激光原理与技术理论及实验教学心得

扬州大学物理科学与技术学院 钱沁宇

从1960年第一束激光的诞生，到激光测量、加工、清洗等学科的出现，再到20世纪90年代激光医学的兴起与推广，激光如今已经成为高科技产业不可或缺的组成部分，也与现代社会的日常生活密不可分。激光原理相关课程早在20世纪70年代就在我国诸多重点高校开设，在改革开放后推广到一般院校。如今，国内大部分高校都已开设激光原理相关课程，它系统地介绍了激光产生、传输及调控的原理，同时又将理论知识与实际应用紧密结合。笔者从2018年起，在扬州大学物理科学与技术学院给光信息科学与技术专业的大三本科生讲授激光原理与技术课程。在教学过程中，笔者发现学生存在基础薄弱、理解不透彻、实验完成困难等问题。因此，笔者对这些问题进行了深入思考，总结了相关的教学心得，并在后续的教学当中进行了探索和尝试。

一、巩固复习，确保学生完全掌握前置知识是逐步深入教学的基础

激光原理与技术需要学生掌握诸多前置课程，如高等数学、大学物理、物理光学等。一般来说，在学生已完成前置课程的学习后，方可进行激光原理相关课程的学习。然而，由于学生在学习这些前置课程时掌握水平不一，并不是所有学生都能完全掌握前置课程的知识重点，而且由于相隔时间较久，学生对相关课程的知识点难免有所遗忘。如果在默认学生已掌握前置课程内容的前提下进行教学，必然会出现学生跟不上节奏、难以理解教学内容，进而丧失学习兴趣等问题，因此教师在讲授重点知识时，有必要带领学生回顾相关课程的基础知识。例如，在推导气体激光器中多普勒增宽的线型函数时，需要用到麦克斯韦速度分布律。麦克斯韦速度分布律是大学物理课程中气体动理论章节的内容，且并非是学习的重点，再加上时间间隔较久，学生难免有所遗忘。因此，教师在讲解多普勒增宽前，有必要简要回顾麦克斯韦速度分布律的相关内容，帮助学生回忆相关知识再进行课程教学，必然能事半功倍。再比如，激光器的输出特性这一章节全面地从理论上分析了激光器内外的光场分布以及高斯光束的传播特性，是后续学习内容的核心与基础。然而，这一章节的学习建立在学生完全掌握物理光学相关知识基础上，但是，实际上一些学生对物理光学相关内容可能掌握并不到位，因而难免影响对激光原理课程的学习。所以，在进行这一章节学习前，教师有必要将关键的知识预先讲授给学生，如“亥姆霍兹方程”“菲涅尔—基尔霍夫衍射公式”等，确保学生在掌握这些关键知识点的基础上进行课程的学习。

二、由点及面，帮助学生构建完整的物理图像是教学的核心

数学是一切物理学科的基础，因此，所有物理类课程的学习都离不开数学公式的推导，激光原理与技术也不例外。但是，物理类课程更应该注重的是在学生大脑中构建出物理图像，而不是仅仅将公式的推导过程传授给学生。因此，在进行公式推导、数学分析的时候，不能忽略其物理意义的讲解，要让学生在完成课程学习后形成对整个知识框架的认知，形成清晰的物理图像。所以在教学中，不能仅仅以让学生能够完成推导以及习题为目的，而更应该确保学生能够充分理解每个参数、每个公式背后的物理意义。有的时候，直接解释物理意义相对枯燥且深奥，此时可以类比的方式加深学生的印象，例如在讲解调Q技术的原理时，如果直接讲第一步是Q开关关闭的积累阶段，第二步是Q开关打开的脉冲形成阶段，学生可能会不知所云。此时，可以将反转粒子数类比成存款，将形成的脉冲类比成商品，就如同购买昂贵商品需要先存钱一样，如果想要获得峰值高的巨脉冲，必须先通过关闭开关积累反转粒子数。此外，还可以将书本上繁杂冗长的物理概念或性质用通俗易懂的词语进行总结归纳，帮助学生理解和记忆。例如，在染料调Q和染料锁模中用到的有机染料，可以直接归纳成“欺软怕硬”四个字，这样学生更容易理解和记忆其“光强越强吸收越弱、光强越弱吸收越强”的特性。

三、手脑并重，培养学生完整的光学实验技能是教学的重点

激光原理与技术是一门兼有理论学习与实验学习的课程。对于理工科的学生来说，实验能力是十分重要的，而且，通过实验课程的学习不仅可以帮助学生进一步加深对理论知识的理解，还可以培养学生光学类实验的基本技能。因此，如何充分发挥学生的主观能动性，激发学生的动手欲望，让学生在实验过程中得到充分的锻炼，是激光原理与技术实验教学的重点。学生在实验课程的学习中主要存在以下三方面的问题：一是缺乏最基本的实验常识，二是主观动手意愿不强，三是只会按照实验手册操作而不理解其背后的原理。

首先，由于当前中小学教育和考试均以理论知识为主，学生实验学习机会非常少，因此不可能具备相应的实验基础。在开展实验教学之前，教师必须先将实验中的一些基本常识传授给学生，如光学实验中，非操作时身体不得接触光学平台、须戴乳胶手套方可触碰光学元件、清洗镜片须使用酒精和气枪等。

其次，学生缺少动手意愿的问题，来自学生对实验课程的不重视。此外，很多实需要两人合作完成，因此往往将学生两两分组，以小组形式完成实验，小组中不积极的学生就会产生偷懒的想法。对于这一问题，要向学生强调实验课程的重要性，实验能力往往比理论知识更加重要，这是因为理论知识的遗忘或缺漏可以通过查找资料和自学的方式进行弥补，但实验技能在没有辅导、没有实验器材的情况下几乎不可能获取。此外，还要通过一些演示来激发学生的兴趣。例如在“半导体激光端面泵浦绿光激光器原理”教学中，教师应首先进行示范实验，并向学生展示如何通过合理的光路搭建，将一束肉眼不可见的红外激光转换成明亮的绿色激光，从而引起学生的兴趣。

最后，很多学生在实验过程中成了“操作工”，按照手册完成实验、记录数据，却连自己做的是什么都不明白，这严重违背了开设实验课程的本意。开设实验课程是为了培养学生的实验技能和加深学生对理论知识的理解，因此，理论与实验课程的学习一定不能割裂开。所以，必须在实验开始前让学生完成实验预习报告，并通过计分的方式提高学生的重视程度。在实验过程中，教师在演示时不能只讲如何操作，而是要每步操作的意义都讲授给学生，让学生在理解的基础上完成实验。对学生的实验报告不能仅仅考查学生数据的记录与处理，而是要留下问题，让学生思考每一个数据背后的物理意义是什么。通过这种方式建立起理论与实验课程的联系，才能真正让学生做到融会贯通。

以上是笔者在激光原理与技术课程教学中总结的关于提高教学质量的心得与思考，实践证明，可以让学生更好地掌握课程的相关知识和技能。尽管如此，教学中仍有可以改进的空间，比如如何更好地加强师生之间的互动、如何更好地提高学生的自学能力等，这些还需要进一步研究以及和其他专家学者共同讨论。