激光原理课程是光学工程本科专业的一门重要的基础课, 由于激光技术和通讯技术、生物医学技术、材料技术和环境检测等先进技术的交叉融合以及激光技术的飞速发展, 要求我们培养的学生不但要掌握扎实的基础理论, 学习和了解更多的现代激光器件的原理, 而且还需要具有很强的综合分析能力和卓越的创新能力, 为了实现这个目标, 我们着手从课程内容、启发式教学方法、计算机多媒体教学及实验实践教学环节等多个方面做了有益的探索, 下面是几点体会。
1 分析比较国内外教材, 确定合适的教材
目前激光原理的国内教材非常多, 但以清华大学的周炳琨院士的《激光原理》[1]最为经典, 这本教材内容章节安排合理, 知识点覆盖面广, 理论体系较为完整。在分析比较了国内外教材内容的基础上, 我们还增加了两本国际公认的经典教材作为补充, 一本是美国斯坦福大学电子工程教授Anthony E.Siegman的经典著作《Lasers》[2], 1986年出版, 全书1283页, 它是出现较早的全面阐述激光原理的大著作。正如《美国物理学报》评价的那样:“该书的陈述很清晰, 很有深度, 该书作者第一个真实全面深透地介绍了这个学科”。另一本是意大利米兰理工学院教授斯凡尔多的《Principles of Lasers》[3], 此书是在1989年第三版的基础上改编的, 在原有内容基础上, 本书新纳入了量子井及多量子井激光器、二极管泵浦固态激光器、稳定激光腔和非稳腔的新理论、飞秒激光器、超高亮度激光器等新内容, 作者围绕激光器的三个主要构成部分 (工作物质、泵浦系统、共振腔) 而展开讨论, 以讲清楚激光的基础物理概念与动力学过程为主, 有一定的深度与广度, 也是一本颇有影响的教材。我们选取两本国外经典著作作为辅助教材是为了开阔学生们的思路, 练习用英语直接阅读国际上著名大师的经典著作, 帮助他们更好的了解学科前沿。
2 简化物理图象, 贯穿课程全程
《激光原理》理论性较强, 涉及一些抽象的数理知识, 是一门具有一定深度和难度的课程。在讲授过程中, 我们把整本书简化成一幅简单的物理图象, 并在讲授过程中不断强化它的提纲作用。概括的说就是我们把它简化成一幅图象外加三个条件, 这幅简单的物理图象就是爱因斯坦的受激辐射物理模型, 在这幅图里只有两个主体, 一就是光子;另一个就是增益介质的二能级原子。三个条件就是激光出光的三个条件:增益介质、谐振腔和泵浦源。激光原理所有的内容其实都是围绕着这幅物理图象和这三个条件来展开的。以后的各个章节都是这幅图象大树上的某些细枝末节。
3 注重启发式教学
激光原理里面更多的都是理论推导, 如果只是讲授那些公式的推导会很难引起学生的兴趣。为此在每次上课的时候我们都会准备一些最基本的也是在实践中最常遇到的问题, 举例来说:为何同一尺寸的HE-NE激光管, 有的发绿光, 有的发黄光, 有的发橙光呢?这个问题看似非常简单, 而且基本上接触过激光器的同学都很容易理解这样的问题, 但也只有能轻松准确的回答这样的问题才可以说明对激光的基本原理有了比较熟练的掌握和理解。回答这一问题需要紧紧结合前面说过的物理图象和激光出光的三个基本条件谐振腔、增益介质和泵浦源来进行。显然对同一尺寸的HE-NE激光管, 后两个条件都是一样的, 区别就在于谐振腔, 而谐振腔的作用有模式选择, 提供轴向光波模的反馈等, 这里真正的区别就在于不同管子的谐振腔选择了不同的模式, 除了腔长选纵摸之外, 其本质区别在于这些不同激光管使用了具有不同反射特性的反射膜, 这个简单的问题其实已经牵涉到了出光的三个条件、反射膜等实践中常遇到的内容。
除此之外, 我们还在课堂上鼓励大家随时打断教员的讲授, 提出问题, 并互相辩论, 在不耽误课程进度的前提下大家常就关心的问题在课堂上展开热烈的讨论, 可以更好地达到大家共同都掌握授课内容的目的。
4 计算机多媒体辅助教学及实践性教学环节
激光原理是一门基础理论课程, 如果只是在课堂上讲授和推导, 学生很难有很深的印象, 除了采用上面提到的启发式方法外, 我们还注意了使用多媒体辅助教学手段以及实践性教学环节。
为了弥补传统课堂教学信息功能弱, 个别教学能力差等局限性。同时也为了提高教学效率。我们编写了教学多媒体课件, 将传统教学方式和现代教学媒体有机结合起来, 从而提高课堂效率和学生学习的热情。激光原理虽然是一门理论性很强的课程, 但是它有很多应用, 为此我们收集了很多激光器件的多媒体素材, 包括各种激光器的照片和视频等。又比如谐振腔的腔模理论这一章抽象的数学内容比较多, 我们专门编写了M A T L A B程序, 将计算结果图象化, 还通过制作动画来演示高斯光束的传播特征, 学生可以清晰地看到高斯光束在谐振腔内的传输情况。这样, 那些繁杂的数理推导便变成了形象直观的图画, 有助于学生进一步理解。
至于实践性教学环节, 主要是指对于这门理论性很强的课程, 在课程中间, 常安排部分演示性实验, 举例来说, 结合激光原理腔模理论部分的教学, 我们配有He-Ne激光器的谐振腔调整及其模式分析、M2激光模式测量等演示实验。实践性环节的另一个方面是鼓励学生自己动手亲自做一些推导, 如果只是老师在课堂上讲授和推导, 学生很难有很深的印象, 所以在授课的时候我们常鼓励学生自己动手做一些推导, 通过他们自己的切身实践自己动手亲自计算得到了结果并加深了印象。
5 结语
以上只是我们在激光原理教学中的一些初步探索和实践, 在具体教学过程中, 还存在很多问题, 这些问题涉及教学环境, 投资经费和教学保障等诸多方面, 而为了进一步提高教学质量, 我们感觉要解决的问题还很多, 前面的路还很长。
摘要：激光技术的迅猛发展, 对于未来科技人员的培养提出了更高的要求, 本文介绍了作者们在本科生基础课程教学中的几点体会, 主要包括教材的选取、启发式教学方法的应用、计算机辅助教学等内容。
关键词：激光原理,教学,启发式教学
参考文献
[1] 周炳琨, 等.激光原理[M].北京:国防工业出版社, 2004 (5) .
[2] A.E.Siegman:Lasers[M].UniversityScience Books, 1986.
[3] O.Svelto.Principles of Laser (4th ed.) [M].Plenum Press, 1998.