面向實驗教學的新諾獎實驗的探索

摘 要 目前，高校的大學物理教學實驗中所涉及的諾貝爾物理學獎實驗多為20世紀的經典物理實驗，它們推動著物理學的進步與發展，具有重要的教育價值和實踐意義。然而，隨著時代的飛速發展、科技的不斷進步，大學生僅注重于百年前諾獎經典實驗已無法適應時代發展的需求。因此，將21世紀新諾獎實驗融入大學物理實驗教學，深挖新諾獎的教育價值，不僅可以使學生了解科學發展前沿有重大意義的研究成果，了解現代化技術支持下的物理實驗手段、實驗方法，更有助于學生提升其核心素養，提高創新實踐能力。本文以南方科技大學實驗教學為例，探索將21世紀新諾獎實驗融入大學物理實驗教學的實施路徑。

關鍵詞 諾貝爾獎;物理實驗;教學改革

建立于20世紀初的諾貝爾獎，是根據瑞典化學家阿爾弗雷德·諾貝爾的遺囑所設立的獎項。在其百年歷史中，獎勵了許多在科學發展方面做出原始性和突破性貢獻的科學家。其成果加速了人類社會前進的步伐，成為人類文明進步的推動力量。將諾獎實驗融入大學物理實驗教學，有利于培養學生探索性的思維方式、求是的實驗態度以及堅忍不拔的科研品質。

目前大學物理實驗教學所包含的諾貝爾物理學獎的實驗項目（如表1所示），多數已經距今約百年之久。大學物理實驗教學不僅需要經典的、傳統的、基礎的物理實驗技能與手段培養，更應培養符合時代發展需求的、緊跟科研前沿的、具有原始創新能力的新時代大學生。因此，將21世紀新諾獎實驗引入大學物理實驗教學，讓學生了解現代化技術支持下的物理實驗手段、實驗方法，是時代發展的需要，也是物理實驗教學與時俱進的必然趨勢。

1 新諾獎實驗引入實驗教學的挑戰

百年經典諾貝爾物理學獎成果的教育價值已經得到實踐的認可。21世紀新諾獎實驗應用于教學中的具體方式和方法還有待進一步探索。主要需解決的關鍵問題有：（1）哪些新諾獎實驗適合引入到大學物理實驗教學中？ （2）如何將尖端諾獎實驗“轉型”成適合本科生教學型實驗？ 需要向學生展現哪些核心物理概念？ （3）如何體現新諾獎實驗的育人價值？

2 從高端的諾獎成果到“接地氣”的物理實驗

表2為21世紀諾獎相關成果列表。其中包括宇宙學、拓撲理論、量子信息、核物理以及凝聚態等多個領域。考慮到教學實驗需要學生親身參與實驗的設計與探測，凝聚態領域的諾獎實驗更容易在實驗室進行演示、相關的實驗儀器和設備易于購置，因此，我校將以下凝聚態領域的多個諾獎實驗引入實驗課程（如表3所示）。此外，我們針對未被實驗廠商開發的諾獎實驗，根據我校自身實驗資源、學生基礎等，自主設計和開發適合教學的實驗內容，并自行組建實驗測量系統。

2.1 2014年諾獎相關LED 實驗

20世紀的諾獎實驗注重于重要實驗現象的發現，使我們對分子原子世界有了更深的了解。例如氫氘光譜實驗，通過原子光譜讓我們了解到同位素效應。因此，實驗上可以通過重復諾獎實驗向學生介紹實驗原理、方法與內在物理機理。然而，21世紀的凝聚態諾獎實驗更加偏重于實驗對人類科技進步的重要作用。例如巨磁電阻效應的發現促進了當代磁存儲技術的發展;藍光LED的發明徹底改變了人類的照明方式等。每個諾獎的背后都包含很多需要解決的物理科學與工程技術方面的難題。以2014 年諾獎藍光LED 為例[1]，它被授予了三位科學家赤崎勇、天野浩和中村修二。以獎勵三位獲獎者在發明新型高效、節能、環保的藍光LED方面做出巨大貢獻。然而在整個藍光LED的發展歷程中，遇到了許多問題和挑戰，科學家也不斷地突破和創新（圖1所示）[2]。例如生長藍光LED 的材料選取問題。哪種材料適合做藍光LED？ 如何在大失配襯底上生長高質量氮化鎵材料？ 如何獲得高質量p型GaN？ 如何處理材料生長過程副反應太多，影響材料質量的問題？ 以及如何提高LED的發光效率？ 通過這些重重阻礙的發展歷程，教育學生對科學研究要不畏困難，積極面對挑戰，不斷突破創新。

為了讓學生深刻了解藍光LED的原理，開展LED的生長與特性測量的實驗是最合適的，然而生長LED的設備（MOCVD）價值千萬，無法在本科教學中開展。因此，我們的實驗設計將針對LED發展過程中遇到的一些關鍵問題進行探討。在《綜合物理實驗》課程中，我們設計的《發光二極管的發光機理與特性研究》實驗[3]，除向學生介紹藍光LED的內部結構和發光機理，還探討了LED量子阱（GaN/InGaN/GaN）中的量子限制斯塔克效應，如圖2所示。所謂的量子限制斯塔克效應指的是在極性材料上生長的量子阱結構里，其界面處會形成極化電荷，導致半導體能帶發生彎曲，使得阱中電子空穴波函數空間交疊變小，進而影響復合概率。其在LED 發光上的表現為發生紅移和發光效率變低的現象。我們設計的實驗內容是，針對不同In組分的LED，變化其發光時的注入電流，觀察電致發光時發光峰峰位的偏移，來直觀地觀察量子限制斯塔克效應。這是LED 發展過程中遇到過的重要科學問題，也是中村修二獲諾獎后仍在繼續研究的課題之一。我們將諾獎實驗中基本的物理問題以及相關的重要物理概念相融合，形成了面向本科生的大學物理實驗。這樣不僅有助于把握科研的時代脈搏，也能理解制約其發展的重要科學問題。此外，在探究型課題中，學生還需要根據已學習的LED相關知識，進行創新型應用實驗，如：利用LED制作顯示面板、白光光源等，深入發掘LED 的應用價值，讓高端的諾獎發明為“我”所用。

2.2 2010年諾獎相關二維材料實驗

從21世紀的新諾獎實驗可以看到，有很多實驗都是需要大科研裝置的支撐，例如引力波的探測[4]、探測宇宙中微子[5]。然而，其中也有“接地氣”的諾獎實驗，如石墨烯二維材料。二維材料，即厚度在一個或幾個原子的材料，理論上被認為是不穩定的、自然界中不存在的。然而，2010年的諾貝爾獎得主安德烈·海姆在廢棄的粘有石墨碎片的膠帶上發現了完美單層石墨———石墨烯，它是一種幾近完美導熱材料和電導體。自從2010年發現石墨烯以來[6]，科學家們陸續發現了成千上萬種像石墨烯一樣具有二維結構特性的材料，包括單層極限下的二維半導體材料二硫化鉬、二維鐵磁材料三碘化鉻、二維鐵電材料銅銦磷硫以及二維多鐵材料二碘化鎳。這些新材料也是目前二維材料研究領域重點關注的材料，其將在高密度磁存儲器件、新型的電子自旋功能器件以及柔性電子器件等前沿領域發揮重要作用。因此我們結合最前沿的科學研究，在《研究型實驗》課程中，學生可以僅憑膠帶、硅片等十分簡單的實驗材料來制備二維材料。二維材料是弱范德瓦爾斯力耦合而形成的層狀材料，具有與層數相關的物理特性。例如，多層二硫化鉬為間接帶隙半導體，而單層材料則為直接帶隙半導體。因此，實驗上我們設計了利用膠帶制備二維材料并利用光學顯微鏡觀察樣品顏色來初步判斷其厚度 （圖3），并結合熒光和拉曼光譜來測量二硫化鎢層數減薄到單層極限過程中的半導體發光特性。這個實驗讓學生深刻地體會：低成本、樸實無華的實驗手段，也可以產生震驚世界的實驗成果，鼓勵學生永遠對科學研究抱有熱情、好奇心和想象力。

3 結論

將新諾獎實驗引入實驗教學，最根本的目的在于育人。希望學生從當代科學家身上學習科學研究必備的品格和能力。諾貝爾獎的歷史上有很多“靈光一現”的實驗，這些看似偶然的實驗背后，是科學家對信念的堅持以及對新科學方法的不斷嘗試的必然結果。希望學生了解諾獎的科學意義和價值的同時，也要深刻體會科研前輩所付出的努力。這樣才能成為敢擔當且具備核心素養的新時代大學生。

參 考 文 獻

[1] 李海.2014年諾貝爾物理學獎：藍光LED 的發明[J].自然辯證法研究，2015（4）：83-87.

LI H. 2014 Nobel Prize in physics： The invention of blue LED[J]. Studies in Dialectics of Nature， 2015（4）： 83-87.（in Chinese）

[2] 葛惟昆. 2014年諾貝爾物理學獎的啟示[J].物理與工程，2014，（6）：3-8.

GE W K. 2014 Nobel Prize in physics enlightenment[J]. Physics and Engineering， 2014， （6）： 3-8. （in Chinese）

[3] 鄧冬梅，張歡.將21世紀諾獎實驗引入大學物理實驗教學：LED中的量子斯塔克效應[J]. 大學物理， 2024， 2：33-36.

DENG D M， ZHANG H. Introducing the 21st century Nobel Prize experiment in physics experiment teaching： QCSE of LED[J]. College Physics， 2024， 2： 33-36. （in Chinese）

[4] 張宏浩.解讀2017年諾貝爾物理學獎：引力波的直接探測[J].物理與工程，2018，（2）：3-12.

ZHANAG H H. Introduction of Nobel Prize in physics 2017： Direct Detection of Gravitational Waves[J]. Physics and Engineering， 2018， （2）： 3-12. （in Chinese）

[5] 高崇壽.2002年諾貝爾物理獎介紹：中微子振蕩實驗[J].物理與工程，2004，（1）：7-10.

GAO C S. Outline on 2002 Nobel Prize of physics： Experiments of neutrino oscillation[J]. Physics and Engineering，2004， （1）： 7-10. （in Chinese）

[6] 宋峰， 于音. 什么是石墨烯：2010年諾貝爾物理學獎介紹[J]. 大學物理， 2011， 30（1）： 7-7.

SONG F， YU Y. What is the graphene： Introducing the Nobel Prize in physics 2010[J]. College Physics， 2011， 30（1）：7-7. （in Chinese）