摘要：将马克思主义哲学认识论观点应用到理工科专业课的教学中，提出了现象-理论-模拟-新现象“四维一体”的教学模式。详细介绍了现象-理论-模拟-新现象“四维一体”的教学模式及实施方法。通过具体实例阐述该模式在激光原理与技术课程中的应用。教学实践表明该教学模式能有效地培养学生的创新能力。
关键词：PTSNP教学模式；CDIO；教学改革
作者简介：陈海燕（1965-），男，湖北荆州人，长江大学物理科学与技术学院，教授。（湖北 荆州 434023）
基金项目：本文系湖北省高等学校省级教学研究项目（项目编号：2012258）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）04-0045-02
为了适应新形势和人才市场对大学生的要求，高等教育改革是一个永久话题，其中教学方法改革是重中之重。[1]为了提高大学生的工程技术能力，20世纪上半叶美国著名哲学家、教育学家和心理学家杜威提出了举世闻名的“做中学”原则，即从活动中学、从经验中学。他指出：从做中学是比从听中学更好的方法。该教育理念把学校里的知识获得与生活过程中的活动联系起来，充分体现了学与做的结合，知与行的统一。20世纪八九十年代，美欧国家的一些高校为了培养卓越工程师，强调加强工程实践训练，加强各种能力的培养，在内容上强调文理科、工管等的综合和集成，提出了CDIO工程教育理念，即构思、设计、实现、运作理念。[2]它是“做中学”和“基于项目的教育和学习”的集中体现。CDIO工程教育模式对工程教育质量的提高起到了非常重要的作用。[3-6]然而，CDIO工程教育模式的实施是一个系统工程，[7]需要有较大的资金投入，一般课程实施起来有一定难度。为此，本文提出了一种PTSNP的教学模式，即现象（Phenomena）-理论（Theory）-模拟（Stimulation）-新现象（New Phenomena）“四维一体”的教学模式（下文简称“PTSNP教学模式”）。
一、PTSNP教学模式
PTSNP教学模式分四个部分：一是以现有的物理现象为出发点，介绍现象产生的实验装置与结果，引出解释物理现象的理论；二是系统讲授描述实验现象的基本概念及相关原理；三是利用计算机对描述物理现象的数学模型进行数值模拟，并将计算结果可视化，以了解相关参数对物理现象的影响，数值模拟是理论模型的必要补充；四是根据现有的物理原理及相关技术设计新的实验装置，以获得新的物理现象。称为现象-理论-模拟-新现象“四维一体”的教学模式，它是一种以实验现象为基础、以解释现象的基本理论为主导、以应用/研究/前沿为窗口的教学模式。
1.“四维一体”教学模式是马克思主义哲学的需要
“四维一体”教学模式的出发点和落脚点均为物理现象，模式的主体结构“现象-理论-新现象”符合马克思主义哲学的认识论原理。马克思主义哲学认为，人们的认识规律可简单表述为“从实践中来，到实践中去”，即“从现象中来，到现象中去”，第一个现象即为已经存在的基本物理现象，第二个现象即为创造的新物理现象。“四维一体”教学模式是马克思主义认识论原理在教学活动中的具体体现，符合人们的认识活动规律，便于学生理解与接受。
2.“四维一体”教学模式是研究性教学的需要
研究性教学模式是现代教学改革的重要方面，其目的是要让学生在学习知识的过程中掌握科学研究的方法、思路与步骤，培养学生的研究能力。科学研究的基本方法、思路与步骤是首先根据现有物理现象及应用领域提出研究问题，然后拟定相关研究内容及研究方案，再利用现有理论对所研究问题进行曲一些可行性研究，最后给出所期望的研究结果。“四维一体”教学模式符合上述研究性教学规律，便于学生掌握科学研究方法。
3.“四维一体”教学模式是创新性教学的需要
创新性教学是现代教育的出发点和落脚点，也是社会可持续发展的需要。“四维一体”教学模式是创新性教学模式的具体体现。“四维一体”教学模式根据现有的物理原理设计新的实验装置，以获得新的物理现象，这部分内容紧跟学科前沿，将最新的科研成果引入课堂，让学生领会科学前沿与课堂知识的联系，让学生感到科学创新与生活息息相关，以激发学生的求知欲与创新意识，提高学生发现问题、解决问题的能力。
4.“四维一体”教学模式是培养学生计算能力的需要
在大学课程的理论教学中，充分利用计算机模拟相关物理现象，可让抽象晦涩难懂的物理理论形象生动。科学计算能力是一个科技工作者的基本素质之一，大学生应该在学习活动中甩掉计算器，用计算机来完成作业及研究活动。考虑到学生学过MATLAB科学计算语言，选择MATLAB作为数值模拟工具。MATLAB的最大特点是它能方便地将复杂数学公式可视化。通过可视化，学生对复杂的物理现象具有了感性认识，帮助学生对晦涩理论的理解。将科学计算引入课堂具有以下优点：提升学生利用计算机解决问题的能力与效率；让学生领会设计的意义与魅力；引导学生进行研究性、探索性学习。此外，在教学手段方面采用多媒体技术与传统板书相结合，将学生缺乏感性认识的实验现象与原理公式可视化结果通过图片、录像、动画的形式用多媒体技术展现给学生，而原理公式的推导则用传统板书呈现给学生，以提高学生的运算能力。
二、应用举例
下面以“激光原理与技术”课程中的光学谐振腔的原形——Fabry-Perot 腔（简称FP腔）为例说明“四维一体”教学模式的实施程序。
首先介绍现有的实验现象，即连续波入射时单模光纤FP腔输出光谱。图1为连续波入射时单模光纤FP腔输出光谱测试实验装置。图中EDFA代表掺Er光纤放大器、Pump表示976nm泵浦源、SMF表示单模光纤、OSA表示光谱仪。单模光纤FP腔的长度为2mm。在泵浦源作用下，以EDFA产生的自发辐射信号作为入射到单模光纤FP腔的宽光源。图2为实验观察到的现象，从图中可以看出连续波入射时单模光纤FP腔输出为梳状光谱，相邻极大值之间的波长间隔为0.4nm。
如何解释上述实验现象呢？接下来介绍描述上述激光现象的基本概念与相关规律。根据多光束干涉原理，可得垂直入射时，光学FP腔的输出与输入光强之比为：[8]
T=
（1）
式中：
（2）
式中λ为真空中入射光波波长，n为光纤的折射率，L为腔长，R为腔端面反射率。
FP腔透射最大时所对应的光波频率称为FP腔的谐振频率。相邻谐振频率之差称为自由谱宽（FSR），即：
FSR= （3）
式中c是光在真空中的速度，vm是谐振频率。
将光纤长度、折射率（n=1.48）代入，可得其自由谱宽为50GHz，利用变换式，λ=1.55μm，可得自由谱宽为0.4nm，与实验现象一致。式（1）至（3）很好地解释了图2所描述的实验现象。
接下来利用计算机对（1）式所描述的规律进行数值计算，并将结果可视化，计算结果如图3所示，与图2一致。图上还反映出腔端面反射率对输出特性的影响，从而使原本静止的图“动”了起来，给学生很大的想象空间，这一环节是理论分析的重要补充。
最后介绍新实验现象的探索。前面详细学习了连续波入射情形下光学FP腔的输出特性，自然会想到脉冲激光入射情形。那么脉冲激光入射到光学FP腔，其输出具有什么特点？当脉冲激光入射到单模光纤FP腔时，其输出波形具有衰荡特征，如图4所示。详细的理论解释见文献[9]。该文章指出这一现象在传感器中具有重要应用，并介绍了一些笔者课题组近年来的研究成果。
三、结束语
PTSNP教学模式体现了从感性认识（已知的实验现象）到理性认识（现象背后的物理本质），然后创造新的实验现象的创新过程。在教学过程中利用了传统板书、多媒体演示、计算机仿真教学及课后创新阅读等授课环节。该模式符合人的认识规律，有助于培养学生的创新能力。
参考文献：
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[8]陈海燕，罗江华，黄春雄.激光原理与技术[M].武汉：武汉大学出版社，2011.
[9]陈海燕.脉冲光入射时法布里-珀罗腔的透射特性[J].电气电子教学学报，2011，33（4）：99-100，103.
（责任编辑：王祝萍）
