（華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 福建廈門 361021）

引言

應(yīng)用物理學(xué)是將物理原理、方法應(yīng)用于相關(guān)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用型學(xué)科。目前，華僑大學(xué)“應(yīng)用物理”本科專業(yè)一個重要培養(yǎng)方向就是光電技術(shù)及其應(yīng)用。為了提高學(xué)生的專業(yè)知識應(yīng)用能力和動手能力，本專業(yè)相應(yīng)開設(shè)了《近代物理實驗》課程。該課程為專業(yè)必修課，共設(shè)置12個實驗。弗蘭克—赫茲實驗作為其中的一個重要實驗，至今仍是探索原子結(jié)構(gòu)的重要手段之一，實驗中用的“拒斥電壓”篩去小能量電子的方法，己成為廣泛應(yīng)用的實驗技術(shù)。然而，該實驗開展于100多年前，學(xué)生無法從目前的技術(shù)獲得對相關(guān)裝置的直觀理解，而目前該實驗在各大學(xué)教學(xué)中所采用的裝置是集成化偏高的智能夫蘭克一赫茲實驗儀。從該儀器中學(xué)生也無法看到電子和原子碰撞這一關(guān)鍵過程是如何發(fā)生。因此，將目前最新的飛秒激光與原子相互作用這一科研前沿融入該實驗的教學(xué)中，不僅可以幫助學(xué)生更好地理解該實驗，也有助于培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)知識應(yīng)用能力和解決問題的能力。[1]

一、科研前沿融入教學(xué)

由于本實驗的特殊性，在教學(xué)中采用集成程度較高的FH-2智能夫蘭克一赫茲實驗儀，操作簡便但也使得學(xué)生淡化對所學(xué)知識的理解，缺少對動手能力的鍛煉?？蒲星把厝谌氡緦嶒灲虒W(xué)是指在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生基于本實驗的基本原理，并結(jié)合自己所學(xué)知識拓展至利用類似的實驗方法研究前沿問題，主動地獲取知識、應(yīng)用知識、解決實際問題、培養(yǎng)科研能力的教學(xué)模式。[2]

首先，是讓學(xué)生掌握好《夫蘭克一赫茲實驗》的基本原理和基本方法。夫蘭克一赫茲實驗曾獲得諾貝爾物理學(xué)獎，是基于測量電離電位的實驗裝置，采取慢電子與單元素氣體原子碰撞的辦法，發(fā)現(xiàn)電子和原子碰撞時會交換某一定值的能量，且可以使原子從低能級激發(fā)到高能級，直接證明了原子發(fā)生躍變時吸收和發(fā)射的能量是分立的、不連續(xù)的，證明了原子能級的存在。該實驗涉及的知識涵蓋《原子分子物理》和《量子力學(xué)》等，至今仍是探索原子結(jié)構(gòu)的重要手段之一。近年來，飛秒激光技術(shù)已經(jīng)取代傳統(tǒng)的電子流，成為探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及電離原子外層電子的重要手段。該技術(shù)的應(yīng)用，說明了《夫蘭克一赫茲實驗》對后續(xù)科研前沿研究的指導(dǎo)意義，但也表明了該實驗具有局限性。教學(xué)中，既要讓學(xué)生明白該實驗的重要性，同時也要讓學(xué)生清楚如何突破其局限并借用最新技術(shù)開展研究工作。[3]

其次，在教學(xué)中融入基于《夫蘭克一赫茲實驗》的科研前沿之飛秒激光與原子分子相互作用。這里首先要結(jié)合學(xué)生所學(xué)的專業(yè)課程《激光技術(shù)》給學(xué)生介紹飛秒激光技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的概況：1.啁啾脈沖放大技術(shù)的成熟，飛秒激光脈沖的聚焦光強不斷提高，目前已經(jīng)達到創(chuàng)紀錄的1022W/cm2的量級，將激光與物質(zhì)相互作用的研究拓展到相對論區(qū)域；2.脈沖壓縮技術(shù)的發(fā)展為人類提供了越來越短的激光脈沖，目前已經(jīng)接近單個光周期；3.飛秒激光在分子動力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)控制、電子微觀動力學(xué)、分子生物學(xué)等方面有著重要應(yīng)用。為了使研究更具體更具有針對性，我們將融入教學(xué)的范圍限制在原子分子在強激光場下的電離行為。

由于本人長期從事該實驗的教學(xué)，并在教學(xué)之余致力于原子分子在強激光場中電離行為的研究，時刻關(guān)注的科研前沿，對以上領(lǐng)域都比較了解。本課程以課堂講授為主，利用科研前沿相關(guān)大量的實際實驗過程圖片、動畫、視頻和數(shù)據(jù)采集分析等，生動地講解相關(guān)知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)研究興趣。在開始的時候設(shè)計幾個調(diào)研領(lǐng)域，要求學(xué)生課前除了預(yù)習(xí)教材之外，還要查閱相關(guān)研究領(lǐng)域的信息和資料，然后在課堂內(nèi)容講解結(jié)束的時候就相關(guān)科研前沿進行討論，以此增加課堂教學(xué)互動，提高教學(xué)效果。課堂后，讓有興趣的學(xué)生參與進項目組研究工作中，直接從事相關(guān)研究工作，為后續(xù)做畢業(yè)設(shè)計或者科研論文打下基礎(chǔ)。[4]

落實到具體的科研融入教學(xué)環(huán)節(jié)在本課程的內(nèi)容中，本課程重點強調(diào)了經(jīng)典實驗技術(shù)推廣運用的思想，以及相關(guān)的科研前沿研究內(nèi)容。在科研領(lǐng)域的選擇方面，教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)同學(xué)們對實驗上的飛秒時間譜儀法測量能譜很感興趣。我們針對性地與相關(guān)校內(nèi)外實驗室開展合作，讓學(xué)生實地考察并具體操作，提高對相關(guān)技術(shù)的理解和運用能力。在理論上，大部分學(xué)生對利用劈裂算符法求解含時薛定諤方程比較感興趣。該方法可以精確獲得原子在外場中的電子波函數(shù)，使學(xué)生明白如何將《量子力學(xué)》等相關(guān)課程的知識用于解決實際問題，獲得對專業(yè)知識應(yīng)用的成就感。通過科研融入教學(xué)，讓同學(xué)們更深刻的本實驗及其延伸出來實驗技術(shù)的基本原理和基本方法，除了掌握課本上的知識外，還了解如何基于所學(xué)知識解決激光場與原子分子相互作用等前沿科研問題。[5]

結(jié)語

總之，針對《近代物理實驗》之《弗蘭克—赫茲實驗》教學(xué)中存在的問題，進行了科研前沿融入教學(xué)過程的改革和嘗試。通過近三年對課實驗課程教學(xué)實踐和學(xué)生平時的學(xué)習(xí)效果來看，進行教學(xué)方法改革和融入科研前沿是非常必要的。引入討論式和實驗操作等教學(xué)方式，結(jié)合科研前沿融入課堂教學(xué)，充分利用各類科研平臺開展教學(xué)與科研的融合是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的必經(jīng)之路。