探究式教學(xué)法在《高等激光物理》課程中的探索與嘗試

陳少華　相文峰　冷文秀　張鵬

摘要：探究教學(xué)法是目前廣泛采用的一種教學(xué)方法。結(jié)合學(xué)生材料物理和應(yīng)用化學(xué)本科知識(shí)背景和科研需求，將探究教學(xué)法引入到《高等激光物理》課程的教學(xué)實(shí)踐過程中。通過布置一些基礎(chǔ)性原理問題和開放性的前沿進(jìn)展問題，鼓勵(lì)學(xué)生查閱資料后進(jìn)行討論和回答，起到學(xué)習(xí)課程知識(shí)和培養(yǎng)科研意識(shí)的雙重作用，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：激光物理；教學(xué)改革；探究法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）25-0163-02

《高等激光物理》是我校設(shè)置的一門碩士研究生選修課程，意在講授激光原理中光與物質(zhì)相互作用的半經(jīng)典理論。通過該課程的學(xué)習(xí)，可以為學(xué)生們后續(xù)從事與激光相關(guān)的光傳感與光通信、信息處理、紅外探測(cè)、材料設(shè)計(jì)與加工等專業(yè)的學(xué)習(xí)和科研工作打下基礎(chǔ)。但半經(jīng)典理論物理概念抽象，理論性極強(qiáng)，學(xué)習(xí)難度較大。考慮到選課學(xué)生的本科專業(yè)背景較為復(fù)雜，有物理學(xué)、測(cè)控、高分子材料、有機(jī)化學(xué)等專業(yè)，且以材料或應(yīng)用化學(xué)專業(yè)為背景的學(xué)生居多，他們僅具有工科大學(xué)物理的知識(shí)背景，而與激光物理相關(guān)的電動(dòng)力學(xué)及物理光學(xué)的知識(shí)一無(wú)所知；同時(shí)，考慮到學(xué)生以后的專業(yè)多為與激光相關(guān)的交叉學(xué)科，激光器主要作為技術(shù)工具出現(xiàn)，故為將理論難度降低，本課程按光學(xué)本科專業(yè)的高年級(jí)重要專業(yè)課《激光原理與技術(shù)》來(lái)設(shè)定教學(xué)大綱和內(nèi)容。

推行教育思想觀念和教學(xué)模式改革，培養(yǎng)創(chuàng)新型高素質(zhì)人才是目前我國(guó)教育的指導(dǎo)策略。在教學(xué)過程中，不但要講解必要的知識(shí)，更要培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和綜合素質(zhì)[1-3]。探究學(xué)習(xí)法是目前國(guó)內(nèi)比較普遍推崇的一種學(xué)習(xí)模式，通過提前設(shè)立一些問題，讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)和討論，以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索學(xué)習(xí)的精神。為此，本文對(duì)課程的教學(xué)過程進(jìn)行了簡(jiǎn)單梳理，同時(shí)針對(duì)激光應(yīng)用和激光器的設(shè)計(jì)思想設(shè)立了一些研究性題目，讓學(xué)生研讀教材和文獻(xiàn)后做出解答，并在課上匯報(bào)講解，旨在讓學(xué)生在探索中掌握科學(xué)的研究方法，在研究中獲得知識(shí)。

一、課程大綱和教學(xué)內(nèi)容設(shè)定

制定本課程的大綱時(shí)，設(shè)定教學(xué)內(nèi)容主要包括激光的基本原理、開放式光腔與高斯光束、電磁場(chǎng)和物質(zhì)的相互作用、譜線展寬和增益飽和、激光器的振蕩特性。另外考慮到學(xué)生的課題和專業(yè)背景，2015年開始，還加入了激光超短脈沖技術(shù)即調(diào)Q和鎖模技術(shù)。眾所周知，多媒體和板書教學(xué)有著各自鮮明的特點(diǎn)，前者的主要特點(diǎn)在于節(jié)奏感強(qiáng)，速度快，但每幅幻燈片呈現(xiàn)的信息量很有限，沒有足夠的時(shí)間留給學(xué)生消化吸收和記筆記，學(xué)生稍不留神就跟不上教師的思路，尤其是復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)更是如此。而傳統(tǒng)的黑板加粉筆式教學(xué)的邊演算邊講解的做法，更利于學(xué)生邊看邊聽邊記，且學(xué)生有足夠的時(shí)間進(jìn)行思考和消化吸收。為清晰地描述本課程中涉及的物理概念，在前兩章——激光基本原理和開放腔與高斯光束兩章中，采用以板書講述為主的方法。在講述上述兩部分內(nèi)容時(shí)，主要引入了一系列相互關(guān)聯(lián)的基本概念，泵浦能級(jí)和激光上下能級(jí)兩對(duì)能級(jí)，三個(gè)躍遷系數(shù)如受激吸收系數(shù)，受激輻射系數(shù)，自發(fā)輻射系數(shù)，穩(wěn)定諧振腔理論，激光諧振腔的衍射理論，高斯光束參數(shù)及其變化規(guī)律等，這些基本概念形成了本課程的知識(shí)要點(diǎn)，是學(xué)習(xí)理解的重點(diǎn)。在后續(xù)章節(jié)中，光與物質(zhì)相互作用、譜線展寬機(jī)制及描述、增益系數(shù)及其飽和效應(yīng)及激光器的輸出性能部分，因?yàn)橄嚓P(guān)內(nèi)容含有的數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，故教學(xué)過程中在介紹物理思想的基礎(chǔ)上，盡量采用PPT教學(xué)，以節(jié)省足夠的時(shí)間，開展實(shí)用性較強(qiáng)的激光短脈沖技術(shù)的教學(xué)。

二、設(shè)立討論問題的講授方法

考慮到學(xué)生已經(jīng)掌握了激光原理的一些基本知識(shí)，對(duì)于超短脈沖技術(shù)，主要采用學(xué)生討論學(xué)習(xí)為主的方法，為了增加討論的目的性，布置了以下題目：一般的脈沖激光器，其脈沖是如何形成的？脈寬的量級(jí)多少？什么是調(diào)Q技術(shù)？增加泵浦功率，能否減小脈沖的脈寬？對(duì)于調(diào)Q激光器，其脈寬的決定因素有哪些？調(diào)Q技術(shù)主要分為哪幾種類型？電光和聲光調(diào)Q與轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q相比，有什么優(yōu)勢(shì)？電光調(diào)Q技術(shù)中，加在電光晶體上的有時(shí)是λ/4電壓，有時(shí)是半波電壓，原因是什么？鎖模技術(shù)的原理是什么？如何使各脈沖的相位固定？為什么采用鎖模技術(shù)獲得的脈沖寬度可以達(dá)到ps的量級(jí)？

上述題目有些可以從教材中得到答案，有些必須經(jīng)過思考和總結(jié)才能得到結(jié)論。通過這種討論的學(xué)習(xí)方法，一是豐富授課手段，二是學(xué)生可以更多地參與到教學(xué)過程中去。同時(shí)通過一同學(xué)回答，其他同學(xué)點(diǎn)評(píng)的方法，可以使學(xué)生產(chǎn)生更多的互動(dòng)，同時(shí)可以了解其他同學(xué)思考和處理問題的思路，為將來(lái)的科研生涯打下更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、激光應(yīng)用的拓展討論

作為21世紀(jì)最重要的技術(shù)發(fā)明之一，激光及其相關(guān)技術(shù)目前已經(jīng)滲透到生產(chǎn)、生活、軍事和醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域，同時(shí)衍生出了很多的相關(guān)學(xué)科。深入了解相關(guān)知識(shí)可以深化學(xué)生對(duì)激光物理的理解。為此，我們布置了以下討論題目：（1）激光是在微波振蕩器的技術(shù)上衍生而來(lái)的，研制過程中，突破了一些原有技術(shù)的固有科研思路。對(duì)思路拓展嘗試進(jìn)行講解。（2）隨機(jī)激光器突破了原有激光原理中關(guān)于諧振腔的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了激光的無(wú)諧振腔式運(yùn)轉(zhuǎn)，它是如何工作的？（3）針對(duì)半導(dǎo)體激光器，講解其發(fā)光原理，并與發(fā)光二極管做對(duì)比說明。（4）1997年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，是利用激光獲得原子冷卻和俘獲的過程，嘗試就其原理進(jìn)行講解。（5）激光是一種強(qiáng)光，使用時(shí)必須遵守相關(guān)的規(guī)定。目前按照激光對(duì)人眼的傷害程度對(duì)其進(jìn)行了分類，請(qǐng)?jiān)敿?xì)說明激光傷害的標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)容。（6）激光的應(yīng)用領(lǐng)域之一是在軍事中的應(yīng)用，“激光制導(dǎo)”目前已經(jīng)被多次應(yīng)用在了軍事打擊過程中，試就其原理展開闡述。（7）激光的應(yīng)用領(lǐng)域之二是在工業(yè)中的應(yīng)用，激光切割和焊接技術(shù)在很多場(chǎng)合已經(jīng)代替了傳統(tǒng)的電弧焊，試比較說明其原理和優(yōu)勢(shì)。（8）激光的應(yīng)用領(lǐng)域之三是在民用領(lǐng)域中的應(yīng)用，試就個(gè)人感興趣的領(lǐng)域，例如醫(yī)用、全息等領(lǐng)域介紹其應(yīng)用原理。（9）對(duì)于以后從事與激光交叉的邊緣學(xué)科或領(lǐng)域，例如激光超聲技術(shù)，闡述可能涉及的激光應(yīng)用現(xiàn)狀。另外，鼓勵(lì)同學(xué)結(jié)合自己的本科或研究生專業(yè)，進(jìn)行靈活選題，本科從事光通信專業(yè)學(xué)習(xí)的同學(xué)還可以光纖激光器的相關(guān)知識(shí)和最新進(jìn)展情況作為主題進(jìn)行調(diào)研和陳述。

四、總結(jié)與展望

為了突破課堂上只讓學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)的教學(xué)方法，同時(shí)使學(xué)生具有初步的查閱、調(diào)研和總結(jié)文獻(xiàn)的科研能力，通過設(shè)置探究式題目，讓同學(xué)們進(jìn)行了調(diào)研、討論和學(xué)習(xí)，起到了調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)獲取、總結(jié)信息的能力。同時(shí)，將形成的文檔保存下來(lái)，以備后續(xù)教學(xué)過程中利用，同時(shí)進(jìn)一步補(bǔ)充新興的知識(shí)內(nèi)容，使本課程的教學(xué)進(jìn)入良性循環(huán)，獲得了良好的教學(xué)效果。

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