清華學堂物理系葉企孫班“科研實踐基地”簡介

葛惟昆

(清華大學物理系，北京 100084)

在學校和物理系的大力支持下，由“清華學堂物理班”首席教授朱邦芬院士倡議、策劃，通過相關教師和實驗物理教學中心技術人員一年多的共同努力，“清華學堂物理班科研實踐基地”于2013年12月19日正式啟動。

啟動儀式由項目主任李師群教授主持，朱邦芬院士和實驗室設備處聞星火副處長共同為基地掛牌，他們和物理系副主任阮東教授先后致辭。

朱老師首先指出物理學是實驗科學，實驗研究在物理學的發展中發揮了不可或缺的重要作用。他說明基地的功能有3項：

(1) 為同學們提供自主開展科學實驗的園地；

(2) 作為準備各項實驗競賽的場所；

(3) 基礎實驗技術培訓的平臺。

聞處長和阮主任都對建設科研實踐基地的創舉給予高度評價，期待它為培養有突出實驗技能的物理學家作出貢獻。物理系老前輩熊家炯教授也即席發言，熱烈祝賀基地的建成。教務處代表、基地任課老師和實驗中心多位老師都參加了啟動儀式。

從此，科研實踐基地(以下簡稱“基地”)成為“清華學堂物理班”著力建設的重要活動平臺，特別針對當前重理論、輕實驗的不良傾向和缺乏實踐能力的弱點，期望借助實踐基地的推動，物理學堂班的同學們能夠受到更全面的培育，提高實驗技能、發揚創新精神。

基地設在實驗物理教學中心，中心主任張留碗老師和副主任常纓老師給以指導和協調， 中心老主任葛惟昆老師具體負責。基地實驗室目前包括“納米制備與器件” (在納米中心)、“電子學”和“光學”3部分。基地開設兩種課程：基礎培訓課和實驗課。先后任課的老師有姜開利、李群慶、蔣碩、寧傳剛、王曉峰和張有宏等，參與技術支持的實驗技術人員有陳默軒、丁小冬、常纓、付敏學和張釗等老師，目前每個學年報名參加基地活動的學堂班同學大約在20～30名左右。基地也會逐步向全體同學開放。利用實驗室外的其他條件，還可以開展天文觀測、機加工基礎培訓等活動。

在基礎培訓課方面， 除“納米制備與器件”、“電子學”和“光學”3部分， 還有王曉峰老師講授的“天文學”講座。

此外，基地也為CUPT等物理實驗競賽提供準備的場地，并鼓勵同學開展自行設計和研究型實驗。

1 關于課程

1.1 光學課

從2013年開始，蔣碩和丁小冬兩位老師設計搭建了一系列光學實驗，重點在于讓學生掌握在科研實踐中廣泛用到的基礎的光學實驗技能和學習使用實驗儀器，而不是僅僅驗證些現象。這些光學實驗包括：(1)光路調節；(2)光束整形；(3)光纖耦合；(4)頻譜分析；(5)偏振控制；(6)外腔半導體激光器(ECDL)搭建。

自2014—2015年度春季學期開始，這一系列實驗成為研究性實驗選題課程的光學部分，迄今為止已經開了4次課，有32位學堂班/物理系同學選修了光學部分實驗課程。學生反映良好。

1.2 電子學

電子學部分由寧傳剛老師負責， 張釗老師協助。具體內容如下：(1) 電子學基本知識：如工具的使用，同軸電纜制作，阻抗匹配等方面的知識。(2) 三極管，運算放大器的基本知識：搭一個小電路，了解放大器各參數對信號放大的影響。(3) 設計一個電路，包括畫原理圖，畫PCB板，聯系廠家加工，購買元器件，焊電路板，調試電路；(先后制作了測量Muon壽命的電路，空氣顆粒物數密度測量電路，高壓快速脈沖開關電路)。(4) 用所制作的電路進行實際測量。已經開了4次課，有14位學堂班/物理系同學選修了電子學部分實驗課程。

1.3 微納米結構的制備技術與納電子器件

微納米電子學部分由姜開利和李群慶老師負責。

納米加工技術的興起與發展極大地推動了各個科學領域的基礎研究。隨著材料尺度的減小，由于表面效應、體積效應和量子尺寸效應的影響，材料的物理性能和器件性能都會發生顯著的變化，因此一維以及二維材料成為近年來的研究熱點。將納米尺度甚至原子層次的微納米加工技術與之結合，有可能發現材料在納米尺度下新的物理性質和器件功能。因此，微納米加工技術是當今高技術發展的重要領域之一，是實現功能結構與器件微納米化的基礎。借助微納米加工技術，我們可以根據需要來設計、制備具有優異性能的納電子學器件、納米光學器件以及光電子器件。

本課程首先講述了微納米加工技術的工藝流程、原理和進展。以基于二維納米材料石墨烯的場效應電學器件的制備為例，帶領學生們從器件結構設計開始，學習了石墨烯轉移方法、電子束曝光技術、蒸發鍍膜技術、刻蝕技術等器件制備技術，之后利用原子力顯微鏡等顯微觀測手段、拉曼光譜表征技術對納米材料和器件進行了表征分析，最后利用探針臺和半導體參數測試設備對石墨烯場效應管進行了電學性能測試。根據測試結果提取了器件的遷移率和接觸電阻等關鍵電學參數，分析了影響器件性能的可能影響。

本課程的設計初衷是希望給學生一個完整的科研訓練，也基本達到了這一目的。學生們表示通過本課程的學習，掌握了實際科研所要用到的基本技能，獲得了真正實用的知識，了解了科研工作的方式方法，對于今后的seminar工作有很大的促進作用。

2 實踐基地對實驗競賽發揮了重要作用

中國大學生物理學術競賽(英文簡稱CUPT)是一項以團隊對抗為形式的物理競賽。每屆比賽共有17個開放性的物理題目，培養學生的開放性思維能力和分析解決實際物理問題的能力。參賽學生就這些實際物理問題的基本知識、理論分析、實驗研究、結果討論等進行辯論性比賽。

CUPT采用國際IYPT的題目和賽制，選擇題目通常來自生活的物理現象和成本較低的小實驗。學生從閱讀文獻，重復實驗現象，進而提出物理模型解釋實驗結果，到撰寫論文并參加比賽展示自己的成果，對學生基本科研能力和規范是很好的訓練，也是先期體驗科研的一種很好的方式。實踐基地是學生開展這項比賽的重要場所，從成立到現在，每年比賽都有約10人在實踐基地開展實驗探究，特別是假期，主力隊員更是長時間泡在實驗室，這可能是實踐基地利用最充分的一個功能。

CUPT鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，培養科研素質，還能培養學生的創新意識、團隊合作精神、交流表達能力。清華大學物理系鼓勵和支持學生參加學術競賽。科研實踐基地為學生參加比賽提供了非常好的條件。參賽隊伍由寧傳剛、陳宏老師帶隊，葛惟昆老師也曾經到比賽現場觀摩。學生在基地討論實驗方案，進行實驗準備及反復多次的實驗探討和改進，并進行結果的分析。基地給學生提供了時間靈活的科技創新空間和實驗器材及良好的氛圍。學生樂在其中，通過參加清華大學校內選拔賽、華北地區賽及全國的學術競賽，鍛煉了自己設計實驗的能力，拓寬了知識和視野，培養了團隊合作精神，同時在物理理論、物理實驗、物理仿真、物理建模等各方面都有了較大的提高，在比賽中也取得了較好的成績。

學生競賽的實驗照片

3 自主開展實驗研究

鼓勵學生到實踐基地自主開展實驗研究是建設基地的一大初衷，但目前還沒有充分展開。實際上，實驗中心針對物理系的學生，在其大二下的時候開設研究性實驗課程。研究性實驗課程所涉及的實驗，大部分是基于已經做過的實驗，但是在此基礎上，由教師提出一些研究性內容。學生根據這些研究性內容，利用實驗室提供的積木式儀器(通常比較原始)，自行設計和完成實驗，完成數據分析和報告的撰寫。研究性內容在講義和教案中沒有指導內容，學生必須自己去尋找參考書和參考文獻。這里舉兩個實驗為例：用小數重合法精確測量F-P干涉儀的厚度，或者用F-P干涉儀測量H-D光譜的波長差。

除此之外，研究性實驗的負責教師還會設計和提出一些實驗性內容，可能是學生并沒有接觸過。例如，教師提供漂移室探測器和閃爍體探測器，然后讓學生準備電子學設計并實施宇宙射線成像、謬子衰變的極化效應和電子漂移速度的測量等實驗。每個實驗均由3位同學組成團隊來完成。

這些研究性實驗，對于提高學生的實驗能力和數據分析能力，成效比較顯著。有些實驗經過學生的幾次嘗試和測試之后，可以成功推廣為廣大學生使用。有一些由上述研究性實驗所開發出來的實驗裝置或者實驗方案，獲得過清華大學實驗室建設貢獻一等獎、全國大學物理實驗儀器評比一等獎等獎項。