近代物理實(shí)驗(yàn)系列化教學(xué)模式探索

莊 娟 楊 華 李建東 賈 莉 姚 志 滕永杰 劉永新

（大連理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

近代物理實(shí)驗(yàn)是一門知識面廣、綜合性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程。開設(shè)的目的是通過全面系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，豐富和發(fā)展學(xué)生的物理思想，提高學(xué)生科學(xué)地分析、研究和解決問題的能力，為后續(xù)的學(xué)習(xí)和科學(xué)研究打下堅實(shí)的基礎(chǔ)[1,2]。目前的教學(xué)模式是按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的難易進(jìn)行劃分，把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分成兩個學(xué)期來進(jìn)行。第一個學(xué)期首先進(jìn)行原理比較簡單、實(shí)驗(yàn)操作比較容易的實(shí)驗(yàn)；有了這個基礎(chǔ)以后，下一個學(xué)期再進(jìn)行一些動手稍微難一些的實(shí)驗(yàn)。這樣的劃分會造成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的割裂。我們的改革思路是：根據(jù)不同專業(yè)的特點(diǎn)選做不同系列的實(shí)驗(yàn)，如拉曼光譜系列、薄膜系列、微波系列、微弱信號檢測系列、磁共振系列、光纖系列和信息光學(xué)系列等，這些實(shí)驗(yàn)具有系列化和系統(tǒng)化，通過對實(shí)驗(yàn)過程的深入學(xué)習(xí)和不同測量方法的對比，可以掌握這一方面的測量思路和手段，對提高學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ζ鸬搅舜龠M(jìn)作用。

1 系列化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計

針對近代物理實(shí)驗(yàn)的授課對象，把系列化實(shí)驗(yàn)分為針對本科生的基礎(chǔ)和現(xiàn)代技術(shù)系列，以及針對研究生的專題研究系列。基礎(chǔ)系列主要是讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)的原理和實(shí)驗(yàn)的方法。把近代物理實(shí)驗(yàn)中那些獲諾貝爾獎的實(shí)驗(yàn)，按照不同的內(nèi)容分成不同的小系列，使學(xué)生充分理解這些實(shí)驗(yàn)背后的物理思想，如塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，電子衍射實(shí)驗(yàn)，黑體輻射，原子光譜等實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)代技術(shù)系列，主要有納米技術(shù)、激光技術(shù)、光纖技術(shù)、高溫超導(dǎo)、非線性電路混沌等。這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)與我們現(xiàn)代的檢測技術(shù)和研究息息相關(guān)，都是現(xiàn)代科學(xué)研究中不可缺少的。在專題研究系列中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的物理思想和實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)性，每一個系列的實(shí)驗(yàn)都相互關(guān)聯(lián)并且層層遞進(jìn)，如薄膜系列實(shí)驗(yàn)，從蒸發(fā)鍍膜實(shí)驗(yàn)開始，了解真空和鍍膜的相關(guān)知識，然后利用橢偏法對鍍好的膜進(jìn)行厚度檢測，接著利用掃描隧道顯微鏡對薄膜進(jìn)行形貌的觀察，在掌握了金屬膜測厚的同時，還可以通過空間單點(diǎn)光學(xué)相干層析技術(shù)實(shí)驗(yàn)，掌握液體薄膜厚度的測量。這種系列化的“近代物理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)體系，使得學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰χ饾u提高。針對研究生，這些系列化實(shí)驗(yàn)都是圍繞一個專題來進(jìn)行，通過對實(shí)驗(yàn)過程的深入學(xué)習(xí)和不同實(shí)驗(yàn)方法的對比，使研究生基本掌握了這一專題的研究思路。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生置身于一種富有探索和研究性的學(xué)習(xí)環(huán)境中，積極主動地思考、分析問題，使研究生受到類似于專業(yè)科研人員從事科研的初步訓(xùn)練，逐步了解科研的方法和思路，為將來獨(dú)立從事科學(xué)研究工作打下基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)題目的選擇主要體現(xiàn)深入、完整和系統(tǒng)化，每個學(xué)生選做與自己的科研內(nèi)容相近的同一系列實(shí)驗(yàn)，如磁共振系列（核磁共振、電子自旋共振、鐵磁共振、光泵磁共振以及核磁共振成像儀），微波系列（微波基本參數(shù)測量、微波傳輸特性研究、微波布拉格衍射、微波法測量介電常數(shù)），薄膜特性系列（真空的獲得及測量，真空鍍膜實(shí)驗(yàn)，橢偏法測量介質(zhì)薄膜厚度，X 射線衍射）。比如選做“薄膜特性系列”：讓學(xué)生從真空的獲得開始學(xué)習(xí)，然后利用真空進(jìn)行鍍銀膜的練習(xí)，然后利用橢偏法對得到的薄膜進(jìn)行厚度測量，再利用X 射線衍射儀對得到的薄膜進(jìn)行形貌和機(jī)理分析。這四個實(shí)驗(yàn)都是圍繞一個主題來進(jìn)行，通過對文獻(xiàn)的查找、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察、過程了解以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，使研究生初步掌握科研的基本步驟和方法。經(jīng)過這樣的學(xué)習(xí)過程，能夠促進(jìn)研究生積極主動地思考、分析問題，使他們得到從事科研的初步訓(xùn)練，對提高研究生的綜合科研能力起到促進(jìn)作用。

激光拉曼光譜系列也是我們最新探索的一個系列實(shí)驗(yàn)。激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)是近代物理實(shí)驗(yàn)中一個典型的實(shí)驗(yàn)，也是獲得諾貝爾物理學(xué)獎的實(shí)驗(yàn)。它是集光、電和機(jī)械為一體的綜合性實(shí)驗(yàn)。2013 年我們實(shí)驗(yàn)室購買了兩臺由北大青鳥開發(fā)研制的RBD-Ⅲ激光拉曼光譜儀。通過該實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以掌握拉曼散射的基本原理，初步學(xué)會根據(jù)拉曼散射光譜來確定分子結(jié)構(gòu)及其簡正振動類型，并測量四氯化碳分子的拉曼光譜。在這個系列實(shí)驗(yàn)中，第一部分是針對四氯化碳樣品進(jìn)行光譜分析。為了進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識，解決實(shí)際問題的能力，我們把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了拓展，形成基于實(shí)用和滿足學(xué)生興趣的實(shí)驗(yàn)樣品多樣化、內(nèi)容更全面完整的系列化實(shí)驗(yàn)。第二部分是基于食品安全的液體樣品化學(xué)成分分析。由于每種物質(zhì)都有對應(yīng)的“指紋”拉曼光譜，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、成分、濃度等的檢測。食品安全問題關(guān)乎人的生命及健康，蔬菜、水果上的農(nóng)藥殘留是人們非常關(guān)注的問題，采用拉曼光譜技術(shù)檢測農(nóng)藥殘留的研究已經(jīng)取得了很多成果，可以用于如檢測樂果、敵百蟲等農(nóng)藥的殘留問題。另外，礦泉水的養(yǎng)生和保健功能也是人們關(guān)注的問題，可以嘗試?yán)美庾V進(jìn)行水中礦物質(zhì)含量的檢測，例如可以對康師傅、農(nóng)夫山泉、娃哈哈、樂百氏等品牌礦泉水樣品進(jìn)行拉曼光譜分析。還可以對生產(chǎn)生活中使用的多種液體樣品，如三氯甲烷、乙醇、硝酸、丙酮、苯、可樂、咖啡因，各種食用油等樣品進(jìn)行光譜分析。第三部分是基于貴重工藝品固體樣品化學(xué)成分的檢測，不同材料的拉曼光譜有各自的特征光譜——特征譜，為表征和鑒別材料提供了指紋譜。通過對現(xiàn)有設(shè)備的局部改進(jìn)，可以對固體樣品，如多晶硅、單晶硅、石英或金剛石進(jìn)行拉曼光譜分析。由于天然鉆石具有完美的單晶結(jié)構(gòu)，所以會有單一尖銳的拉曼峰，而一些人工雕琢的寶石總會存在雜質(zhì)峰。通過樣品的拉曼光譜分析，讓學(xué)生了解拉曼光譜在寶石鑒別領(lǐng)域的重要應(yīng)用價值。通過上述系列化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行的探索，能更好地鍛煉學(xué)生的動手能力，開拓思維。學(xué)生通過日常用品檢測系列實(shí)驗(yàn)的鍛煉，可以更好地了解激光拉曼的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，提高學(xué)生的綜合科學(xué)素質(zhì)。

2 系列化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索

對于物理系高年級本科生，由于他們在做近代物理實(shí)驗(yàn)之前已經(jīng)做過兩個學(xué)期的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，對物理實(shí)驗(yàn)的儀器和設(shè)備基本了解，所以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，教師以提問的形式，針對實(shí)驗(yàn)過程中存在的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題進(jìn)行提問，一方面可以了解學(xué)生預(yù)習(xí)的情況，另一方面可以依據(jù)學(xué)生回答問題的情況有針對性地講解實(shí)驗(yàn)；對于工科研究生，首先讓其選擇一套系列實(shí)驗(yàn)題目，教師在第一次上課的時候就講明本系列實(shí)驗(yàn)的研究目標(biāo)和總體要求，學(xué)生在課后認(rèn)真查找相關(guān)實(shí)驗(yàn)的理論資料，分四次課時完成系列化實(shí)驗(yàn)。對應(yīng)改革后的系列化實(shí)驗(yàn)要建立與之相適應(yīng)的考核方式。針對本科生，主要的考核點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)操作上，在實(shí)驗(yàn)操作的過程中，允許反復(fù)做實(shí)驗(yàn)也允許失敗，讓學(xué)生自己分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)自己成功和失敗的原因以及自己的收獲和創(chuàng)新點(diǎn)。對研究生系列實(shí)驗(yàn)，要求在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，以論文的形式，交一份完整的報告，在系列實(shí)驗(yàn)的最后一次進(jìn)行課堂總結(jié)和討論，對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題和解決的方法進(jìn)行探討，并總結(jié)實(shí)驗(yàn)的收獲和體會。針對非物理專業(yè)本科生，考核重點(diǎn)側(cè)重于對實(shí)驗(yàn)中物理思想的理解、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察以及數(shù)據(jù)結(jié)果的分析。

3 結(jié)語

近代物理實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)理念和前沿的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法，包含眾多對物理學(xué)發(fā)展起重要作用的著名實(shí)驗(yàn)。面對眾多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，本文提出了一套適合本科生和研究生的不同學(xué)生特點(diǎn)的系列化教學(xué)方法，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方法上進(jìn)行改革和探索，通過系列化的教學(xué)模式進(jìn)一步提高學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ〉昧肆己玫慕虒W(xué)效果。

[1] 劉富池, 孔文婕, 譚以威, 等. 近代物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力探討[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2011(9): 114-116.

[2] 劉海霞, 苗洪利, 蓋磊. 近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J]. 大學(xué)物理, 2010(29): 55-58.