王慧琴

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

為大學生搭建科創(chuàng)平臺、構(gòu)建科創(chuàng)中心，通過科創(chuàng)活動培養(yǎng)學生的科研能力、創(chuàng)新能力被認為是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑[1-3].清華大學于1995年正式啟動“大學生科研訓練計劃”(Student Research Training Program,以下簡稱 SRTP)[4,5]；浙江大學 1998年推進SRTP[6]，之后諸多高校相繼設立大學生科研訓練中心.以研究小課題為主的科研訓練，能有效地增強學生的專業(yè)知識水平和科學研究技能，能很好地提升學習主動性和鉆研精神，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.由于SRTP的惠澤，大量學生受益，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.他們進入SRTP時可能只是好奇、憑著熱情或迫于創(chuàng)新學分的要求，對困難估計不足.低年級學生理論基礎和專業(yè)知識還不完備，創(chuàng)新能力尚欠缺，學術(shù)視野還有待拓寬；高年級學生面臨畢業(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，指導教師的引導和推動顯得尤為重要，如何優(yōu)化培養(yǎng)模式，如何保護學生創(chuàng)新激情，如何引導科學道德和規(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老師不斷思考和總結(jié).本文以在南昌大學和上海工程技術(shù)大學開展的以 “光學器件設計”為題的科研訓練為例，分享一些經(jīng)驗，剖析SRTP對大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的推動作用.

科研訓練項目全程為一年，完成后學生可申請創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程2學分，若發(fā)表論文或參加學術(shù)交流等另加學分.根據(jù)自己的研究領(lǐng)域，本文設定以“光學器件設計”為題，側(cè)重于微納光學器件設計，面向全校有興趣的同學開放.光學器件設計本身所涉及的知識比較系統(tǒng)，能將大學物理中光學基礎知識點融合起來，而設計內(nèi)容又能讓學生有成就感，因此這個方向的選題在提高學習興趣、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組學生參加了“光學器件設計”科研訓練計劃，從訓練結(jié)果看效果良好，學生在查找文獻、獨立思考、科研創(chuàng)新、團隊協(xié)作、書面報告、口頭表達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，討論內(nèi)容主要包括文獻分享與設計工作進展匯報.以下介紹本文的訓練目標、內(nèi)容、方案和效果.

1 “光學器件設計”的訓練目標

“光學器件設計”的訓練目標為: 以微納光學器件設計為內(nèi)容，訓練大學生的創(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，使學生掌握文獻檢索及其它獲取知識的方法；②訓練知識消化吸收的能力，使學生能夠?qū)鈱W知識點進行分析總結(jié)，準確掌握光學器件的前沿動態(tài)；③培養(yǎng)知識再創(chuàng)能力，使學生了解光學器件設計的一般過程，幫助學生樹立創(chuàng)新意識，進行創(chuàng)新設計；④提高知識分享能力，使學生有能力表達自己的學術(shù)觀點，自信地進行學術(shù)討論，能不懼怕書寫研究報告，有恒心、有能力對工作進行總結(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)科研訓練過程，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，錘煉學生的品格，磨練學生的意志，規(guī)范學生的學術(shù)道德，樹立學生奉獻社會的科學價值觀.

2 “光學器件設計”科研訓練的具體內(nèi)容與實施方案

針對本科生開展“光學器件設計”訓練，課本上講授的光學基礎知識是不夠的，所以要從增加知識到軟件學習、建模設計一步一步往前推.微納光學器件類型很多，用到的光學原理和方法各不相同，因此要因人而異設置選題，供學生選擇，切合學生的興趣點.圖1為科研訓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、知識分享能力的訓練貫穿整個過程，從認知-內(nèi)化，到創(chuàng)新-共享，一步步構(gòu)建他們的科研認知和學術(shù)情懷，提高他們的科研素養(yǎng).“光學器件設計”的訓練主要內(nèi)容包括夯實光學基礎知識、建立創(chuàng)新設計能力、提高分享能力等幾個方面.

圖1 科研訓練的整體框架圖

2.1 夯實光學基礎知識

“光學器件設計”是以光學知識為基礎，綜合運用這些基礎知識進行微納光學器件設計.微納光學器件設計是一個相對前沿的光學研究領(lǐng)域，有很多的子領(lǐng)域，非常適合做科研訓練選題，能將光學基礎知識綜合融入到科研訓練中.其訓練首要內(nèi)容就是夯實學生的光學基礎知識，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，即拓寬學生獲取知識的渠道.作為初學者，學會使用學校圖書館數(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、學術(shù)交流等途徑獲取.

2)知識的內(nèi)化，即學生消化吸收的過程.這項訓練是從文獻的收集整理、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練的學生每周做一次PPT匯報，綜述自己所讀文獻，陳述自己的見解并與大家討論，做好整理記錄，老師對學生沒看懂的內(nèi)容進行講解.在一次次互動過程中，學生不僅鞏固了已學知識，還獲得了很多新知識.

2.2 創(chuàng)新設計能力的建立

除了讓學生扎實專業(yè)知識外，還得提高他們的實踐能力和創(chuàng)新能力，樹立正確的科學態(tài)度和科研價值觀，提高學生的科研素養(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、文獻增強對科學的認知外，還得鼓勵學生不斷實踐、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)一點點長到學生身上.

在每周一次匯報時，學生除了文獻閱讀分享外，更重要的是陳述自己的研究進展.通過這種形式，一方面可讓學生動起來，另一方面能及時跟蹤到學生的研究進度，對遇到的困難及時干預.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.

每次師生互動也是老師教書育人的重要過程.作為指導老師，應該堅持言傳身教，深入研究一線才能引領(lǐng)學生挑戰(zhàn)創(chuàng)新；走進困境，幫助學生找問題，做好陪伴和后盾；教導學生潛心鉆研，同時關(guān)注課題與社會發(fā)展的關(guān)系；引導學生遵守科學道德和學術(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生的科研情操、學術(shù)品行.

3 科研訓練實例剖析及階段性成果

圍繞“光學器件設計”，自2018年先后開展了“雙錐形光纖傳感器的研究”(選題1)、“集成光波導傳感器的設計研究”(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計”(選題4)、“基于拓撲光子學的光學微結(jié)構(gòu)光輸運機理研究”(選題5)、“微納光學器件的智能設計”(選題6)等6個選題的研究.這些選題都是根據(jù)當前國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)，結(jié)合學生的理論基礎、能力層次和訓練工作量確立的.對學生的共同要求是：物理類二、三年級或非物理類已經(jīng)完成“大學物理”光學部分學習的學生，能自學COMSOL或FDTD計算軟件，能安排出準備每周一次的文獻閱讀分享和設計進展匯報的時間，每位同學必須完成一個簡單光學器件的理論設計.完成科研訓練可申請創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程2學分，對應32學時.從訓練的結(jié)果看，每個團隊都完成了選題所要求的設計任務，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，涉及的光學知識有光的干涉、倏逝波和導波光學理論，要求學生自學光纖傳感的基本原理和方法.共三位同學參加，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軟件進行模擬，探究雙錐形光纖的光學傳輸特性；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)了設計方案的準確性，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，設計的原理和折射率響應的模擬結(jié)果如圖2所示.更難能可貴的是，其中一位同學在進行傳感設計時，運用了遺傳算法進行優(yōu)化，拓展了后續(xù)科研訓練選題的內(nèi)容和方向.

圖2 雙錐形光纖傳感器原理圖和折射率響應模擬

2018年開展的選題2是要求學生分別用光子晶體波導和金屬波導實現(xiàn)氣液感測，設計思想是分別利用漸變光子晶體和金屬波導與環(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，氣液波導傳感結(jié)構(gòu)和傳感響應如圖3所示.涉及的光學知識有光子能帶理論、表面等離子激元(表面波)傳輸理論，要求學生自學這些知識.共兩位同學參加，成員1提出了用正弦線型來約束光子晶體波導中空氣孔徑的方法,得到了高靈敏傳感器結(jié)構(gòu)，其靈敏度為1 114 nm/RIU，較當時已見文獻報導的要高出近一倍，如圖3(a)所示.成員2(組長)設計了一種金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)波導與諧振腔側(cè)耦合的表面等離子激元光波導結(jié)構(gòu)，利用Fano共振來進行傳感，傳感靈敏度為1 173.2 nm/RIU，較當時已見文獻報導的也提高了近一倍，如圖3(b)所示.兩位學生完成了兩種氣液波導傳感器件的設計，所設計的傳感器具有穩(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，設計思想是利用遺傳算法進行反設計，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，涉及的光學知識是多光束干涉，要求學生自學光的局域化理論.選擇選題3的是參加過選題1的一位學生，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，并且通過合作將設計結(jié)果變成實驗結(jié)果，實證了設計結(jié)果的可靠性，合作雙方學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有兩位學生參加，成員1運用遺傳算法設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的耦合聚焦成200 nm以下的光束，耦合傳播效率可達80%以上，學生將成果發(fā)表在《物理學報》[16]上，設計結(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是要求利用拓撲光子晶體實現(xiàn)光場調(diào)控，涉及的光學知識主要是光的能帶理論，要求學生自學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)中尋找具有拓撲態(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行空間調(diào)制，從而實現(xiàn)激光聚焦和分束的設計，涉及的光學知識是光的空間調(diào)制、光的干涉衍射，要求學生自學信息光學中光的空間調(diào)制內(nèi)容.共三位同學參加，他們的分工是：成員1(組長)除了負責項目分工、協(xié)調(diào)、運行、討論等組織工作外，還與成員2、3一起進行光束聚焦和分束的設計，成員2主攻激光聚焦，成員3主攻激光分束.目前進展順利，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，但因為有前期學長們的傳承，后期的學生沒有畏難情緒，反而順著選題刻苦鉆研.選題1組作為“光學器件設計”的開創(chuàng)組，他們開啟了使用軟件進行模擬設計的方法，開拓了遺傳算法聯(lián)合有限元的智能反設計思路，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)學生又推動了新的思路和方法的出現(xiàn)，現(xiàn)在在訓學生已使用了移動漸近線等算法進行器件設計.

每周一次的討論是學生思想碰撞、互相學習、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識的同學們之間的距離，為本題的發(fā)展提供了支撐和傳承.通過一年的學習和實踐，學生們的理論水平達到了一般本科生很難達到的境界.由此可見，通過科研訓練，大部分學生不僅在專業(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，有些同學申請了專利.另外團隊之間的團結(jié)友愛、共同進步，讓他們收獲了學誼，也讓他們的大學生活多了幾分色彩.

4 結(jié)語

本文以文獻調(diào)研、設計實踐、分享討論、組會答辯等方式系統(tǒng)地開展以“光學器件設計”為題的大學生科研訓練，以每周一次報告分享討論的形式組織教學，從夯實光學基礎知識、建立創(chuàng)新設計能力、提高分享能力三方面著手進行訓練.經(jīng)過為期一年的訓練，學生們不僅深刻內(nèi)化了光學專業(yè)知識，而且動手能力、表達能力、科研創(chuàng)新能力得到了很好的提升.在這個訓練過程中，指導老師需要有足夠的耐心和定力，初進組的學生基礎知識還不完備，眼界還沒打開，老師力求將培訓的每個環(huán)節(jié)做好，通過正確引導、及時幫扶，順利推進他們的選題研究；保護好他們的創(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，教導他們潛心鉆研，引導學生遵守科學道德和學術(shù)規(guī)范等等.老師潛移默化地陶冶他們的科研情操、學術(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，指導老師也在教學相長過程中得到了成長，豐富了指導經(jīng)驗，自善了師道尊嚴，也收獲了師生情誼.