莊 娟 楊 華 李建東 賈 莉 姚 志 滕永杰 劉永新

（大連理工大學物理與光電工程學院，遼寧 大連 116024）

近代物理實驗是一門知識面廣、綜合性強的實驗課程。開設(shè)的目的是通過全面系統(tǒng)的學習，豐富和發(fā)展學生的物理思想，提高學生科學地分析、研究和解決問題的能力，為后續(xù)的學習和科學研究打下堅實的基礎(chǔ)[1,2]。目前的教學模式是按照實驗內(nèi)容的難易進行劃分，把實驗內(nèi)容分成兩個學期來進行。第一個學期首先進行原理比較簡單、實驗操作比較容易的實驗；有了這個基礎(chǔ)以后，下一個學期再進行一些動手稍微難一些的實驗。這樣的劃分會造成實驗內(nèi)容的割裂。我們的改革思路是：根據(jù)不同專業(yè)的特點選做不同系列的實驗，如拉曼光譜系列、薄膜系列、微波系列、微弱信號檢測系列、磁共振系列、光纖系列和信息光學系列等，這些實驗具有系列化和系統(tǒng)化，通過對實驗過程的深入學習和不同測量方法的對比，可以掌握這一方面的測量思路和手段，對提高學生的綜合實驗能力起到了促進作用。

1 系列化實驗內(nèi)容的設(shè)計

針對近代物理實驗的授課對象，把系列化實驗分為針對本科生的基礎(chǔ)和現(xiàn)代技術(shù)系列，以及針對研究生的專題研究系列。基礎(chǔ)系列主要是讓學生了解實驗的原理和實驗的方法。把近代物理實驗中那些獲諾貝爾獎的實驗，按照不同的內(nèi)容分成不同的小系列，使學生充分理解這些實驗背后的物理思想，如塞曼效應實驗，電子衍射實驗，黑體輻射，原子光譜等實驗。現(xiàn)代技術(shù)系列，主要有納米技術(shù)、激光技術(shù)、光纖技術(shù)、高溫超導、非線性電路混沌等。這些實驗技術(shù)與我們現(xiàn)代的檢測技術(shù)和研究息息相關(guān)，都是現(xiàn)代科學研究中不可缺少的。在專題研究系列中，根據(jù)實驗內(nèi)容的物理思想和實驗技術(shù)應用的相關(guān)性，每一個系列的實驗都相互關(guān)聯(lián)并且層層遞進，如薄膜系列實驗，從蒸發(fā)鍍膜實驗開始，了解真空和鍍膜的相關(guān)知識，然后利用橢偏法對鍍好的膜進行厚度檢測，接著利用掃描隧道顯微鏡對薄膜進行形貌的觀察，在掌握了金屬膜測厚的同時，還可以通過空間單點光學相干層析技術(shù)實驗，掌握液體薄膜厚度的測量。這種系列化的“近代物理實驗”教學體系，使得學生綜合實驗能力逐漸提高。針對研究生，這些系列化實驗都是圍繞一個專題來進行，通過對實驗過程的深入學習和不同實驗方法的對比，使研究生基本掌握了這一專題的研究思路。在實驗中，學生置身于一種富有探索和研究性的學習環(huán)境中，積極主動地思考、分析問題，使研究生受到類似于專業(yè)科研人員從事科研的初步訓練，逐步了解科研的方法和思路，為將來獨立從事科學研究工作打下基礎(chǔ)。

實驗題目的選擇主要體現(xiàn)深入、完整和系統(tǒng)化，每個學生選做與自己的科研內(nèi)容相近的同一系列實驗，如磁共振系列（核磁共振、電子自旋共振、鐵磁共振、光泵磁共振以及核磁共振成像儀），微波系列（微波基本參數(shù)測量、微波傳輸特性研究、微波布拉格衍射、微波法測量介電常數(shù)），薄膜特性系列（真空的獲得及測量，真空鍍膜實驗，橢偏法測量介質(zhì)薄膜厚度，X 射線衍射）。比如選做“薄膜特性系列”：讓學生從真空的獲得開始學習，然后利用真空進行鍍銀膜的練習，然后利用橢偏法對得到的薄膜進行厚度測量，再利用X 射線衍射儀對得到的薄膜進行形貌和機理分析。這四個實驗都是圍繞一個主題來進行，通過對文獻的查找、實驗現(xiàn)象觀察、過程了解以及實驗結(jié)果的分析，使研究生初步掌握科研的基本步驟和方法。經(jīng)過這樣的學習過程，能夠促進研究生積極主動地思考、分析問題，使他們得到從事科研的初步訓練，對提高研究生的綜合科研能力起到促進作用。

激光拉曼光譜系列也是我們最新探索的一個系列實驗。激光拉曼光譜實驗是近代物理實驗中一個典型的實驗，也是獲得諾貝爾物理學獎的實驗。它是集光、電和機械為一體的綜合性實驗。2013 年我們實驗室購買了兩臺由北大青鳥開發(fā)研制的RBD-Ⅲ激光拉曼光譜儀。通過該實驗學生可以掌握拉曼散射的基本原理，初步學會根據(jù)拉曼散射光譜來確定分子結(jié)構(gòu)及其簡正振動類型，并測量四氯化碳分子的拉曼光譜。在這個系列實驗中，第一部分是針對四氯化碳樣品進行光譜分析。為了進一步培養(yǎng)學生運用所學知識，解決實際問題的能力，我們把實驗內(nèi)容進行了拓展，形成基于實用和滿足學生興趣的實驗樣品多樣化、內(nèi)容更全面完整的系列化實驗。第二部分是基于食品安全的液體樣品化學成分分析。由于每種物質(zhì)都有對應的“指紋”拉曼光譜，據(jù)此可實現(xiàn)對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、成分、濃度等的檢測。食品安全問題關(guān)乎人的生命及健康，蔬菜、水果上的農(nóng)藥殘留是人們非常關(guān)注的問題，采用拉曼光譜技術(shù)檢測農(nóng)藥殘留的研究已經(jīng)取得了很多成果，可以用于如檢測樂果、敵百蟲等農(nóng)藥的殘留問題。另外，礦泉水的養(yǎng)生和保健功能也是人們關(guān)注的問題，可以嘗試利用拉曼光譜進行水中礦物質(zhì)含量的檢測，例如可以對康師傅、農(nóng)夫山泉、娃哈哈、樂百氏等品牌礦泉水樣品進行拉曼光譜分析。還可以對生產(chǎn)生活中使用的多種液體樣品，如三氯甲烷、乙醇、硝酸、丙酮、苯、可樂、咖啡因，各種食用油等樣品進行光譜分析。第三部分是基于貴重工藝品固體樣品化學成分的檢測，不同材料的拉曼光譜有各自的特征光譜——特征譜，為表征和鑒別材料提供了指紋譜。通過對現(xiàn)有設(shè)備的局部改進，可以對固體樣品，如多晶硅、單晶硅、石英或金剛石進行拉曼光譜分析。由于天然鉆石具有完美的單晶結(jié)構(gòu)，所以會有單一尖銳的拉曼峰，而一些人工雕琢的寶石總會存在雜質(zhì)峰。通過樣品的拉曼光譜分析，讓學生了解拉曼光譜在寶石鑒別領(lǐng)域的重要應用價值。通過上述系列化實驗內(nèi)容進行的探索，能更好地鍛煉學生的動手能力，開拓思維。學生通過日常用品檢測系列實驗的鍛煉，可以更好地了解激光拉曼的現(xiàn)實應用，有利于培養(yǎng)學生的科研興趣，提高學生的綜合科學素質(zhì)。

2 系列化實驗教學方法探索

對于物理系高年級本科生，由于他們在做近代物理實驗之前已經(jīng)做過兩個學期的大學物理實驗，對物理實驗的儀器和設(shè)備基本了解，所以在進行實驗前，教師以提問的形式，針對實驗過程中存在的重點和難點問題進行提問，一方面可以了解學生預習的情況，另一方面可以依據(jù)學生回答問題的情況有針對性地講解實驗；對于工科研究生，首先讓其選擇一套系列實驗題目，教師在第一次上課的時候就講明本系列實驗的研究目標和總體要求，學生在課后認真查找相關(guān)實驗的理論資料，分四次課時完成系列化實驗。對應改革后的系列化實驗要建立與之相適應的考核方式。針對本科生，主要的考核點在實驗操作上，在實驗操作的過程中，允許反復做實驗也允許失敗，讓學生自己分析實驗結(jié)果，總結(jié)自己成功和失敗的原因以及自己的收獲和創(chuàng)新點。對研究生系列實驗，要求在實驗結(jié)束后，以論文的形式，交一份完整的報告，在系列實驗的最后一次進行課堂總結(jié)和討論，對實驗中出現(xiàn)的問題和解決的方法進行探討，并總結(jié)實驗的收獲和體會。針對非物理專業(yè)本科生，考核重點側(cè)重于對實驗中物理思想的理解、實驗現(xiàn)象的觀察以及數(shù)據(jù)結(jié)果的分析。

3 結(jié)語

近代物理實驗體現(xiàn)了先進的科學技術(shù)理念和前沿的實驗技術(shù)和方法，包含眾多對物理學發(fā)展起重要作用的著名實驗。面對眾多的實驗項目，本文提出了一套適合本科生和研究生的不同學生特點的系列化教學方法，在實驗內(nèi)容和教學方法上進行改革和探索，通過系列化的教學模式進一步提高學生的綜合實驗能力，取得了良好的教學效果。

[1] 劉富池, 孔文婕, 譚以威, 等. 近代物理實驗培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力探討[J]. 實驗科學與技術(shù), 2011(9): 114-116.

[2] 劉海霞, 苗洪利, 蓋磊. 近代物理實驗教學改革的研究與實踐[J]. 大學物理, 2010(29): 55-58.