開展可見光—紅外線—太赫茲波成像系列實驗培養開展可見光—紅外線—太赫茲波成像系列實驗培養

摘 要 物理學的研究成果有力推動了三次工業革命的發展。進入新世紀以來，量子計算、低維物理、量子探測等現代物理研究成果正在促進第四次工業革命暨工業4.0向縱深發展。筆者在大學物理實驗中規劃布局多層次物理實驗題目，以開展可見光紅外線太赫茲波探測與成像系列實驗為例，介紹了學生深刻理解不同波段的電磁波在新舊產業領域應用性的異同。這一教學模式有利于學生掌握近現代物理成果與實驗綜合技能，培養他們成為解決新產業領域面臨的真實問題的新理工科人才，從容面對新技術革命與職業選擇。

關鍵詞 多層次物理實驗;三次工業革命;工業4.0 ;可見光—紅外線—太赫茲波成像

1 物理學的發展有力推動了新產業的建立

基礎物理科學理論成果與實驗技術進步有力地促進了三次工業革命，特別是近代以來，物理學量子論與相對論的發展與完善，促進了包括半導體信息技術、空間與探測技術、磁共振技術、激光與光纖光譜技術、微波與射頻通信技術、核能等近代諸多工業體系的建立與高速發展，使得人們的生產生活方式變得日益舒適與便捷。進入21世紀以來基于量子物理二次發展、凝聚態物理低維體系新奇光電性能開發、集成光子學及量子光學深入發展，量子信息融合人工智能[1-4]、寬光譜探測多傳感器融合助力自動駕駛[5-6]、太赫茲無損安檢與特征譜檢測[7-8]、量子關聯成像[9]等工業4.0暨第四次工業革命新產業領域向縱深發展。四次工業革命曾經以及正在深刻地改變人類生產生活方式，如何在大學物理實驗規劃與題目設置方面不斷與時俱進，及時反映物理科學技術的進步對理工科工業體系相關高技術的建立與真實問題解決的基礎性塑造與迭代推動作用，使得理工科大學生通過多層次物理實驗題目學習，具有一定的科學發展全局視野，以及綜合性的物理實驗技能，將來從容面對新技術革命與職業選擇，實現超前高技術儲備，具有歷史與現實意義。

2 多層次物理實驗規劃原則

遼寧大學物理學院基礎與近代物理實驗室承擔面向全校理工專業 “普通物理實驗”“近代物理實驗”和“專業與應用物理創新研究型實驗”等物理實驗課程的建設與開設。在學校教務處“真實問題導向下人才培養系列文件”的指導下以及物理學院“實踐教學積極探索真實問題導向下人才培養模式教學改革精神”的引領下，基礎與近代物理實驗室在規劃設計面向全校相關理工專業物理實驗時，系統地考慮了物理科學發展成果與實驗技術進步對解決產業領域所面臨的真實問題的基礎性關聯。通過全局規劃普通物理實驗近代物理實驗專業與應用物理創新研究型實驗多層次物理實驗題目建設，著力提高理工科大學生綜合物理實驗技能，使其具備在近代第三次工業革命相關工業體系工作解決面臨的真實問題的物理實驗實踐能力，并初步奠定在工業4.0新產業領域所面臨的科學研究以及工程實踐中解決真實問題必要的現代物理實驗高技能儲備。多個周期的物理實驗課程運行表明，真實問題導向下的多層次物理實驗規劃有效促進了遼寧大學理工融合與新工科建設。

3 可見光—紅外線—太赫茲波探測與成像多層次物理實驗題目建設

以建設的可見光—非可見光探測與成像系列實驗為例，多層次物理實驗規劃考慮了可見光—紅外線—太赫茲波在不同產業領域的應用性的異同，分別建設了“人工智能圖像識別實驗題目”———“熱成像無損檢測半導體微芯片電路實驗題目”———“太赫茲波成像非輻射非接觸安檢實驗題目”，關聯電磁波從可見光—紅外線—太赫茲波三個電磁波段的光電探測與成像的技術發展成果，使得理工科大學生進一步深刻理解了理論課涉及的電磁波頻譜與光電效應的物理意義，以及不同電磁波波段在第三、四次工業革命相關產業領域高技術應用方面的成果與解決人類生產生活面臨的真實問題廣闊前景。

在普通物理實驗中開展人工智能圖像識別實驗題目，如圖1所示，指導理工科大學生掌握基于采集可見光成像的工業相機機器視覺代替人眼來進行圖像測量和判斷的基本原理，指導理工科大學生初步掌握人工智能機器視覺基礎內容，初步了解python語言程序設計知識以及基本的機器視覺算法，并了解圖像識別在安防監測、工業產品檢測、醫學設備影像分析等眾多工業領域應用價值。

在 近代物理實驗中開展熱成像無損檢測半導體微芯片電路實驗題目，如圖2所示，在理解黑體及紅外輻射原理的基礎上，通過熱像儀分析場效應管微芯片電路工作時發出的紅外輻射，分析被測器件表面的工作溫度，可以實現快速無損檢測器件與電路故障。紅外線是波長0.76～1000μm的電磁波，大氣層環境中紅外線具有1～2.5μm，3～5μm，8～14μm 三個大氣窗口的特點，實驗的熱像儀波長范圍7.5～14.0μm，處在有效的熱成像大氣窗口范圍內。通過熱像儀高分辨監控微芯片在電路中正常工作時的工作溫度，分析電路工作過載時芯片呈現的異常溫度，可以實現快速處置電路問題。熱成像電路監測實驗使得理工科大學生初步掌握非可見光紅外線探測在第三次工業革命信息技術工業監測領域應用的技能，并初步了解紅外探測成像在工業4.0輔助自動駕駛等產業領域的巨大應用價值，理解紅外探測在多霧、大雨、大雪、黑夜等極端條件下比可見光探測具有的更大優勢。

在專業與應用物理創新研究型實驗中開展太赫茲波成像非輻射非接觸安檢實驗題目，太赫茲波是頻率0.1～10THz之間的電磁波，太赫茲成像在生物醫藥特征譜檢測、安防監控領域有獨特的探測優勢。實驗的太赫茲發射器輸出頻率100GHz， 太赫茲面陣成像器接收頻率范圍50GHz～0.7THz，通過探測信封中隱藏的金屬棒模擬安防實驗，如圖3所示。通過太赫茲波源激發目標物體，結合太赫茲成像相機被動接收目標物體反射的太赫茲波，由于太赫茲波很容易穿透紙張、陶瓷、衣物等材料，可以非接觸發現隱藏金屬違禁物形狀陰影，由于太赫茲波光子頻率很低，從而可以實現無輻射非接觸探測，實驗使得理工科大學生深刻理解太赫茲波具的有安全性、透視性，以及太赫茲波探測成像在安防領域的巨大應用價值。

4 第三次工業革命———工業4.0人才培養展望

從四次工業革命進程可以看到，物理學科成果與實驗技術的進步極大促進同期工業體系的建立，以及在相關產業領域應用物理高技術便捷高效地解決人類面臨的真實問題。目前第三次工業革命暨信息技術發展已經進入后摩爾時代，物理學基礎研究成果正推動工業4.0的到來，第三、四次工業革命過渡期間，經典計算與量子計算的芯片制備與算力提升將并存于世、低維物理體系新奇光電性能與激子特性的持續探索、集成光子學與量子光學以及紅外太赫茲探測的深入發展，將持續助力人工智能、虛擬現實、量子信息、自動駕駛、量子探測成為工業4.0新技術革命的支柱性產業體系。

遼寧大學物理學院基礎與近代物理實驗室在大學物理實驗系列課程中規劃布局多層次物理實驗題目，以利于理工科大學生掌握近現代產業領域需要的前沿物理發展成果與獲得超前高技術物理實驗復合技能訓練，進而從容面對新技術革命與職業選擇，實現超前高技術儲備。目前，基礎與近代物理實驗室以可見光—非可見光探測與成像系列實驗為例，進一步深化實驗內容，擴展人工智能機器視覺從可見光到紅外與太赫茲波段應用范圍，以利于理工科大學生在工業4.0進程中，具備人工智能圖像識別經典算法+紅外與太赫茲寬光譜探測成像，以及初步結合量子關聯成像量子算法的復合實驗技能，在新技術革命相關產業領域占有高技術儲備優勢。

綜上所述，本文以多層次物理實驗規劃開展可見光—紅外線—太赫茲波探測與成像系列實驗培養解決真實問題新理工科人才為例，說明了遼寧大學基礎與近代物理實驗室開展多層次物理實驗系列題目規劃培養適應第三次工業革命過渡到工業4.0解決產業領域真實問題的新理工科人才的建設思路。該教學改革既有堅實的物理科學成果支撐，又有物理高技術前瞻性培訓布局，必將推動我國理工科物理實驗課程建設在新時代向縱深發展，為破解“卡脖子”若干重大科學技術真實問題，培養新時代理工科高水平人才奠定建設物理實驗系列一流課程的堅實基礎。

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基金項目： 教育部產學合作協同育人項目 （202102538017， 220602784135422）資助;2022年遼寧省一流本科課程《近代物理實驗》課程資助;2022年遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目“跨校修讀輔助《固體物理》雙語教學開展工業4.0課程內涵建設”資助;遼寧大學第二批課程思政示范課程《固體物理》資助;遼寧大學本科教學改革項目（LNDXJG20183020）資助。