History of laser physics as a classroom discipline

ИСТОРИЯ ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКИ КАК УЧЕБНАЯ ДИСЦИПЛИНА

HISTORY OF LASER PHYSICS AS A CLASSROOM DISCIPLINE

A. И. Руснак,

B. В. Кудрявцев

История становления и развития физики лазеров, ее социокультурный, технический и методологический аспекты недостаточно известны школьникам и студентам педагогических вузов. При изучении этой темы обсуждаются два типа инноваций - тематический и методический. Рассмотрены содержание исторического, физического и социокультурного блоков, образующих структуру курса «История лазерной физики», а также современные методы его преподавания - мультимедийные технологии и историко-физический подход. Приведена обобщающая схема, отражающая особенности изучения истории лазерной физики в профильной школе и в педагогическом вузе.

Ключевые слова: современная физика, лазер, профильная школа, элективный курс, мультимедийные технологии.

A. I. Rusnak, V. V. Kudryavtsev

The history of formation and development of laser physics, its sociocultural, technical and methodological aspects are less known among pupils and students of pedagogical universities. While studying this topic, the two types of innovations - thematic and methodological - are being discussed. The content of historical, physical and sociocultural units which make the structure of the course and the modern methods of its teaching - multimedia technologies and historical approach are observed. The summarizing scheme that reflects the peculiarities of studying history of laser physics in the profession-oriented school and pedagogical university is given.

Key words: modern physics, laser, profile school, elective course, multimedia technologies.

Прошедший ХХ в. можно по праву назвать не только «атомным» или «космическим», но и «лазерным». Трудно найти такие области науки и техники, где бы еще не использовались уникальные свойства лазерного излучения. В то же время в школьных учебниках физики лазерам посвящен лишь один небольшой параграф [1-2]. В вузах лазерной тематике уделяется значительно больше внимания. Тем не менее история развития физики лазеров, ее социокультурный и методологический аспект, научное и практическое применение лазерных технологий оказываются вне поля зрения студентов (в том числе студентов педагогических вузов). В результате перед физиками-методистами встал вопрос об использовании инновационных подходов к изучению этой темы.

Можно отметить два блока инноваций: тематический и методический. Другими словами, следует определить, что необходимо изучать (содержание учебного материала) и как это нужно делать (методика его преподавания). В рамках этих блоков важно найти методические подходы и идеи, которые были бы не только новыми, но и давали бы ощутимый выигрыш в преподавании и усвоении слушателями предлагаемого материала.

Рассмотрим сначала тематический блок. Традиционно в лазерной физике можно выделить фундаментальную и прикладную части. Первая из них обладает огромными методологическими и науковедческими потенциалами. Фактически с изобретением лазера был перекинут своеобразный мостик между линейной и нелинейной

физикой. Значительная часть изучаемых физических явлений и законов, пришедших к нам из прошлого, носят линейный характер. Это относится и к оптике. Во второй половине ХХ в. в связи с развитием радиотехники и радиофизики, вакуумной и твердотельной электроники в оптике возникли новые научные направления - нелинейная оптика и лазерная физика. Этот факт весьма важен, так как современная физика априори нелинейна, и ее дальнейшее развитие будет происходить именно в этом русле. Обоснование нелинейности физики XXI в. -одна из инновационных идей, которую можно раскрыть при изучении лазерной физики. Наряду с этим следует также учитывать, что лазерная физика - раздел квантовой механики, которая, в свою очередь, интегрирована в современную физическую картину мира.

Обсудим прикладную сферу физики лазеров. Когда-то принцип работы лазера и его возможные применения не были широко известны. Сегодня же всех «профессий» лазера не перечесть. С середины 1960-х гг. ученые уделяли значительное внимание созданию новых видов лазеров. В частности, были разработаны химические лазеры, начато использование растворов красителей как активной среды лазеров, созданы полупроводниковые, эксимерные и волоконные лазеры, подтверждено существование астрофизических лазеров. За 50 лет бурного развития невероятно расширился частотный диапазон, в котором работают лазерные установки (начиная с радиоволнового и заканчивая рентгеновским и даже у-излучением).

Таблица

Тематический план элективного курса «История лазерной физики»

Тема Краткое содержание темы

История создания лазеров Основополагающие открытия в области классической электродинамики. Разработка А. Эйнштейном теории вынужденного излучения (исторический аспект). История создания мазеров и лазеров, устройств на их основе (работы В. А. Фабриканта, Н. Г. Басова, А. М. Прохорова, Ч. Таунса, Т. Меймана, Ж. И. Алферова и др.). Нобелевские премии в области физики лазеров

Основы физики лазеров Основы классической электродинамики Максвелла. Работы М. Фарадея и Дж. К. Максвелла. Теория излучения А. Эйнштейна. Физические основы квантового генератора. Блок-схема лазера. Ее реализация в различных устройствах. Свойства лазерного излучения. Частотные характеристики лазеров

Устройство и применение лазеров Устройство простейшего твердотельного лазера. Газовые лазеры. Лазеры на неодимовом стекле. Жидкостные лазеры. Мазеры. Полупроводниковые лазеры. Лазеры на красителях. Эксимерные лазеры. Лазеры в технике. Лазеры в медицине. Устройства связи. Лазеры и информационные технологии. Лазеры в геофизике и космической технике. Военные применения лазерного излучения. Искусство и шоу-бизнес. Голография как следствие появления лазеров. Лазеры в природе. Астрофизические лазеры Необычные лазерные проекты. Будущее лазерной физики

В течение 1970-1980-х гг. лазерные устройства активно совершенствовались: были созданы условия для управления угловым расхождением и спектром луча, улучшены показатели продолжительности импульса и другие параметры лазерного излучения.

В последние десятилетия важнейшей сферой применения физики лазеров стали средства коммуникации. Благодаря изобретению лазера ускорилось развитие телефонии, оптоволоконной связи, радио- и телевещания, спутниковых систем. Лазеры активно используются в различных областях науки и техники для изучения объектов микро-, макро- и мегафизики: от химии до физики, от астрофизики до спектроскопии, от мобильной телефонии до медицины, от космических исследований до сверхглубокого охлаждения атомов. При этом многие открытия в физике лазеров отмечены Нобелевскими премиями. Однако изучение ее прикладных вопросов в школе и вузе сводится к рассказу об известных применениях лазерного излучения. Изменение сложившейся ситуации - важная инновационная задача.

Перейдем ко второму блоку инноваций. Лазерная физика, как любое направление современной фундаментальной науки, математически очень сложна. В связи с этим разумно использовать для ее изучения качественные методы обучения (например, историко-физический подход), что может найти одинаковое применение как в школе, так и в педагогическом вузе. При этом, конечно, страдает глубина изложения учебного материала, однако в данном случае это допустимо, так как мы не занимаемся подготовкой специалистов по конструированию или эксплуатации лазеров. В то же время качественные методы значительно расширяют научный и культурный кругозор обучаемых, создают необходимый эмоциональный фон и повышают интерес к изучению этой темы. Подобный инновационный подход представляет собой нетривиальный взгляд на один из главных разделов современной физики - физику лазеров.

Вопросы лазерной физики целесообразно изучать в рамках специального (для педагогических вузов) или

элективного (для профильной школы) курса «История лазерной физики». С одной стороны, это дает возможность вписать этот курс в стандартную сетку часов, а с другой стороны - использовать при его изложении современные инновационные методы преподавания (в первую очередь, компьютерные). Будучи инновационной по своей сути, лазерная физика требует для своего преподавания инновационных методов. На наш взгляд, этому наилучшим образом соответствует технология мультимедийных лекций, которая получила широкое распространение в ряде педагогических вузов.

Разработанный инновационный элективный курс «История лазерной физики» адресован учащимся 11-х классов и рассчитан на 36 учебных часов.

Он позволяет сформировать у обучаемых прочные и системные знания, детально познакомить их с особенностями исторического развития квантовой физики, лазерных технологий, голографии и других областей современной науки. Отметим, что использование историко-физического подхода способствует гуманитаризации физики, что сегодня крайне важно в деле личностного воспитания современного учителя.

Цели изучения курса:

• формирование у учащихся представлений о современной физической картине мира и научном методе познания;

• оказание психолого-педагогической помощи в выборе сферы будущей профессиональной деятельности;

• развитие творческого и ценностного отношения к изучению физики и других естественных наук, понимание специфики научной деятельности.

Задачи изучения курса:

• познакомить учащихся с историей развития и современными исследованиями в области лазерной физики, с биографиями ее творцов, экспериментами, оказавшими основополагающее влияние на развитие этого научного направления;

• дать учащимся необходимые сведения о теоретических основах физики лазеров, об устройстве раз-

Рис. Обобщающая схема построения курса «Лазерная физика» в школе и педагогическом вузе

личных типов лазера, их научных и практических применениях;

• способствовать развитию познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей учащихся.

В структуре курса можно выделить три логических блока [3]: исторический («История создания лазеров»), физический («Основы физики лазеров») и социокультурный («Устройство и применение лазеров»). Их краткое содержание приведено в таблице.

История физики хранит описание огромного количества фактов и событий, которые влияют на формирование наших представлений об окружающем мире. Знание истории физики, как и любой истории, необходимо для гармо-

ничного развития человека в связи с важностью осознания причинно-следственных закономерностей в окружающем мире.

Известно, что знание истории физики невозможно без знания основ самой этой науки [4]. Поэтому в курс лазерной физики органически входит блок, который посвящен основным законам электродинамики и физическим явлениям, которые определяют работу лазеров. При этом теоретический уровень изложения может быть различным в зависимости от квалификации слушателей.

Третий блок предлагаемого курса имеет технический характер. Сегодня изучение лазерной физики невозможно без рассказа об устройстве лазеров различ-

ных типов и их техническом использовании. В изложение входит не только общее описание устройства квантового генератора, но и особенности, которые возникают при использовании разных типов систем с инверсной заселенностью, систем накачки, устройств обратной связи. Значительное внимание уделено современным типам лазеров. Что касается их использования в народном хозяйстве и в быту, предпочтение отдается современным применениям - в компьютерной технике, связи, космическим исследованиям, и другим инновационным устройствам.

Приведенный вариант программы носит общий характер и может быть скорректирован (как по тематике, так и по учебному времени).

К формам изучения элективного курса относятся: мультимедийная лекция, семинар, практикум, учебная конференция, урок контроля знаний. Поскольку компьютерные технологии активно внедряются в процесс обучения, слушатели курса по лазерной физике ждут от преподавателя широкого использования мультимедиатехноло-гий. Мультимедиатехнология рассматривается как информационная технология обучения, интегрирующая аудиовизуальную информацию любых форм, реализующая интерактивный диалог пользователя с системой и разнообразные формы самостоятельной деятельности по обработке информации [5].

Ведущей формой изучения элективного курса является мультимедийная лекция. При этом могут быть использованы и другие формы обучения, например те, которые отвечают за контроль знаний. В то же время компьютерный практикум по лазерной физике пока не применяется в должной мере в силу сложности его разработки и реализации.

Кратко перечислим методы изучения элективного курса.

Методы организации учебно-познавательной деятельности: словесные, наглядные, практические.

Методы стимулирования учебной деятельности: дискуссии, формирование познавательного интереса.

Методы контроля деятельности: индивидуальный и фронтальный опросы, тестовая проверка знаний, создание итоговых презентаций.

Аналогичный курс по лазерной физике разработан и для магистров науки педагогического вуза. В его основу положены историко-физический подход и те

же дидактические и методические принципы. Курс отличают ярко выраженная педагогическая направленность, а также более глубокое содержание учебного материала.

Резюмируя, отметим, что историю физики лазеров можно рассмотреть с нескольких позиций. Например, с физической. Студенты осваивают данный материал с высоты уже полученных знаний на протяжении всего обучения в университете. В предлагаемом курсе к физической позиции прибавляется историческая, поскольку именно благодаря великим умам того времени мы получили высокий уровень научных технологий, которые используем в повседневной жизни. Курс можно рассматривать и с социокультурной точки зрения, так как лазерные технологии оказали значительное влияние на формирование современного информационного общества.

Инновационные подходы (в том числе историко-физический и компьютерный) к преподаванию современной физики (на примере физики лазеров) могут быть успешно использованы для развития познавательного интереса студентов и школьников, расширения их научного и культурного кругозора, а также в подготовке к выбору будущей профессии.

Авторы признательны профессору МПГУ Вадиму Алексеевичу Ильину за внимание к работе и полезные замечания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н. Квантовая физика. 11 класс. Профильный курс. М.: Дрофа, 2010.

2. Генденштейн Л. Э., Дик Ю. И. Физика. 11 класс. М.: Мнемозина, 2009.

3. Ильин В. А., Руснак А. И., Виноградова Н. Б. История лазеров. Курс мультимедийных лекций // Физика в системе современного образования. Волгоград: Перемена, 2011. Т. 1.

4. Ильин В. А. История физики. М.: Академия, 2003.

5. Мультимедиа технологии в образовании: (Материалы для учителя) [Электронный ресурс]. URL: http://for-teacher.ru/78-multimedia-teh-nologii-v-obrazovanii.html (дата обращения 26.07.2012).