研究性教学在激光原理课程的应用
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摘要：为提高激光原理课程的教学效果，通过阐述研究性教学在激光原理课程中的应用手段，探讨了从激光原理理论到激光实际应用中如何提高学生的主观能动性，培养学生的创新能力。研究性教学能够提高学生学习激光原理的兴趣性、积极性和主动性，增强学生的个体独立性和团队合作意识。
关键词：激光原理；研究性教学；应用手段
中图分类号：TN241 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）27-0199-02
一、引言
研究性教學是指在教师的主导下，将课程的内容转变成生活、生产或科学中的实际问题，以学生为中心，在教师的帮助下，根据科研模式分析和解决这些问题，最终达到学生获取知识，且更提高能力的一种教学过程[1]。
20世纪60年代，激光技术已发展成为一门新的学科。激光的出现改变了现代光学技术的研究进展。激光正在迅速扩展到工业、农业、医药、通信、国防和科学研究等应用领域。激光原理课程侧重于激光的基本原理和理论，内容包括激光器的光腔理论、速率方程理论和半经典理论，并简要介绍了典型的激光器、激光放大器以及几种改善和控制激光器特性的技术[2]。
激光原理课程内容庞杂，不易理解，特别是在教学活动中对于光学谐振腔理论和速率方程等在实际激光器中的应用重视不够，但其是激光器应用的基础。为了提高教学效果，有必要将激光原理课程中的研究性教学方法用于实践教学内容。
二、激光原理研究性教学的实践
1.科研启发式教学。将教师科研过程中关于激光的内容直接引入教学环节，使学生认识到激光在科研中的应用，引起学生共鸣。例如，教师科研中利用设计的半物理验证系统中的激光测距传感器测量多种不同浓度的溶液相应的RFID标签识读距离，根据所测量到的接收的信号强度指示和求得的浓度相关系数得到溶液浓度与相关系数之间的关系，为溶液浓度的实时测量提供一种新方法[3]。对科研的关注使教师能够及时将最前沿的学术成果不断充实到自己的课堂中，弥补了原有课程知识与最新研究之间的“断层”，这将极大地吸引学生的学习兴趣。
2.科学直观式教学。将有关激光的图片、动画引入教学过程，使教学生动化、直观化、形象化，有利于学生理解相关的原理，便于记忆。例如，将雷尼绍XL-80激光干涉仪的工作原理图片及视频引入教学，具体介绍激光干涉仪的内部结构、工作原理、使用场合及注意要求。XL-80激光干涉仪采用先进的软件解决方案，性能卓越，可显著提高业务效率。激光频率稳定精度由热控制技术控制，以控制激光管长度变化在几纳米之内，精度在3年内保持在±0.05 ppm[4]。线性测量精度在整个环境范围内，从0℃到40℃，从650 mbar到1150 mbar，精度为±0.5 ppm。数据读取频率最高可达50 kHz，最大线性测量速度可达4 m/s，即使在最高速度下线性分辨率也可达1nm。激光头正面的一排LED状态指示灯显示激光状态和信号强度，相当于将屏幕软件上的“状态显示”扩展到激光头。可以在标准（40 m）和长（80 m）距离模式之间切换。学生通过观察和学习精密和精美的仪器构造，感受实际使用场合和测试结果能更深地记忆其关键知识点。
3.影视激励式教学。将影视作品中关于激光的内容引入教学过程，提高学生学习激光的兴趣，可以激活教学氛围，优化教学过程，提高教学效果。例如，《钢铁侠》中Tony Stark利用高功率激光武器直接旋转斩杀众多机器人，战争机器Rhodes上校对钢盔更加了解。Mark装甲赋予了斯塔克超人的动力和飞行能力，其能量来自多种来源，包括太阳能、电池和吸收β粒子的内置发生器。Mark盔甲还可以吸收周围的能量，如热量和动能，并将其转化为电能，甚至直接吸收电能为电池充电。自Mark VI之后的所有战甲都配有激光武器，可以用来短时间切割任何东西，Mark VII更是升级为可连续使用的手臂三筒激光武器。虽然影视作品只有几十秒，但足以激发同学们在教学活动中的兴趣性。
4.工程引导式教学。将实际工程问题引入教学过程，增强学生对激光在实际工程中应用的认识。例如，澳大利亚Maptek I-site8820长距离3D激光扫描仪用于潮滩井下、海岸线、采空区等实际环境测量的截面图、动态图及使用过程引入激光机密测量课程中。Maptek I-site8820三维激光扫描仪内置同步7000万像素摄像头，扫描距离2公里，可快速获取有关被测物体的三维信息[5]。Maptek I-site8820激光扫描仪还可以通过14倍望远镜镜头观看，并由手持控制器操作，大大提高了现场工作的效率，降低了劳动强度。Maptek I-site8820三维激光扫描仪可用于获取大规模人员无法顺利到达区域地形数据，该过程包括扫描现场调查、扫描计划开发和获取扫描数据。数据收集完成后，将收集的点云数据导入I-Site studio软件，对最初收集的点云数据进行后处理。学生学习使用在实际使用环境中3D激光扫描技术获得的空间点云数据，并建立复杂的结构、不规则场景的三维可视化模型对激光精度测量有了进一步的了解。
5.自主实践式教学。让学生自由分组，自由选择课题，并在课上利用介绍激光在实际生活和军工等领域中的应用，演讲完后其余同学对其提出问题，最后教师进行知识点解析和总结性发言。例如，其中一组学生介绍激光在近视治疗中的应用，治疗近视是利用烧蚀对角膜表面进行精密切割，控制折光率的过程，近视本身一般不认为是疾病，但用眼镜或隐形眼镜矫正不了的重度近视，可通过这种角膜手术来解决。同学们利用生动的眼部结构解析手术过程，教师总结激光在眼科中的应用是利用激光对眼睛的透射率大、高功率及强度分布均匀等特点[6]。通过自我实践教学，培养学生的自我意识，发挥学生的积极作用，培养学生在教学活动中的学习意识、创造力、独立性和团队意识。
三、结论
激光原理是光电以及相关专业的一门核心必修课，在教学过程中采用研究性教学是非常必要的。研究性教学在激光原理课程中的应用使教师能够通过指导学生从自然、社会和生活中选择和确定与激光相关的主题来进行研究，使学生在积极探索、积极思考和积极实践的过程中吸收知识，运用知识，解决问题，从而提高各方面的素质，培养创新能力和创新精神。
参考文献：
[1]符升平，胡洁，孙贵斌.研究性教学在车辆“卓越计划”中的探索与实践[J].教育教学论坛，2017，（47）：144-147.
[2]陈家璧，彭润玲.激光原理及应用[M].第3版.北京：电子工业出版社，2013.
[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]雷尼绍.雷尼绍XL-80全新轻巧型激光干涉仪测量系统[J].工具技术，2007，41（10）：115-115.
[5]李泽邦，夏永华，柏宏强.MAPTEK I-Site 8200ER三维激光扫描仪测角精度研究[J].浙江农业科学，2017，58（8）：1462-1464.
[6]戚祖敏.激光眼科技术的应用现状及发展趋势[J].应用激光，2008，28（5）：437-440.
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