近代物理实验系列化教学模式探索

庄 娟 杨 华 李建东 贾 莉 姚 志 滕永杰 刘永新

（大连理工大学物理与光电工程学院，辽宁 大连 116024）

近代物理实验是一门知识面广、综合性强的实验课程。开设的目的是通过全面系统的学习，丰富和发展学生的物理思想，提高学生科学地分析、研究和解决问题的能力，为后续的学习和科学研究打下坚实的基础[1,2]。目前的教学模式是按照实验内容的难易进行划分，把实验内容分成两个学期来进行。第一个学期首先进行原理比较简单、实验操作比较容易的实验；有了这个基础以后，下一个学期再进行一些动手稍微难一些的实验。这样的划分会造成实验内容的割裂。我们的改革思路是：根据不同专业的特点选做不同系列的实验，如拉曼光谱系列、薄膜系列、微波系列、微弱信号检测系列、磁共振系列、光纤系列和信息光学系列等，这些实验具有系列化和系统化，通过对实验过程的深入学习和不同测量方法的对比，可以掌握这一方面的测量思路和手段，对提高学生的综合实验能力起到了促进作用。

1 系列化实验内容的设计

针对近代物理实验的授课对象，把系列化实验分为针对本科生的基础和现代技术系列，以及针对研究生的专题研究系列。基础系列主要是让学生了解实验的原理和实验的方法。把近代物理实验中那些获诺贝尔奖的实验，按照不同的内容分成不同的小系列，使学生充分理解这些实验背后的物理思想，如塞曼效应实验，电子衍射实验，黑体辐射，原子光谱等实验。现代技术系列，主要有纳米技术、激光技术、光纤技术、高温超导、非线性电路混沌等。这些实验技术与我们现代的检测技术和研究息息相关，都是现代科学研究中不可缺少的。在专题研究系列中，根据实验内容的物理思想和实验技术应用的相关性，每一个系列的实验都相互关联并且层层递进，如薄膜系列实验，从蒸发镀膜实验开始，了解真空和镀膜的相关知识，然后利用椭偏法对镀好的膜进行厚度检测，接着利用扫描隧道显微镜对薄膜进行形貌的观察，在掌握了金属膜测厚的同时，还可以通过空间单点光学相干层析技术实验，掌握液体薄膜厚度的测量。这种系列化的“近代物理实验”教学体系，使得学生综合实验能力逐渐提高。针对研究生，这些系列化实验都是围绕一个专题来进行，通过对实验过程的深入学习和不同实验方法的对比，使研究生基本掌握了这一专题的研究思路。在实验中，学生置身于一种富有探索和研究性的学习环境中，积极主动地思考、分析问题，使研究生受到类似于专业科研人员从事科研的初步训练，逐步了解科研的方法和思路，为将来独立从事科学研究工作打下基础。

实验题目的选择主要体现深入、完整和系统化，每个学生选做与自己的科研内容相近的同一系列实验，如磁共振系列（核磁共振、电子自旋共振、铁磁共振、光泵磁共振以及核磁共振成像仪），微波系列（微波基本参数测量、微波传输特性研究、微波布拉格衍射、微波法测量介电常数），薄膜特性系列（真空的获得及测量，真空镀膜实验，椭偏法测量介质薄膜厚度，X 射线衍射）。比如选做“薄膜特性系列”：让学生从真空的获得开始学习，然后利用真空进行镀银膜的练习，然后利用椭偏法对得到的薄膜进行厚度测量，再利用X 射线衍射仪对得到的薄膜进行形貌和机理分析。这四个实验都是围绕一个主题来进行，通过对文献的查找、实验现象观察、过程了解以及实验结果的分析，使研究生初步掌握科研的基本步骤和方法。经过这样的学习过程，能够促进研究生积极主动地思考、分析问题，使他们得到从事科研的初步训练，对提高研究生的综合科研能力起到促进作用。

激光拉曼光谱系列也是我们最新探索的一个系列实验。激光拉曼光谱实验是近代物理实验中一个典型的实验，也是获得诺贝尔物理学奖的实验。它是集光、电和机械为一体的综合性实验。2013 年我们实验室购买了两台由北大青鸟开发研制的RBD-Ⅲ激光拉曼光谱仪。通过该实验学生可以掌握拉曼散射的基本原理，初步学会根据拉曼散射光谱来确定分子结构及其简正振动类型，并测量四氯化碳分子的拉曼光谱。在这个系列实验中，第一部分是针对四氯化碳样品进行光谱分析。为了进一步培养学生运用所学知识，解决实际问题的能力，我们把实验内容进行了拓展，形成基于实用和满足学生兴趣的实验样品多样化、内容更全面完整的系列化实验。第二部分是基于食品安全的液体样品化学成分分析。由于每种物质都有对应的“指纹”拉曼光谱，据此可实现对物质的结构、成分、浓度等的检测。食品安全问题关乎人的生命及健康，蔬菜、水果上的农药残留是人们非常关注的问题，采用拉曼光谱技术检测农药残留的研究已经取得了很多成果，可以用于如检测乐果、敌百虫等农药的残留问题。另外，矿泉水的养生和保健功能也是人们关注的问题，可以尝试利用拉曼光谱进行水中矿物质含量的检测，例如可以对康师傅、农夫山泉、娃哈哈、乐百氏等品牌矿泉水样品进行拉曼光谱分析。还可以对生产生活中使用的多种液体样品，如三氯甲烷、乙醇、硝酸、丙酮、苯、可乐、咖啡因，各种食用油等样品进行光谱分析。第三部分是基于贵重工艺品固体样品化学成分的检测，不同材料的拉曼光谱有各自的特征光谱——特征谱，为表征和鉴别材料提供了指纹谱。通过对现有设备的局部改进，可以对固体样品，如多晶硅、单晶硅、石英或金刚石进行拉曼光谱分析。由于天然钻石具有完美的单晶结构，所以会有单一尖锐的拉曼峰，而一些人工雕琢的宝石总会存在杂质峰。通过样品的拉曼光谱分析，让学生了解拉曼光谱在宝石鉴别领域的重要应用价值。通过上述系列化实验内容进行的探索，能更好地锻炼学生的动手能力，开拓思维。学生通过日常用品检测系列实验的锻炼，可以更好地了解激光拉曼的现实应用，有利于培养学生的科研兴趣，提高学生的综合科学素质。

2 系列化实验教学方法探索

对于物理系高年级本科生，由于他们在做近代物理实验之前已经做过两个学期的大学物理实验，对物理实验的仪器和设备基本了解，所以在进行实验前，教师以提问的形式，针对实验过程中存在的重点和难点问题进行提问，一方面可以了解学生预习的情况，另一方面可以依据学生回答问题的情况有针对性地讲解实验；对于工科研究生，首先让其选择一套系列实验题目，教师在第一次上课的时候就讲明本系列实验的研究目标和总体要求，学生在课后认真查找相关实验的理论资料，分四次课时完成系列化实验。对应改革后的系列化实验要建立与之相适应的考核方式。针对本科生，主要的考核点在实验操作上，在实验操作的过程中，允许反复做实验也允许失败，让学生自己分析实验结果，总结自己成功和失败的原因以及自己的收获和创新点。对研究生系列实验，要求在实验结束后，以论文的形式，交一份完整的报告，在系列实验的最后一次进行课堂总结和讨论，对实验中出现的问题和解决的方法进行探讨，并总结实验的收获和体会。针对非物理专业本科生，考核重点侧重于对实验中物理思想的理解、实验现象的观察以及数据结果的分析。

3 结语

近代物理实验体现了先进的科学技术理念和前沿的实验技术和方法，包含众多对物理学发展起重要作用的著名实验。面对众多的实验项目，本文提出了一套适合本科生和研究生的不同学生特点的系列化教学方法，在实验内容和教学方法上进行改革和探索，通过系列化的教学模式进一步提高学生的综合实验能力，取得了良好的教学效果。

[1] 刘富池, 孔文婕, 谭以威, 等. 近代物理实验培养学生创新能力探讨[J]. 实验科学与技术, 2011(9): 114-116.

[2] 刘海霞, 苗洪利, 盖磊. 近代物理实验教学改革的研究与实践[J]. 大学物理, 2010(29): 55-58.