探究式教學法在《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：探究教學法是目前廣泛采用的一種教學方法。結合學生材料物理和應用化學本科知識背景和科研需求，將探究教學法引入到《高等激光物理》課程的教學實踐過程中。通過布置一些基礎性原理問題和開放性的前沿進展問題，鼓勵學生查閱資料后進行討論和回答，起到學習課程知識和培養科研意識的雙重作用，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：激光物理；教學改革；探究法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）25-0163-02

《高等激光物理》是我校設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相互作用的半經典理論。通過該課程的學習，可以為學生們后續從事與激光相關的光傳感與光通信、信息處理、紅外探測、材料設計與加工等專業的學習和科研工作打下基礎。但半經典理論物理概念抽象，理論性極強，學習難度較大。考慮到選課學生的本科專業背景較為復雜，有物理學、測控、高分子材料、有機化學等專業，且以材料或應用化學專業為背景的學生居多，他們僅具有工科大學物理的知識背景，而與激光物理相關的電動力學及物理光學的知識一無所知；同時，考慮到學生以后的專業多為與激光相關的交叉學科，激光器主要作為技術工具出現，故為將理論難度降低，本課程按光學本科專業的高年級重要專業課《激光原理與技術》來設定教學大綱和內容。

推行教育思想觀念和教學模式改革，培養創新型高素質人才是目前我國教育的指導策略。在教學過程中，不但要講解必要的知識，更要培養學生的學習能力和綜合素質[1-3]。探究學習法是目前國內比較普遍推崇的一種學習模式，通過提前設立一些問題，讓學生帶著問題學習和討論，以培養學生自主學習和探索學習的精神。為此，本文對課程的教學過程進行了簡單梳理，同時針對激光應用和激光器的設計思想設立了一些研究性題目，讓學生研讀教材和文獻后做出解答，并在課上匯報講解，旨在讓學生在探索中掌握科學的研究方法，在研究中獲得知識。

一、課程大綱和教學內容設定

制定本課程的大綱時，設定教學內容主要包括激光的基本原理、開放式光腔與高斯光束、電磁場和物質的相互作用、譜線展寬和增益飽和、激光器的振蕩特性。另外考慮到學生的課題和專業背景，2015年開始，還加入了激光超短脈沖技術即調Q和鎖模技術。眾所周知，多媒體和板書教學有著各自鮮明的特點，前者的主要特點在于節奏感強，速度快，但每幅幻燈片呈現的信息量很有限，沒有足夠的時間留給學生消化吸收和記筆記，學生稍不留神就跟不上教師的思路，尤其是復雜的數學推導更是如此。而傳統的黑板加粉筆式教學的邊演算邊講解的做法，更利于學生邊看邊聽邊記，且學生有足夠的時間進行思考和消化吸收。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容時，主要引入了一系列相互關聯的基本概念，泵浦能級和激光上下能級兩對能級，三個躍遷系數如受激吸收系數，受激輻射系數，自發輻射系數，穩定諧振腔理論，激光諧振腔的衍射理論，高斯光束參數及其變化規律等，這些基本概念形成了本課程的知識要點，是學習理解的重點。在后續章節中，光與物質相互作用、譜線展寬機制及描述、增益系數及其飽和效應及激光器的輸出性能部分，因為相關內容含有的數學推導較多，故教學過程中在介紹物理思想的基礎上，盡量采用PPT教學，以節省足夠的時間，開展實用性較強的激光短脈沖技術的教學。

二、設立討論問題的講授方法

考慮到學生已經掌握了激光原理的一些基本知識，對于超短脈沖技術，主要采用學生討論學習為主的方法，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？脈寬的量級多少？什么是調Q技術？增加泵浦功率，能否減小脈沖的脈寬？對于調Q激光器，其脈寬的決定因素有哪些？調Q技術主要分為哪幾種類型？電光和聲光調Q與轉鏡調Q相比，有什么優勢？電光調Q技術中，加在電光晶體上的有時是λ/4電壓，有時是半波電壓，原因是什么？鎖模技術的原理是什么？如何使各脈沖的相位固定？為什么采用鎖模技術獲得的脈沖寬度可以達到ps的量級？

上述題目有些可以從教材中得到答案，有些必須經過思考和總結才能得到結論。通過這種討論的學習方法，一是豐富授課手段，二是學生可以更多地參與到教學過程中去。同時通過一同學回答，其他同學點評的方法，可以使學生產生更多的互動，同時可以了解其他同學思考和處理問題的思路，為將來的科研生涯打下更為堅實的基礎。

三、激光應用的拓展討論

作為21世紀最重要的技術發明之一，激光及其相關技術目前已經滲透到生產、生活、軍事和醫學等眾多領域，同時衍生出了很多的相關學科。深入了解相關知識可以深化學生對激光物理的理解。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上衍生而來的，研制過程中，突破了一些原有技術的固有科研思路。對思路拓展嘗試進行講解。（2）隨機激光器突破了原有激光原理中關于諧振腔的設計思路，實現了激光的無諧振腔式運轉，它是如何工作的？（3）針對半導體激光器，講解其發光原理，并與發光二極管做對比說明。（4）1997年的諾貝爾物理學獎，是利用激光獲得原子冷卻和俘獲的過程，嘗試就其原理進行講解。（5）激光是一種強光，使用時必須遵守相關的規定。目前按照激光對人眼的傷害程度對其進行了分類，請詳細說明激光傷害的標準和內容。（6）激光的應用領域之一是在軍事中的應用，“激光制導”目前已經被多次應用在了軍事打擊過程中，試就其原理展開闡述。（7）激光的應用領域之二是在工業中的應用，激光切割和焊接技術在很多場合已經代替了傳統的電弧焊，試比較說明其原理和優勢。（8）激光的應用領域之三是在民用領域中的應用，試就個人感興趣的領域，例如醫用、全息等領域介紹其應用原理。（9）對于以后從事與激光交叉的邊緣學科或領域，例如激光超聲技術，闡述可能涉及的激光應用現狀。另外，鼓勵同學結合自己的本科或研究生專業，進行靈活選題，本科從事光通信專業學習的同學還可以光纖激光器的相關知識和最新進展情況作為主題進行調研和陳述。

四、總結與展望

為了突破課堂上只讓學生被動地接受知識的教學方法，同時使學生具有初步的查閱、調研和總結文獻的科研能力，通過設置探究式題目，讓同學們進行了調研、討論和學習，起到了調動學習積極性和主動獲取、總結信息的能力。同時，將形成的文檔保存下來，以備后續教學過程中利用，同時進一步補充新興的知識內容，使本課程的教學進入良性循環，獲得了良好的教學效果。

參考文獻：

[1]葉海，凌東雄，王紅成.《激光原理》課程教學研究[J].東莞理工學院學報，2013，20（3）：122-124.

[2]于文兵.激光原理與技術課程中開展研究性學習的探索[J].湖北師范學院學報：自然科學版，2008，（3）：116-118.

[3]鐘先瓊，胡曉飛，羅莉，侯俊勇，向安平，等.《激光原理與激光技術》課程建設與教學改革的實踐探索[J].成都信息工學院學報，2009，24（4）：422-426.