《激光技術(shù)》課程教學(xué)模式改革與實(shí)踐探索

于旭東+譚中奇+楊開勇+張斌

摘要：本文根據(jù)激光技術(shù)課程建設(shè)和教學(xué)改革實(shí)踐中的體會(huì)，從課程教學(xué)改革的必要性、課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、教學(xué)方法探索等三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析和闡述，為提高教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行了有益的探索。

關(guān)鍵詞：激光技術(shù)；教學(xué)改革；實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）03-0120-03

自上個(gè)世紀(jì)60年代美國科學(xué)家梅曼發(fā)明世界上第一臺(tái)紅寶石激光器以來，激光技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異，已經(jīng)應(yīng)用到我們的生活、科研、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等方方面面[1，2]。在生活方面，我們經(jīng)常接觸到的DVD、數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)、激光打印復(fù)印等都應(yīng)用了激光技術(shù)；在科研上，激光可以為我們提供測(cè)量基準(zhǔn)，提供極端物理?xiàng)l件，可以作為先進(jìn)的光源；在工業(yè)上，激光是信息通信、存儲(chǔ)、準(zhǔn)直、導(dǎo)航定位、加工、表面處理等必不可少的工具；在醫(yī)學(xué)上，激光美容、激光手術(shù)已經(jīng)為我們所熟知；在軍事領(lǐng)域，激光技術(shù)更是深入到了武器裝備的方方面面，因此激光技術(shù)被列為國家戰(zhàn)略支撐技術(shù)[3]。

《激光技術(shù)》是一門講述如何操控激光、控制激光和應(yīng)用激光的課程[4，5]，是緊密結(jié)合《激光原理》的一門基礎(chǔ)專業(yè)課，《激光原理》主要講述的是激光的基本原理和基本知識(shí)，而《激光技術(shù)》主要針對(duì)的是激光的具體技術(shù)應(yīng)用，是從事光學(xué)專業(yè)必須要掌握的基礎(chǔ)知識(shí)。

一、教學(xué)改革的必要性

《激光技術(shù)》課程是光學(xué)工程專業(yè)課程建設(shè)的重要組成部分，它是專業(yè)基礎(chǔ)課程幾何光學(xué)和物理光學(xué)知識(shí)的拓展，是訓(xùn)練學(xué)員進(jìn)一步掌握激光技術(shù)的關(guān)鍵課程。我院開始這門課程是在完成《激光原理》課程之后學(xué)期開設(shè)的，目的是進(jìn)一步加深學(xué)員對(duì)光學(xué)尤其是激光光學(xué)的理解和認(rèn)識(shí)，訓(xùn)練學(xué)員掌握激光、操控激光的動(dòng)手能力，培養(yǎng)綜合理解能力、分析問題和解決問題的能力，初步培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新能力。該門課程設(shè)置在激光原理的教學(xué)之后，開設(shè)在大四學(xué)員的秋季學(xué)期，該時(shí)間段恰逢學(xué)員考研的關(guān)鍵時(shí)間段，如何通過合理的設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)提高教學(xué)效果成為迫在眉睫的問題[6]。

研究和解決課程教學(xué)中遇到的問題，提高課程教學(xué)效果，在大四考研的攻堅(jiān)階段讓學(xué)員利用最少的時(shí)間來掌握核心知識(shí)，提高教學(xué)效果，調(diào)動(dòng)學(xué)員的課堂積極性，為此，研究課程教學(xué)模式和教學(xué)方法，對(duì)培養(yǎng)軍隊(duì)高素質(zhì)新型軍事人才具有重要意義。

二、課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

（一）圍繞一個(gè)中心展開教學(xué)

《激光技術(shù)》課程共計(jì)6章40課時(shí)，如圖1所示，課程內(nèi)容僅僅圍繞激光具體應(yīng)用技術(shù)展開，工程應(yīng)用特點(diǎn)明顯。因此，在教學(xué)中，我們以“激光的應(yīng)用技術(shù)”為中心展開教學(xué)。首先，我們向?qū)W員介紹激光的調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術(shù)，從光學(xué)的角度詳細(xì)介紹三種物理效應(yīng)——電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)和磁光效應(yīng)，這是后面講述調(diào)Q、鎖模等章節(jié)的基礎(chǔ)；然后，從激光的能量、功率、脈寬這個(gè)應(yīng)用角度向?qū)W員系統(tǒng)地介紹調(diào)Q技術(shù)、超短脈沖技術(shù)和激光放大技術(shù)；最后，從光束質(zhì)量這個(gè)應(yīng)用角度向?qū)W員介紹選頻與選模技術(shù)和穩(wěn)頻技術(shù)?？梢钥闯觯麄€(gè)教學(xué)的重點(diǎn)都是放在“激光的具體應(yīng)用技術(shù)”上，課程的設(shè)計(jì)是以“激光的具體應(yīng)用”展開的。

（二）注重兩個(gè)兼顧

對(duì)于剛剛畢業(yè)本科生而言，大多數(shù)學(xué)員會(huì)走向軍隊(duì)和社會(huì)，并不一定繼續(xù)從事科研工作，而課程教學(xué)中更加注重物理概念和基本原理的論述，因此，在教學(xué)中主要注重原理和應(yīng)用的結(jié)合。例如，在講述“激光放大技術(shù)”時(shí)，在介紹完矩形脈沖放大的基本原理之后，專門設(shè)置一節(jié)課來講述激光放大的應(yīng)用，最為典型的例子是美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）和中國的“神光”計(jì)劃，結(jié)合實(shí)例講述激光放大的基本原理、光學(xué)器件的設(shè)計(jì)、光與物質(zhì)的相互作用等，形象地展示激光放大的物理過程，加深學(xué)員對(duì)基本原理的理解。同時(shí)，教學(xué)中也注重基礎(chǔ)知識(shí)與最新前沿的兼顧。例如，在講述“超短脈沖技術(shù)”章節(jié)時(shí)，系統(tǒng)地介紹超短脈沖的基本原理、鎖模技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)，專門開設(shè)一次課來講述皮秒脈沖、飛秒脈沖在微納加工、激光醫(yī)學(xué)、飛秒化學(xué)、超快科學(xué)、超快技術(shù)等方面的應(yīng)用以及阿秒脈沖（10-18s）的最新國際前沿，讓學(xué)員不僅掌握每種技術(shù)的基本原理、具體應(yīng)用技術(shù)，還能了解每種激光技術(shù)的最新國際前沿，拓展學(xué)員的知識(shí)面。

（三）強(qiáng)化三個(gè)能力培養(yǎng)

對(duì)于眾多的專業(yè)基礎(chǔ)課而言，課程內(nèi)容的知識(shí)覆蓋面一般都比較廣。在教學(xué)中讓學(xué)員掌握各章節(jié)的基本原理、基本概念十分重要，但更重要的是培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新能力和科研能力。因此，在《激光技術(shù)》課程的教學(xué)中，我們十分注重學(xué)員激光應(yīng)用能力、光學(xué)設(shè)計(jì)能力、分析總結(jié)能力的培養(yǎng)。例如，在培養(yǎng)學(xué)員激光應(yīng)用能力時(shí)，課程第一章介紹完“聲光效應(yīng)”后，在講述“調(diào)Q技術(shù)”的時(shí)候，教師會(huì)引導(dǎo)學(xué)員去應(yīng)用聲光效應(yīng)去實(shí)現(xiàn)激光器調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)，在講述“超短脈沖技術(shù)”的時(shí)候，教師會(huì)引導(dǎo)學(xué)員去應(yīng)用聲光效應(yīng)去實(shí)現(xiàn)激光器鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)。在培養(yǎng)學(xué)員光學(xué)設(shè)計(jì)能力時(shí)，讓學(xué)員單獨(dú)設(shè)計(jì)光路結(jié)構(gòu)來降低施加在電光晶體上的半波電壓，培養(yǎng)學(xué)員的光學(xué)設(shè)計(jì)能力。在培養(yǎng)學(xué)員分析總結(jié)能力時(shí)，結(jié)合我校的優(yōu)勢(shì)科研方向——激光陀螺，設(shè)置專題分析激光陀螺中采用的激光技術(shù)。通過三種能力的培養(yǎng)，使學(xué)員深刻領(lǐng)悟激光技術(shù)的特點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

三、教學(xué)方法探索

（一）緊貼科研的案例式教學(xué)

教師通過實(shí)例分析的方法來講清相關(guān)的基本概念與原理，并充分發(fā)揮教員的科研優(yōu)勢(shì)，課堂案例密切結(jié)合教師的科研經(jīng)歷，將科研中實(shí)際用的激光技術(shù)的相關(guān)知識(shí)引入到教學(xué)過程來，讓學(xué)員直接了解科研中的激光技術(shù)知識(shí)，體會(huì)激光技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。

例如，在講述“選頻選模技術(shù)”這一章節(jié)時(shí)，在課堂上專門增開一節(jié)課講述如何在激光諧振腔里面實(shí)現(xiàn)頻率的選擇，結(jié)合激光陀螺研究所高精度低損耗鍍膜的科研技術(shù)，介紹如何利用多層介質(zhì)膜反射鏡來選頻，系統(tǒng)介紹了激光器543nm這一綠光譜線的起振條件、膜系設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、科研攻關(guān)過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果；在“穩(wěn)頻技術(shù)”章節(jié)中，針對(duì)蘭姆凹陷這種主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)，引入激光陀螺科研中用到的程長控制鏡技術(shù)，詳細(xì)地介紹程長控制鏡的基本結(jié)構(gòu)、控制方法、穩(wěn)頻效果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。緊密結(jié)合科研優(yōu)勢(shì)，達(dá)到科研反哺教學(xué)的目的。

（二）基于PROJECT的綜合能力訓(xùn)練

《激光技術(shù)》課程開設(shè)在大四的秋季學(xué)期，適逢學(xué)員考研的關(guān)鍵時(shí)期，結(jié)合大四學(xué)員特定時(shí)期的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，增設(shè)探索性題目，設(shè)計(jì)合理的專題作為考核的一種具體方式，提升學(xué)員的綜合能力。激光陀螺是一種以Sagnac效應(yīng)為基礎(chǔ)的光學(xué)陀螺，是測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)角速率的敏感器件，如圖2所示，現(xiàn)已在戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、戰(zhàn)略導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、海軍艦艇、潛艇、姿態(tài)基準(zhǔn)、反坦克制導(dǎo)、穩(wěn)定控制等多個(gè)領(lǐng)域成為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的理想器件。激光陀螺本身就是一只環(huán)形激光器，其中涉及到《激光技術(shù)》課程中很多的知識(shí)點(diǎn)。在教學(xué)過程中，教師將學(xué)員以班為單位分成若干組，每一組學(xué)員在課程結(jié)束時(shí)提供一份項(xiàng)目報(bào)告，學(xué)生可以就激光陀螺中涉及的某種激光技術(shù)展開深入的論述，例如激光陀螺中運(yùn)轉(zhuǎn)的單頻激光，涉及到“選頻與選模技術(shù)”章節(jié)的小孔光闌法選基橫模的知識(shí)，可以就這一點(diǎn)展開分析討論；也可以對(duì)激光陀螺涉及的各種激光技術(shù)進(jìn)行全面的闡述，例如，多層介質(zhì)膜選頻、程長控制鏡穩(wěn)頻、He-Ne增益氣體、環(huán)形諧振腔設(shè)計(jì)等知識(shí)進(jìn)行歸納總結(jié)，通過PROJECT的訓(xùn)練提高學(xué)員的綜合能力。

（三）演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)

緊密結(jié)合課程內(nèi)容，增設(shè)《激光技術(shù)》課程相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)或自選實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，提高學(xué)員課程認(rèn)知能力，加深課程教學(xué)效果。例如，在“調(diào)Q技術(shù)”章節(jié)增設(shè)演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，教學(xué)中在介紹完“調(diào)Q的速率方程理論分析”后，詳細(xì)介紹了各種調(diào)Q激光器實(shí)現(xiàn)調(diào)Q的具體過程，諧振腔里Q值的變化情況及具體控制實(shí)現(xiàn)方法，借助“光電技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)中心”硬件資源平臺(tái)，搭建演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，如圖3所示，在固體激光器諧振腔中插入電光調(diào)Q器件前后的激光器輸出功率變化情況，如圖4所示，從圖4可以看出，利用電光效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)諧振腔損耗的調(diào)制，提高激光器的峰值功率，壓縮脈沖寬度。將該演示實(shí)驗(yàn)在軍用光電工程和光信息科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中試用并改進(jìn)，加深學(xué)員對(duì)理論知識(shí)和物理概念的理解。

四、結(jié)束語

在《激光技術(shù)》課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)的幫助下，近幾年來，我們?cè)谡n程教學(xué)中不斷積累經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)規(guī)律，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。作為高等院校的科研教學(xué)人員，應(yīng)充分發(fā)揮教員的科研優(yōu)勢(shì)，課堂案例密切結(jié)合教師的科研經(jīng)歷，將基本理論和相關(guān)技術(shù)緊密結(jié)合，多從科研工作角度出發(fā)，利用科研來反哺教學(xué)，深刻領(lǐng)會(huì)激光技術(shù)的注重應(yīng)用的特點(diǎn)，以在教學(xué)改革的道路上取得令人滿意的成績。

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Teaching Reform and Practice Exploration of "Laser Technology"

YU Xu-dong，TAN Zhong-qi，YANG Kai-yong，ZHANG Bin

（ College of Optoelectronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，

Changsha，Hunan 410073，China）

Abstract：Based on the teaching experiences and practice of the course construction and teaching reform of Laser Technology，the teaching reform necessity，teaching design and implementation，teaching method exploration are analyzed and presented in detail. These are helpful to improve teaching quality of "Laser Technology".

Key words："Laser Technology"；teaching reform；practice