究生专业选修课, 在授课形式和课程内容上有别于本科生的专业必修课。在充分考虑研究生具有良好的自学能力和理解能力的基础上, 我们决定将本门课程的课时设置为32学时, 分8次课完成。课题上以授课和讨论两种主要形式进行, 设为8个不同的生物电子学版块, 以讲座形式进行教学, 并同时让研究生依据各自的研究背景, 以每次课所要将的内容为主线, 做好课下准备, 带着问题有针对性的进行实时讨论。本着“科学性、系统性、实用性”的原则, 我们确立了具体的授课内容, 主要包括以下内容:概论部分、生物传感器、生物芯片、活体生物发光和荧光成像技术、微流控芯片体外诊断、临床即时检测仪器和DNA纳米技术等。在讲授这些专题的同时, 结合大量的最新科研的前沿和热点文献, 循序渐进, 生动直观的介绍生物电子学方面的知识, 使课堂教学更为生动、丰富。
5 教学方法
为了使研究生能在有限的课时内掌握老师所教授的内容, 并能学以致用, 就必须要运用灵活多样的教学方式, 如:多媒体教学、互动式教学、理论联系实际等方法。由于生物电子学涉及多个研究领域, 书本上的基础知识往往较为枯燥、抽象, 不能很好的吸引研究生的求知欲望。因此, 本门课程主要以多媒体教学为主, 辅以互动式教学。在讲解科学前沿和热点时, 利用多媒体技术在功能上、空间上及时间上交互的便利性, 直观生动的将各种原理示意图、实验结果甚至影像资料展示给研究生, 将抽象、枯燥的科研问题直观、形象又深入浅出的解释给学生, 激发学生的学习兴趣。
为了提高研究生的学习主动性, 让研究生参与到整个教学环节中, 此时教师与学生不再说简单的传授与接受的关系, 而是双边的互动关系。在课堂上除了老师有针对性地向学生提问外, 学生也可以随时向老师发问, 通过互动式教学, 使学生最大限度地参与教学活动, 积极思维, 培养了主动探索、勇于创新的意识。
6 结语
目前《生物电子学》这门研究生选修课程还处于不断探索和改革阶段, 作为专业教师, 责任任重而道远, 今后除了要不断提高自身的业务素质, 不断实践、不断总结, 还要依据不断变化的科研环境和教学环境, 及时与学生沟通, 把《生物电子学》课程的教学工作开展的更有深度、更有效果、更受研究生喜爱, 为研究生开拓眼界、提升创新思维作出贡献。
摘要：《生物电子学》是本校新开设的研究生选修课, 针对不同专业研究生。由于生物电子学是一门新兴的交叉学科, 涵盖众多的研究领域, 已成为当前的研究热点。本选修课目的是开阔研究生科研视野、了解最新的科研前沿和培养学生创新精神和综合素质。本文从研究领域、教材选择、授课对象、授课形式与课程内容及教学方法等方面谈了笔者的教学实践体会及本选修课今后的发展方向。
关键词：生物电子学,研究生选修课,教学探索
参考文献
[1]韦钰.电子科技导报[N].1998, 11, 1-4.
[2]崔大付, 张兆田, 熊小芸, 徐建华.中国科学基金[Z].2004, 4, 205-201.
生物光子学 篇3
关键词：全息,光子晶体,禁带,周期结构,光子禁带,光学厚度
自从1987年Yablonovitch[1]和John[2]分别提出光子晶体和光子能带结构的概念以来, 人们对一维、二维和三维的光子晶体都已经做了较深入的研究.由于有类似于半导体材料中的“频率禁带”特性, 因此光子晶体有着很广阔的应用前景.一维光子晶体在微结构上最为简单, 易于制备, 具有制造超低耗波导、全方位反射镜、光学开关等多种用途, 一维光子晶体结构也可以具有全方位的三维能隙结构[3,4], 用一维光子晶体可能制备出用二、三维光子晶体结构材料制作的器件.因此, 对一维光子晶体进行深入研究是很有意义的.
体全息介质可以看成是一种光子晶体, 体全息介质中存在着某种光子的带结构.与普通突变周期结构的光子晶体相比, 全息光子晶体的周期性变化是渐变的.用全息方法或多光束干涉法制作可见光谱区的光子晶体的方法已有报导[5,6,7,8].为了深入地探讨体全息图作为光子晶体的性质, 以及为了用全息方法制作出可供实际使用的光子晶体, 必须全面分析体全息图中所展现的光子禁带的特点.在这里采用了传输矩阵法, 应用参数调节的方法来研究折射率调制周期倍率和光学厚度对一维全息光子晶体禁带的调节作用.
1 模 型
一维全息光子晶体中, 折射率分布与光场强度分布规律相同, 则折射率分布可写为:n=n0+△ncos (2πz/d) , 其中, n0是全息介质中的平均折射率;△n是折射率的调制度;d是一个周期的长度, 如图1所示.在这种介质中, 折射率是一种余弦函数渐变周期结构 (n是z的函数) , 光学厚度为nd.
二元一维阶跃式光子晶体的折射率分布, 如图2所示.这种一维光子晶体的结构是由折射率分别为n1和n2的2种材料交替组成的, 厚度分别为d1、d2, 一个周期的厚度为d=d1+d2, 两层介质的光学厚度分别为n1d1, n2d2.
2 原 理
采用传输矩阵法计算时, 将每一个周期分成若干个子层, 则每个子层的传输矩阵为[9,10]
Nj由下式表示为 (脚标j代表第j个晶格)
式中, θj为光进入第j个晶格时的折射角;
不难求出, 全息光子晶体的反射率为
由此, 即可得到全息光子晶体的带隙结构.
3 计算结果及分析
文中计算的都是正入射的情况, S偏振和P偏振情况完全一样, 以下均以P偏振计算情况为例.
(1) 折射率调制周期的影响
针对折射率调制的周期性n=n0+△ncos (2πz/Λ) , 引入一个余弦函数综量的可调倍率X, 折射率改写为n=n0+△ncos (X (2πz/Λ) ) 的形式, 通过改变X的数值, 计算了禁带随其变化的情况, 这里n0=1.52, △n=0.07, λ=457 nm, 禁带的计算结果如图3所示.
现将禁带宽度和禁带位置的计算结果列出, 如表1所示.
由计算结果可以得出结论:介质膜的折射率调制倍率对禁带宽度和禁带位置有明显的调制作用;随着折射率调制周期倍率的增大:禁带宽度减小, 禁带中心的位置移向短波.倍率小于1时对禁带宽度及位置影响较大, 倍率大于1时的影响较小, 禁带位置相对较集中;在X=0.2～1.8的变化范围内, 禁带位置在2 500～2 700 nm的范围内变化较大, 在调节参数较小时, 禁带宽度较大.
(2) 光学厚度的影响
改变介质的光学厚度:nd, 引入了一个可调参数X, 令nd=Xnd, 计算了随着X的改变, 禁带位置和宽度的变化情况, 通过编程计算, 结果如图4所示.
现将禁带宽度和禁带位置的计算结果列出, 如表2所示.
由计算结果可以得出结论:介质膜的光学厚度对禁带宽度和禁带位置有明显的调制作用;随着光学厚度的增大:禁带宽度增大, 禁带中心的位置移向长波.相对折射率调制周期对禁带的影响, 光学厚度的改变对禁带的影响较小, 在X=0.2～1.8的变化范围内, 禁带位置在90～900 nm的范围内变化, 在光学厚度较大时, 禁带宽度大.
4 结 论
对一维全息光子晶体, 用传输矩阵方法, 对不同的基本周期结构下的反射率进行了计算.结果表明, 光子禁带与光子晶体基本周期结构单元的光学厚度以及折射率调制的周期分布有关.在设计光子晶体时, 可以根据对禁带宽度及位置的设计需要, 通过改变光子晶体的基本周期结构的参数来实现对光子带隙的控制, 这在光子晶体的应用中很有价值.
参考文献
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生物光子学 篇4
光开关及矩阵光开关是在多个光信号通道之间实施信号交换的操作器件, 可以在任何输入端和输出端之间建立信号连接。本项目利用先进光波导技术研制与开发高速集成光开关与矩阵光开关。利用绝缘体硅 (SOI) 技术和硅材料的电光调制效应研制超高速光子开关, 开关速度为纳秒量级;进而利用超短网络结构研制高度集成大规模矩阵光子开关, 这也是本项目两个主要创新点。不仅如此, 这一新型高速光子开关还可以作为一个核心单元形成单芯片微型波长选择开关 (WSS) , 为微型可恢复光插分复用模块 (ROADM) 和微型光交叉连接模块 (OXC) 奠定基础。本项目产品可以用于光通信、光学仪器性能测试、计算机光互连、光传感及光信号控制等。
本项目在其新技术产品的研制中共获得2项中国发明专利, 已经申请正在审批的美国/加拿大专利3项。作为本项目的前期工作, 该项目已经具备了氧化硅波导技术的矩阵光开关的系列型初样 (2x2, 4x4和8x8) ;研制的基于SOI技术的超高速光子开关单元已经处在样品的实验室测试阶段。这一项目产品的成功将使项目的直接产品:小型开关阵列和大规模矩阵开关的性能有一个质的飞跃, 在高速光通信、仪器的自动化测试、计算机光互连和航空航天系统的光信号控制等应用范围将会迅速扩大, 并带来可观的市场效应。
外方提议合作方式:技术转让、技术入股、合作生产。