激光原理实验课程体系改革研究
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摘要：为了提升激光原理课程的教学质量，促进学生科学探索精神与创新能力的培养，对激光原理实验课程的教学模式和教学内容进行了改革，以课堂实验、视频实时连线、数值模拟仿真等三种方式实现了理论教学与实验教学的融合，并结合教学与科研加强了实验项目的自主性与研究性。该教学改革方案在本科教学过程中得到实践和完善，取得了很好的育人效果。
关键词：激光原理；实验教学；教学改革；教学实践
激光作为现代光电子及信息技术的基础与核心，在信息存储、光通信、光电显示、光电探测、激光医疗诊断及工业制造、军事等诸多领域均得到了广泛应用[1]。激光原理一直是光电子科学与技术、电子科学与技术、微电子科学与技术等本科专业的学科基础课程。根据工程教育专业认证的人才培养要求，通过本课程的学习，要求学生掌握激光产生机理、激光传输特性、光学谐振腔与激光模式相关理论、激光特性的调控方法，熟知典型激光器结构特征及其应用领域和技术[2]。本课程在内容设置方面侧重于激光产生、传输特性及谐振腔的基础理论，涉及大量公式推导和抽象物理概念，学习难度较大。此外，由于学生平时没有接触过激光器，因此很难将感性认识与理性认识统一结合[3]。以上因素导致学生缺乏对激光原理理论课程的学习兴趣，理论教学难以达成预期的目标。激光原理实验可以让学生将抽象的理论转化为实践，加深对知识的理解，提升综合运用理论知识解决实际问题的能力，从而促进教学质量的提高。因此，激光原理实验课程体系的研究在激光原理课程建设中具有非常重要的意义[4]。教学团队针对目前激光原理实验课程体系中存在的问题，结合应用型本科院校的育人目标，对激光原理实验课程体系进行了改革与实践，取得了明显的效果。
1激光原理实验课程教学中存在的问题
目前，在激光原理课程中理论教学与实验教学单独开设，且由不同教师负责：专业教师长期在科研一线，理论功底深厚，了解发展前沿，负责理论教学；专职实验教师对实验教学仪器操作熟悉，拥有娴熟的实验技能、技巧，负责实验教学。此教学安排充分考虑了不同教师的专业特点并使其能够在教学中发挥各自的特长。但是，在实际教学过程中由于受到课时、实验条件、教学环境等因素的限制，专业教师与实验教师之间缺乏有效的协作，理论教学与实验教学之间缺乏深度融合，导致了以下两个主要的问题[5]。
1.1理论教学与实验教学不同步
目前，国内一些高校开设的激光原理实验教学项目采用的实验系统都是高度集成化的精密光学仪器，这些仪器体积较大、调试困难，不易搬进课堂。因此，激光原理课程理论教学与实验教学并不能同步进行。另外，为了保证学生在做实验时已经具备相关的基础知识，实验教学通常是在理论教学结束之后集中进行。这种方式导致学生在学习理论知识的过程中，由于缺乏具体的研究对象和实际问题导向，而感到晦涩难懂、枯燥乏味，影响对理论知识的理解与掌握。理论基础薄弱进而导致学生缺乏探索实验设计本质的能力和积极性。学生做实验时往往只能根据实验报告手册或专职实验教师的演示进行重复操作，获得既定的实验数据，不能通过实践加深对所学理论知识的理解和创新，难以达成理论教学与实验教学相互促进的目标。
1.2实验教学模式落后
专职实验教师不在科研生产一线，不能准确把握激光技术研究的发展动态并将其及时融入实验教学。因此，激光原理实验项目往往侧重于对理论课程中讲授的公式或定理进行验证[6]，缺乏自主设计性和综合性，限制了学生的发散性思维，不利于培养学生的创新意识和实践能力。在教学安排上，实验教学要求所有学生在规定的课时内完成相同的实验操作并得出相同的实验结论，容易导致学生之间相互抄袭。在教学方法上，由于调节激光原理实验仪器需要一定的经验并且存在一定的安全隐患，因此，专职实验教师会向学生详细讲授实验仪器的原理、操作规范及调节技巧，并向学生演示完整的实验步骤；学生则机械地重复教师设计好的操作流程，虽然能够验证部分理论知识，但不能培养创新意识和实践能力。
2实验课程教学改革方案
激光原理理论教学的主要内容包括激光特性、激光谐振腔理论、激光振荡和增益理论、激光应用技术四个部分。实验课程教学改革根据每个理论知识模块对应实验的特点展开，帮助学生理解理论教学中的重要知识点或作为重要知识点的引出，同时将激光技术的前沿问题融入自主设计型实验中，激发学生的科研兴趣。
2.1理论教学与实验教学的融合
2.1.1简单实验课堂演示
部分实验的实验现象容易观察，并且所需器材比较简单、便于携带，因此，可以在课堂中直接进行实验，以辅助理论教学。例如，在《激光原理》教材第一章相干性、单色性、方向性、高亮度等激光特性知识点的教学过程中，教师借助激光翻页笔、LED灯、单缝、光栅等简单器材就可以进行实验，让学生直接观察实验现象。以激光和普通光的实验现象对比引出相关理论，使学生更容易理解。还有一些实验的方式灵活多变，可以活跃课堂气氛、提高学生的学习兴趣。例如，偏振调制隔离实验可以借助学生的手机屏幕和太阳眼镜完成，随着太阳眼镜的旋转手机屏幕出现明暗变化。类似的激光衍射、高斯光束整形等实验，均可采取上述方式让实验走进课堂。
2.1.2远程实验进课堂
远程实验进课堂即实验室与课堂实时连线，主要针对需要借助集成实验仪系统完成的实验或需要借助仪器观测实验现象的实验，如激光纵模间隔、横模模式、倍频等实验。以纵模间隔讲解为例，借助超星尔雅App的智慧课堂实现实验室和教室的实时连线，专业教师在利用公式讲解影响纵模间隔主要因素的同时，专职实验教师利用半外腔激光器实时进行实验演示。专职实验教师通过移动外腔镜、插入气体腔等方式改变激光腔的有效长度，让学生在示波器上通过视频直接观察激光纵模间隔的变化，帮助学生更深层次理解理论知识。
2.1.3数值模拟仿真演示
数值模拟仿真辅助教学主要针对需要观察动态实验现象、具有一定危险性或实验设备条件无法满足实验教学开展要求的实验项目。例如，激光稳定腔振荡模式实验，模式振荡属于一个动态过程，涉及光强和相位分布的不断变化；激光调Q实验，由于激光源的功率较高，操作不当会对学生的眼睛和裸露的皮肤造成伤害；激光横模模式分析实验，此实验需要激光模式分析仪，一般高校并不具备相关检测设备。对于此类实验，教学团队借助MATLAB的GUI工具开发了8个相关的仿真程序，师生在课堂上可以对关键参数进行调整，仿真实验结果通过动态图片直观展现。
2.2结合科研成果开发自主设计性实验项目
实验教学大纲中必修部分的自主设计性实验围绕理论课程的主要内容进行，并根据激光技术的实际应用穿插其他部分的知识点，从而帮助学生掌握整个激光原理课程的理论知识。自主设计性实验只提出实验目的，列出设备仪器清单，学生分组之后自主设计不同的实验方案。例如，激光单色性验证实验，学生可以利用光栅分析光谱，利用双缝进行干涉，利用带通滤光片分析透射光强等。在此过程中，有学生搭建了迈克尔逊干涉装置验证激光的相干长度，同样实现了既定实验目标。由此可见，学生通过自主设计性实验，充分激发了学习的积极性和主动性，极大促进了思考、分析、解决问题能力的培养。此外，结合学校科研平台的仪器设备和科研成果，教学团队在实验教学大纲中加入了科研性和创新性实验。这些实验不设实验目的和具体要求，科研平台负责人向学生介绍与激光技术相关的热点研究方向。学生自行选题，然后在科研平台负责人的指导下设计、完善实验方案，并完成实验平台的搭建和测量，时间期限为一学期。学生通过参与这些实验可以充分了解激光科学的前沿性应用，培养科学探索精神。
3实施成果
根据2018至2021年教学统计情况，改革方案实施后激光原理课程平均课堂出勤率为97.3%，期末不及格率为4.7%，学生的学习兴趣和学习成绩明显提高。部分优秀学习小组的自主设计性实验成果在《中国激光》《激光技术》《湖南理工学报》上得到刊发。此外，实验教学改革方案被立项并结题教育部高等教育司产学合作协同育人项目一项；学生利用自主设计性实验成果申请获批了国家级大学生创新创业训练计划项目一项、湖南省大学生创新创业训练计划项目两项，荣获湖南省“互联网+”大学生创新创业大赛三等奖一项。
4结语
针对目前激光原理课程理论教学与实验教学不同步、实验教学模式落后等问题，教学团队采取简单实验课堂演示、远程实验进课堂、数值模拟仿真演示及结合科研成果开发自主设计性实验项目的方式，实现了理论教学与实验教学的深度融合，提高了实验教学的自主性和创新性。该教学改革方案在我校本科教学中经过4年的实践与完善，取得了很好的育人效果，不仅促进了激光原理课程教学质量的提高，而且促进了学生的知识获取与应用能力、科学探索精神及创新能力培养。
参考文献
[1]赵婷,李玲,阎舜.新工科背景下创新型人才培养:以“激光原理与技术”课程为例[J].教育教学论坛,2020(8):3.
[2]胡姝玲.服务新工科建设的大学生创新教育的理论与实践:《激光原理与技术》课程教学中践行提高学生创新能力[J].教育现代化,2019(91):43-44.
[3]邢俊红,焦明星,刘芸,等.激光原理与技术精品资源共享课建设与实践[J].教育教学论坛,2020(4):186-188.
[4]徐强,田赫,崔金刚.物理专业光电类实验课程建设探索[J].黑龙江教育:综合版,2020(3):65-66.
[5]李琨,伍波.激光原理与技术课程虚拟仿真实验平台建设及教学实践[J].实验科学与技术,2020(4):149-154.
[6]梁文耀,刘基.基于Unity的激光全息法制作微结构的虚拟仿真实验开发[J].物理实验,2019(3):6.
作者：王文进 闵力 田芃 魏勇 何小娅 单位；湖南理工学院物理与电子科学学院信息光子学与空间光通信湖南省重点实验室