利用研究型實驗培養學生能力的探索和實踐
——以“晶體光折變效應與光存儲”實驗為例

陳 靖，陳宗強，錢 鈞，孫 騫

(南開大學 基礎物理實驗教學中心，天津 300071)

利用研究型實驗培養學生能力的探索和實踐
——以“晶體光折變效應與光存儲”實驗為例

陳 靖，陳宗強，錢 鈞，孫 騫

(南開大學 基礎物理實驗教學中心，天津 300071)

為實現培養創新人才的教學目標，在基本的近代物理實驗基礎上，將部分科研成果轉化為研究型系列化實驗教學內容，實現了近代物理實驗以課題為教學核心的教學體系改革. 以光折變效應和光存儲實驗為例，介紹了研究型系列化實驗的實踐過程. 教學實踐表明：研究型實驗教學提高了學生的自主研究能力和科技創新能力，教學效果良好.

近代物理實驗；研究型實驗；創新；光折變效應

近代物理實驗是繼普通物理實驗之后物理專業學生必修的一門基礎課程，具有很強的技術性、系統性和綜合性. 在課程的選題上，多數來源于在物理學發展史上起到了重大作用的經典實驗. 然而，隨著科技日新月異的發展，需要將與物理學密切相關的新內容、新技術、新方法及時充實到近代物理實驗教學中，與時俱進，構成新的近代物理實驗課程體系. 基于此出發點，在經典的近代物理實驗的基礎上，依托我校優勢學科將部分研究成果轉化為實驗教學內容，開設了研究型系列化實驗內容. 通過研究型實驗的建設和探索，建立以問題和課題為核心的教學新體系，實施以學生為主體的本科人才培養和研究型學習教學改革，調動學生學習的主動性、積極性和創造性，激發學生的創新思維和創新意識[1-2].

1 重視基礎能力培養，開展多層次的實驗教學

1.1 做好基礎近代物理實驗

近代物理實驗是我校物理專業本科生接觸的第一門綜合性實驗課程，面向物理學院全體三年級本科生開設. 1個近代物理實驗就是1個小課題，實驗結果往往是多個學科知識和技術綜合運用的成果. 在課程選題上，基礎的近代物理實驗幾乎包含了物理學的各個分支：核物理、原子物理、光學、X射線和電子衍射、磁共振、微波物理、高溫超導等. 通過這些傳統的近代物理實驗的學習，學生可以在物理實驗的基礎知識、基本方法、基本技能和科研思維等方面受到系統的訓練，培養學生基本的實驗能力、良好的實驗習慣和嚴謹的科學作風，使學生逐步地增強綜合實驗素養和創新意識. 同時，扎實的近代物理實驗技能的訓練，也為后面開展的研究型實驗打好基礎，做好理論知識和動手能力的儲備.

1.2 開展多層次的研究型物理實驗

根據南開大學培養全面發展、特色鮮明的拔尖創新人才的辦學目標要求，為了在近代物理實驗教學中進一步鍛煉學生的實踐能力和創新能力，我們在教學中開設以研究課題為教學核心的系列研究型實驗. 研究型實驗多選題于當代的前沿學科，課題涉及的物理內容廣泛而深入，僅僅依靠傳統的授課單元完成某個實驗課題在時間上是遠遠不夠的. 因此，把研究課程設計為系列化實驗題目. 對于研究課題中要求學生需要具備的基本知識點和基礎實驗技能，在基礎近代物理實驗中開設相關教學內容，為研究型實驗做好知識儲備. 針對研究型實驗，設計系列研究子題目分多課時單元進行，由淺入深引導學生自主研究學習，形成從低到高、從基礎到前沿、從傳授知識到綜合能力培養、逐級提高的研究型實驗教學體系.

2 將科研成果轉化為研究型實驗教學內容

學科優勢是南開大學“物理學人才培養基地”建設以及教學改革賴以成功的基礎. 將優勢學科的部分科研成果轉化為實驗教學是開展研究型實驗很好的改革思想. 目前，近代物理研究型實驗題目很多都是來源于此[3-5]. 為保證實驗題目的廣泛性，在現有實驗設備的基礎上，近年來我院購置了全息光存儲實驗平臺、可見-紫外光譜儀、紫外光刻機、計算機集群、核磁共振光譜儀、X射線衍射儀、仿真模擬軟件等，用于近代物理研究型實驗的教學使用. 利用本單位的科研成果轉化為實驗教學的改革思想搭建的教學平臺，既包含新的知識內容又具有科學研究的前瞻性，是基礎性教學和創新性教學很好的結合. 通過學習使學生親身體驗所處的教學科研環境，增強其對本學科的興趣和感性認識.

例如，在近代物理實驗中開設的“晶體光折變效應與光學存儲”研究型系列化實驗由我院的科研成果轉化而來[2]. 物理學院在20世紀80年代開始研究人工生長光折變材料，其中“摻鎂鈮酸鋰”被國際同行賦予“中國之星”的美譽. 在人工生長材料基礎上，深入研究了其光折變非線性光學性質及其在海量數據存儲方面的應用. 本研究型實驗取材于物理學院許京軍教授主持的“863”項目“光折變三維全息海量數據存儲”、天津市重大科技攻關項目“三維光子存儲器及其應用”和“光折變新效應、機理與器件研究”國家自然科學二等獎(Z-107-2-02，許京軍，等)的部分內容，屬于非線性光學和光子學研究領域范疇. 本實驗課程的開設為學生了解物理學院光學學科優勢提供了很好的途徑. 實驗涉及了雙折射、晶軸、弱光非線性光學、三維全息存儲等基本物理概念，包含了弱光光致折射率變化等前沿科研內容. 授課教師由參與過上述科研項目的教師擔任，教師和學生交流自身的科研體會和經驗，激發了學生自主學習研究的積極性. 通過本實驗的訓練開闊了學生的視野，加深了學生對基礎光學知識的理解，鍛煉了學生的實驗能力，培養了學生的探索精神和創新意識.

2.1 階梯化的實驗設置

光折變效應實驗包含了眾多物理內容，為了便于學生逐步學習，我們進行了多層次的實驗安排. 其中，包含有理論課的講授、光散射的觀察和光軸的確定、光路的調節和擺放、衍射效率的測量、三維全息存儲、表面等離子激元的激發等.

盡管學生在本科二年級已經系統學習了光學課程，了解基本的雙折射和全息等概念，但是，對于非線性光學學生大都沒有接觸. 因此，在課程安排上，首先進行的是理論課的學習. 通過理論課程的補充，幫助學生回顧光學全息照相、雙折射現象、偏振和波片的原理等光學知識，也向學生介紹光折變效應、弱光非線性、傅里葉成像、光波耦合、體相位光柵和光感應光散射等非線性光學內容. 為學生提供基礎的理論儲備，有助于學生對將要開展實驗的理解和探索.

按照實驗內容和實驗操作的難易，實驗部分首先安排了光散射的觀察和光軸的確定. 把光折變 Fe∶LiNbO3晶體樣品放在透鏡焦距附近，當激光輻照在晶體上時，立刻會在觀察屏上看到由于光折變效應(光感應光散射)造成的劇烈變化的透射光斑散射圖樣. 適當調節樣品在焦距附近的位置，可以觀察到散射光斑的散射和收縮. 一般選取樣品通光方向為Y軸，則散射圖樣沿c軸(光軸)方向拉長(圖1)，實驗上常以此判斷樣品的c軸取向. 散射光斑圖樣如圖2所示.

圖1 在光照區附近，光折變Δn隨坐標l的變化示意圖

圖2 自相干圖樣

當樣品位于焦點后時，由自聚焦效應形成的正透鏡減小了入射光束的發散性，此時位于遠場的小孔探測器測得了較大的透射功率(圖3). 這樣就形成了自聚焦介質Z掃描曲線的特性：焦點前曲線出現谷值，焦點后曲線出現峰值(圖4). 所以非線性介質的折射率改變Δn的符號由Z掃描曲線的形狀直接可以得出，Δn的數值亦可由Z掃描曲線的峰谷差值求得.

圖3 Z掃描實驗配置圖

圖4 典型的Z掃描曲線

實驗觀察到光折變現象后，可以進行衍射效率測量和光存儲實驗. 這些實驗涉及的光學元件較多，因此光路的調節與擺放對學生是很好的實驗動手能力的訓練機會. 使用波長514.5 nm的氬離子激光器作為光源，利用雙光束耦合方法，觀察晶體光折變效應形成的衍射光柵的衍射現象. 利用1束不會產生光折變效應的光束(讀出光)，例如波長632.8 nm的He-Ne激光器，可以測量晶體樣品的衍射效率. 光路示意圖如圖5所示.

光存儲實驗同樣是基于兩波耦合法. 如圖6所示，2束相干的寫入光(一束為信號光，另一束為參考光) 一同照射在光折變晶體上，形成干涉圖樣. 晶體被周期性變化的光強輻照后，由于光折變效應使折射率產生同樣的周期變化，即形成相位光柵. 此時，讀出光透過相位光柵時將發生衍射，衍射花樣與寫入的信號一致. 這樣就實現了信息的存儲與讀出.

圖5 兩波耦合實驗示意圖

圖6 光存儲實驗裝置示意圖

此外，基于光折變效應還可以設計多個實驗題目，涉及眾多光學內容. 例如：多次寫入圖像對衍射效率的影響，磁場作用下的光折變效應，基于光折變材料的表面等離子激元的激發，等等.

2.2 可選擇的實驗內容

基于鈮酸鋰光折變性質開設了多個實驗，學生可以根據自己的興趣選擇實驗題目. 對于每個實驗子題目，也設計了不同程度的實驗內容. 例如光的衍射效率的測量，可以分為基礎部分和選做部分：基礎部分包括光路的調節，兩波耦合寫入光柵和衍射光的讀出；選做部分包括衍射效率隨時間的變化、衍射效率與寫入角的關系、寫入光強與衍射效率的關系、多圖寫入對衍射效率的影響、磁場作用下的衍射效應等[6-7]. 多層次的實驗內容可以滿足不同學習程度和不同實驗能力學生的學習需要. 盡管學生們有著不同的學習目標，但是通過實驗內容的選擇，都可以實現充分的實驗訓練.

3 以學生為主體的個性化教學

3.1 培養學生自主研究能力

研究型物理實驗以科研實踐為主題，學生直接參加到調研實驗課題、選擇研究內容、設計實驗方案、進行實驗調試、總結實驗成果到最后的實驗答辯報告的每個研究環節. 通過研究型系列化實驗的訓練，學生可以感受科學研究的全過程，學到更新的科學知識，得到獨立科研能力的鍛煉.

在具體教學中，學生以小組形式共同完成研究型題目. 1個研究型實驗一般在4周內完成. 在實驗開始的第1周，學生根據指導教師提供的實驗題目和基本材料進一步細化研究方向、實驗目的和實施步驟. 研究小組中的每位學生分別負責相對獨立的子課題，大家又共有研究目標，通過實驗中的分工協作增強學生的科研合作意識. 在任務明確后，學生要根據自己的研究工作進行相關文獻的查閱. 要求學生在課題的研究意義、實驗原理、國內外的發展現狀、研究內容、實驗裝置、實驗方法步驟、主要困難和解決辦法、實驗結果的預期價值等方面進行開題報告. 在獲得研究組成員和指導教師的評審通過后，方可進行實驗. 后3周時間為實驗調試、分析研究階段. 在這一階段仍以學生的自主研究為主，指導教師只對出現的問題進行啟發性提示，而不做具體的講解. 學生根據教師的提示，通過回顧基礎近代物理實驗中的相關實驗知識儲備和文獻資料的查閱，自行解決實驗出現的問題. 對于實驗獲得的結果，要求學生自主分析其正確性和內在的物理機制，小組成員間進行討論匯總，最終完成實驗的預期目標，每位學生根據自己的研究側重點獨立撰寫科研論文形式的實驗報告. 在1個完整的課題的訓練過程中，以某研究課題為教學核心，學生始終是授課中的主體，教師作為輔助幫助學生確立正確的研究方向和目標，充分調動學生學習的主動性、積極性和創造性，激發學生的創新思維和創新意識.

3.2 有針對性的個性化教學

“興趣是最好的老師”，學生對實驗課程的興趣是激發學生自主學習和創新意識的關鍵. 在研究型實驗教學過程中，打破傳統的安排實驗題目、既定實驗內容的教學模式，由教師提供若干研究方向，學生根據興趣選擇實驗題目，組成研究小組進行學習. 在實驗第1周開題討論階段，學生自行選擇感興趣的研究方向，教師在所具備的實驗條件基礎上充分尊重學生的選擇，安排學生進行實驗研究. 在實驗調試測量階段，教師要因材施教，幫助學生依照自己的興趣和特長及時調整實驗研究內容，以保證實驗的順利完成. 通過實驗訓練使學生了解自身的優劣勢，使其在今后其他研究工作中有更清晰的自我定位，最大程度地發揮學生的創新潛能.

4 建立完善的考核機制

合理的考核模式是保證教學質量和人才培養的關鍵. 為培養物理學科研究型拔尖人才，要求我院拔尖人才培養計劃學生必修研究型近代物理實驗，同時也鼓勵其他專業學生根據興趣選擇參與. 對于參加實驗的學生，其研究實驗成果算入近代物理實驗成績中，實行等級加分制，調動學生學習的主動性、積極性和創造性，鼓勵學生發展科研能力和創新能力.

根據研究型實驗的特點，采取全程跟蹤考核的方式，分別對學生的課題調研、開題報告、實驗操作、實驗結果、分工合作、實驗報告和答辯報告進行考核. 在課題調研和實驗操作階段，要求學生積極主動地完成所負責的研究內容，并且能夠很好地進行小組成員間的交流合作. 實驗結束后要求學生獨立撰寫科技論文格式的實驗報告，培養學生處理實驗數據、總結實驗結果、撰寫論文的能力. 對于好的實驗報告，教師可進行推薦發表. 在上交實驗報告的同時，要求學生準備研究課題的答辯報告. 研究成果報告會由指導教師組成評委組，組織進行研究型實驗的全體學生參加，每位學生要對自己負責課題的基本原理、研究內容、實驗方案和取得成果進行匯報展示. 指導教師和其他學生就相關問題進行提問，答辯學生進行現場回答. 通過答辯過程，師生共同討論交流該課題的研究內涵、存在的問題和今后要改進的方向. 這方面的訓練為學生在參與本科生創新科研“百項工程”、國家大學生創新性實驗計劃、大學生物理實驗競賽、畢業論文(設計)等工作奠定了基礎并積累了經驗.

5 研究型實驗教學的總結和探索

經過近7年來研究型系列化近代物理實驗教學體系的不斷改革和優化，我們積累了優秀實驗題目和教學經驗，有效地提高了近代物理實驗教學質量，鍛煉了學生的自主學習能力、綜合實驗能力和科研創新能力，受到學生的廣泛歡迎.

在近代物理實驗教學過程中，我們要重視基礎實驗能力的培養和對基本實驗知識的儲備，這是做好研究型實驗的關鍵. 在基本實驗基礎上開展多層次系列化的研究型實驗，使近代物理實驗課程形成逐步深化的課程體系，實現培養學生學習能力、實踐能力和創新能力的教學目標.

在研究型實驗教學中，要始終以學生為主體. 充分發揮學生學習的積極性和主動性，要尊重學生的興趣和特長，由學生自主選擇感興趣的實驗題目，自由組成研究小組. 每個研究組人數以3人為宜，適當的人員組成既保證了學生創新能力和實驗能力的有效鍛煉，也保證了科研工作中的分工合作得以體現. 開設研究型實驗要求教師精心準備實驗題目，選題方面最好是由指導教師主持或參與的優秀科研成果轉化而來的實驗內容. 教學內容來自教師的研究方向，在教學過程中可以更加深入地同學生探討實驗研究價值和實驗研究方案等. 另外，指導教師要明確自己在研究型教學中的定位不同于傳統教學的傳授模式，在實驗過程中教師只是“幫助”學生順利完成實驗，為學生創造有利于進行研究型實驗學習的環境和途徑，啟發學生自主地發現問題、解決問題和總結實驗成果并加以運用.

研究型實驗不同于基本近代物理實驗的基礎不變性，隨著科技的不斷發展進步，需要與時俱進地不斷增加、替換實驗內容，以保持研究型實驗的前沿性和創新性. 在近代物理研究型實驗的不斷建設過程中，要始終堅持“以學生為本”的教育理念，為實現培養全面發展、特色鮮明的拔尖創新人才教育目標發揮應有的積極作用.

[1] 高立模，黃培中，趙守珍，等. 開放性實驗教學的嘗試[J]. 大學物理，2000，19(6)：29-30.

[2] 高立模. 近代物理實驗[M]. 天津：南開大學出版社，2006:239-340.

[3] 陳靖，陸文強，孫騫. 表面等離子體環形共振器的濾波性質[J]. 物理實驗,2012,32(7):6-9.

[4] 陳靖，陳宗強，錢鈞，等. 基于T型表面等離子體波導的雙向分光器[J]. 物理實驗，2014,34(增):3-6.

[5] 錢鈞，劉麗軍，張春玲. 利用時域有限差分法模擬金納米球及球殼的光學特性[J]. 物理實驗,2015,35(2):1-4.

[6] 陸文強，陳靖，孫騫，等. 鈮酸鋰晶體中光折變全息光柵的衍射效率均勻化研究[EB/OL]. http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/2011-02-03.

[7] 齊繼偉，李玉棟，許京軍，等. 鈮酸鋰晶體中的磁光折變效應研究[J]. 物理學報,2007，56(12)：7015-7022.

[責任編輯：任德香]

Exploration and practice on cultivating student’s innovationability in investigative modern physics experiment——Taking crystal photorefractive effect and optical storage experiment as an example

CHEN Jing, CHEN Zong-qiang, QIAN Jun, SUN Qian

(School of Physics, Nankai University, Tianjin 300071, China)

To achieve the goal of training innovative talents, parts of our scientific research were transformed into investigative physics experiments, which were based on the classical modern physics experiment. The core teaching goal of focusing on the research subjects was built via our development of teaching reform. The practice and exploration of the investigative experiments were introduced, which was illustrated by the case of photorefractive effect and optical storage experiment. The teaching results indicated that student’s independent research and technological innovation capability were developed, the teaching effect was satisfactory.

modern physics experiment; scientific investigative experiment; innovation; photorefractive effect

2016-05-30；修改日期：2016-07-14

國家基礎科學人才培養基金項目(No.J1210027)；南開大學教學改革項目

陳 靖(1980-)，女，天津人，南開大學物理科學學院講師，博士，研究方向為納米光子學、非線性光學.

G642.423

B

1005-4642(2017)04-0039-05

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文