利用研究型實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生能力的探索和實(shí)踐
——以“晶體光折變效應(yīng)與光存儲(chǔ)”實(shí)驗(yàn)為例

陳 靖，陳宗強(qiáng)，錢 鈞，孫 騫

(南開大學(xué) 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，天津 300071)

利用研究型實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生能力的探索和實(shí)踐
——以“晶體光折變效應(yīng)與光存儲(chǔ)”實(shí)驗(yàn)為例

陳 靖，陳宗強(qiáng)，錢 鈞，孫 騫

(南開大學(xué) 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，天津 300071)

為實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新人才的教學(xué)目標(biāo)，在基本的近代物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，將部分科研成果轉(zhuǎn)化為研究型系列化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了近代物理實(shí)驗(yàn)以課題為教學(xué)核心的教學(xué)體系改革. 以光折變效應(yīng)和光存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)為例，介紹了研究型系列化實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐過(guò)程. 教學(xué)實(shí)踐表明：研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高了學(xué)生的自主研究能力和科技創(chuàng)新能力，教學(xué)效果良好.

近代物理實(shí)驗(yàn)；研究型實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新；光折變效應(yīng)

近代物理實(shí)驗(yàn)是繼普通物理實(shí)驗(yàn)之后物理專業(yè)學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)課程，具有很強(qiáng)的技術(shù)性、系統(tǒng)性和綜合性. 在課程的選題上，多數(shù)來(lái)源于在物理學(xué)發(fā)展史上起到了重大作用的經(jīng)典實(shí)驗(yàn). 然而，隨著科技日新月異的發(fā)展，需要將與物理學(xué)密切相關(guān)的新內(nèi)容、新技術(shù)、新方法及時(shí)充實(shí)到近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，與時(shí)俱進(jìn)，構(gòu)成新的近代物理實(shí)驗(yàn)課程體系. 基于此出發(fā)點(diǎn)，在經(jīng)典的近代物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依托我校優(yōu)勢(shì)學(xué)科將部分研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，開設(shè)了研究型系列化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容. 通過(guò)研究型實(shí)驗(yàn)的建設(shè)和探索，建立以問(wèn)題和課題為核心的教學(xué)新體系，實(shí)施以學(xué)生為主體的本科人才培養(yǎng)和研究型學(xué)習(xí)教學(xué)改革，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)[1-2].

1 重視基礎(chǔ)能力培養(yǎng)，開展多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1.1 做好基礎(chǔ)近代物理實(shí)驗(yàn)

近代物理實(shí)驗(yàn)是我校物理專業(yè)本科生接觸的第一門綜合性實(shí)驗(yàn)課程，面向物理學(xué)院全體三年級(jí)本科生開設(shè). 1個(gè)近代物理實(shí)驗(yàn)就是1個(gè)小課題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往是多個(gè)學(xué)科知識(shí)和技術(shù)綜合運(yùn)用的成果. 在課程選題上，基礎(chǔ)的近代物理實(shí)驗(yàn)幾乎包含了物理學(xué)的各個(gè)分支：核物理、原子物理、光學(xué)、X射線和電子衍射、磁共振、微波物理、高溫超導(dǎo)等. 通過(guò)這些傳統(tǒng)的近代物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以在物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)、基本方法、基本技能和科研思維等方面受到系統(tǒng)的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⒘己玫膶?shí)驗(yàn)習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，使學(xué)生逐步地增強(qiáng)綜合實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和創(chuàng)新意識(shí). 同時(shí)，扎實(shí)的近代物理實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，也為后面開展的研究型實(shí)驗(yàn)打好基礎(chǔ)，做好理論知識(shí)和動(dòng)手能力的儲(chǔ)備.

1.2 開展多層次的研究型物理實(shí)驗(yàn)

根據(jù)南開大學(xué)培養(yǎng)全面發(fā)展、特色鮮明的拔尖創(chuàng)新人才的辦學(xué)目標(biāo)要求，為了在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，我們?cè)诮虒W(xué)中開設(shè)以研究課題為教學(xué)核心的系列研究型實(shí)驗(yàn). 研究型實(shí)驗(yàn)多選題于當(dāng)代的前沿學(xué)科，課題涉及的物理內(nèi)容廣泛而深入，僅僅依靠傳統(tǒng)的授課單元完成某個(gè)實(shí)驗(yàn)課題在時(shí)間上是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的. 因此，把研究課程設(shè)計(jì)為系列化實(shí)驗(yàn)題目. 對(duì)于研究課題中要求學(xué)生需要具備的基本知識(shí)點(diǎn)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能，在基礎(chǔ)近代物理實(shí)驗(yàn)中開設(shè)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，為研究型實(shí)驗(yàn)做好知識(shí)儲(chǔ)備. 針對(duì)研究型實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)系列研究子題目分多課時(shí)單元進(jìn)行，由淺入深引導(dǎo)學(xué)生自主研究學(xué)習(xí)，形成從低到高、從基礎(chǔ)到前沿、從傳授知識(shí)到綜合能力培養(yǎng)、逐級(jí)提高的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系.

2 將科研成果轉(zhuǎn)化為研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

學(xué)科優(yōu)勢(shì)是南開大學(xué)“物理學(xué)人才培養(yǎng)基地”建設(shè)以及教學(xué)改革賴以成功的基礎(chǔ). 將優(yōu)勢(shì)學(xué)科的部分科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)是開展研究型實(shí)驗(yàn)很好的改革思想. 目前，近代物理研究型實(shí)驗(yàn)題目很多都是來(lái)源于此[3-5]. 為保證實(shí)驗(yàn)題目的廣泛性，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，近年來(lái)我院購(gòu)置了全息光存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、可見-紫外光譜儀、紫外光刻機(jī)、計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)的教學(xué)使用. 利用本單位的科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革思想搭建的教學(xué)平臺(tái)，既包含新的知識(shí)內(nèi)容又具有科學(xué)研究的前瞻性，是基礎(chǔ)性教學(xué)和創(chuàng)新性教學(xué)很好的結(jié)合. 通過(guò)學(xué)習(xí)使學(xué)生親身體驗(yàn)所處的教學(xué)科研環(huán)境，增強(qiáng)其對(duì)本學(xué)科的興趣和感性認(rèn)識(shí).

例如，在近代物理實(shí)驗(yàn)中開設(shè)的“晶體光折變效應(yīng)與光學(xué)存儲(chǔ)”研究型系列化實(shí)驗(yàn)由我院的科研成果轉(zhuǎn)化而來(lái)[2]. 物理學(xué)院在20世紀(jì)80年代開始研究人工生長(zhǎng)光折變材料，其中“摻鎂鈮酸鋰”被國(guó)際同行賦予“中國(guó)之星”的美譽(yù). 在人工生長(zhǎng)材料基礎(chǔ)上，深入研究了其光折變非線性光學(xué)性質(zhì)及其在海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面的應(yīng)用. 本研究型實(shí)驗(yàn)取材于物理學(xué)院許京軍教授主持的“863”項(xiàng)目“光折變?nèi)S全息海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”、天津市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目“三維光子存儲(chǔ)器及其應(yīng)用”和“光折變新效應(yīng)、機(jī)理與器件研究”國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(Z-107-2-02，許京軍，等)的部分內(nèi)容，屬于非線性光學(xué)和光子學(xué)研究領(lǐng)域范疇. 本實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)為學(xué)生了解物理學(xué)院光學(xué)學(xué)科優(yōu)勢(shì)提供了很好的途徑. 實(shí)驗(yàn)涉及了雙折射、晶軸、弱光非線性光學(xué)、三維全息存儲(chǔ)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(nèi)容. 授課教師由參與過(guò)上述科研項(xiàng)目的教師擔(dān)任，教師和學(xué)生交流自身的科研體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)研究的積極性. 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練開闊了學(xué)生的視野，加深了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)光學(xué)知識(shí)的理解，鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ囵B(yǎng)了學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí).

2.1 階梯化的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

光折變效應(yīng)實(shí)驗(yàn)包含了眾多物理內(nèi)容，為了便于學(xué)生逐步學(xué)習(xí)，我們進(jìn)行了多層次的實(shí)驗(yàn)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(diào)節(jié)和擺放、衍射效率的測(cè)量、三維全息存儲(chǔ)、表面等離子激元的激發(fā)等.

盡管學(xué)生在本科二年級(jí)已經(jīng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)了光學(xué)課程，了解基本的雙折射和全息等概念，但是，對(duì)于非線性光學(xué)學(xué)生大都沒有接觸. 因此，在課程安排上，首先進(jìn)行的是理論課的學(xué)習(xí). 通過(guò)理論課程的補(bǔ)充，幫助學(xué)生回顧光學(xué)全息照相、雙折射現(xiàn)象、偏振和波片的原理等光學(xué)知識(shí)，也向?qū)W生介紹光折變效應(yīng)、弱光非線性、傅里葉成像、光波耦合、體相位光柵和光感應(yīng)光散射等非線性光學(xué)內(nèi)容. 為學(xué)生提供基礎(chǔ)的理論儲(chǔ)備，有助于學(xué)生對(duì)將要開展實(shí)驗(yàn)的理解和探索.

按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)操作的難易，實(shí)驗(yàn)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(dāng)激光輻照在晶體上時(shí)，立刻會(huì)在觀察屏上看到由于光折變效應(yīng)(光感應(yīng)光散射)造成的劇烈變化的透射光斑散射圖樣. 適當(dāng)調(diào)節(jié)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?yàn)閅軸，則散射圖樣沿c軸(光軸)方向拉長(zhǎng)(圖1)，實(shí)驗(yàn)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(qū)附近，光折變?chǔ)隨坐標(biāo)l的變化示意圖

圖2 自相干圖樣

當(dāng)樣品位于焦點(diǎn)后時(shí)，由自聚焦效應(yīng)形成的正透鏡減小了入射光束的發(fā)散性，此時(shí)位于遠(yuǎn)場(chǎng)的小孔探測(cè)器測(cè)得了較大的透射功率(圖3). 這樣就形成了自聚焦介質(zhì)Z掃描曲線的特性：焦點(diǎn)前曲線出現(xiàn)谷值，焦點(diǎn)后曲線出現(xiàn)峰值(圖4). 所以非線性介質(zhì)的折射率改變?chǔ)的符號(hào)由Z掃描曲線的形狀直接可以得出，Δn的數(shù)值亦可由Z掃描曲線的峰谷差值求得.

圖3 Z掃描實(shí)驗(yàn)配置圖

圖4 典型的Z掃描曲線

實(shí)驗(yàn)觀察到光折變現(xiàn)象后，可以進(jìn)行衍射效率測(cè)量和光存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn). 這些實(shí)驗(yàn)涉及的光學(xué)元件較多，因此光路的調(diào)節(jié)與擺放對(duì)學(xué)生是很好的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的訓(xùn)練機(jī)會(huì). 使用波長(zhǎng)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(yīng)形成的衍射光柵的衍射現(xiàn)象. 利用1束不會(huì)產(chǎn)生光折變效應(yīng)的光束(讀出光)，例如波長(zhǎng)632.8 nm的He-Ne激光器，可以測(cè)量晶體樣品的衍射效率. 光路示意圖如圖5所示.

光存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)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(hào)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(qiáng)輻照后，由于光折變效應(yīng)使折射率產(chǎn)生同樣的周期變化，即形成相位光柵. 此時(shí)，讀出光透過(guò)相位光柵時(shí)將發(fā)生衍射，衍射花樣與寫入的信號(hào)一致. 這樣就實(shí)現(xiàn)了信息的存儲(chǔ)與讀出.

圖5 兩波耦合實(shí)驗(yàn)示意圖

圖6 光存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

此外，基于光折變效應(yīng)還可以設(shè)計(jì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)題目，涉及眾多光學(xué)內(nèi)容. 例如：多次寫入圖像對(duì)衍射效率的影響，磁場(chǎng)作用下的光折變效應(yīng)，基于光折變材料的表面等離子激元的激發(fā)，等等.

2.2 可選擇的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

基于鈮酸鋰光折變性質(zhì)開設(shè)了多個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇實(shí)驗(yàn)題目. 對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)子題目，也設(shè)計(jì)了不同程度的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容. 例如光的衍射效率的測(cè)量，可以分為基礎(chǔ)部分和選做部分：基礎(chǔ)部分包括光路的調(diào)節(jié)，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(shí)間的變化、衍射效率與寫入角的關(guān)系、寫入光強(qiáng)與衍射效率的關(guān)系、多圖寫入對(duì)衍射效率的影響、磁場(chǎng)作用下的衍射效應(yīng)等[6-7]. 多層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以滿足不同學(xué)習(xí)程度和不同實(shí)驗(yàn)?zāi)芰W(xué)生的學(xué)習(xí)需要. 盡管學(xué)生們有著不同的學(xué)習(xí)目標(biāo)，但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇，都可以實(shí)現(xiàn)充分的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練.

3 以學(xué)生為主體的個(gè)性化教學(xué)

3.1 培養(yǎng)學(xué)生自主研究能力

研究型物理實(shí)驗(yàn)以科研實(shí)踐為主題，學(xué)生直接參加到調(diào)研實(shí)驗(yàn)課題、選擇研究?jī)?nèi)容、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試、總結(jié)實(shí)驗(yàn)成果到最后的實(shí)驗(yàn)答辯報(bào)告的每個(gè)研究環(huán)節(jié). 通過(guò)研究型系列化實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，學(xué)生可以感受科學(xué)研究的全過(guò)程，學(xué)到更新的科學(xué)知識(shí)，得到獨(dú)立科研能力的鍛煉.

在具體教學(xué)中，學(xué)生以小組形式共同完成研究型題目. 1個(gè)研究型實(shí)驗(yàn)一般在4周內(nèi)完成. 在實(shí)驗(yàn)開始的第1周，學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)教師提供的實(shí)驗(yàn)題目和基本材料進(jìn)一步細(xì)化研究方向、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)施步驟. 研究小組中的每位學(xué)生分別負(fù)責(zé)相對(duì)獨(dú)立的子課題，大家又共有研究目標(biāo)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)中的分工協(xié)作增強(qiáng)學(xué)生的科研合作意識(shí). 在任務(wù)明確后，學(xué)生要根據(jù)自己的研究工作進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)的查閱. 要求學(xué)生在課題的研究意義、實(shí)驗(yàn)原理、國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀、研究?jī)?nèi)容、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)方法步驟、主要困難和解決辦法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)期價(jià)值等方面進(jìn)行開題報(bào)告. 在獲得研究組成員和指導(dǎo)教師的評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后，方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn). 后3周時(shí)間為實(shí)驗(yàn)調(diào)試、分析研究階段. 在這一階段仍以學(xué)生的自主研究為主，指導(dǎo)教師只對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行啟發(fā)性提示，而不做具體的講解. 學(xué)生根據(jù)教師的提示，通過(guò)回顧基礎(chǔ)近代物理實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)知識(shí)儲(chǔ)備和文獻(xiàn)資料的查閱，自行解決實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的問(wèn)題. 對(duì)于實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果，要求學(xué)生自主分析其正確性和內(nèi)在的物理機(jī)制，小組成員間進(jìn)行討論匯總，最終完成實(shí)驗(yàn)的預(yù)期目標(biāo)，每位學(xué)生根據(jù)自己的研究側(cè)重點(diǎn)獨(dú)立撰寫科研論文形式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告. 在1個(gè)完整的課題的訓(xùn)練過(guò)程中，以某研究課題為教學(xué)核心，學(xué)生始終是授課中的主體，教師作為輔助幫助學(xué)生確立正確的研究方向和目標(biāo)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí).

3.2 有針對(duì)性的個(gè)性化教學(xué)

“興趣是最好的老師”，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的興趣是激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新意識(shí)的關(guān)鍵. 在研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，打破傳統(tǒng)的安排實(shí)驗(yàn)題目、既定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的教學(xué)模式，由教師提供若干研究方向，學(xué)生根據(jù)興趣選擇實(shí)驗(yàn)題目，組成研究小組進(jìn)行學(xué)習(xí). 在實(shí)驗(yàn)第1周開題討論階段，學(xué)生自行選擇感興趣的研究方向，教師在所具備的實(shí)驗(yàn)條件基礎(chǔ)上充分尊重學(xué)生的選擇，安排學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究. 在實(shí)驗(yàn)調(diào)試測(cè)量階段，教師要因材施教，幫助學(xué)生依照自己的興趣和特長(zhǎng)及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容，以保證實(shí)驗(yàn)的順利完成. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練使學(xué)生了解自身的優(yōu)劣勢(shì)，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(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新潛能.

4 建立完善的考核機(jī)制

合理的考核模式是保證教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)的關(guān)鍵. 為培養(yǎng)物理學(xué)科研究型拔尖人才，要求我院拔尖人才培養(yǎng)計(jì)劃學(xué)生必修研究型近代物理實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也鼓勵(lì)其他專業(yè)學(xué)生根據(jù)興趣選擇參與. 對(duì)于參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，其研究實(shí)驗(yàn)成果算入近代物理實(shí)驗(yàn)成績(jī)中，實(shí)行等級(jí)加分制，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)展科研能力和創(chuàng)新能力.

根據(jù)研究型實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，采取全程跟蹤考核的方式，分別對(duì)學(xué)生的課題調(diào)研、開題報(bào)告、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、分工合作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和答辯報(bào)告進(jìn)行考核. 在課題調(diào)研和實(shí)驗(yàn)操作階段，要求學(xué)生積極主動(dòng)地完成所負(fù)責(zé)的研究?jī)?nèi)容，并且能夠很好地進(jìn)行小組成員間的交流合作. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要求學(xué)生獨(dú)立撰寫科技論文格式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、撰寫論文的能力. 對(duì)于好的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師可進(jìn)行推薦發(fā)表. 在上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的同時(shí)，要求學(xué)生準(zhǔn)備研究課題的答辯報(bào)告. 研究成果報(bào)告會(huì)由指導(dǎo)教師組成評(píng)委組，組織進(jìn)行研究型實(shí)驗(yàn)的全體學(xué)生參加，每位學(xué)生要對(duì)自己負(fù)責(zé)課題的基本原理、研究?jī)?nèi)容、實(shí)驗(yàn)方案和取得成果進(jìn)行匯報(bào)展示. 指導(dǎo)教師和其他學(xué)生就相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行提問(wèn)，答辯學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)回答. 通過(guò)答辯過(guò)程，師生共同討論交流該課題的研究?jī)?nèi)涵、存在的問(wèn)題和今后要改進(jìn)的方向. 這方面的訓(xùn)練為學(xué)生在參與本科生創(chuàng)新科研“百項(xiàng)工程”、國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽、畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))等工作奠定了基礎(chǔ)并積累了經(jīng)驗(yàn).

5 研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的總結(jié)和探索

經(jīng)過(guò)近7年來(lái)研究型系列化近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的不斷改革和優(yōu)化，我們積累了優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)題目和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，有效地提高了近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，鍛煉了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂蒲袆?chuàng)新能力，受到學(xué)生的廣泛歡迎.

在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，我們要重視基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)和對(duì)基本實(shí)驗(yàn)知識(shí)的儲(chǔ)備，這是做好研究型實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵. 在基本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上開展多層次系列化的研究型實(shí)驗(yàn)，使近代物理實(shí)驗(yàn)課程形成逐步深化的課程體系，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的教學(xué)目標(biāo).

在研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要始終以學(xué)生為主體. 充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，要尊重學(xué)生的興趣和特長(zhǎng)，由學(xué)生自主選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)題目，自由組成研究小組. 每個(gè)研究組人數(shù)以3人為宜，適當(dāng)?shù)娜藛T組成既保證了學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ挠行у憻挘脖ＷC了科研工作中的分工合作得以體現(xiàn). 開設(shè)研究型實(shí)驗(yàn)要求教師精心準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)題目，選題方面最好是由指導(dǎo)教師主持或參與的優(yōu)秀科研成果轉(zhuǎn)化而來(lái)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容. 教學(xué)內(nèi)容來(lái)自教師的研究方向，在教學(xué)過(guò)程中可以更加深入地同學(xué)生探討實(shí)驗(yàn)研究?jī)r(jià)值和實(shí)驗(yàn)研究方案等. 另外，指導(dǎo)教師要明確自己在研究型教學(xué)中的定位不同于傳統(tǒng)教學(xué)的傳授模式，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師只是“幫助”學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生創(chuàng)造有利于進(jìn)行研究型實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的環(huán)境和途徑，啟發(fā)學(xué)生自主地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題和總結(jié)實(shí)驗(yàn)成果并加以運(yùn)用.

研究型實(shí)驗(yàn)不同于基本近代物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)不變性，隨著科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，需要與時(shí)俱進(jìn)地不斷增加、替換實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以保持研究型實(shí)驗(yàn)的前沿性和創(chuàng)新性. 在近代物理研究型實(shí)驗(yàn)的不斷建設(shè)過(guò)程中，要始終堅(jiān)持“以學(xué)生為本”的教育理念，為實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)全面發(fā)展、特色鮮明的拔尖創(chuàng)新人才教育目標(biāo)發(fā)揮應(yīng)有的積極作用.

[1] 高立模，黃培中，趙守珍，等. 開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的嘗試[J]. 大學(xué)物理，2000，19(6)：29-30.

[2] 高立模. 近代物理實(shí)驗(yàn)[M]. 天津：南開大學(xué)出版社，2006:239-340.

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

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

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

[6] 陸文強(qiáng)，陳靖，孫騫，等. 鈮酸鋰晶體中光折變?nèi)⒐鈻诺难苌湫示鶆蚧芯縖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(yīng)研究[J]. 物理學(xué)報(bào),2007，56(12)：7015-7022.

[責(zé)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(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目(No.J1210027)；南開大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目

陳 靖(1980-)，女，天津人，南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院講師，博士，研究方向?yàn)榧{米光子學(xué)、非線性光學(xué).

G642.423

B

1005-4642(2017)04-0039-05

“第9屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文