研究性教學在激光原理課程的應用

于銀山 張紅云

摘要：為提高激光原理課程的教學效果，通過闡述研究性教學在激光原理課程中的應用手段，探討了從激光原理理論到激光實際應用中如何提高學生的主觀能動性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。研究性教學能夠提高學生學習激光原理的興趣性、積極性和主動性，增強學生的個體獨立性和團隊合作意識。

關鍵詞：激光原理；研究性教學；應用手段

中圖分類號：TN241 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）27-0199-02

一、引言

研究性教學是指在教師的主導下，將課程的內(nèi)容轉(zhuǎn)變成生活、生產(chǎn)或科學中的實際問題，以學生為中心，在教師的幫助下，根據(jù)科研模式分析和解決這些問題，最終達到學生獲取知識，且更提高能力的一種教學過程[1]。

20世紀60年代，激光技術已發(fā)展成為一門新的學科。激光的出現(xiàn)改變了現(xiàn)代光學技術的研究進展。激光正在迅速擴展到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、通信、國防和科學研究等應用領域。激光原理課程側(cè)重于激光的基本原理和理論，內(nèi)容包括激光器的光腔理論、速率方程理論和半經(jīng)典理論，并簡要介紹了典型的激光器、激光放大器以及幾種改善和控制激光器特性的技術[2]。

激光原理課程內(nèi)容龐雜，不易理解，特別是在教學活動中對于光學諧振腔理論和速率方程等在實際激光器中的應用重視不夠，但其是激光器應用的基礎。為了提高教學效果，有必要將激光原理課程中的研究性教學方法用于實踐教學內(nèi)容。

二、激光原理研究性教學的實踐

1.科研啟發(fā)式教學。將教師科研過程中關于激光的內(nèi)容直接引入教學環(huán)節(jié)，使學生認識到激光在科研中的應用，引起學生共鳴。例如，教師科研中利用設計的半物理驗證系統(tǒng)中的激光測距傳感器測量多種不同濃度的溶液相應的RFID標簽識讀距離，根據(jù)所測量到的接收的信號強度指示和求得的濃度相關系數(shù)得到溶液濃度與相關系數(shù)之間的關系，為溶液濃度的實時測量提供一種新方法[3]。對科研的關注使教師能夠及時將最前沿的學術成果不斷充實到自己的課堂中，彌補了原有課程知識與最新研究之間的“斷層”，這將極大地吸引學生的學習興趣。

2.科學直觀式教學。將有關激光的圖片、動畫引入教學過程，使教學生動化、直觀化、形象化，有利于學生理解相關的原理，便于記憶。例如，將雷尼紹XL-80激光干涉儀的工作原理圖片及視頻引入教學，具體介紹激光干涉儀的內(nèi)部結構、工作原理、使用場合及注意要求。XL-80激光干涉儀采用先進的軟件解決方案，性能卓越，可顯著提高業(yè)務效率。激光頻率穩(wěn)定精度由熱控制技術控制，以控制激光管長度變化在幾納米之內(nèi)，精度在3年內(nèi)保持在±0.05 ppm[4]。線性測量精度在整個環(huán)境范圍內(nèi)，從0℃到40℃，從650 mbar到1150 mbar，精度為±0.5 ppm。數(shù)據(jù)讀取頻率最高可達50 kHz，最大線性測量速度可達4 m/s，即使在最高速度下線性分辨率也可達1nm。激光頭正面的一排LED狀態(tài)指示燈顯示激光狀態(tài)和信號強度，相當于將屏幕軟件上的“狀態(tài)顯示”擴展到激光頭。可以在標準（40 m）和長（80 m）距離模式之間切換。學生通過觀察和學習精密和精美的儀器構造，感受實際使用場合和測試結果能更深地記憶其關鍵知識點。

3.影視激勵式教學。將影視作品中關于激光的內(nèi)容引入教學過程，提高學生學習激光的興趣，可以激活教學氛圍，優(yōu)化教學過程，提高教學效果。例如，《鋼鐵俠》中Tony Stark利用高功率激光武器直接旋轉(zhuǎn)斬殺眾多機器人，戰(zhàn)爭機器Rhodes上校對鋼盔更加了解。Mark裝甲賦予了斯塔克超人的動力和飛行能力，其能量來自多種來源，包括太陽能、電池和吸收β粒子的內(nèi)置發(fā)生器。Mark盔甲還可以吸收周圍的能量，如熱量和動能，并將其轉(zhuǎn)化為電能，甚至直接吸收電能為電池充電。自Mark VI之后的所有戰(zhàn)甲都配有激光武器，可以用來短時間切割任何東西，Mark VII更是升級為可連續(xù)使用的手臂三筒激光武器。雖然影視作品只有幾十秒，但足以激發(fā)同學們在教學活動中的興趣性。

4.工程引導式教學。將實際工程問題引入教學過程，增強學生對激光在實際工程中應用的認識。例如，澳大利亞Maptek I-site8820長距離3D激光掃描儀用于潮灘井下、海岸線、采空區(qū)等實際環(huán)境測量的截面圖、動態(tài)圖及使用過程引入激光機密測量課程中。Maptek I-site8820三維激光掃描儀內(nèi)置同步7000萬像素攝像頭，掃描距離2公里，可快速獲取有關被測物體的三維信息[5]。Maptek I-site8820激光掃描儀還可以通過14倍望遠鏡鏡頭觀看，并由手持控制器操作，大大提高了現(xiàn)場工作的效率，降低了勞動強度。Maptek I-site8820三維激光掃描儀可用于獲取大規(guī)模人員無法順利到達區(qū)域地形數(shù)據(jù)，該過程包括掃描現(xiàn)場調(diào)查、掃描計劃開發(fā)和獲取掃描數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)收集完成后，將收集的點云數(shù)據(jù)導入I-Site studio軟件，對最初收集的點云數(shù)據(jù)進行后處理。學生學習使用在實際使用環(huán)境中3D激光掃描技術獲得的空間點云數(shù)據(jù)，并建立復雜的結構、不規(guī)則場景的三維可視化模型對激光精度測量有了進一步的了解。

5.自主實踐式教學。讓學生自由分組，自由選擇課題，并在課上利用介紹激光在實際生活和軍工等領域中的應用，演講完后其余同學對其提出問題，最后教師進行知識點解析和總結性發(fā)言。例如，其中一組學生介紹激光在近視治療中的應用，治療近視是利用燒蝕對角膜表面進行精密切割，控制折光率的過程，近視本身一般不認為是疾病，但用眼鏡或隱形眼鏡矯正不了的重度近視，可通過這種角膜手術來解決。同學們利用生動的眼部結構解析手術過程，教師總結激光在眼科中的應用是利用激光對眼睛的透射率大、高功率及強度分布均勻等特點[6]。通過自我實踐教學，培養(yǎng)學生的自我意識，發(fā)揮學生的積極作用，培養(yǎng)學生在教學活動中的學習意識、創(chuàng)造力、獨立性和團隊意識。

三、結論

激光原理是光電以及相關專業(yè)的一門核心必修課，在教學過程中采用研究性教學是非常必要的。研究性教學在激光原理課程中的應用使教師能夠通過指導學生從自然、社會和生活中選擇和確定與激光相關的主題來進行研究，使學生在積極探索、積極思考和積極實踐的過程中吸收知識，運用知識，解決問題，從而提高各方面的素質(zhì)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。

參考文獻：

[1]符升平，胡潔，孫貴斌.研究性教學在車輛“卓越計劃”中的探索與實踐[J].教育教學論壇，2017，（47）：144-147.

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[3]Yu YS，Yu XL，Zhao ZM，Liu JL，Wang DH.Online measurement of alcohol concentration based on radio frequency identification[J].Journal of Testing and Evaluation，2016，44（6）：2077-2084.

[4]雷尼紹.雷尼紹XL-80全新輕巧型激光干涉儀測量系統(tǒng)[J].工具技術，2007，41（10）：115-115.

[5]李澤邦，夏永華，柏宏強.MAPTEK I-Site 8200ER三維激光掃描儀測角精度研究[J].浙江農(nóng)業(yè)科學，2017，58（8）：1462-1464.

[6]戚祖敏.激光眼科技術的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].應用激光，2008，28（5）：437-440.