创新实践型《激光原理与技术》课程建设与探索*

邸志刚 贾春荣 程朋飞

（华北理工大学 电气工程学院 河北唐山 063210）

引言

2017年教育部启动了“新工科”建设的工作[1]，“复旦共识[2]”“天大行动[3]”和“北京指南[4]”也接踵而来。这些工作均明确了高校专业教育要面向未来布局新工科建设，改革创新培养模式，培养创新实践能力强的工程科技人才[5]。

激光被称为二十世纪的四大发明之一，距离 1960年世界第一台激光器成功演示已经接近六十年，目前已遍及科技、经济、军事和社会发展的诸多应用领域。激光的发展和应用远远超出了人们原有的认知，将其与互联网、创新创业教育相结合是加强学生创新意识和创新能力培养的有效手段。因此，《激光原理与技术》课程是光学、光电子学和信息光学等专业的重要基础课程。新工科条件下教学活动本身对学生的创造、实践、生存能力等各方面提出了较课堂教学更高要求。科技创新是核心生产力，抓住了科技创新就抓住了牵动我国发展全局的“牛鼻子”。面对此情况，如何在《激光原理与技术》课程教学中贯彻“工业 4.0”，提高学生创新意识和能力成为一个亟待解决的难题。这也是《激光原理与技术》课程教学改革与实践的动力！

一、激光原理与技术课程简介

1.国外研究现状

国外《激光原理与技术》课程教学主要有Lasers、Laser Fundamentals和Principles of Lasers等，课程内容全面，理论完善，起点低、跨度大，不孤立的讲授激光原理，而是与激光技术结合讲授，从而可以让学生感到实用性和趣味性。但是他们的教学内容往往很多，篇幅较长，所以也出现了一些问题，比如知识点更新慢、起点相对偏低等。

2.国内研究现状

国内《激光原理与技术》课程在众多高校的光学类、光电类及信息类专业都有开设，如清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学、燕山大学、河北工业大学等等。但侧重点也不一样，比如清华大学侧重激光原理的讲授，理论性很强，公式推导繁杂；天津大学和哈尔滨工业大学侧重于激光原理与器件内容的讲解，而器件的研究对于一般院校而言难度很大的。我校的《激光原理与技术》课程侧重于激光原理和激光技术两部分内容，原理的讲授抛弃复杂的公式推导，关键让学生理解激光的基本原理及产生过程即可，而激光技术部分则更加强调激光的实用性，从而能够更加激发学生的学习兴趣。

二、项目研究内容

1.对促进教学工作，提高教学质量的作用和意义

在新工科背景下，依托校级特色课程和优质课堂《激光原理与技术》，课题组进行了更新教学理念、优化实践平台，以提升学生的创新实践能力为最终目标的课程教学改革，开展教学模式、教学方法、教学内容等的探索。该项目的开展与实践，具有重要的作用和意义，具体如下：

（1）丰富教学内容、促进教学改革

在多年的课程教学中，课题组教师发现单纯课本内容无法满足新工科对人才培养的需求。为此，本项目针对光电子激光行业背景和相关企业的实际需求需求，通过产教融合、校企合作、科研反哺教学、以赛促教等方式丰富教学内容。通过有机融入“立德树人”“OBE”“竞赛引领、突出实践”等理念，灵活运用颗粒化、类比化、翻转课堂等多种教学方式，促进教学改革。

（2）学科竞赛引领、提升创新素质

依托华北理工大学光电创新设计工作室，课题组成员鼓励学生积极参加全国、华北及校级大学生光电设计竞赛，以激发学生的学习兴趣和参与积极性，激发学生的内在学习动力，并将学科竞赛相关内容引入课堂，从而既能引领教学，又能强化对学生的创新实践素质培养。

（3）优化实践平台、提高实践能力

通过产教融合、校企合作方式，依托华北理工大学电气工程学院的激光原理与技术实验室，与相关企业如武汉天之逸科技有限公司、北京大恒科技有限公司等共同开发虚拟仿真实验平台，并且引入激光技术行业的应用案例。通过优化实践教学平台，可以提高学生的实践动手能力，以适应当代信息社会对研究应用型高级人才的需求。

（4）多措并举，促进学风建设

通过以上方式，并结合各项措施取得的成果在教学过程中进行成果辐射，从而扩大课程教学方法的受益面，使全国大学生光电设计竞赛、大学生电子设计竞赛等相关学科竞赛、创新实践项目数量和质量再上一层楼，逐渐在华北理工大学形成良好的学习、创新、实践的良好氛围，从而促进学风建设。

2.项目研究目标

项目组成员在新工科背景下，通过产教融合、校企合作、科教相融、竞赛引领等方式制定了创新实践型《激光原理与技术》课程的建设方案。而且在相关企业的支持下建设虚拟实践平台，从而优化《激光原理与技术》课程的硬件实践教学环境，从而弥补疫情影响下硬件实验室的不足而无法培养学生的实践能力，最终提升电子科学与技术专业学生的创新实践能力和素质。

3.课程建设目标

针对创新实践型《激光原理与技术》课程的研究目标，结合学校“培养高素质应用型人才”和专业“重基础、强实践、突出光电子应用”的培养目标，将上述教学举措具体贯彻到课程教学之中，制定以下课程目标：

（1）知识目标

掌握调Q、选模、稳频等重要的激光技术，理解激光器谐振腔、谱线加宽、激光振荡等基本理论，学会激光器的设计方法，了解激光器在国防、医疗、工程领域的应用前沿，为激光技术的实际应用打下扎实基础。

（2）能力目标

通过该课程的学习，学生能优化、设计典型的激光器；能通过相应的调Q、选模、稳频等技术控制、改善激光器性能；能对典型激光器结构及应用进行创新；能采用科学方法发现、分析及解决激光领域的工程问题。

（3）素质目标

以学生发展为中心，培养学以致用、报效祖国、服务社会意识；具备较强的工程素质，适应社会对应用型人才的需求；依托全国大学生光电设计竞赛，以赛促教，提升创新实践素质。

4.项目研究内容

（1）更新教学理念

为了提高教学质量，提升学生创新实践素质和能力，首要内容是更新教学理念。首先要突出学生的主体地位，学生是主角，教师是导演；其次，基于立德树人、OBE理念，提升学生的综合素质和能力；再次，依托全国大学生光电设计竞赛，树立“竞赛引领、突出创新实践、以赛促教提升质量”思想，激发学生的学习兴趣，开启学生的内在潜力和学习动力，培养创新实践素质和能力。

（2）转变教学方式

颗粒化教学，引导化零为整。将整个课程分解为8 个教学模块，设计具有层次化的模块化教学方法实施路线，由课前预习、理论与实践教学和课后复习组成。

类比化教学，揭示物理本质。将陌生的现象与熟悉的、相似的现象进行比较，从而揭示出该现象背后的物理本质。如将“均匀加宽”和“非均匀加宽”“电子”和“光子”从特点、机理等方面进行类比。

翻转课堂教学，活跃课堂气氛，即角色互换。首先，教师换位思考，引导学生主动学习，以达到“我愿意跟他学”的目的。其次，应对学生的各种复杂心理进行针对性备课，因“理”施教。

利用网络资源，拓展教学方式。充分利用网上教学平台、通过微视频、QQ、微信等强化互动、针对性指导。

（3）拓展教学视野。

知识的不断创新和发展，决定了教学和科研、教学与产业密不可分。项目通过产教融合、校企合作引入行业背景和企业需求，通过科研反哺教学引入科技前沿和发展动态，从而拓展教学视野。

（4）建设虚拟实践平台。

为了拓展实践培养手段，克服传统实验室时间场所固定等缺陷，项目与大恒光电、武汉天之逸等著名光电企业合作开发虚拟实践平台，优化学生实践能力培养环境。

5.项目特色、创新及推广应用价值

（1）特色

①校企合作、优势互补，精诚合作建课程。

在新工科背景下，作为光电子技术代表，激光器广泛用于国防、医疗、工业加工、检测等领域。为保证课程与时俱进，结合行业背景和企业需求，发挥各自优势，共同建设创新实践型课程《激光原理与技术》。

②竞赛引领、以赛促教，激发动力勇创新。

以全国大学生光电设计竞赛为引领，强化创新实践能力培养，激发学习兴趣和参与积极性，促进课程教学。

③产教融合、教研相长，与时俱进强实践。

首先，与光电龙头企业北京大恒、武汉天之逸公司加强合作，立足产业需求，产教深度融合，完善课程内容，优化实践培养平台。其次，将团队成员激光方向的研究课题引入课堂教学，科研引领教学，教学服务科研。双措并举，以求课程内容与时俱进。

④权威教材、特色案例，双管齐下提素质。

使用权威教材，课程采用周炳琨编著的《激光原理》和蓝信钜编著的《激光技术》作为教材，且积极融入课程思政，建设钱学森同志学以报国、献身国防，激光应用等特色案例，既培养学生“立足行业、报效祖国、服务社会”意识，又提升创新实践素质和能力。

（2）推广应用价值

本项目旨在提高学生的创新实践能力，通过更新教学理念、综合运用多种教学方法、建立科学合理评价体系、校企合作共建创新实践型《激光原理与技术》课程、优化实践教学平台等渠道，可从多方面有效地促进学风建设、教学改革和高校人才培养。通过学科竞赛引领、引入行业背景和企业需求激发学生学习兴趣和调动积极主动性，促进自主学习，从而探索出一条创新实践能力突出的人才培养途径。

三、教学实践

1.发挥名人效应，激发民族意识

在教学过程中，引入激光领域的著名科学家典型事迹，比如钱学森同志英雄事迹展，LASER（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ）-激光器的翻译，这是钱学森同志最终确定下来的。结合光纤的研制成功，使得光电子技术如虎添翼。诸此等等事迹，惟妙惟肖的在课堂上传授给学生，充分发挥了名人效应，既能够激发学生的民族意识、爱国精神，又能够激起学生们的学习兴趣和内动力，从而进一步提高教学质量。

2.引入激光应用，鼓励应用创新

自从激光器产业化以来，在当今社会的各行各业得到了大力推广应用。之所以激光应用广泛，完全得益于激光自身强大的特性，包括单色性、方向性、相干性和高亮度，而这些特性的根本原因在于激光器的工作原理及结构特点。给学生精讲激光原理及结构特点，使得学生在理解并掌握基础理论掌握激光技术的基础上，对激光的应用进行拓展，并且以激光应用为着手点，鼓励学生对激光技术创新、激光应用创新，以达到鼓励学生应用创新的目的。

四、改革成效

1.课程授课教学理念先进、方法多样、重在引导，因材施教，能体现出“高阶性”和“创新性”。教学设计科学合理、规划得当，突出学生中心地位，重在培养学生的科学思维、创新思维和实践能力，能够开启学生的潜力和动力。

2.作为新工科、智能制造和大学生光电设计竞赛的重要支撑，学生学习兴趣浓厚，参加大学生光电设计竞赛人数、覆盖面与获奖水平有大幅增加，就业率明显提升。

3.通过改革教学方法，激发学习积极主动性，课堂气氛活跃，使学生的知识系统化。

4.拓展教学视野，使授课内容与时俱进，教学与科研和行业发展融为一体，培养学生自主学习和科研思维效果显著。