“启迪、实践、思考、升华”的研究生光纤实验模式

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  光纤光学作为一门富有魅力的新兴学科,在科研和生活中扮演着越来越重要的角色。研究生光纤光学实验,既不同于一般的本科实验,以传统知识的验证为主;又不同于课题研究,以创新性为主。而是介于两者之间,既有验证又有创新。因此实验课的模式也应有所不同,精心设计,以适应光纤光学的特点。经过我们两年来的教学实践,总结出“启迪、实践、思考、升华”的研究生光纤实验模式,下面详述。
  一、启迪
  所谓“启迪”,就是通过实验前的讲授激发学生对光纤光学的興趣,感受光纤光学勃勃的生命力,了解光纤实验的基本设计和操作步骤,让学生一边听一边想“为什么做、做什么和怎样做”(whywhathow),为后面的实验实践提供启迪,促进思考。这种精心设计和认真准备的讲授十分重要:首先,光纤光学是一门新兴的学科,它的背景和意义需要通过生动的历史和实例被有意识的介绍一下,给学生眼前一亮的感觉,吊起胃口,充满兴致,这样无形中便增加了实验的分量,也使学生的思维活跃起来;其次,按照“概念——实验内容——具体操作”这样一条线将课程简洁清晰的讲授一下,可以让学生用较短的时间对整个实验有提纲挈领的认识,指导后面的实验实践,避免学生将大部分时间消耗在繁杂讲义的阅读上,因为研究生培养的主要目的还是拓展知识和培养创新思维;再次,通过互动性的讲授,可以与学生充分的交流,让学生参与进来多出想法,又可以了解学生的知识情况和兴趣需求。总之,研究生实验课前讲授可以达到“启迪”的效果,十分必要。若有做好,就需要教员认真细致的准备,“台上一分钟,台下十年功”,从课件到讲授力争精益求精,用简短的时间将上述的最关键的内容讲授出来,且实现有效的互动。我们采用的是Newport公司生产的光纤光学实验套件,包括光纤准备与性能测试、单模光纤和光纤通信三个模块,每个模块下又分10个小实验,设备先进,内容丰富,说明书有400多页,因此教师的凝练、备课和讲授尤为重要,使学生对实验有个简洁清晰的图像。
  二、实践
  所谓“实践”就是让学生动手实验,这是最重要的一个环节。研究生已经通过本科实验的很多训练具有了一定的动手能力,研究生的实验更应该培养学生独立实验的能力,而不是“手把手教学”。独立性尤其重要,这意味着学生失去了对老师的依赖,每一步都要由自己来考虑怎样做,并切实有效的做出来,遇到问题由自己解决。有了课前的讲授和准确翔实的讲义,理论上学生可以完成实验,至少应该从头到尾独立的将实验大概的做下来。经过这样独立完整的训练,学生才会对实验内容和操作有更深刻的体会。光纤实验尤其如此,从光纤准备到耦合到测量,一环套一环,每一步都是后面的基础,例如若光源与光纤的耦合没调节好,出光效率不够或者根本就不出光,后面的性能测试和传感实验都无从下手。因此要要让学生独立体验完整的过程,不论是历经挫折还是一帆风顺,都可以有最真实的体会,并学会独立思考和解决问题的方法,因为以后的课题研究或者工作都是这样一个过程,有了扎实的训练,以后当你独立面对一项任务的时候才会胸有成竹。如果实验过程中老师不断的提示甚至亲手“指导”,学生只能“走马观花”,看似懂了未必真懂,哪怕懂了未必能做出来;即便“顺顺利利的做完,高高兴兴的离去”,未必有真实的收获和独立实验能力的提升。
  三、思考
  所谓“思考”就是让学生在实验后再认真体会“为什么做、做什么和怎样做”以及“结果如何,为什么,怎样改进”等问题。前面讲授过程中,学生只是对“为什么做、做什么和怎样做”有个初步的认识,不论老师讲解的多好,未亲自实验时学生的理解总是有限的。实验后让学生再思考,体会更深刻,而且会出现自己独到的见解,因此这时引导学生再思考是有意义的。另一方面,学生刚做完实验体会了“酸甜苦辣”和“成败得失”,这时候趁热打铁的与学生讨论“结果如何,为什么,怎样改进”等问题,学生兴致高思维活跃,学生和老师的观点可以碰撞或融合,老师讨论效果比较好:学生在回味和讨论中更清楚了如何独立地将实验做的更好,老师将实验技巧、方法和思想传递给学生,同时也从学生的观点中受益,以便更好的设计实验课程,所谓“教学相长”。这在我们授课过程中体会非常深刻:很多学生从未接触过光纤,第一次做光纤实验,带着新奇与陌生小心翼翼的开始实验,在调节单模光纤与光源的耦合时,从输出功率为0开始,经过“衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴”的努力调试,调到nW, ,最后终于到了mW,面对劳动成果回头再思考时,颇有“众里寻他千百度,蓦然回首,那人却在灯火阑珊处”的感觉,原来是这样的规律应该这样来调节等等,会有很多收获。因此,我们认为每个实验结束时简短的讨论,让学生充分思考十分重要,能起到事半功倍的效果。
  四、升华
  所谓“升华”就是让学生在启迪、实践、思考的基础上再进一步提升,包括用最优的方法高效完成实验或者出想法设计新实验。光纤实验的设计是不断深入与递进式的,“光纤准备与性能测试”实验是基础,其中的光纤准备、耦合、接续等在后面的“单模光纤传感”和“光纤通信”实验中都会用到。即便是在“光纤准备与性能测试”这同一个实验模块里包含的几个小实验:光纤衰减(涉及HeNe激光器与多模光纤的耦合)、单模光纤(涉及HeNe激光器与单模光纤的耦合)、光纤与半导体光源的耦合等,也存在内在关联和递进关系。因此当完成一个实验,经过讨论和思考后,恰好可以在此基础上再做下一个实验,进行“升华”,从而进一步加深体会和验证想法。
  总之,实验课教学是一门艺术,针对光纤光学这样一门充满活力的学科和研究生这一特殊群体,需要精心设计课程模式,让学科特点体现出来,让学生实验收获最大。基于以上考虑和几年来课程实践的经验,我们设计了“启迪、实践、思考、升华”的研究生光纤实验模式,使学生在启迪时产生兴趣和实验图像,在实践时独立实验充分锻炼,在思考时充分交流领悟实验,在升华时加深体会和验证想法。
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