科研前沿融入《近代物理實(shí)驗(yàn)》課程的教學(xué)探討

摘 要：本文對(duì)華僑大學(xué)應(yīng)用物理專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的《近代物理實(shí)驗(yàn)》之《弗蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)》的科研前沿融入的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行探討，重點(diǎn)學(xué)習(xí)并開(kāi)展基于該實(shí)驗(yàn)的飛秒激光與原子分子相互作用等前沿研究，提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)應(yīng)用能力和科研能力。

關(guān)鍵詞：近代物理實(shí)驗(yàn) 科研前沿 教學(xué)探討

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(zhuān)業(yè)一個(gè)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(zhuān)業(yè)知識(shí)應(yīng)用能力和動(dòng)手能力，本專(zhuān)業(yè)相應(yīng)開(kāi)設(shè)了《近代物理實(shí)驗(yàn)》課程。該課程為專(zhuān)業(yè)必修課，共設(shè)置12個(gè)實(shí)驗(yàn)。弗蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)作為其中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，至今仍是探索原子結(jié)構(gòu)的重要手段之一，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)技術(shù)。然而，該實(shí)驗(yàn)開(kāi)展于100多年前，學(xué)生無(wú)法從目前的技術(shù)獲得對(duì)相關(guān)裝置的直觀理解，而目前該實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀。從該儀器中學(xué)生也無(wú)法看到電子和原子碰撞這一關(guān)鍵過(guò)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(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，不僅可以幫助學(xué)生更好地理解該實(shí)驗(yàn)，也有助于培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)應(yīng)用能力和解決問(wèn)題的能力。[1]

一、科研前沿融入教學(xué)

由于本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀，操作簡(jiǎn)便但也使得學(xué)生淡化對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，缺少對(duì)動(dòng)手能力的鍛煉。科研前沿融入本實(shí)驗(yàn)教學(xué)是指在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生基于本實(shí)驗(yàn)的基本原理，并結(jié)合自己所學(xué)知識(shí)拓展至利用類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)方法研究前沿問(wèn)題，主動(dòng)地獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)、解決實(shí)際問(wèn)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(shí)驗(yàn)》的基本原理和基本方法。夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)曾獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，是基于測(cè)量電離電位的實(shí)驗(yàn)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(shí)會(huì)交換某一定值的能量，且可以使原子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)，直接證明了原子發(fā)生躍變時(shí)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(jí)的存在。該實(shí)驗(yàn)涉及的知識(shí)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(lái)，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(shuō)明了《夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)》對(duì)后續(xù)科研前沿研究的指導(dǎo)意義，但也表明了該實(shí)驗(yàn)具有局限性。教學(xué)中，既要讓學(xué)生明白該實(shí)驗(yàn)的重要性，同時(shí)也要讓學(xué)生清楚如何突破其局限并借用最新技術(shù)開(kāi)展研究工作。[3]

其次，在教學(xué)中融入基于《夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)》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(zhuān)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(qiáng)不斷提高，目前已經(jīng)達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1022W/cm2的量級(jí)，將激光與物質(zhì)相互作用的研究拓展到相對(duì)論區(qū)域；2.脈沖壓縮技術(shù)的發(fā)展為人類(lèi)提供了越來(lái)越短的激光脈沖，目前已經(jīng)接近單個(gè)光周期；3.飛秒激光在分子動(dòng)力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)控制、電子微觀動(dòng)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(duì)性，我們將融入教學(xué)的范圍限制在原子分子在強(qiáng)激光場(chǎng)下的電離行為。

由于本人長(zhǎng)期從事該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，并在教學(xué)之余致力于原子分子在強(qiáng)激光場(chǎng)中電離行為的研究，時(shí)刻關(guān)注的科研前沿，對(duì)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(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻和數(shù)據(jù)采集分析等，生動(dòng)地講解相關(guān)知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)研究興趣。在開(kāi)始的時(shí)候設(shè)計(jì)幾個(gè)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(shí)候就相關(guān)科研前沿進(jìn)行討論，以此增加課堂教學(xué)互動(dòng)，提高教學(xué)效果。課堂后，讓有興趣的學(xué)生參與進(jìn)項(xiàng)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(jì)或者科研論文打下基礎(chǔ)。[4]

落實(shí)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(diǎn)強(qiáng)調(diào)了經(jīng)典實(shí)驗(yàn)技術(shù)推廣運(yùn)用的思想，以及相關(guān)的科研前沿研究?jī)?nèi)容。在科研領(lǐng)域的選擇方面，教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)同學(xué)們對(duì)實(shí)驗(yàn)上的飛秒時(shí)間譜儀法測(cè)量能譜很感興趣。我們針對(duì)性地與相關(guān)校內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展合作，讓學(xué)生實(shí)地考察并具體操作，提高對(duì)相關(guān)技術(shù)的理解和運(yùn)用能力。在理論上，大部分學(xué)生對(duì)利用劈裂算符法求解含時(shí)薛定諤方程比較感興趣。該方法可以精確獲得原子在外場(chǎng)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(shí)用于解決實(shí)際問(wèn)題，獲得對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)應(yīng)用的成就感。通過(guò)科研融入教學(xué)，讓同學(xué)們更深刻的本實(shí)驗(yàn)及其延伸出來(lái)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的基本原理和基本方法，除了掌握課本上的知識(shí)外，還了解如何基于所學(xué)知識(shí)解決激光場(chǎng)與原子分子相互作用等前沿科研問(wèn)題。[5]

結(jié)語(yǔ)

總之，針對(duì)《近代物理實(shí)驗(yàn)》之《弗蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)》教學(xué)中存在的問(wèn)題，進(jìn)行了科研前沿融入教學(xué)過(guò)程的改革和嘗試。通過(guò)近三年對(duì)課實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)實(shí)踐和學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)效果來(lái)看，進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(lèi)科研平臺(tái)開(kāi)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。

參考文獻(xiàn)

[1]張明長(zhǎng)，劉冬梅.夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展與完善[J].物理實(shí)驗(yàn)，2006，26（10）：32～34.

[2]藍(lán)信矩.激光技術(shù)[M].第三版北京：科學(xué)出版社，2009.

[3]沃爾夫?qū)ご髂诽厝鸬?激光光譜學(xué)[M].第四版北京：科學(xué)出版社，2012.

[4]魏志義等.超快光學(xué)研究前沿[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2012.

[5]盛政明等.強(qiáng)場(chǎng)激光物理究前沿[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2012.

作者簡(jiǎn)介

林志陽(yáng)（1984一），男，華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，博士，講師，研究方向：飛秒激光與原子分子相互作用。