王慧琴

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 數(shù)理與統(tǒng)計學(xué)院，上海 201620；2.南昌大學(xué) 理學(xué)院 物理系，江西 南昌 330031)

為大學(xué)生搭建科創(chuàng)平臺、構(gòu)建科創(chuàng)中心，通過科創(chuàng)活動培養(yǎng)學(xué)生的科研能力、創(chuàng)新能力被認(rèn)為是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑[1-3].清華大學(xué)于1995年正式啟動“大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃”(Student Research Training Program,以下簡稱 SRTP)[4,5]；浙江大學(xué) 1998年推進(jìn)SRTP[6]，之后諸多高校相繼設(shè)立大學(xué)生科研訓(xùn)練中心.以研究小課題為主的科研訓(xùn)練，能有效地增強學(xué)生的專業(yè)知識水平和科學(xué)研究技能，能很好地提升學(xué)習(xí)主動性和鉆研精神，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑和有效手段之一[7-9].在SRTP的支持下，一批批優(yōu)秀的大學(xué)生從本科階段開始參與科研活動，取得了豐碩的研究成果并大踏步地向更高層次邁進(jìn).由于SRTP的惠澤，大量學(xué)生受益，SRTP為發(fā)掘他們的創(chuàng)新潛力、培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神、提高他們的實踐能力提供了良好的平臺[10,11].

然而，讓學(xué)生從零開始參與科研活動并不容易，尤其在一些地方高校和一般本科院校.他們進(jìn)入SRTP時可能只是好奇、憑著熱情或迫于創(chuàng)新學(xué)分的要求，對困難估計不足.低年級學(xué)生理論基礎(chǔ)和專業(yè)知識還不完備，創(chuàng)新能力尚欠缺，學(xué)術(shù)視野還有待拓寬；高年級學(xué)生面臨畢業(yè)規(guī)劃，需要權(quán)衡的得失很多.因此在創(chuàng)新訓(xùn)練過程中可能會出現(xiàn)動力不足、熱情減退等一系列的問題[12].針對這些問題，指導(dǎo)教師的引導(dǎo)和推動顯得尤為重要，如何優(yōu)化培養(yǎng)模式，如何保護(hù)學(xué)生創(chuàng)新激情，如何引導(dǎo)科學(xué)道德和規(guī)范，如何讓他們既收獲信心又扎實知識等等，這些問題都需要指導(dǎo)老師不斷思考和總結(jié).本文以在南昌大學(xué)和上海工程技術(shù)大學(xué)開展的以 “光學(xué)器件設(shè)計”為題的科研訓(xùn)練為例，分享一些經(jīng)驗，剖析SRTP對大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的推動作用.

科研訓(xùn)練項目全程為一年，完成后學(xué)生可申請創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程2學(xué)分，若發(fā)表論文或參加學(xué)術(shù)交流等另加學(xué)分.根據(jù)自己的研究領(lǐng)域，本文設(shè)定以“光學(xué)器件設(shè)計”為題，側(cè)重于微納光學(xué)器件設(shè)計，面向全校有興趣的同學(xué)開放.光學(xué)器件設(shè)計本身所涉及的知識比較系統(tǒng)，能將大學(xué)物理中光學(xué)基礎(chǔ)知識點融合起來，而設(shè)計內(nèi)容又能讓學(xué)生有成就感，因此這個方向的選題在提高學(xué)習(xí)興趣、拓寬知識面、增強創(chuàng)新能力等方面有著先天的優(yōu)勢[13,14].

自2018年起，先后13人共6組學(xué)生參加了“光學(xué)器件設(shè)計”科研訓(xùn)練計劃，從訓(xùn)練結(jié)果看效果良好，學(xué)生在查找文獻(xiàn)、獨立思考、科研創(chuàng)新、團隊協(xié)作、書面報告、口頭表達(dá)等諸方面的能力都得到了明顯的提升.通過每周一次例會以交流討論的方式組織教學(xué)，討論內(nèi)容主要包括文獻(xiàn)分享與設(shè)計工作進(jìn)展匯報.以下介紹本文的訓(xùn)練目標(biāo)、內(nèi)容、方案和效果.

1 “光學(xué)器件設(shè)計”的訓(xùn)練目標(biāo)

“光學(xué)器件設(shè)計”的訓(xùn)練目標(biāo)為: 以微納光學(xué)器件設(shè)計為內(nèi)容，訓(xùn)練大學(xué)生的創(chuàng)新精神和科研能力，做好他們的科研引路人.具體而言包括以下4個方面：①提高新知識的獲取能力，使學(xué)生掌握文獻(xiàn)檢索及其它獲取知識的方法；②訓(xùn)練知識消化吸收的能力，使學(xué)生能夠?qū)鈱W(xué)知識點進(jìn)行分析總結(jié)，準(zhǔn)確掌握光學(xué)器件的前沿動態(tài)；③培養(yǎng)知識再創(chuàng)能力，使學(xué)生了解光學(xué)器件設(shè)計的一般過程，幫助學(xué)生樹立創(chuàng)新意識，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計；④提高知識分享能力，使學(xué)生有能力表達(dá)自己的學(xué)術(shù)觀點，自信地進(jìn)行學(xué)術(shù)討論，能不懼怕書寫研究報告，有恒心、有能力對工作進(jìn)行總結(jié)并在更大范圍分享.

經(jīng)過“知識獲取——知識吸收——知識創(chuàng)新——知識共享”這一閉環(huán)科研訓(xùn)練過程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，錘煉學(xué)生的品格，磨練學(xué)生的意志，規(guī)范學(xué)生的學(xué)術(shù)道德，樹立學(xué)生奉獻(xiàn)社會的科學(xué)價值觀.

2 “光學(xué)器件設(shè)計”科研訓(xùn)練的具體內(nèi)容與實施方案

針對本科生開展“光學(xué)器件設(shè)計”訓(xùn)練，課本上講授的光學(xué)基礎(chǔ)知識是不夠的，所以要從增加知識到軟件學(xué)習(xí)、建模設(shè)計一步一步往前推.微納光學(xué)器件類型很多，用到的光學(xué)原理和方法各不相同，因此要因人而異設(shè)置選題，供學(xué)生選擇，切合學(xué)生的興趣點.圖1為科研訓(xùn)練的整體框架和實施方案，將知識獲取能力、知識吸收能力、知識創(chuàng)新能力、知識分享能力的訓(xùn)練貫穿整個過程，從認(rèn)知-內(nèi)化，到創(chuàng)新-共享，一步步構(gòu)建他們的科研認(rèn)知和學(xué)術(shù)情懷，提高他們的科研素養(yǎng).“光學(xué)器件設(shè)計”的訓(xùn)練主要內(nèi)容包括夯實光學(xué)基礎(chǔ)知識、建立創(chuàng)新設(shè)計能力、提高分享能力等幾個方面.

圖1 科研訓(xùn)練的整體框架圖

2.1 夯實光學(xué)基礎(chǔ)知識

“光學(xué)器件設(shè)計”是以光學(xué)知識為基礎(chǔ)，綜合運用這些基礎(chǔ)知識進(jìn)行微納光學(xué)器件設(shè)計.微納光學(xué)器件設(shè)計是一個相對前沿的光學(xué)研究領(lǐng)域，有很多的子領(lǐng)域，非常適合做科研訓(xùn)練選題，能將光學(xué)基礎(chǔ)知識綜合融入到科研訓(xùn)練中.其訓(xùn)練首要內(nèi)容就是夯實學(xué)生的光學(xué)基礎(chǔ)知識，分兩步走：對選題知識的獲取和如何將這些知識內(nèi)化.

1)知識的獲取，即拓寬學(xué)生獲取知識的渠道.作為初學(xué)者，學(xué)會使用學(xué)校圖書館數(shù)據(jù)庫是第一步，這條途徑通用、方便、快捷.對于數(shù)據(jù)庫查找找不到的一些頂級工作，可通過全球公開的專業(yè)雜志主頁、著名科研機構(gòu)的網(wǎng)站、著名專家的個人主頁等途徑去獲??；對于光學(xué)器件而言，工業(yè)界的發(fā)展動態(tài)也值得關(guān)注，比如國內(nèi)外光電顯示包括觸控屏到了什么水平、里面有哪些關(guān)鍵技術(shù)？芯片發(fā)展到了第幾代、各國光刻技術(shù)發(fā)展情況如何？多了解業(yè)界新聞；除此之外，可通過關(guān)注一些科研論壇、公眾號，或者參觀訪問、學(xué)術(shù)交流等途徑獲取.

2)知識的內(nèi)化，即學(xué)生消化吸收的過程.這項訓(xùn)練是從文獻(xiàn)的收集整理、閱讀記錄、交流討論和綜述報告4個方面入手.要求每位參加科研訓(xùn)練的學(xué)生每周做一次PPT匯報，綜述自己所讀文獻(xiàn)，陳述自己的見解并與大家討論，做好整理記錄，老師對學(xué)生沒看懂的內(nèi)容進(jìn)行講解.在一次次互動過程中，學(xué)生不僅鞏固了已學(xué)知識，還獲得了很多新知識.

2.2 創(chuàng)新設(shè)計能力的建立

除了讓學(xué)生扎實專業(yè)知識外，還得提高他們的實踐能力和創(chuàng)新能力，樹立正確的科學(xué)態(tài)度和科研價值觀，提高學(xué)生的科研素養(yǎng).科研素質(zhì)不是一蹴而就的，需要漫長而艱苦地培養(yǎng)，需要長時間的“閱讀-內(nèi)化-實操-總結(jié)-升華”的過程.除了多閱讀書籍、文獻(xiàn)增強對科學(xué)的認(rèn)知外，還得鼓勵學(xué)生不斷實踐、勇于創(chuàng)新、敢于挑戰(zhàn)、不怕挫折，在實踐中思考、總結(jié)、再實踐、再總結(jié)，這樣才能讓科研能力與素養(yǎng)一點點長到學(xué)生身上.

在每周一次匯報時，學(xué)生除了文獻(xiàn)閱讀分享外，更重要的是陳述自己的研究進(jìn)展.通過這種形式，一方面可讓學(xué)生動起來，另一方面能及時跟蹤到學(xué)生的研究進(jìn)度，對遇到的困難及時干預(yù).每次匯報后，老師都要點評、交流探討、明確下一步的方向、布置下一周的任務(wù).

每次師生互動也是老師教書育人的重要過程.作為指導(dǎo)老師，應(yīng)該堅持言傳身教，深入研究一線才能引領(lǐng)學(xué)生挑戰(zhàn)創(chuàng)新；走進(jìn)困境，幫助學(xué)生找問題，做好陪伴和后盾；教導(dǎo)學(xué)生潛心鉆研，同時關(guān)注課題與社會發(fā)展的關(guān)系；引導(dǎo)學(xué)生遵守科學(xué)道德和學(xué)術(shù)規(guī)范等等.

在一次次師生互動過程中，不僅深刻內(nèi)化了專業(yè)知識，提高了分享能力，培養(yǎng)了科研素質(zhì)，也潛移默化地建立了學(xué)生的科研情操、學(xué)術(shù)品行.

3 科研訓(xùn)練實例剖析及階段性成果

圍繞“光學(xué)器件設(shè)計”，自2018年先后開展了“雙錐形光纖傳感器的研究”(選題1)、“集成光波導(dǎo)傳感器的設(shè)計研究”(選題2)、“基于遺傳算法優(yōu)化的納米結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光操控”(選題3)、“寬帶高效聚焦的片上集成納米透鏡設(shè)計”(選題4)、“基于拓?fù)涔庾訉W(xué)的光學(xué)微結(jié)構(gòu)光輸運機理研究”(選題5)、“微納光學(xué)器件的智能設(shè)計”(選題6)等6個選題的研究.這些選題都是根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)，結(jié)合學(xué)生的理論基礎(chǔ)、能力層次和訓(xùn)練工作量確立的.對學(xué)生的共同要求是：物理類二、三年級或非物理類已經(jīng)完成“大學(xué)物理”光學(xué)部分學(xué)習(xí)的學(xué)生，能自學(xué)COMSOL或FDTD計算軟件，能安排出準(zhǔn)備每周一次的文獻(xiàn)閱讀分享和設(shè)計進(jìn)展匯報的時間，每位同學(xué)必須完成一個簡單光學(xué)器件的理論設(shè)計.完成科研訓(xùn)練可申請創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程2學(xué)分，對應(yīng)32學(xué)時.從訓(xùn)練的結(jié)果看，每個團隊都完成了選題所要求的設(shè)計任務(wù)，實現(xiàn)了所要求的器件功能.

比如2018年最先開展的選題1，設(shè)計要求是利用雙錐形光纖感測液體的折射率，從而判斷液體的溶度，設(shè)計思想是基于馬赫-曾德干涉原理，利用錐形纖芯表面的倏逝波與其周圍吸收介質(zhì)相互作用，來獲得被測液體折射率變化，涉及的光學(xué)知識有光的干涉、倏逝波和導(dǎo)波光學(xué)理論，要求學(xué)生自學(xué)光纖傳感的基本原理和方法.共三位同學(xué)參加，他們的分工是：成員1(組長)使用COMSOL三維仿真模擬雙錐形光纖的光學(xué)傳播，主攻金膜對光纖傳感性能的影響；成員2使用FDTD軟件進(jìn)行模擬，探究雙錐形光纖的光學(xué)傳輸特性；成員3利用COMSOL與MATLAB聯(lián)動，探索用石墨烯包覆的模擬方法.他們用兩種建模方案相互印證，體現(xiàn)了設(shè)計方案的準(zhǔn)確性，得到了輸出光強隨液體折射率變化的規(guī)律，找到了可以用于液體折射率傳感的線性區(qū)間，設(shè)計的原理和折射率響應(yīng)的模擬結(jié)果如圖2所示.更難能可貴的是，其中一位同學(xué)在進(jìn)行傳感設(shè)計時，運用了遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，拓展了后續(xù)科研訓(xùn)練選題的內(nèi)容和方向.

圖2 雙錐形光纖傳感器原理圖和折射率響應(yīng)模擬

2018年開展的選題2是要求學(xué)生分別用光子晶體波導(dǎo)和金屬波導(dǎo)實現(xiàn)氣液感測，設(shè)計思想是分別利用漸變光子晶體和金屬波導(dǎo)與環(huán)境氣液的相互作用來獲取光場變化,從而測得體折射率變化，氣液波導(dǎo)傳感結(jié)構(gòu)和傳感響應(yīng)如圖3所示.涉及的光學(xué)知識有光子能帶理論、表面等離子激元(表面波)傳輸理論，要求學(xué)生自學(xué)這些知識.共兩位同學(xué)參加，成員1提出了用正弦線型來約束光子晶體波導(dǎo)中空氣孔徑的方法,得到了高靈敏傳感器結(jié)構(gòu)，其靈敏度為1 114 nm/RIU，較當(dāng)時已見文獻(xiàn)報導(dǎo)的要高出近一倍，如圖3(a)所示.成員2(組長)設(shè)計了一種金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)波導(dǎo)與諧振腔側(cè)耦合的表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用Fano共振來進(jìn)行傳感，傳感靈敏度為1 173.2 nm/RIU，較當(dāng)時已見文獻(xiàn)報導(dǎo)的也提高了近一倍，如圖3(b)所示.兩位學(xué)生完成了兩種氣液波導(dǎo)傳感器件的設(shè)計，所設(shè)計的傳感器具有穩(wěn)定的光場分布和較高的透射率，感測性能穩(wěn)定.

圖3 氣液波導(dǎo)傳感器.

再比如2019年開展的選題3和4，要求利用遺傳算法實現(xiàn)光分束器和納米聚焦透鏡，設(shè)計思想是利用遺傳算法進(jìn)行反設(shè)計，使光經(jīng)無序的微顆粒的多重散射后相干增強，從而實現(xiàn)光的分束和聚焦，涉及的光學(xué)知識是多光束干涉，要求學(xué)生自學(xué)光的局域化理論.選擇選題3的是參加過選題1的一位學(xué)生，因為他在選題1中拓展了遺傳算法，工作沒做完，所以在完成上一個選題后他繼續(xù)留下來做選題3，該生運用遺傳算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)了在微米尺度上的二波長路由器、三波長路由器、偏轉(zhuǎn)分束器等等，三波長分束結(jié)果如圖4(a)所示，并且通過合作將設(shè)計結(jié)果變成實驗結(jié)果，實證了設(shè)計結(jié)果的可靠性，合作雙方學(xué)生為共同第一作者將成果發(fā)表在頂級雜志Optica[15]上；選題4有兩位學(xué)生參加，成員1運用遺傳算法設(shè)計了一片上集成納米透鏡，實現(xiàn)了波長從470 nm至1 734 nm的低色散聚焦，將大小為2 μm的激光光束通過透鏡與波導(dǎo)的耦合聚焦成200 nm以下的光束，耦合傳播效率可達(dá)80%以上，學(xué)生將成果發(fā)表在《物理學(xué)報》[16]上，設(shè)計結(jié)果如圖4(b)所示；成員2除了與成員1一起完成納米聚焦外，還開拓了新的智能算法，運用移動漸近線法和有限元結(jié)合，設(shè)計了聚焦偏振分束器和波長分束器，推動了后續(xù)的科研訓(xùn)練工作的發(fā)展.

(a)三波長路由器 (b)納米透鏡

2020年開展的選題5是要求利用拓?fù)涔庾泳w實現(xiàn)光場調(diào)控，涉及的光學(xué)知識主要是光的能帶理論，要求學(xué)生自學(xué)光子帶隙控光的原理和實現(xiàn)方法.入選的是兩位大一女生，立項后開始訓(xùn)練時她們剛?cè)氪蠖齻兊姆止な菑牟煌木Ц窠Y(jié)構(gòu)中尋找具有拓?fù)鋺B(tài)的結(jié)構(gòu).入課題時她們基本的知識儲備還不夠，面對難度系數(shù)這么大的選題，她們不斷地看書、查資料、整理、看論壇、多方討教才慢慢入門，最終她們通過構(gòu)建六角復(fù)式晶格，將遺傳算法與平面波展開法結(jié)合，搜尋雙Dirac點的簡并點，再尋找讓Dirac點從閉合到打開的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)了雙Dirac點的簡并和能帶翻轉(zhuǎn)，分析能帶翻轉(zhuǎn)前后p、d極化的光場分布變化，在光單向傳輸、慢光、光存儲等功能上取得了突破，圖5是她們實現(xiàn)的能帶翻轉(zhuǎn)和光存儲的模擬結(jié)果.

圖5 光子晶體能帶翻轉(zhuǎn)和光存儲現(xiàn)象

2021年開展的選題6是要求運用基于智能算法對液晶進(jìn)行空間調(diào)制，從而實現(xiàn)激光聚焦和分束的設(shè)計，涉及的光學(xué)知識是光的空間調(diào)制、光的干涉衍射，要求學(xué)生自學(xué)信息光學(xué)中光的空間調(diào)制內(nèi)容.共三位同學(xué)參加，他們的分工是：成員1(組長)除了負(fù)責(zé)項目分工、協(xié)調(diào)、運行、討論等組織工作外，還與成員2、3一起進(jìn)行光束聚焦和分束的設(shè)計，成員2主攻激光聚焦，成員3主攻激光分束.目前進(jìn)展順利，分束的工作有所突破.

從縱向看，選題的難度和綜合度逐年提高，但因為有前期學(xué)長們的傳承，后期的學(xué)生沒有畏難情緒，反而順著選題刻苦鉆研.選題1組作為“光學(xué)器件設(shè)計”的開創(chuàng)組，他們開啟了使用軟件進(jìn)行模擬設(shè)計的方法，開拓了遺傳算法聯(lián)合有限元的智能反設(shè)計思路，探索了石墨烯的模擬方法，這些研究方法和思路都被后面的選題組繼承，甚至直接催生了后面的4個選題的產(chǎn)生，而后續(xù)學(xué)生又推動了新的思路和方法的出現(xiàn)，現(xiàn)在在訓(xùn)學(xué)生已使用了移動漸近線等算法進(jìn)行器件設(shè)計.

每周一次的討論是學(xué)生思想碰撞、互相學(xué)習(xí)、新老傳承的一個重要平臺，筆者建的網(wǎng)上討論群也直接拉近了彼此不認(rèn)識的同學(xué)們之間的距離，為本題的發(fā)展提供了支撐和傳承.通過一年的學(xué)習(xí)和實踐，學(xué)生們的理論水平達(dá)到了一般本科生很難達(dá)到的境界.由此可見，通過科研訓(xùn)練，大部分學(xué)生不僅在專業(yè)知識上得到了鞏固加強，而且在科研能力上也得到了明顯提升.除了發(fā)表論文外，有些同學(xué)申請了專利.另外團隊之間的團結(jié)友愛、共同進(jìn)步，讓他們收獲了學(xué)誼，也讓他們的大學(xué)生活多了幾分色彩.

4 結(jié)語

本文以文獻(xiàn)調(diào)研、設(shè)計實踐、分享討論、組會答辯等方式系統(tǒng)地開展以“光學(xué)器件設(shè)計”為題的大學(xué)生科研訓(xùn)練，以每周一次報告分享討論的形式組織教學(xué)，從夯實光學(xué)基礎(chǔ)知識、建立創(chuàng)新設(shè)計能力、提高分享能力三方面著手進(jìn)行訓(xùn)練.經(jīng)過為期一年的訓(xùn)練，學(xué)生們不僅深刻內(nèi)化了光學(xué)專業(yè)知識，而且動手能力、表達(dá)能力、科研創(chuàng)新能力得到了很好的提升.在這個訓(xùn)練過程中，指導(dǎo)老師需要有足夠的耐心和定力，初進(jìn)組的學(xué)生基礎(chǔ)知識還不完備，眼界還沒打開，老師力求將培訓(xùn)的每個環(huán)節(jié)做好，通過正確引導(dǎo)、及時幫扶，順利推進(jìn)他們的選題研究；保護(hù)好他們的創(chuàng)新激情，做好他們的陪伴和后盾，引領(lǐng)他們挑戰(zhàn)創(chuàng)新，教導(dǎo)他們潛心鉆研，引導(dǎo)學(xué)生遵守科學(xué)道德和學(xué)術(shù)規(guī)范等等.老師潛移默化地陶冶他們的科研情操、學(xué)術(shù)品行，一點點地讓他們建立創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)，為培養(yǎng)具有扎實的知識儲備、具有敢于挑戰(zhàn)的創(chuàng)新意識、具有從事科研的創(chuàng)新能力、具備科學(xué)精神的研究型人才提供了支持.在三年多的培養(yǎng)實踐中，指導(dǎo)老師也在教學(xué)相長過程中得到了成長，豐富了指導(dǎo)經(jīng)驗，自善了師道尊嚴(yán)，也收獲了師生情誼.