清华学堂物理系叶企孙班“科研实践基地”简介

葛惟昆

(清华大学物理系，北京 100084)

在学校和物理系的大力支持下，由“清华学堂物理班”首席教授朱邦芬院士倡议、策划，通过相关教师和实验物理教学中心技术人员一年多的共同努力，“清华学堂物理班科研实践基地”于2013年12月19日正式启动。

启动仪式由项目主任李师群教授主持，朱邦芬院士和实验室设备处闻星火副处长共同为基地挂牌，他们和物理系副主任阮东教授先后致辞。

朱老师首先指出物理学是实验科学，实验研究在物理学的发展中发挥了不可或缺的重要作用。他说明基地的功能有3项：

(1) 为同学们提供自主开展科学实验的园地；

(2) 作为准备各项实验竞赛的场所；

(3) 基础实验技术培训的平台。

闻处长和阮主任都对建设科研实践基地的创举给予高度评价，期待它为培养有突出实验技能的物理学家作出贡献。物理系老前辈熊家炯教授也即席发言，热烈祝贺基地的建成。教务处代表、基地任课老师和实验中心多位老师都参加了启动仪式。

从此，科研实践基地(以下简称“基地”)成为“清华学堂物理班”着力建设的重要活动平台，特别针对当前重理论、轻实验的不良倾向和缺乏实践能力的弱点，期望借助实践基地的推动，物理学堂班的同学们能够受到更全面的培育，提高实验技能、发扬创新精神。

基地设在实验物理教学中心，中心主任张留碗老师和副主任常缨老师给以指导和协调， 中心老主任葛惟昆老师具体负责。基地实验室目前包括“纳米制备与器件” (在纳米中心)、“电子学”和“光学”3部分。基地开设两种课程：基础培训课和实验课。先后任课的老师有姜开利、李群庆、蒋硕、宁传刚、王晓峰和张有宏等，参与技术支持的实验技术人员有陈默轩、丁小冬、常缨、付敏学和张钊等老师，目前每个学年报名参加基地活动的学堂班同学大约在20～30名左右。基地也会逐步向全体同学开放。利用实验室外的其他条件，还可以开展天文观测、机加工基础培训等活动。

在基础培训课方面， 除“纳米制备与器件”、“电子学”和“光学”3部分， 还有王晓峰老师讲授的“天文学”讲座。

此外，基地也为CUPT等物理实验竞赛提供准备的场地，并鼓励同学开展自行设计和研究型实验。

1 关于课程

1.1 光学课

从2013年开始，蒋硕和丁小冬两位老师设计搭建了一系列光学实验，重点在于让学生掌握在科研实践中广泛用到的基础的光学实验技能和学习使用实验仪器，而不是仅仅验证些现象。这些光学实验包括：(1)光路调节；(2)光束整形；(3)光纤耦合；(4)频谱分析；(5)偏振控制；(6)外腔半导体激光器(ECDL)搭建。

自2014—2015年度春季学期开始，这一系列实验成为研究性实验选题课程的光学部分，迄今为止已经开了4次课，有32位学堂班/物理系同学选修了光学部分实验课程。学生反映良好。

1.2 电子学

电子学部分由宁传刚老师负责， 张钊老师协助。具体内容如下：(1) 电子学基本知识：如工具的使用，同轴电缆制作，阻抗匹配等方面的知识。(2) 三极管，运算放大器的基本知识：搭一个小电路，了解放大器各参数对信号放大的影响。(3) 设计一个电路，包括画原理图，画PCB板，联系厂家加工，购买元器件，焊电路板，调试电路；(先后制作了测量Muon寿命的电路，空气颗粒物数密度测量电路，高压快速脉冲开关电路)。(4) 用所制作的电路进行实际测量。已经开了4次课，有14位学堂班/物理系同学选修了电子学部分实验课程。

1.3 微纳米结构的制备技术与纳电子器件

微纳米电子学部分由姜开利和李群庆老师负责。

纳米加工技术的兴起与发展极大地推动了各个科学领域的基础研究。随着材料尺度的减小，由于表面效应、体积效应和量子尺寸效应的影响，材料的物理性能和器件性能都会发生显著的变化，因此一维以及二维材料成为近年来的研究热点。将纳米尺度甚至原子层次的微纳米加工技术与之结合，有可能发现材料在纳米尺度下新的物理性质和器件功能。因此，微纳米加工技术是当今高技术发展的重要领域之一，是实现功能结构与器件微纳米化的基础。借助微纳米加工技术，我们可以根据需要来设计、制备具有优异性能的纳电子学器件、纳米光学器件以及光电子器件。

本课程首先讲述了微纳米加工技术的工艺流程、原理和进展。以基于二维纳米材料石墨烯的场效应电学器件的制备为例，带领学生们从器件结构设计开始，学习了石墨烯转移方法、电子束曝光技术、蒸发镀膜技术、刻蚀技术等器件制备技术，之后利用原子力显微镜等显微观测手段、拉曼光谱表征技术对纳米材料和器件进行了表征分析，最后利用探针台和半导体参数测试设备对石墨烯场效应管进行了电学性能测试。根据测试结果提取了器件的迁移率和接触电阻等关键电学参数，分析了影响器件性能的可能影响。

本课程的设计初衷是希望给学生一个完整的科研训练，也基本达到了这一目的。学生们表示通过本课程的学习，掌握了实际科研所要用到的基本技能，获得了真正实用的知识，了解了科研工作的方式方法，对于今后的seminar工作有很大的促进作用。

2 实践基地对实验竞赛发挥了重要作用

中国大学生物理学术竞赛(英文简称CUPT)是一项以团队对抗为形式的物理竞赛。每届比赛共有17个开放性的物理题目，培养学生的开放性思维能力和分析解决实际物理问题的能力。参赛学生就这些实际物理问题的基本知识、理论分析、实验研究、结果讨论等进行辩论性比赛。

CUPT采用国际IYPT的题目和赛制，选择题目通常来自生活的物理现象和成本较低的小实验。学生从阅读文献，重复实验现象，进而提出物理模型解释实验结果，到撰写论文并参加比赛展示自己的成果，对学生基本科研能力和规范是很好的训练，也是先期体验科研的一种很好的方式。实践基地是学生开展这项比赛的重要场所，从成立到现在，每年比赛都有约10人在实践基地开展实验探究，特别是假期，主力队员更是长时间泡在实验室，这可能是实践基地利用最充分的一个功能。

CUPT锻炼学生分析问题、解决问题的能力，培养科研素质，还能培养学生的创新意识、团队合作精神、交流表达能力。清华大学物理系鼓励和支持学生参加学术竞赛。科研实践基地为学生参加比赛提供了非常好的条件。参赛队伍由宁传刚、陈宏老师带队，葛惟昆老师也曾经到比赛现场观摩。学生在基地讨论实验方案，进行实验准备及反复多次的实验探讨和改进，并进行结果的分析。基地给学生提供了时间灵活的科技创新空间和实验器材及良好的氛围。学生乐在其中，通过参加清华大学校内选拔赛、华北地区赛及全国的学术竞赛，锻炼了自己设计实验的能力，拓宽了知识和视野，培养了团队合作精神，同时在物理理论、物理实验、物理仿真、物理建模等各方面都有了较大的提高，在比赛中也取得了较好的成绩。

学生竞赛的实验照片

3 自主开展实验研究

鼓励学生到实践基地自主开展实验研究是建设基地的一大初衷，但目前还没有充分展开。实际上，实验中心针对物理系的学生，在其大二下的时候开设研究性实验课程。研究性实验课程所涉及的实验，大部分是基于已经做过的实验，但是在此基础上，由教师提出一些研究性内容。学生根据这些研究性内容，利用实验室提供的积木式仪器(通常比较原始)，自行设计和完成实验，完成数据分析和报告的撰写。研究性内容在讲义和教案中没有指导内容，学生必须自己去寻找参考书和参考文献。这里举两个实验为例：用小数重合法精确测量F-P干涉仪的厚度，或者用F-P干涉仪测量H-D光谱的波长差。

除此之外，研究性实验的负责教师还会设计和提出一些实验性内容，可能是学生并没有接触过。例如，教师提供漂移室探测器和闪烁体探测器，然后让学生准备电子学设计并实施宇宙射线成像、谬子衰变的极化效应和电子漂移速度的测量等实验。每个实验均由3位同学组成团队来完成。

这些研究性实验，对于提高学生的实验能力和数据分析能力，成效比较显著。有些实验经过学生的几次尝试和测试之后，可以成功推广为广大学生使用。有一些由上述研究性实验所开发出来的实验装置或者实验方案，获得过清华大学实验室建设贡献一等奖、全国大学物理实验仪器评比一等奖等奖项。