探究式教学法在《高等激光物理》课程中的探索与尝试

陈少华　相文峰　冷文秀　张鹏

摘要：探究教学法是目前广泛采用的一种教学方法。结合学生材料物理和应用化学本科知识背景和科研需求，将探究教学法引入到《高等激光物理》课程的教学实践过程中。通过布置一些基础性原理问题和开放性的前沿进展问题，鼓励学生查阅资料后进行讨论和回答，起到学习课程知识和培养科研意识的双重作用，取得了良好的教学效果。

关键词：激光物理；教学改革；探究法

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）25-0163-02

《高等激光物理》是我校设置的一门硕士研究生选修课程，意在讲授激光原理中光与物质相互作用的半经典理论。通过该课程的学习，可以为学生们后续从事与激光相关的光传感与光通信、信息处理、红外探测、材料设计与加工等专业的学习和科研工作打下基础。但半经典理论物理概念抽象，理论性极强，学习难度较大。考虑到选课学生的本科专业背景较为复杂，有物理学、测控、高分子材料、有机化学等专业，且以材料或应用化学专业为背景的学生居多，他们仅具有工科大学物理的知识背景，而与激光物理相关的电动力学及物理光学的知识一无所知；同时，考虑到学生以后的专业多为与激光相关的交叉学科，激光器主要作为技术工具出现，故为将理论难度降低，本课程按光学本科专业的高年级重要专业课《激光原理与技术》来设定教学大纲和内容。

推行教育思想观念和教学模式改革，培养创新型高素质人才是目前我国教育的指导策略。在教学过程中，不但要讲解必要的知识，更要培养学生的学习能力和综合素质[1-3]。探究学习法是目前国内比较普遍推崇的一种学习模式，通过提前设立一些问题，让学生带着问题学习和讨论，以培养学生自主学习和探索学习的精神。为此，本文对课程的教学过程进行了简单梳理，同时针对激光应用和激光器的设计思想设立了一些研究性题目，让学生研读教材和文献后做出解答，并在课上汇报讲解，旨在让学生在探索中掌握科学的研究方法，在研究中获得知识。

一、课程大纲和教学内容设定

制定本课程的大纲时，设定教学内容主要包括激光的基本原理、开放式光腔与高斯光束、电磁场和物质的相互作用、谱线展宽和增益饱和、激光器的振荡特性。另外考虑到学生的课题和专业背景，2015年开始，还加入了激光超短脉冲技术即调Q和锁模技术。众所周知，多媒体和板书教学有着各自鲜明的特点，前者的主要特点在于节奏感强，速度快，但每幅幻灯片呈现的信息量很有限，没有足够的时间留给学生消化吸收和记笔记，学生稍不留神就跟不上教师的思路，尤其是复杂的数学推导更是如此。而传统的黑板加粉笔式教学的边演算边讲解的做法，更利于学生边看边听边记，且学生有足够的时间进行思考和消化吸收。为清晰地描述本课程中涉及的物理概念，在前两章——激光基本原理和开放腔与高斯光束两章中，采用以板书讲述为主的方法。在讲述上述两部分内容时，主要引入了一系列相互关联的基本概念，泵浦能级和激光上下能级两对能级，三个跃迁系数如受激吸收系数，受激辐射系数，自发辐射系数，稳定谐振腔理论，激光谐振腔的衍射理论，高斯光束参数及其变化规律等，这些基本概念形成了本课程的知识要点，是学习理解的重点。在后续章节中，光与物质相互作用、谱线展宽机制及描述、增益系数及其饱和效应及激光器的输出性能部分，因为相关内容含有的数学推导较多，故教学过程中在介绍物理思想的基础上，尽量采用PPT教学，以节省足够的时间，开展实用性較强的激光短脉冲技术的教学。

二、设立讨论问题的讲授方法

考虑到学生已经掌握了激光原理的一些基本知识，对于超短脉冲技术，主要采用学生讨论学习为主的方法，为了增加讨论的目的性，布置了以下题目：一般的脉冲激光器，其脉冲是如何形成的？脉宽的量级多少？什么是调Q技术？增加泵浦功率，能否减小脉冲的脉宽？对于调Q激光器，其脉宽的决定因素有哪些？调Q技术主要分为哪几种类型？电光和声光调Q与转镜调Q相比，有什么优势？电光调Q技术中，加在电光晶体上的有时是λ/4电压，有时是半波电压，原因是什么？锁模技术的原理是什么？如何使各脉冲的相位固定？为什么采用锁模技术获得的脉冲宽度可以达到ps的量级？

上述题目有些可以从教材中得到答案，有些必须经过思考和总结才能得到结论。通过这种讨论的学习方法，一是丰富授课手段，二是学生可以更多地参与到教学过程中去。同时通过一同学回答，其他同学点评的方法，可以使学生产生更多的互动，同时可以了解其他同学思考和处理问题的思路，为将来的科研生涯打下更为坚实的基础。

三、激光应用的拓展讨论

作为21世纪最重要的技术发明之一，激光及其相关技术目前已经渗透到生产、生活、军事和医学等众多领域，同时衍生出了很多的相关学科。深入了解相关知识可以深化学生对激光物理的理解。为此，我们布置了以下讨论题目：（1）激光是在微波振荡器的技术上衍生而来的，研制过程中，突破了一些原有技术的固有科研思路。对思路拓展尝试进行讲解。（2）随机激光器突破了原有激光原理中关于谐振腔的设计思路，实现了激光的无谐振腔式运转，它是如何工作的？（3）针对半导体激光器，讲解其发光原理，并与发光二极管做对比说明。（4）1997年的诺贝尔物理学奖，是利用激光获得原子冷却和俘获的过程，尝试就其原理进行讲解。（5）激光是一种强光，使用时必须遵守相关的规定。目前按照激光对人眼的伤害程度对其进行了分类，请详细说明激光伤害的标准和内容。（6）激光的应用领域之一是在军事中的应用，“激光制导”目前已经被多次应用在了军事打击过程中，试就其原理展开阐述。（7）激光的应用领域之二是在工业中的应用，激光切割和焊接技术在很多场合已经代替了传统的电弧焊，试比较说明其原理和优势。（8）激光的应用领域之三是在民用领域中的应用，试就个人感兴趣的领域，例如医用、全息等领域介绍其应用原理。（9）对于以后从事与激光交叉的边缘学科或领域，例如激光超声技术，阐述可能涉及的激光应用现状。另外，鼓励同学结合自己的本科或研究生专业，进行灵活选题，本科从事光通信专业学习的同学还可以光纤激光器的相关知识和最新进展情况作为主题进行调研和陈述。

四、总结与展望

为了突破课堂上只让学生被动地接受知识的教学方法，同时使学生具有初步的查阅、调研和总结文献的科研能力，通过设置探究式题目，让同学们进行了调研、讨论和学习，起到了调动学习积极性和主动获取、总结信息的能力。同时，将形成的文档保存下来，以备后续教学过程中利用，同时进一步补充新兴的知识内容，使本课程的教学进入良性循环，获得了良好的教学效果。

参考文献：

[1]叶海，凌东雄，王红成.《激光原理》课程教学研究[J].东莞理工学院学报，2013，20（3）：122-124.

[2]于文兵.激光原理与技术课程中开展研究性学习的探索[J].湖北师范学院学报：自然科学版，2008，（3）：116-118.

[3]钟先琼，胡晓飞，罗莉，侯俊勇，向安平，等.《激光原理与激光技术》课程建设与教学改革的实践探索[J].成都信息工学院学报，2009，24（4）：422-426.