鄭　虹，孫臘珍，張?jiān)雒?，朱　玲，王中平，張　?quán)

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，安徽 合肥　230026)

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光學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新平臺(tái)的構(gòu)建與實(shí)踐

鄭虹，孫臘珍，張?jiān)雒?，朱玲，王中平，張?quán)

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，安徽 合肥230026)

介紹光學(xué)創(chuàng)新平臺(tái)在多層次的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程體系中的構(gòu)建與實(shí)踐，光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何在高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)過(guò)程中發(fā)揮特長(zhǎng)與優(yōu)勢(shì)，以及服務(wù)于學(xué)生基本科學(xué)素養(yǎng)和科研工作能力的提升與訓(xùn)練.

光學(xué)實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新平臺(tái)；科研能力

“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”歷來(lái)是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)所有學(xué)生的必修課程，也是培養(yǎng)學(xué)生能力的“核心課程”.物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)能激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生興趣，從而通過(guò)實(shí)驗(yàn)達(dá)到這門課最為重要的培養(yǎng)目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生的基本科學(xué)素養(yǎng)和提升基本科研工作的能力.科學(xué)素養(yǎng)和基本的科研工作能力主要體現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：1) 嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的工作態(tài)度；2) 敏銳的觀察能力；3) 清晰的邏輯思維、綜合判斷及創(chuàng)新能力；4) 實(shí)際動(dòng)手能力；5) 科學(xué)表達(dá)能力.在物理實(shí)驗(yàn)課中，我們所需要傳遞給學(xué)生的不僅僅是做什么，更重要的是怎么做，如何做好，從實(shí)驗(yàn)中了解掌握了多少，提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、觀察問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力.為此，我們建立具有我校特色的知識(shí)、能力和素質(zhì)并重的“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”多層次教學(xué)體系，如圖1所示.

光學(xué)實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的重要組成部分，對(duì)于光的干涉、衍射、偏振的研究是“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程的重要專題.傳統(tǒng)開設(shè)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，相對(duì)獨(dú)立，缺乏知識(shí)的系統(tǒng)性，學(xué)生對(duì)原理和規(guī)律認(rèn)識(shí)不深，難以發(fā)掘設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的空間，嚴(yán)重削弱了光學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新教育功能.我中心經(jīng)過(guò)近幾年的教學(xué)改革和實(shí)踐，構(gòu)建了光學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新平臺(tái)，注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間的銜接和聯(lián)系，強(qiáng)化了原理性的認(rèn)識(shí)環(huán)節(jié)，在基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)性、研究性和應(yīng)用性，設(shè)計(jì)了創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容環(huán)節(jié)，實(shí)踐教學(xué)取得了良好效果.

圖1　多層次的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程體系示意圖

1　光學(xué)實(shí)驗(yàn)的調(diào)整技術(shù)和技能的培養(yǎng)

在多層次大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程體系中，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的調(diào)整技術(shù)和技能的訓(xùn)練，從分光計(jì)、光學(xué)導(dǎo)軌與光學(xué)平臺(tái)、邁克耳孫干涉儀、橢偏儀、單色儀，到多種現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量技術(shù)，逐層形成了掌握、提高，到最后應(yīng)用自如的體系.例如：“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”是我校所有大一學(xué)生的必修實(shí)驗(yàn)課程.大一學(xué)生正處于適應(yīng)大學(xué)教學(xué)和學(xué)習(xí)模式的轉(zhuǎn)型階段，物理知識(shí)掌握的相對(duì)較少，實(shí)驗(yàn)的基本培訓(xùn)不足，動(dòng)手能力相對(duì)較差.在“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程中，中心開設(shè)3項(xiàng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)：透鏡參數(shù)測(cè)量、分光計(jì)的調(diào)整與使用、干涉法測(cè)量微小量.側(cè)重于使學(xué)生掌握光學(xué)實(shí)驗(yàn)中所必須的基本調(diào)整技術(shù)和基本實(shí)驗(yàn)方法.

在光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行的透鏡參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)要求學(xué)生掌握平臺(tái)上光路的光學(xué)共軸調(diào)整.這項(xiàng)教學(xué)要求，將為后續(xù)涉及到平臺(tái)、導(dǎo)軌上的光學(xué)共軸調(diào)整打下基礎(chǔ).如：導(dǎo)軌上進(jìn)行的梅斯林干涉和傅里葉光學(xué)變換，平臺(tái)上進(jìn)行的全息光柵、三維全息、激光散斑等等都將涉及到光學(xué)共軸調(diào)整技術(shù).

分光計(jì)是光學(xué)測(cè)量中的一個(gè)基礎(chǔ)性平臺(tái)，很多光學(xué)儀器的基本結(jié)構(gòu)以它為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建，如棱鏡攝譜儀、光柵光譜儀、橢偏儀和單色儀等.對(duì)分光計(jì)調(diào)整技術(shù)的掌握涉及到后續(xù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成.在分光計(jì)實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生的分光計(jì)的調(diào)整技術(shù)和技巧.要求學(xué)生面對(duì)分光計(jì)繁雜眾多的調(diào)整旋鈕，不是碰運(yùn)氣的盲調(diào)，而是帶著思考，理解實(shí)驗(yàn)的每一步調(diào)整所對(duì)應(yīng)的物理意義，環(huán)環(huán)相扣直至最終達(dá)成共焦、共軸、共面和準(zhǔn)直的要求.同時(shí)要求學(xué)生在實(shí)踐中了解自準(zhǔn)直法對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)聚焦、通過(guò)狹縫獲得平行光、棱鏡分光和光柵分光等概念.

干涉法測(cè)微小量實(shí)驗(yàn)著重強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方法的掌握，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里學(xué)生開始接觸到物理光學(xué)的概念，利用光的干涉現(xiàn)象測(cè)量微小長(zhǎng)度或者不易直接測(cè)量的量.這種實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、計(jì)量技術(shù)和工程技術(shù)領(lǐng)域.本實(shí)驗(yàn)利用劈尖的等厚干涉測(cè)量細(xì)絲直徑，用牛頓環(huán)測(cè)平凸透鏡的曲率半徑，并加以拓展延伸，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解到一系列關(guān)于微小量的測(cè)量及表面平整度的檢驗(yàn)方法.

總之，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生對(duì)各種實(shí)驗(yàn)方法加以了解，對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)技術(shù)的訓(xùn)練和培養(yǎng).

2　綜合性、設(shè)計(jì)性的光學(xué)實(shí)驗(yàn)

我們從研究光在介質(zhì)中的傳播、光的波動(dòng)性，光學(xué)為生產(chǎn)技術(shù)提供的精密測(cè)量、快速、生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)手段和不斷發(fā)展的光學(xué)測(cè)量技術(shù)等方面考慮，開設(shè)了一系列綜合性、設(shè)計(jì)性光學(xué)實(shí)驗(yàn).使學(xué)生從物理概念、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)入手來(lái)了解光的本質(zhì)，并掌握相關(guān)的技術(shù)和應(yīng)用.表1和表2列出了圍繞光的干涉、偏振所開出的系列綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn).

表1　　　　圍繞光的干涉開設(shè)的系列綜合性、設(shè)計(jì)性的光學(xué)實(shí)驗(yàn)

表2　　　　圍繞光的偏振概念開設(shè)的系列綜合性、設(shè)計(jì)性的光學(xué)實(shí)驗(yàn)

例如：利用分光計(jì)平臺(tái)搭建一對(duì)平行的粗光柵，利用雙光柵Lau效應(yīng)，研究測(cè)量透明厚介質(zhì)的折射率.該實(shí)驗(yàn)涉及到的物理概念有光柵衍射和分波前干涉，而且在實(shí)驗(yàn)方法上應(yīng)用了比較法，即通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行比較從而測(cè)定透明介質(zhì)的折射率.中心還開設(shè)了偏振光的研究實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生充分理解自然光、部分偏振光、線偏光、圓偏光和橢圓偏振光，并開始涉及到晶體光學(xué)的概念.根據(jù)布儒斯特定律，測(cè)定介質(zhì)布儒斯特角，從而獲取介質(zhì)的折射率，或利用布儒斯特角得到的平面偏振光作為“探針”，對(duì)各向異性介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定.

在綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們一直強(qiáng)調(diào)，讓學(xué)生帶著思考去做實(shí)驗(yàn)，探究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的本質(zhì).這是我們教學(xué)的重點(diǎn)，也成為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣點(diǎn).圖2繪出了在分光計(jì)平臺(tái)上的系列實(shí)驗(yàn).

3　現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量分析技術(shù)實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量分析技術(shù)涉及精密計(jì)量技術(shù)、光譜技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)和激光技術(shù)等，這些技術(shù)已在科學(xué)研究，材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等眾多學(xué)科有廣泛的應(yīng)用.現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量分析技術(shù)是科技工作者和將來(lái)從事科研工作的學(xué)生所應(yīng)該了解、學(xué)習(xí)和研究的.在前期基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)打下良好的知識(shí)和技能鋪墊的基礎(chǔ)上，現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)課程中，我們開設(shè)了構(gòu)建橢偏儀并測(cè)量薄膜的厚度與折射率、傅立葉光學(xué)空間頻譜與空間濾波實(shí)驗(yàn)、全息光柵與三維全息照片的拍攝、單色儀的定標(biāo)與應(yīng)用、激光散斑對(duì)微小量的測(cè)量、表面等離激元共振(SPR技術(shù))、液晶光閥實(shí)驗(yàn)和塞曼效應(yīng)等實(shí)驗(yàn).所開設(shè)的這些實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的綜合性和技術(shù)性，有利于豐富和活躍學(xué)生的物理思考，訓(xùn)練他們對(duì)現(xiàn)代光學(xué)物理現(xiàn)象的洞察能力，引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)物理概念的產(chǎn)生、形成、發(fā)展和應(yīng)用的過(guò)程，學(xué)會(huì)現(xiàn)代光學(xué)中的一些基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法.

比如，對(duì)光譜分析技術(shù)，我們從低到高，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從普通到精細(xì)，開設(shè)了系列實(shí)驗(yàn)，如表3所示.學(xué)生在完成了這樣一系列有關(guān)光譜分析的實(shí)驗(yàn)后，對(duì)光譜分析技術(shù)已經(jīng)充分了解并能夠加以應(yīng)用，這一點(diǎn)在后續(xù)的研究性實(shí)驗(yàn)選題中已有充分表現(xiàn).

表3　光譜分析技術(shù)系列實(shí)驗(yàn)

再如在新技術(shù)的應(yīng)用上，開設(shè)表面等離激元共振法(SPR)測(cè)量液體折射率實(shí)驗(yàn).這個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及到SPR技術(shù)，該技術(shù)已在生物、化學(xué)、醫(yī)藥、食品和環(huán)境監(jiān)測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用，其中一個(gè)重要的應(yīng)用就是SPR傳感器，通過(guò)定性定量檢測(cè)目標(biāo)分子對(duì)等離激元共振峰的影響.可以達(dá)到單細(xì)胞甚至單分子的水平.這個(gè)實(shí)驗(yàn)同樣利用分光計(jì)平臺(tái)進(jìn)行搭建，在準(zhǔn)直共軸的基礎(chǔ)上，平行光管端獲取偏振光照射在樣品池上，在望遠(yuǎn)鏡筒端通過(guò)接收探頭探測(cè)反射光強(qiáng)，改變?nèi)肷浣?，根?jù)反射光強(qiáng)的變化，測(cè)定共振角.實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在于強(qiáng)調(diào)SPR傳感新技術(shù)的物理思想和實(shí)驗(yàn)方法，同時(shí)也讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，SPR傳感技術(shù)是一項(xiàng)新興的生物化學(xué)檢測(cè)技術(shù)，而新技術(shù)的產(chǎn)生必然依賴于基礎(chǔ)學(xué)科的基本研究.

4　創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)　小小雛鷹初展翅

以上3個(gè)層次光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程涵蓋了基礎(chǔ)光學(xué)至現(xiàn)代光學(xué)的測(cè)量分析技術(shù)與方法.學(xué)生經(jīng)過(guò)3個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)實(shí)踐，已具備光學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)和基本光學(xué)調(diào)整技能.自2005年以來(lái)，我們每年秋季大面積開展學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新精神，以研究性實(shí)驗(yàn)課題形式促進(jìn)學(xué)生的研究型學(xué)習(xí)，學(xué)生們以小組為單位(2～4人)，自由組合，每個(gè)小組有一個(gè)組長(zhǎng)，小組討論自主設(shè)計(jì)研究課題，查詢資料，與指導(dǎo)老師討論實(shí)驗(yàn)原理與方法，與實(shí)驗(yàn)室老師確定實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)方案可行性，然后開始在實(shí)驗(yàn)室自主搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行自主的研究性實(shí)驗(yàn)，這通常需要6至8周的時(shí)間，在得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，作數(shù)據(jù)處理分析，完成所進(jìn)行的研究性實(shí)驗(yàn)的課程論文，由小組共同推薦出答辯人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)論文答辯.

由此可見，在創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生們經(jīng)歷了科研課題研究的經(jīng)歷，這也正是我們?cè)诖髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)這門課程中所要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)——讓學(xué)生具備基本的科學(xué)素養(yǎng)和科研能力.

表4中部分研究課題通過(guò)進(jìn)一步補(bǔ)充、整理，已經(jīng)充實(shí)到我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，也有部分研究課題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊上.如：激光竊聽課題發(fā)表在《物理實(shí)驗(yàn)》雜志上.

表4　近幾年我校學(xué)生所做的部分光學(xué)方面的創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)課題

地空學(xué)院毛藝潛P(yáng)B12007135六色θ調(diào)制光柵物片制作物理學(xué)院唐 辰PB12206274粗糙吸收性表面漫反射光譜分析物理學(xué)院張翌航PB10000347單、多晶硅絨面結(jié)構(gòu)表面旋涂銀顆粒及等離激元增強(qiáng)吸收探究

5　結(jié)束語(yǔ)

我們?cè)诖髮W(xué)物理-光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中注重了對(duì)學(xué)生進(jìn)行科研工作所應(yīng)該具備的科學(xué)素養(yǎng)和科研能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生：1) 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和科學(xué)作風(fēng)；2) 科學(xué)研究需求的敏銳觀察力和綜合判斷力；3) 科學(xué)研究的分析法和綜合法；4) 科學(xué)研究中的創(chuàng)新意識(shí)；5) 科學(xué)研究中的學(xué)科交叉和團(tuán)隊(duì)意識(shí).以上幾點(diǎn)是我們貫穿于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重點(diǎn).值得一提的是，每年都有學(xué)生研究性實(shí)驗(yàn)論文正式發(fā)表.同時(shí)，學(xué)生在申請(qǐng)國(guó)內(nèi)外研究生時(shí)，其自主設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)的工作經(jīng)歷，也受到國(guó)內(nèi)外大學(xué)接收者的重視.

[1]謝行恕、康士秀、霍劍青.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(2)[M].北京：高等教育出版社，2005:136-170.

[2]張?jiān)雒鳎瑢O臘珍，張權(quán)，等.創(chuàng)新研究型物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27(12)：7-9.

[3]鄭虹，朱玲，趙偉，等.基于雙光柵lau效應(yīng)測(cè)量液體折射率[J].物理實(shí)驗(yàn)，2012,32(增刊)：7-10.

[4]朱玲，鄭虹，王中平，等.使用光柵單色儀測(cè)量好寶石晶體的吸收和發(fā)射光譜[J].物理實(shí)驗(yàn)，2014，34(11)：10-13.

[5]霍劍青，吳泳華，尹民，等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(4)[M].北京：高等教育出版社，2005:50-59.

Construction and practice of the innovative and practical educational platform for optical experiments

ZHENG Hong, SUN La-zhen, ZHANG Zeng-ming，ZHU Ling, WANG Zhong-ping，ZHANG Quan

(Physics Experiment Teaching Center, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230026, China)

Combined with the innovation of physics experimental teaching in Physics Experiment Teaching Center of University of Science and Technology of China, with teaching of optics experiments for college physics as an example, we introduce the construction and practice of optical innovative and practical educational platform for multiple levels of college physics experiment curriculum system; then, how to play the special skill and advantages of physical experimental teaching in colleges and universities for training of bright people with creative mind; construction and practice serve to the training and cultivation of basic scientific accomplishments and the capability for scientific research for students.

optics experiment teaching; innovative and practice platform; training of the capability of scientific research

2015-09-06；

2015-12-17

國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)理科基地條件建設(shè)項(xiàng)目(J1310004)、安徽省省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目，物理研究性實(shí)驗(yàn)論文競(jìng)賽中豐富創(chuàng)新教育內(nèi)涵(2014jyxm001)、安徽省省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目，發(fā)掘基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新空間的研究(2014jyxm009)資助

鄭虹(1966—)，女，江蘇南京市人，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.

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1000- 0712(2016)08- 0048- 04