光学实验创新平台的构建与实践

郑　虹，孙腊珍，张增明，朱　玲，王中平，张　权

(中国科学技术大学 物理实验教学中心，安徽 合肥　230026)



光学实验创新平台的构建与实践

郑虹，孙腊珍，张增明，朱玲，王中平，张权

(中国科学技术大学 物理实验教学中心，安徽 合肥230026)

介绍光学创新平台在多层次的大学物理实验课程体系中的构建与实践，光学实验教学如何在高校创新人才培养过程中发挥特长与优势，以及服务于学生基本科学素养和科研工作能力的提升与训练.

光学实验；创新平台；科研能力

“大学物理实验”历来是中国科学技术大学所有学生的必修课程，也是培养学生能力的“核心课程”.物理实验应能激发学生对实验产生兴趣，从而通过实验达到这门课最为重要的培养目标：培养学生的基本科学素养和提升基本科研工作的能力.科学素养和基本的科研工作能力主要体现为以下几个方面：1) 严谨、细致的工作态度；2) 敏锐的观察能力；3) 清晰的逻辑思维、综合判断及创新能力；4) 实际动手能力；5) 科学表达能力.在物理实验课中，我们所需要传递给学生的不仅仅是做什么，更重要的是怎么做，如何做好，从实验中了解掌握了多少，提高发现问题、观察问题、解决问题的能力.为此，我们建立具有我校特色的知识、能力和素质并重的“大学物理实验”多层次教学体系，如图1所示.

光学实验是物理实验教学内容的重要组成部分，对于光的干涉、衍射、偏振的研究是“大学物理实验”课程的重要专题.传统开设的光学实验项目，相对独立，缺乏知识的系统性，学生对原理和规律认识不深，难以发掘设计性、创新性实验的空间，严重削弱了光学实验的创新教育功能.我中心经过近几年的教学改革和实践，构建了光学实验创新平台，注重实验内容之间的衔接和联系，强化了原理性的认识环节，在基本实验内容的基础上，增强实验的设计性、研究性和应用性，设计了创新研究性实验内容环节，实践教学取得了良好效果.

图1　多层次的大学物理实验课程体系示意图

1　光学实验的调整技术和技能的培养

在多层次大学物理实验课程体系中，加强学生对光学实验的调整技术和技能的训练，从分光计、光学导轨与光学平台、迈克耳孙干涉仪、椭偏仪、单色仪，到多种现代光学测量技术，逐层形成了掌握、提高，到最后应用自如的体系.例如：“基础实验”是我校所有大一学生的必修实验课程.大一学生正处于适应大学教学和学习模式的转型阶段，物理知识掌握的相对较少，实验的基本培训不足，动手能力相对较差.在“基础实验”课程中，中心开设3项光学实验：透镜参数测量、分光计的调整与使用、干涉法测量微小量.侧重于使学生掌握光学实验中所必须的基本调整技术和基本实验方法.

在光学平台上进行的透镜参数测量实验，重点要求学生掌握平台上光路的光学共轴调整.这项教学要求，将为后续涉及到平台、导轨上的光学共轴调整打下基础.如：导轨上进行的梅斯林干涉和傅里叶光学变换，平台上进行的全息光栅、三维全息、激光散斑等等都将涉及到光学共轴调整技术.

分光计是光学测量中的一个基础性平台，很多光学仪器的基本结构以它为基础进行构建，如棱镜摄谱仪、光栅光谱仪、椭偏仪和单色仪等.对分光计调整技术的掌握涉及到后续的实验项目的完成.在分光计实验中，重点训练学生的分光计的调整技术和技巧.要求学生面对分光计繁杂众多的调整旋钮，不是碰运气的盲调，而是带着思考，理解实验的每一步调整所对应的物理意义，环环相扣直至最终达成共焦、共轴、共面和准直的要求.同时要求学生在实践中了解自准直法对无穷远聚焦、通过狭缝获得平行光、棱镜分光和光栅分光等概念.

干涉法测微小量实验着重强调的是学生对实验方法的掌握，在这个实验里学生开始接触到物理光学的概念，利用光的干涉现象测量微小长度或者不易直接测量的量.这种实验方法已经被广泛应用于科学研究、计量技术和工程技术领域.本实验利用劈尖的等厚干涉测量细丝直径，用牛顿环测平凸透镜的曲率半径，并加以拓展延伸，通过这个实验让学生了解到一系列关于微小量的测量及表面平整度的检验方法.

总之，在基础实验中让学生对各种实验方法加以了解，对学生进行物理实验方法、实验技术的训练和培养.

2　综合性、设计性的光学实验

我们从研究光在介质中的传播、光的波动性，光学为生产技术提供的精密测量、快速、生动的实验手段和不断发展的光学测量技术等方面考虑，开设了一系列综合性、设计性光学实验.使学生从物理概念、实验方法和实验技术入手来了解光的本质，并掌握相关的技术和应用.表1和表2列出了围绕光的干涉、偏振所开出的系列综合性、设计性实验.

表1　　　　围绕光的干涉开设的系列综合性、设计性的光学实验

表2　　　　围绕光的偏振概念开设的系列综合性、设计性的光学实验

例如：利用分光计平台搭建一对平行的粗光栅，利用双光栅Lau效应，研究测量透明厚介质的折射率.该实验涉及到的物理概念有光栅衍射和分波前干涉，而且在实验方法上应用了比较法，即通过与标准样品进行比较从而测定透明介质的折射率.中心还开设了偏振光的研究实验，通过这个实验，使学生充分理解自然光、部分偏振光、线偏光、圆偏光和椭圆偏振光，并开始涉及到晶体光学的概念.根据布儒斯特定律，测定介质布儒斯特角，从而获取介质的折射率，或利用布儒斯特角得到的平面偏振光作为“探针”，对各向异性介质进行标定.

在综合性、设计性实验教学中，我们一直强调，让学生带着思考去做实验，探究实验现象背后的本质.这是我们教学的重点，也成为激发学生学习的兴趣点.图2绘出了在分光计平台上的系列实验.

3　现代光学测量分析技术实验

现代光学测量分析技术涉及精密计量技术、光谱技术、光学成像技术和激光技术等，这些技术已在科学研究，材料科学和生物医学等众多学科有广泛的应用.现代光学测量分析技术是科技工作者和将来从事科研工作的学生所应该了解、学习和研究的.在前期基础实验和综合实验打下良好的知识和技能铺垫的基础上，现代物理实验技术课程中，我们开设了构建椭偏仪并测量薄膜的厚度与折射率、傅立叶光学空间频谱与空间滤波实验、全息光栅与三维全息照片的拍摄、单色仪的定标与应用、激光散斑对微小量的测量、表面等离激元共振(SPR技术)、液晶光阀实验和塞曼效应等实验.所开设的这些实验具有较强的综合性和技术性，有利于丰富和活跃学生的物理思考，训练他们对现代光学物理现象的洞察能力，引导学生正确认识物理概念的产生、形成、发展和应用的过程，学会现代光学中的一些基本实验技术和方法.

比如，对光谱分析技术，我们从低到高，从简单到复杂，从普通到精细，开设了系列实验，如表3所示.学生在完成了这样一系列有关光谱分析的实验后，对光谱分析技术已经充分了解并能够加以应用，这一点在后续的研究性实验选题中已有充分表现.

表3　光谱分析技术系列实验

再如在新技术的应用上，开设表面等离激元共振法(SPR)测量液体折射率实验.这个实验涉及到SPR技术，该技术已在生物、化学、医药、食品和环境监测中有着广泛的应用，其中一个重要的应用就是SPR传感器，通过定性定量检测目标分子对等离激元共振峰的影响.可以达到单细胞甚至单分子的水平.这个实验同样利用分光计平台进行搭建，在准直共轴的基础上，平行光管端获取偏振光照射在样品池上，在望远镜筒端通过接收探头探测反射光强，改变入射角，根据反射光强的变化，测定共振角.实验重点在于强调SPR传感新技术的物理思想和实验方法，同时也让学生认识到，SPR传感技术是一项新兴的生物化学检测技术，而新技术的产生必然依赖于基础学科的基本研究.

4　创新研究性实验　小小雏鹰初展翅

以上3个层次光学实验课程涵盖了基础光学至现代光学的测量分析技术与方法.学生经过3个学期的学习实践，已具备光学实验的基本知识和基本光学调整技能.自2005年以来，我们每年秋季大面积开展学生自主设计实验、创新研究性实验，培养学生的科研能力和创新精神，以研究性实验课题形式促进学生的研究型学习，学生们以小组为单位(2～4人)，自由组合，每个小组有一个组长，小组讨论自主设计研究课题，查询资料，与指导老师讨论实验原理与方法，与实验室老师确定实验方法及实验方案可行性，然后开始在实验室自主搭建实验平台，进行自主的研究性实验，这通常需要6至8周的时间，在得到实验结果后，作数据处理分析，完成所进行的研究性实验的课程论文，由小组共同推荐出答辩人进行现场论文答辩.

由此可见，在创新研究性实验中，学生们经历了科研课题研究的经历，这也正是我们在大学物理实验这门课程中所要达到的教学目标——让学生具备基本的科学素养和科研能力.

表4中部分研究课题通过进一步补充、整理，已经充实到我们的实验教学中，也有部分研究课题发表在学术期刊上.如：激光窃听课题发表在《物理实验》杂志上.

表4　近几年我校学生所做的部分光学方面的创新研究性实验课题

地空学院毛艺潜PB12007135六色θ调制光栅物片制作物理学院唐 辰PB12206274粗糙吸收性表面漫反射光谱分析物理学院张翌航PB10000347单、多晶硅绒面结构表面旋涂银颗粒及等离激元增强吸收探究

5　结束语

我们在大学物理-光学实验课程中注重了对学生进行科研工作所应该具备的科学素养和科研能力的培养，培养学生：1) 严谨的工作态度和科学作风；2) 科学研究需求的敏锐观察力和综合判断力；3) 科学研究的分析法和综合法；4) 科学研究中的创新意识；5) 科学研究中的学科交叉和团队意识.以上几点是我们贯穿于实验教学中的重点.值得一提的是，每年都有学生研究性实验论文正式发表.同时，学生在申请国内外研究生时，其自主设计研究性实验的工作经历，也受到国内外大学接收者的重视.

[1]谢行恕、康士秀、霍剑青.大学物理实验(2)[M].北京：高等教育出版社，2005:136-170.

[2]张增明，孙腊珍，张权，等.创新研究型物理实验教学平台的建设[J].实验室研究与探索，2008，27(12)：7-9.

[3]郑虹，朱玲，赵伟，等.基于双光栅lau效应测量液体折射率[J].物理实验，2012,32(增刊)：7-10.

[4]朱玲，郑虹，王中平，等.使用光栅单色仪测量好宝石晶体的吸收和发射光谱[J].物理实验，2014，34(11)：10-13.

[5]霍剑青，吴泳华，尹民，等.大学物理实验(4)[M].北京：高等教育出版社，2005:50-59.

Construction and practice of the innovative and practical educational platform for optical experiments

ZHENG Hong, SUN La-zhen, ZHANG Zeng-ming，ZHU Ling, WANG Zhong-ping，ZHANG Quan

(Physics Experiment Teaching Center, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230026, China)

Combined with the innovation of physics experimental teaching in Physics Experiment Teaching Center of University of Science and Technology of China, with teaching of optics experiments for college physics as an example, we introduce the construction and practice of optical innovative and practical educational platform for multiple levels of college physics experiment curriculum system; then, how to play the special skill and advantages of physical experimental teaching in colleges and universities for training of bright people with creative mind; construction and practice serve to the training and cultivation of basic scientific accomplishments and the capability for scientific research for students.

optics experiment teaching; innovative and practice platform; training of the capability of scientific research

2015-09-06；

2015-12-17

国家基础科学人才培养基金，中国科学技术大学理科基地条件建设项目(J1310004)、安徽省省级教学研究项目，物理研究性实验论文竞赛中丰富创新教育内涵(2014jyxm001)、安徽省省级教学研究项目，发掘基础物理实验的创新空间的研究(2014jyxm009)资助

郑虹(1966—)，女，江苏南京市人，中国科学技术大学物理实验教学中心实验师，主要从事物理实验技术和实验教学工作.

O 4-34

A

1000- 0712(2016)08- 0048- 04