第 八 届 全 国 高 等 学 校 物 理 实 验 教 学 研 讨 会 论 文 集 ( 上 册 ) 中 国 哈 尔 滨 哈 尔 滨 工 程 大 学 2014 年 7 月
第 八 届 全 国 高 等 学 校 物 理 实 验 教 学 研 讨 会 论 文 集 ( 上 册 ) 目 录 第 一 部 分 : 物 理 实 验 教 学 研 究 普 通 物 理 实 验 双 语 教 学 的 体 会 康 秀 英 (1) 改 革 物 理 实 验, 培 养 创 新 人 才 隗 群 梅 (3) 物 理 实 验 教 学 中 心 建 设 与 拔 尖 人 才 培 养 的 探 索 张 杨, 朱 正, 陈 淑 妍, 李 庆 波, 王 朔, 孙 晶 华 (6) 略 论 高 校 物 理 实 验 教 学 范 士 民 (10) 探 究 性 基 础 物 理 实 验 教 学 平 台 建 设 的 探 索 与 实 践 鲍 德 松 (12) 构 建 大 学 生 创 新 实 验 辅 导 平 台 的 构 想 郭 山 河, 张 金 宝, 王 丹 ( 15) 改 进 实 验 模 式 培 养 学 生 创 新 能 力 周 玉 芳, 胡 连 军 (17) 基 于 WIFI 的 物 理 实 验 教 学 实 时 评 价 体 系 创 新 建 设 陈 水 桥, 乐 静 飞, 殷 利 明, 王 玮 ( 21) 大 学 物 理 实 验 仪 器 的 配 置 和 利 用 叶 树 中 (27) 关 于 开 设 内 光 电 效 应 实 验 的 探 索 与 思 考 陈 彪 ( 29) 基 于 网 络 环 境 的 实 验 室 教 学 管 理 体 系 建 设 王 素 红 (33) 一 种 新 型 综 合 设 计 性 实 验 系 统 的 研 制 和 应 用 韩 力, 卢 杰, 曲 延 吉, 刘 铁 成 (35) 建 构 缄 默 知 识, 提 升 创 新 能 力 何 焰 蓝, 陈 旭 灿, 彭 刚, 于 晓 燕, 刘 一 星, 马 奇 奇 (39) 依 托 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 平 台 提 高 创 新 能 力 的 培 养 戴 心 锐, 韩 忠 (44) 让 学 生 看 到 音 乐 的 数 理 之 美 李 俊 庆, 刘 建 龙, 方 光 宇, 林 珊, 赵 海 发 (46) 大 学 文 科 物 理 实 验 探 索 与 实 践 林 珊, 李 俊 庆, 赵 海 发 (52) 在 大 学 物 理 实 验 课 程 中 开 设 DIY 研 究 型 课 题 实 验 的 探 索 和 实 践 赵 海 发, 刘 世 刚, 刘 建 龙, 张 立 彬, 耿 完 桢 (58) 构 建 创 新 班 大 学 物 理 实 验 课 程 体 系 的 探 索 与 实 践 王 爱 军, 吴 冲, 唐 军 杰, 吕 志 清, 冯 金 波, 赵 嵩 清 (62) 加 强 制 度 建 设 保 障 实 验 教 学 质 量 冯 金 波, 王 爱 军, 张 国 林, 唐 军 杰, 刘 淑 霞, 刘 卫 红, 杨 振 清, 赵 卉 (67) 量 子 信 息 前 沿 实 验 课 程 设 计 陈 凯, 刘 乃 乐 (71) 军 校 大 学 物 理 实 验 教 学 改 革 探 索 林 上 金, 胡 澄 ( 75) 浅 议 军 校 物 理 实 验 教 材 建 设 胡 澄, 林 上 金, 白 忠 ( 80) 大 物 实 验 大 创 项 目 物 理 竞 赛 三 位 一 体 的 实 验 教 学 改 革 实 践 韩 立 立 (84) 最 近 发 展 区 及 相 关 理 论 在 大 学 物 理 实 验 教 学 中 的 应 用 韩 璐, 孙 敬 姝, 杨 名 超 (87) I
大 学 物 理 课 程 与 学 生 制 作 实 践 融 合 的 培 养 模 式 探 索 黄 彦, 朱 泉 水, 龚 勇 清, 陈 凤 英 (90) 物 理 实 验 网 上 选 课 系 统 常 见 的 问 题 及 解 决 方 法 徐 如 凤, 李 向 亭 (95) 清 华 大 学 与 基 辅 大 学 实 验 教 学 对 比 董 占 民, 梁 昌 林, 陈 墨 轩, 陈 宜 保 (97) 基 于 学 生 应 用 能 力 构 建 地 方 院 校 大 学 物 理 实 验 项 目 的 模 式 研 究 盖 双 旗 (100) 近 代 物 理 综 合 性 实 验 开 发 及 其 提 高 学 生 综 合 能 力 云 月 厚, 那 日, 张 常 在 (105) 对 大 学 物 理 实 验 课 评 估 方 法 的 调 查 报 告 刘 丹 ( 108) 关 于 大 学 物 理 实 验 层 次 化 教 学 的 探 讨 胡 清, 魏 云, 吴 晓 立 (111) 产 学 研 一 体 化 实 践 教 学 模 式 探 索 于 白 茹, 梁 小 冲, 李 伟, 李 紫 源, 朱 俊, 郝 彦 军 (115) 任 务 导 向, 问 题 牵 引, 以 探 究 式 教 学 方 式, 培 养 学 生 的 创 新 思 维 王 秀 庭, 杨 冰 (117) 浅 谈 大 学 物 理 实 验 教 学 的 内 涵 驱 动 建 设 魏 云, 吴 晓 立, 胡 清 ( 121) 物 理 实 验 教 学 内 容 体 系 的 设 计 与 构 建 梁 小 冲, 朱 俊, 穆 万 军, 于 白 茹, 李 伟, 李 紫 源, 郝 彦 军 (124) 以 学 生 为 主 导 的 物 理 实 验 创 新 实 践 基 地 介 绍 郑 志 远, 李 传 涛, 董 爱 国, 董 敬 敬, 高 华, 樊 振 军, 张 自 力 (128) 设 计 性 研 究 性 实 验 题 目 设 置 和 分 类 指 导 之 研 究 张 映 辉 (131) 人 文 社 科 背 景 下 物 理 实 验 的 课 程 架 构 和 教 学 探 究 何 春 娟, 汪 六 九, 夏 天 龙, 王 善 才 (134) 物 理 实 验 项 目 管 理 初 探 沈 学 浩, 周 红, 杨 文 明 (138) 大 学 物 理 实 验 教 学 管 理 模 式 的 探 讨 周 红, 赵 西 梅, 窦 葳, 王 锦 辉, 杨 文 明, 沈 学 浩, 叶 庆 好 (142) 产 学 研 结 合 物 理 实 验 教 学 模 式 的 探 索 董 敬 敬 (145) 用 创 新 的 方 法 推 动 大 学 生 创 新 实 验 发 展 李 传 涛, 郑 志 远, 董 爱 国, 张 自 力 (148) 浅 议 大 学 生 科 研 精 神 与 创 新 能 力 的 培 养 樊 振 军, 郑 志 远, 冯 娟, 董 敬 敬, 高 华, 张 自 力 (151) 拔 尖 人 才 培 养 中 综 合 物 理 实 验 教 学 改 革 实 践 与 探 索 张 俊 武, 程 向 明, 王 红 理, 高 博 ( 154) 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 体 系 的 研 究 与 实 践 王 铁 云 (157) 师 范 生 探 究 性 基 础 物 理 实 验 项 目 建 设 的 思 考 与 实 践 柴 志 方, 崔 璐, 戚 小 华, 宦 强, 赵 强 ( 165) 观 国 际 知 名 赛 事 对 中 学 生 实 验 能 力 培 养 的 作 用 刘 丽 飒, 张 春 玲, 宋 峰, 李 川 勇 (169) 信 息 化 时 代 PI 教 学 法 创 新 教 育 研 究 姜 东 光, 申 人 升, 李 建 东, 周 玲 ( 172) 近 代 物 理 实 验 课 开 展 研 究 性 实 验 的 探 索 与 实 践 钱 建 强, 张 高 龙, 郝 维 昌, 崔 益 民, 蔡 微, 李 华 ( 176) II
医 学 类 专 业 物 理 实 验 课 程 分 层 次 教 学 效 果 的 调 研 与 探 讨 冀 敏, 苏 卫 锋, 姚 红 英, 岑 剡, 张 新 夷, 马 世 红, 孙 利 军 (179) 物 理 实 验 教 学 内 容 方 法 和 手 段 的 深 化 改 革 秦 颖, 周 玲, 姜 东 光, 李 建 东 (183) 构 建 物 理 实 验 创 新 实 践 平 台 的 探 索 李 晔, 王 翠 香, 李 磊, 苗 征 ( 187) 物 理 实 验 室 管 理 的 经 验 和 体 会 吴 庚 柱 (193) 电 工 技 术 实 验 和 学 生 能 力 的 培 养 郭 超 修, 杨 彦 婷 (194) 大 学 物 理 设 计 性 实 验 的 作 用 不 可 小 觑 曾 乐 贵 (197) 物 理 实 验 教 学 培 养 学 生 创 新 能 力 的 探 究 张 锐 波 (200) 运 用 专 题 教 学 法 组 织 大 学 物 理 实 验 课 堂 教 学 倪 晨, 方 恺, 汤 纯, 何 雨 华, 陆 萍 ( 204) 特 色 物 理 实 验 类 选 修 课 程 对 培 养 卓 越 工 程 技 术 人 才 的 初 步 实 践 杨 振 清, 吴 冲, 张 国 林, 林 春 丹, 张 万 松 (207) 基 于 数 据 挖 掘 技 术 在 高 校 教 学 实 践 中 的 应 用 姜 芸 ( 210) 第 二 部 分 : 近 代 物 理 与 综 合 实 验 探 究 微 波 在 波 导 中 传 输 时 膜 片 对 驻 波 比 的 影 响 郭 劼, 罗 举, 张 志 华, 杜 艾, 王 晓 栋, 方 恺, 赫 丽 (215) 蒙 特 卡 罗 模 拟 塑 料 晶 体 探 测 宇 宙 线 μ 子 的 测 量 杨 通 智, 陈 星 (221) 光 子 计 数 器 在 液 芯 光 纤 谱 仪 中 的 应 用 陆 国 会, 卢 杰 (231) 60 Co γ 射 线 铅 的 吸 收 系 数 测 量 实 验 的 数 据 拟 合 法 张 国 强, 边 纪, 方 恺, 张 志 华, 杜 艾, 赫 丽 ( 235) 量 子 纠 缠 实 验 中 SPDC 光 谱 分 布 的 计 算 分 析 与 实 验 研 究 孙 文 博, 王 合 英, 陈 宜 保, 陈 宏 (240) 用 二 极 管 激 光 测 量 气 体 分 子 的 高 分 辨 吸 收 光 谱 娄 秀 涛, 武 东 城 (247) 一 种 基 于 非 线 性 晶 体 参 量 下 转 换 的 纠 缠 光 子 实 验 夏 慧 枝, 陈 凯 (252) 一 种 基 于 BB84 协 议 的 量 子 保 密 通 信 实 验 方 法 许 穆 岚, 刘 乃 乐 (258) 一 种 基 于 关 联 光 子 对 的 双 缝 量 子 成 像 实 验 杨 青, 陈 凯 (261) 基 于 纠 缠 光 源 的 单 光 子 干 涉 和 HOM 型 双 光 子 干 涉 实 验 刘 敏, 蔡 昕 东 (264) 大 气 压 等 离 子 体 实 验 演 示 仪 董 馨, 孙 智 兴, 于 江 涛 (269) 利 用 时 域 有 限 差 分 法 模 拟 金 纳 米 球 及 球 壳 光 学 特 性 钱 钧, 刘 丽 军, 张 春 玲 (274) 热 光 二 阶 关 联 影 响 因 素 实 验 研 究 田 甲, 林 海 龙, 高 禄 ( 279) 基 于 聚 合 物 全 息 光 盘 的 大 容 量 体 全 息 存 储 演 示 仪 刘 鸿 鹏, 王 维 波 (285) III
利 用 霍 尔 效 应 研 究 热 退 火 对 黑 硅 材 料 电 学 性 质 的 影 响 王 科 范, 刘 平 安 (290) 数 字 化 密 立 根 油 滴 实 验 仪 何 雨 华, 方 恺, 倪 晨, 郭 先 红, 陆 萍 ( 295) 复 合 真 空 计 操 作 规 程 应 用 研 究 刘 嘉 滨, 沈 学 浩, 周 红, 杨 文 明 (300) 流 水 式 核 磁 共 振 实 验 中 低 流 速 下 共 振 信 号 反 常 增 强 原 因 探 究 及 纵 向 弛 豫 时 间 准 确 测 量 杜 晓 波, 许 强, 孙 昕, 龙 北 玉, 付 成 伟, 周 亮, 梁 桁 楠, 韩 炜 ( 303) 适 应 近 代 物 理 实 验 课 堂 要 求 的 高 压 实 验 装 置 的 改 进 梁 桁 楠, 周 海 宁, 李 岩, 刘 帅, 郭 茂 森 (306) 水 热 法 制 备 ZnO 纳 米 棒 甄 春 阳, 杨 坤, 付 康 宁, 董 敬 敬 (309) 氢 等 离 子 体 处 理 对 ZnO 光 电 性 质 的 影 响 董 敬 敬, 杨 坤, 付 康 宁 (315) 夫 兰 克 - 赫 兹 实 验 的 改 进 冯 娟, 张 贺, 赵 飞 ( 319) 巨 磁 电 阻 效 应 实 验 的 研 究 与 应 用 郭 琳, 衣 岩, 杨 显 洁, 蒲 泓 羽, 李 传 涛 (322) 基 于 T 型 表 面 等 离 子 体 波 导 的 双 向 分 光 器 陈 靖, 陈 宗 强, 钱 钧, 孙 骞 ( 326) 针 对 不 同 类 型 样 品 的 原 子 力 显 微 镜 实 验 教 学 研 究 王 中 平, 谢 宁, 张 宪 峰, 张 增 明, 孙 腊 珍 (331) 利 用 有 限 元 法 模 拟 MIM 波 导 的 光 传 输 特 性 陈 宗 强, 刘 丽 军, 陈 靖, 孙 骞 ( 340) 钠 原 子 光 谱 漫 线 系 的 研 究 李 斯, 毕 超, 戴 继 福, 冯 洁, 杨 卫 平 (346) 软 X 射 线 光 学 表 面 散 射 检 测 陈 淑 妍, 程 丽, 张 杨, 苏 丽 萍, 李 昆 (352) 微 波 布 拉 格 衍 射 中 立 方 晶 体 晶 面 衍 射 测 量 与 模 型 选 取 讨 论 徐 春 阳, 陈 文 婷, 王 晓 栋, 张 志 华, 方 恺, 赫 丽 (359) X-ray Computed Tomography(X-CT) 分 辨 率 的 研 究 周 震, 苏 卫 锋, 冀 敏 (365) 垂 直 磁 场 对 光 抽 运 信 号 的 影 响 陈 森, 王 点 庄, 曹 庆 睿, 张 师 平, 吴 平 ( 370) 核 磁 共 振 及 其 成 像 实 验 姚 红 英 (375) 扩 展 发 光 微 生 物 检 测 急 性 毒 物 应 用 范 围 的 算 法 研 究 魏 胜 非, 李 忠 民, 陈 彩 云, 夏 彬 ( 382) 用 X 射 线 衍 射 仪 测 量 普 朗 克 常 量 王 合 英, 孙 文 博 (387) 利 用 光 栅 单 色 仪 测 量 红 宝 石 晶 体 的 吸 收 和 发 射 光 谱 的 教 学 实 验 研 究 朱 玲, 郑 虹, 王 中 平, 张 权, 张 增 明, 孙 腊 珍 (392) 巨 磁 电 阻 效 应 实 验 仪 吴 春 姬, 纪 红, 徐 智 博, 张 剑 楠, 王 文 全 (398) IV
第 一 部 分 物 理 实 验 教 学 研 究
普 通 物 理 实 验 双 语 教 学 的 体 会 康 秀 英 ( 北 京 师 范 大 学 物 理 系, 北 京 100875) 摘 要 : 双 语 教 学 是 我 国 高 等 院 校 走 向 国 际 化 的 必 然 趋 势 普 通 物 理 实 验 通 过 中 英 文 双 语 教 学, 充 分 利 用 实 验 课 堂 教 学 的 灵 活 性 和 开 放 性, 以 及 广 泛 的 专 业 英 语 词 汇 积 累, 对 学 生 的 专 业 英 语 的 提 高 有 极 大 的 帮 助 根 据 几 年 的 双 语 教 学 体 验, 本 文 总 结 了 在 教 材 和 教 学 方 面 的 一 些 经 验 和 体 会, 为 实 验 型 双 语 教 学 改 革 提 供 参 考. 关 键 词 : 双 语 教 学 ; 普 通 物 理 实 验 ; 专 业 英 语 实 施 双 语 教 学 是 促 进 我 国 高 等 教 育 与 国 际 接 轨 培 养 高 层 次 创 新 人 才 的 有 效 途 径, 也 是 实 现 我 国 教 育 现 代 化 的 重 要 手 段 因 此 双 语 教 学 是 我 国 高 等 院 校 走 向 国 际 化 的 必 然 趋 势, 近 几 年 来 各 校 都 在 积 极 地 进 行 尝 试 和 推 广 物 理 学 在 人 的 科 学 素 质 培 养 中 具 有 重 要 的 地 位, 物 理 实 验 课 程 曾 经 为 培 养 20 世 纪 的 优 秀 人 才 作 出 了 卓 越 的 贡 献 以 计 算 机 信 息 科 学 技 术 生 命 科 学 空 间 科 学 材 料 科 学 等 为 代 表 的 新 的 科 学 技 术 革 命, 极 大 地 加 速 了 科 学 技 术 的 发 展 和 各 学 科 之 间 的 相 互 交 叉 和 渗 透, 新 的 综 合 化 趋 势 已 成 为 科 学 发 展 的 主 流 因 此, 高 等 教 育 人 才 培 养 的 思 路 必 然 要 适 应 这 些 变 化, 课 程 体 系, 教 学 内 容 和 教 学 方 法 手 段 必 须 由 封 闭 型 向 开 放 型 转 变 [1] 物 理 实 验 作 为 大 学 生 在 进 校 后 的 第 一 门 科 学 实 验 课 程, 不 仅 应 让 学 生 受 到 严 格 的 系 统 的 实 验 技 能 训 练, 掌 握 科 学 实 验 的 基 本 知 识 方 法 和 技 巧, 更 主 要 的 是 要 培 养 学 生 严 谨 的 科 学 思 维 能 力 和 创 新 精 神, 培 养 学 生 理 论 联 系 实 际 分 析 和 解 决 实 际 问 题 的 能 力, 特 别 是 与 科 学 技 术 的 发 展 相 适 应 的 综 合 能 力, 因 而 实 验 教 学 应 该 面 对 时 代 的 发 展, 科 技 进 步 的 新 趋 势 和 新 挑 战, 不 断 有 所 创 新 只 有 这 样, 才 能 适 应 社 会 对 人 才 知 识 和 科 学 素 质 越 来 越 高 的 要 求 普 通 物 理 实 验 作 为 物 理 专 业 及 其 它 理 科 专 业 的 必 修 课, 也 必 然 引 进 双 语 教 学, 培 养 适 应 当 今 世 界 发 展 的 国 际 化 人 才 普 通 物 理 实 验 通 过 中 英 文 双 语 教 学, 充 分 利 用 实 验 课 堂 教 学 的 灵 活 性 和 开 放 性, 使 学 生 能 够 掌 握 本 学 科 基 本 概 念 基 本 规 律 和 实 验 技 术 的 书 面 及 口 头 的 英 语 表 达, 并 初 步 具 备 用 英 语 思 维 和 进 行 交 流 的 能 力, 为 使 他 们 最 终 成 为 专 业 过 硬 语 言 交 流 能 力 强 的 国 际 复 合 型 人 才 打 好 基 础 [2,3] 同 时, 通 过 本 课 程 的 建 设, 造 就 一 支 理 论 教 学 与 实 验 教 学 相 结 合 教 学 与 科 研 相 结 合 的 双 语 教 学 师 资 队 伍 另 外, 普 通 物 理 实 验 包 括 物 理 基 础 的 各 个 方 面, 如 力 学 热 学 电 学 光 学 和 原 子 物 理 等, 因 此 相 对 于 其 它 单 科 教 学, 需 要 广 泛 的 专 业 英 语 词 汇 积 累, 教 学 难 度 比 较 大, 更 需 要 教 师 花 费 大 量 的 时 间 和 精 力 备 课, 但 在 当 今 教 师 评 价 体 系 更 注 重 科 研 成 果 的 形 势 下, 势 必 影 响 这 门 课 程 的 双 语 化 进 程 但 也 正 因 为 其 集 合 了 所 有 的 普 通 物 理 知 识, 对 学 生 的 专 业 英 语 的 提 高 有 极 大 的 帮 助, 同 时 操 作 过 程 也 是 英 文 交 流 的 大 好 机 会. 通 过 三 年 的 双 语 教 学 体 验, 有 一 些 经 验 和 体 会 来 一 起 分 享. 首 先 关 于 实 验 讲 义 的 编 写. 目 前 大 部 分 教 师 都 具 备 了 科 技 英 语 的 写 作 能 力, 在 国 际 期 刊 发 表 许 多 文 章, 但 毕 竟 英 语 不 是 母 语, 虽 然 能 精 确 地 表 达 清 楚 其 中 的 物 理 思 想, 但 语 感 还 是 欠 佳. 大 学 物 理 双 语 教 材 使 用 原 版 英 文 教 材 或 影 印 版 英 文 教 材, 教 材 涉 及 的 知 识 范 围 包 括 力 热 声 电 磁 光 近 代 物 理 物 质 结 构 现 代 物 理 发 展 等 具 有 广 阔 物 理 知 识 和 物 理 背 景 的 教 材 这 样 从 知 识 入 门 的 角 度 确 保 学 生 体 味 到 原 汁 原 味 的 英 语 物 理 知 识 表 达, 也 让 学 生 掌 握 到 物 理 发 展 的 历 程 因 此 尽 量 借 鉴 国 外 的 原 版 教 材. 近 几 年 来 有 许 多 新 出 版 大 学 物 理 1
实 验 的 教 材, 如 Experiments and demonstrations in physics, Experiments in modern physics 等, 由 于 仪 器 的 差 别, 因 此 在 此 基 础 上 还 需 大 量 修 改, 尽 量 做 到 最 好. 同 时 也 可 作 为 学 生 的 英 语 参 考 教 材, 保 持 母 语 教 材 的 风 格 另 一 方 面, 学 生 每 完 成 一 个 实 验 都 需 要 写 实 验 报 告, 这 是 一 个 练 习 写 作 的 大 好 机 会, 刚 开 始 可 能 花 费 比 较 长 的 时 间 完 成 一 个 报 告, 但 一 两 个 学 期 坚 持 下 来, 学 生 的 写 作 水 平 得 到 很 大 的 飞 跃, 逐 步 掌 握 了 英 文 实 验 报 告 写 作 的 方 法 与 技 巧, 消 除 了 对 英 文 写 作 的 恐 惧, 增 强 了 写 作 信 心, 英 语 表 达 能 力 明 显 感 到 更 流 畅, 更 得 心 应 手, 同 时 也 增 强 了 他 们 将 来 有 志 于 向 国 际 界 发 展 的 信 心. 另 一 方 面, 实 验 报 告 中 要 写 实 验 原 理 误 差 分 析 和 实 验 结 论, 促 使 学 生 更 多 更 仔 细 地 阅 读 英 文 教 材 相 关 内 容, 在 斟 酌 英 文 表 达 的 同 时, 对 实 验 的 内 容 也 将 更 深 入 地 理 解, 相 辅 相 成, 事 半 功 倍, 这 正 好 反 过 来 促 进 了 双 语 理 论 课 教 学. 当 然 实 验 室 也 是 一 个 极 自 然 的 英 语 角, 为 学 生 提 供 了 英 语 对 话 的 极 好 机 会. 由 于 实 验 中 学 生 总 会 遇 到 各 种 各 样 的 问 题, 除 了 寻 找 老 师 的 帮 助 外, 更 可 能 的 是 同 学 之 间 进 行 讨 论, 这 样 他 们 自 然 而 然 地 进 行 了 口 语 练 习. 当 然 学 习 语 言 首 先 要 敢 于 和 勇 于 张 口, 尝 试 几 次 就 会 变 得 十 分 自 然, 因 此 教 师 应 该 在 如 何 鼓 励 学 生 张 开 口 方 面 想 办 法, 这 样 学 生 通 过 英 语 来 掌 握 专 业 知 识, 熟 悉 英 语 思 维 求 和 交 流 的 习 惯, 熟 练 地 用 英 语 来 解 决 实 际 问 题 以 便 在 精 通 母 语 和 母 语 文 化 的 同 时 更 好 地 了 解 世 界 各 国 的 文 化, 使 他 们 具 有 进 行 跨 文 化 交 流 的 能 力, 一 旦 将 来 有 机 会 参 加 国 际 性 的 学 术 讨 论 会 议, 就 会 更 好 地 显 示 自 己 的 才 华, 得 到 著 名 学 者 的 青 睐, 从 而 可 能 有 更 好 的 发 展 空 间. 总 之, 普 通 物 理 实 验 教 学 的 双 语 化 将 对 学 生 的 专 业 英 语 能 力 提 高 提 供 极 大 的 帮 助, 同 时 也 是 势 在 必 行 的 教 学 国 际 化 要 求, 因 此 对 教 师 教 学 能 力 有 极 大 挑 战, 为 此, 教 师 可 能 需 要 找 机 会 去 国 外 深 造, 以 便 更 好 地 完 成 双 语 教 学 任 务, 从 而 为 国 家 培 养 更 多 的 国 际 化 人 才, 壮 大 我 国 的 科 技 经 济 实 力, 实 现 中 国 梦. 参 考 文 献 : [1] 杨 黠, 胡 燕 飞. 大 学 物 理 实 施 双 语 教 学 的 思 考 [J]. 四 川 理 工 学 院 学 报 ( 社 会 科 学 版 ), 2007,22:104-107. [2] 赵 秋 瑭. 大 学 物 理 实 验 双 语 教 学 初 探 [J]. 实 验 科 学 与 技 术,2008,6(2):89-91. [3] 徐 峰, 黄 楠 楠. 用 英 文 撰 写 实 验 报 告 的 探 索 [J]. 理 工 高 教 研 究,2004, 23(5):124-127. Bilingual teaching experience on General Physics Experiment KANH Xiu-ying (Physics Department, Beijing Normal University, Beijing 100875, China) Abstract: Bilingual education is inevitable trend towards internationalization for Chinese universities. "General Physics Experiment" by bilingual teaching, due to the advantages of the flexibility and openness, as well as a wide range of professional English vocabulary, can improve students' professional English with a great help. According to our bilingual teaching experience during last years, this article summarizes some experience and understanding, especially in bilingual textbooks and teaching, and may provide a reference for the teaching reforms of the experimental bilingual education. Key words: bilingual education; general physics experiment; professional English 2
改 革 物 理 实 验, 培 养 创 新 人 才 ---- 以 中 国 石 油 大 学 ( 华 东 ) 为 例 隗 群 梅 ( 中 国 石 油 大 学 ( 华 东 ) 理 学 院,266555) 摘 要 : 本 文 介 绍 了 我 校 以 提 高 物 理 实 验 教 学 质 量 和 教 学 效 率 为 目 的 的 一 系 列 实 验 教 学 改 革, 通 过 梳 理 实 验 方 法 总 结 实 验 技 巧 来 实 现 创 新 人 才 的 培 养 关 键 词 : 创 新 教 育 ; 实 验 模 式 ; 教 学 方 法 ; 教 学 体 系 1 引 言 关 于 创 新 理 论 和 方 法 在 美 国 教 育 学 家 Smith 和 Jorgen 所 进 行 的 创 新 教 学 设 计 研 究 中 有 较 详 细 的 介 绍, 其 中 值 得 我 们 学 习 和 借 鉴 的 有 [1] : 教 学 设 计 如 何 根 据 学 生 的 特 点 ( 如 : 共 同 点 与 差 异 性 ; 变 化 与 稳 定 性 的 特 点 以 及 先 前 的 学 习 和 训 练 等 ) 来 进 行 实 验 教 学 评 价 等 在 欧 美 学 校 里, 仪 器 更 新 换 代 快, 且 孩 子 从 幼 儿 园 到 大 学 就 注 重 动 手 和 创 新 能 力 的 教 育, 教 学 模 式 也 采 用 非 灌 输 式 的 教 育 方 式, 在 这 样 的 大 环 境 下 造 就 了 一 批 像 麦 克 斯 韦 波 尔 卢 瑟 福 布 拉 格 等 的 物 理 界 科 学 名 人 在 国 内, 别 说 是 创 新 教 育, 就 连 物 理 实 验 的 教 学 也 才 始 于 上 世 纪 20 年 代, 由 北 京 大 学 的 颜 任 光 老 师 和 南 京 高 等 师 范 学 校 的 胡 刚 复 老 师 开 创, 但 当 时 仅 仅 是 一 些 验 证 性 实 验 和 物 理 量 的 测 量 实 验 [2] 随 着 科 学 技 术 和 外 来 文 化 的 不 断 冲 击, 教 育 事 业 [3] 也 随 之 在 高 速 地 发 展 和 飞 快 地 进 步, 其 间 的 变 化 主 要 体 现 在 物 理 实 验 教 学 方 法 和 教 学 体 系 上 [4] 教 学 方 法 : 主 要 分 为 教 学 内 容 和 教 学 技 巧 教 学 内 容 在 传 统 教 学 的 基 础 上 增 设 了 近 现 [5] 代 物 理 实 验 和 创 新 实 验 教 学 技 巧 包 括 多 媒 体 的 引 入 启 发 式 引 导 式 的 教 学 理 念, 测 评 方 法 的 不 断 优 化 和 改 进 等 教 学 体 系 : 层 次 化 ( 有 些 学 校 是 以 实 验 内 容 分 为 基 础 性 实 验 综 合 性 实 验 以 及 设 计 和 研 究 性 实 验 ; 有 些 学 校 是 将 学 生 分 为 好 中 差, 再 进 行 不 同 级 别 的 教 学 ) 和 专 业 化 的 教 学 模 式 总 之, 为 了 适 应 社 会 的 高 速 发 展, 培 养 出 优 秀 的 现 代 化 人 才, 大 学 物 理 实 验 教 学 也 与 时 俱 进 地 进 行 着 革 新 2 物 理 实 验 中 心 介 绍 以 提 高 教 学 质 量 和 教 学 效 率 为 教 学 核 心 [2], 培 养 出 更 加 优 秀 的 现 代 化 人 才 在 激 烈 竞 争 的 现 代 化 教 学 中, 我 校 的 物 理 实 验 也 不 断 地 进 行 着 改 革 自 1998 年 以 来 我 校 物 理 实 验 率 先 实 施 全 面 开 放 式 教 学, 到 2006 年 取 得 山 东 省 首 个 示 范 中 心 的 荣 誉 称 号,2007 年 大 学 物 理 实 验 被 评 为 省 级 精 品 课 程 在 改 革 期 间 取 得 过 优 异 的 成 绩, 但 也 存 在 着 不 足 3 现 有 实 验 模 式 的 介 绍 为 深 入 贯 彻 落 实 教 育 部 关 于 全 面 提 高 高 等 教 育 质 量 的 若 干 意 见 ( 教 高 2012 4 号 ) 和 教 育 部 等 部 门 关 于 进 一 步 加 强 高 校 实 践 育 人 的 若 干 意 见 ( 教 思 政 2012 1 号 ) 文 件 精 神, 根 据 教 育 部 财 政 部 关 于 十 二 五 期 间 实 施 高 等 学 校 本 科 教 学 质 量 与 教 学 改 革 工 程 的 意 见 ( 教 高 2011 6 号 ), 物 理 实 验 中 心 本 着 以 学 生 为 主, 教 师 为 辅 的 实 验 教 学 模 式, 激 发 学 生 兴 趣, 启 发 他 们 独 立 解 决 问 题, 培 养 他 们 的 创 造 性 思 维 能 力 现 有 的 实 验 结 构 分 布 可 用 如 下 的 方 框 图 表 示 : 3
物 理 实 验 大 学 物 理 实 验 (2-1) 普 通 物 理 实 验 (2-1) 基 础 物 理 实 验 (2-1) 大 学 物 理 实 验 (2-2) 普 通 物 理 实 验 (2-2) 基 础 物 理 实 验 (2-2) 综 合 物 理 实 验 夯 实 基 础 激 发 兴 趣 创 新 实 验 训 练 专 题 引 导 创 新 物 理 实 验 首 先 通 过 两 个 层 次 的 基 础 性 实 验 来 对 学 生 进 行 基 础 测 量 知 识 和 数 据 处 理 能 力 的 训 练, 此 部 分 以 夯 实 基 础 拓 展 知 识 面 为 目 的 ; 然 后 是 综 合 物 理 实 验 的 训 练, 以 此 来 激 发 学 生 的 学 习 兴 趣 ; 最 后 就 是 在 做 好 以 上 前 提 工 作 之 下 达 到 创 新 创 业 的 训 练 目 的 在 不 同 的 学 习 阶 段 采 取 不 同 的 教 学 方 法 和 手 段 来 提 高 教 学 质 量, 如 初 学 阶 段 除 引 进 多 媒 体 教 学 之 外, 还 根 据 不 同 实 验 类 型 采 用 不 同 方 法, 像 在 密 立 根 油 滴 实 验 和 光 电 效 应 实 验 时 引 入 相 关 诺 贝 尔 奖 的 物 理 学 史, 在 电 桥 实 验 中 引 入 日 常 生 活 中 电 阻 的 应 用 等, 从 而 吸 引 学 生 的 注 意 力, 激 发 他 们 的 学 习 热 情 ; 加 强 与 专 业 相 结 合 的 实 验 项 目 训 练 ( 如 : 油 品 的 粘 滞 系 数 比 热 容 等 ), 以 实 现 与 专 业 接 轨 的 横 向 拓 展 ; 提 高 实 验 课 在 本 科 教 学 中 的 地 位 ( 如 : 学 分 的 增 加 ) 除 此 之 外, 还 增 设 了 旨 在 提 高 学 生 实 验 创 新 和 实 验 开 发 能 力 的 提 高 实 验 项 目 如 : 系 列 综 合 性 实 验 综 合 性 高 技 术 性 强 系 列 性 浓, 可 以 开 阔 实 验 研 究 视 野, 引 导 学 生 在 现 有 实 验 基 础 上 把 物 理 实 验 的 思 维 方 法 拓 展 和 转 移 到 专 业 学 科 领 域, 从 而 达 到 培 养 学 生 进 行 科 学 研 究 和 实 验 创 新 的 综 合 能 力 设 计 研 究 性 实 验 实 验 要 求 灵 活 性 较 大, 重 视 测 量 方 法 测 量 条 件 测 量 仪 器 的 优 化 设 计 给 那 些 实 验 能 力 强 对 实 验 有 兴 趣 的 学 生 提 供 基 本 的 实 验 探 究 设 计 机 会, 以 此 加 强 实 验 创 新 能 力 的 训 练 和 培 养 现 代 物 理 测 量 技 术 实 验 现 代 物 理 测 试 方 法 测 试 技 术 及 应 用, 这 些 有 效 地 增 强 了 教 学 内 容 的 科 学 性 先 进 性, 让 学 生 感 受 现 代 物 理 科 技 的 魅 力, 激 发 创 新 意 识 和 探 究 兴 趣 4 物 理 创 新 实 验 专 题 训 练 实 施 系 统 创 新 综 合 训 练 2-3 人 组 成 一 个 小 组, 把 分 析 和 创 意 留 给 学 生, 特 别 提 倡 以 专 业 接 轨 横 向 拓 展 的 实 验 开 发 与 创 新, 以 规 范 的 科 技 论 文 提 交 研 究 成 果, 并 择 优 进 行 答 辩, 为 培 养 学 生 全 面 创 新 能 力 提 供 平 台 下 面 对 我 校 新 开 设 的 系 列 化 综 合 性 实 验 和 创 新 性 实 验 进 行 详 细 地 介 绍 :(1) 系 列 化 综 合 性 实 验 : 根 据 我 校 办 学 特 色 ( 研 究 型 理 工 科 综 合 学 校 ) 和 专 业 特 点 ( 石 油 与 地 质 勘 探 ), 以 强 化 学 生 实 践 能 力 为 重 点, 整 合 相 关 实 验 室 资 源 和 师 资 队 伍, 建 立 目 标 清 晰 载 体 明 确 考 核 科 学 的 实 验 教 学 体 系, 构 建 功 能 集 约 资 源 优 化 开 放 充 分 运 行 高 效 的 专 业 类 实 验 教 学 平 台, 为 应 用 型 复 合 型 创 新 型 人 才 培 养 创 造 有 利 条 件 将 教 学 与 科 研 有 机 结 合, 统 筹 相 关 教 学 科 研 实 验 室 资 源, 促 进 教 学 科 研 互 动, 实 现 科 研 成 果 向 实 验 教 学 内 容 的 有 效 转 化, 使 学 生 了 解 科 技 最 新 发 展 和 学 术 前 沿 动 态, 激 发 科 研 兴 趣, 启 迪 科 研 思 维, 掌 握 科 研 方 法, 培 养 科 研 道 德, 提 升 科 学 研 究 和 科 技 创 新 的 能 力 (2) 创 新 性 实 验 : 它 分 为 教 师 主 导 和 学 生 主 导 的 实 验 教 师 主 导 的 探 索 创 新 性 实 验 是 根 据 教 师 科 研 中 的 小 ( 子 ) 课 题 进 行 文 献 调 研 教 学 研 究 科 研 探 索 等 将 教 师 主 导 设 立 的 探 索 创 新 性 课 题 纳 入 创 新 性 实 验 课 程 训 练 体 系, 学 生 以 选 题 的 形 式 参 与 探 索 创 新 性 实 验 学 生 主 导 的 探 索 创 新 性 实 验 则 是 学 生 经 过 一 定 的 知 4
识 积 累, 掌 握 了 一 定 的 基 础 知 识, 对 专 业 领 域 有 了 初 步 认 识 后, 对 于 他 们 在 实 验 学 习 过 程 中 迸 发 出 的 有 价 值 的 创 新 性 思 路, 实 验 中 心 提 供 实 践 经 验 丰 富 的 专 业 人 员 参 与 实 验 支 持 和 指 导 4 近 五 年 取 得 的 成 绩 在 老 师 指 导 下 学 生 发 表 的 各 类 论 文 总 计 22 篇, 申 请 的 省 级 和 校 级 项 目 有 9 项, 获 奖 的 创 新 项 目 有 34 项, 其 中 特 等 奖 3 项, 一 等 奖 6 项, 二 等 奖 12 项, 获 批 专 利 15 项 5 实 验 室 的 持 续 发 展 1) 以 创 新 理 念 统 领 整 个 物 理 实 验 教 学 体 系 和 系 列 课 程 建 设, 把 创 新 技 法 训 练 落 实 到 各 个 实 验 项 目, 把 创 新 能 力 培 养 实 施 到 各 门 物 理 实 验 课 程 2) 优 化 实 验 师 资 队 伍 建 设 是 保 障 建 立 一 支 教 学 科 研 能 力 强, 勤 奋 敬 业 具 有 创 新 精 神 结 构 合 理 稳 定 的 高 水 平 实 验 师 资 队 伍, 是 深 入 进 行 实 验 教 学 改 革 实 验 室 建 设 和 学 生 创 新 能 力 培 养 的 保 障 3) 引 进 先 进 实 验 设 备 是 可 持 续 发 展 的 源 泉 让 学 生 及 时 了 解 和 接 触 先 进 设 备 和 技 术, 拓 宽 学 生 视 野 4) 建 立 创 新 教 学 有 效 激 励 机 制 是 可 持 续 发 展 的 动 力, 唯 有 形 成 持 续 的 推 动 力, 才 能 使 实 验 创 新 教 育 变 成 教 师 的 自 觉 行 为 参 考 文 献 : [1] 张 锐 波, 沈 剑 峰, 杜 金 潮 大 学 物 理 实 验 创 新 教 学 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2010,29(1): 80-82,163 [2] 朱 德 生 STS 教 育 思 想 在 大 学 物 理 实 验 教 学 中 的 应 用 [J] 科 教 文 汇 ( 下 旬 刊 ),2011(10): 120,206 [3] 胡 成 华, 史 玲 娜 大 学 物 理 实 验 教 学 创 新 模 式 的 探 索 与 实 践 [J] 物 理 与 工 程,2012,22(1): 44-46. [4] 徐 志 君, 魏 高 尧, 隋 成 华 改 革 大 学 物 理 实 验 教 学 培 养 自 主 实 验 能 力 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2011,30(6):272-274,327 [5] 付 静, 梁 璐 光, 姜 广 军 把 物 理 学 史 引 入 大 学 物 理 教 学 的 研 究 [J] 大 学 物 理 实 验,2009, 22(1):114-116 [6] 肖 文 波, 何 兴 道, 邓 懿 媛, 等 大 学 物 理 实 验 教 学 与 创 新 能 力 培 养 的 讨 论 [J] 大 学 物 理 实 验,2010,23(1)::83-85 [7] 李 永 涛, 毛 巍 威, 刘 猛 洪, 等 搞 高 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 思 考 [J] 大 学 物 理 实 验,2013, 26(1):117-119 Reform physical experiments, cultivate innovative talents ---- With China University of Petroleum (East China), for example WEI Qun-mei (College of Science, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266555, China) Abstract: This article introduces a series of experimental teaching reforms in my school which are aimed to improve the teaching quality and efficiency in physics experiments. We intend to achieve the cultivation of innovative talents by combing through the experimental methods and summarizing the experimental techniques. Key words: innovation education; experimental pattern; teaching method; teaching system 5
物 理 实 验 教 学 中 心 建 设 与 拔 尖 人 才 培 养 的 探 索 张 杨, 朱 正, 陈 淑 妍, 李 庆 波, 王 朔, 孙 晶 华 ( 哈 尔 滨 工 程 大 学 理 学 院, 哈 尔 滨 150001) 摘 要 : 介 绍 了 哈 尔 滨 工 程 大 学 物 理 实 验 教 学 中 心 的 基 本 情 况, 建 设 的 指 导 思 想, 针 对 拔 尖 型 人 才 培 养 在 教 学 改 革 方 面 的 几 点 做 法, 取 得 的 成 果, 以 及 示 范 中 心 建 设 的 实 践 经 验 关 键 词 : 物 理 实 验 ; 教 学 改 革 ; 能 力 培 养 ; 创 新 精 神 1 概 述 哈 尔 滨 工 程 大 学 物 理 实 验 教 学 中 心 始 于 1953 年 哈 军 工 成 立 初 期,1999 年, 中 心 首 批 通 过 全 国 高 校 基 础 课 实 验 室 评 估,2006 年 被 评 为 黑 龙 江 省 首 批 实 验 教 学 示 范 中 心,2008 年 被 批 准 为 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 建 设 单 位 经 过 多 年 的 教 学 实 践, 物 理 实 验 教 学 中 心 在 实 验 教 学 中 形 成 了 强 化 基 础 注 重 能 力 启 发 创 新 的 实 验 教 学 理 念, 坚 持 培 养 知 识 能 力 素 养 全 面 发 展 的 创 新 型 人 才 的 目 标 [1] 建 立 了 以 好 奇 心 唤 醒 为 起 点, 科 学 素 质 培 养 为 核 心 内 容, 从 兴 趣 出 发 培 养 创 新 与 探 索 精 神 的 实 验 教 学 新 体 系, 并 依 此 搭 建 了 三 大 实 验 教 学 平 台 教 学 平 台 好 奇 心 唤 醒 平 台 激 发 学 生 对 物 理 学 的 好 奇 心 和 兴 趣, 催 生 获 取 知 识 的 原 动 力 为 此, 我 们 以 物 理 学 原 理 演 示 实 验 辅 之 以 百 年 诺 贝 尔 物 理 长 廊 科 技 发 现 影 像 展 播 室 等 多 种 形 式, 旨 在 唤 醒 学 生 的 好 奇 心, 重 新 点 燃 他 们 探 索 未 知 的 欲 望 科 学 素 质 养 成 平 台 培 养 学 生 掌 握 物 理 实 验 基 本 知 识 基 本 方 法 和 基 本 技 能, 提 高 发 现 分 析 和 解 决 问 题 的 能 力 通 过 一 系 列 基 础 性 综 合 性 设 计 性 物 理 实 验 项 目, 培 养 学 生 的 科 学 素 质 创 新 实 践 探 索 平 台 培 养 学 生 的 创 新 精 神, 提 高 学 生 对 实 验 方 法 和 技 术 的 综 合 运 用 能 力 通 过 大 学 生 科 技 训 练 计 划 大 学 生 科 研 立 项 和 一 系 列 科 技 竞 赛 活 动, 培 养 学 生 的 创 新 能 力 竞 争 意 识 合 作 与 协 作 能 力 以 及 团 队 精 神 基 金 项 目 : 校 教 改 重 点 项 目 (JG2013ZD08); 校 教 改 项 目 (JG2012YB26) 作 者 简 介 : 张 杨 (1979-), 男, 博 士, 副 教 授, 物 理 实 验 教 学 中 心 副 主 任, 主 要 从 事 高 精 度 磁 力 仪 研 制 和 地 磁 导 航 研 究 6
2 基 于 拔 尖 人 才 培 养 的 教 学 改 革 依 据 我 国 现 阶 段 经 济 社 会 发 展 对 人 才 培 养 的 需 要 及 我 校 坚 持 培 养 具 有 坚 定 信 念 与 创 新 精 神, 视 野 宽 基 础 厚 能 力 强 素 质 优 的 可 靠 顶 用 之 才 的 目 标, 确 立 了 哈 尔 滨 工 程 大 学 物 理 实 验 教 学 中 心 建 设 指 导 思 想 : 以 培 养 适 应 新 世 纪 科 技 发 展 要 求 的 高 素 质 人 才 为 宗 旨, 以 转 变 教 育 观 念 和 教 育 思 想 为 先 导, 以 培 养 学 生 具 备 综 合 的 科 学 素 质 和 创 新 精 神 为 目 标, 以 课 程 体 系 课 程 内 容 和 教 学 模 式 的 改 革 和 建 设 为 核 心, 创 建 国 内 一 流 的 多 功 能 分 层 次 开 放 型 的 物 理 实 验 教 学 平 台 [2-3] 2.1 建 立 分 大 类 教 学 体 系 为 学 生 提 供 自 由 自 主 的 学 习 环 境 依 托 学 校 实 验 室 综 合 管 理 系 统, 对 不 同 的 大 类 专 业 分 套 餐 排 课, 针 对 不 同 专 业 的 学 生 给 出 不 同 的 套 餐 和 实 验 项 目 的 选 择 建 议, 由 学 生 自 主 选 择 上 课 时 间 和 实 验 项 目 在 每 一 套 餐 中, 为 学 生 提 供 充 足 的 优 质 的 实 验 项 目 菜 单 供 学 生 选 择 考 虑 不 同 专 业 的 共 性 需 要, 在 不 同 套 餐 中 的 实 验 项 目 允 许 交 叉 [4] 同 时 为 满 足 个 性 化 需 求, 允 许 跨 模 块 选 择 同 时 建 立 以 学 生 为 中 心, 采 取 时 间 内 容 和 空 间 上 全 方 位 开 放 的 教 学 模 式 在 时 间 上, 学 生 可 以 自 主 选 择 上 课 时 间 在 实 验 内 容 上, 开 设 足 够 多 的 实 验 项 目, 供 学 生 选 择 与 本 专 业 密 切 联 系 的 应 用 性 综 合 性 实 验 项 目 实 验 允 许 反 复 失 败 重 做, 鼓 励 做 得 深 入, 鼓 励 实 验 研 究, 并 有 加 分 在 空 间 上, 通 过 科 技 创 新 科 技 竞 赛 等 多 种 教 学 组 织 形 式, 以 合 作 式 研 究 式 为 主 的 学 习 方 式, 拓 展 学 生 进 行 物 理 实 验 的 空 间 学 生 可 以 通 过 课 堂 内 外 实 验 室 内 外 网 络 平 台 图 书 馆 虚 拟 实 验 室 等 多 种 方 式 进 行 自 主 学 习, 突 破 了 传 统 物 理 实 验 室 空 间 的 约 束 高 水 平 的 研 究 是 实 验 教 学 充 满 活 力 的 源 泉 教 学 中 鼓 励 学 生 把 学 习 与 研 究 结 合 起 来, 在 学 习 中 研 究 研 究 中 学 习, 寓 教 于 研, 鼓 励 师 生 思 维 相 互 碰 撞, 擦 出 火 花, 提 出 问 题 其 中 一 些 可 深 入 探 讨 的 课 题 已 获 得 学 校 的 实 验 立 项 和 大 学 生 科 技 创 新 立 项 的 资 助 [5] 通 过 启 发 与 引 导, 把 研 究 型 教 学 和 自 主 式 学 习 的 思 想 贯 穿 物 理 实 验 教 学 的 始 终 2.2 基 于 MOOC 理 念 建 立 教 师 学 生 双 向 无 线 测 评 系 统 学 生 对 教 师 教 学 效 果 和 教 学 能 力 的 评 价 是 促 进 教 学 相 长 的 重 要 举 措, 与 理 论 课 期 末 网 络 评 分 不 同, 实 验 教 学 的 评 价 需 要 课 堂 上 进 行 评 价, 但 是 传 统 的 填 表 等 评 价 方 法 使 得 学 生 在 教 师 的 教 学 效 果 和 教 学 能 力 存 在 质 疑 的 时 候 也 往 往 不 敢 表 达 自 己 真 实 的 意 愿, 因 此 要 想 获 得 学 生 实 验 教 师 教 学 教 学 效 果 和 教 学 能 力 的 客 观 评 价, 必 须 借 助 新 的 评 价 方 法 和 评 价 系 统 [6] 借 助 无 线 通 信 技 术, 发 展 一 种 基 于 无 线 网 络 的 手 持 式 教 学 效 果 评 价 系 统, 使 得 学 生 能 够 敢 于 客 观 的 评 价 教 学 效 果, 同 时 教 师 对 学 生 学 习 过 程 进 行 时 时 评 测, 实 现 教 师 学 生 双 向 评 价, 教 师 测 评 不 合 格 的 学 生 要 重 做, 学 生 测 评 不 合 格 的 教 师 要 进 行 整 改 2.3 培 养 学 生 除 知 识 与 技 术 之 外 的 素 养 通 过 实 验 过 程 培 养 学 生 的 基 本 素 养 : 禁 止 编 造, 抄 袭 数 据 诚 信 ; 仔 细 观 察 实 验 现 象, 善 于 发 现 问 题 细 心 和 分 析 问 题 的 能 力 ; 实 验 中 讨 论 问 题, 敢 于 表 达 自 己 的 观 点 胆 识 和 沟 通 能 力 ; 提 前 预 期, 禁 止 迟 到 积 极 的 态 度 ; 团 队 立 项, 协 同 作 战 担 当 和 团 队 合 作 精 神 实 验 流 程 包 括 课 前 预 习 - 老 师 讲 解 - 动 手 实 验 - 老 师 指 导 - 实 验 后 整 理 仪 器 - 数 据 处 理 - 撰 写 报 告 - 老 师 批 改 报 告 - 学 生 分 析 总 结 整 个 过 程 有 始 有 终, 养 成 有 条 不 紊 的 做 事 风 格 沉 稳 培 养 学 生 除 知 识 与 技 术 之 外 的 素 养 : 诚 信 ; 细 心 ; 胆 识 ; 积 极 ; 担 当 ; 沉 稳, 真 正 使 学 生 日 后 能 够 脱 颖 而 出, 成 为 拔 尖 型 领 军 型 人 才 2.4 推 进 研 究 型 教 学 方 法 高 水 平 的 研 究 是 实 验 教 学 充 满 活 力 的 源 泉 教 学 中 鼓 励 学 生 把 学 习 与 研 究 结 合 起 来, 在 7
学 习 中 研 究 研 究 中 学 习, 寓 教 于 研, 鼓 励 师 生 思 维 相 互 碰 撞, 擦 出 火 花, 提 出 问 题 其 中 一 些 可 深 入 探 讨 的 课 题 已 获 得 学 校 的 实 验 立 项 和 大 学 生 科 技 创 新 立 项 的 资 助 通 过 启 发 与 引 导, 把 研 究 型 教 学 的 思 想 贯 穿 物 理 实 验 教 学 的 始 终 对 于 研 究 创 新 型 实 验, 要 求 学 生 自 己 查 阅 资 料 分 析 消 化, 制 定 实 验 方 案, 动 手 实 施 直 到 完 成 实 验 研 究 论 文 [7] 教 师 只 是 启 发 和 引 导 学 生, 充 分 发 挥 学 生 的 主 观 能 动 性, 调 动 学 生 学 习 的 积 极 性 2.5 编 写 出 版 特 色 实 验 教 材 结 构 上 打 破 传 统 实 验 教 材 的 编 写 方 式 从 教 学 目 的 出 发, 采 取 由 浅 入 深, 进 阶 式 结 构 将 实 验 项 目 按 性 质 分 为 四 个 模 块 : 预 备 性 实 验, 验 证 性 实 验, 综 合 性 实 验, 设 计 性 实 验 这 样 做 的 目 的 就 是 时 时 提 醒 教 师 和 学 生, 不 仅 教 要 明 确 教 的 目 标, 而 且 学 要 明 确 学 的 目 的 在 实 验 内 容 上 较 以 前 的 教 材 都 有 较 大 的 变 化, 突 出 物 理 学 知 识 与 科 学 技 术 相 结 合, 与 日 常 生 活 相 结 合, 与 实 际 应 用 相 结 合 在 每 个 实 验 中, 以 各 种 物 理 现 象 历 史 科 学 家 小 传 为 背 景, 从 多 角 度 多 方 面 充 分 展 示 各 种 现 象 背 后 蕴 含 的 物 理 学 原 理, 增 加 对 应 的 实 验 在 生 产 实 践 生 活 和 科 研 方 面 的 应 用 在 版 面 设 计 上, 为 了 使 教 材 具 有 更 好 的 可 读 性, 借 鉴 国 外 教 材 的 特 点, 本 书 将 采 用 彩 版 印 刷 图 片 单 独 安 排 在 每 页 扩 大 出 来 的 外 侧 在 编 排 方 面, 注 重 版 面 设 计, 图 文 并 茂, 给 人 以 赏 心 悦 目 的 感 觉 2.6 提 高 实 验 能 力, 推 行 开 放 式 自 主 式 考 核 方 法 学 生 实 验 成 绩 评 定 着 重 考 核 学 生 动 手 能 力 实 验 设 计 能 力 综 合 实 践 能 力, 实 验 数 据 的 测 试 分 析 及 处 理 能 力, 以 及 实 验 报 告 的 撰 写 能 力 基 于 学 校 的 个 性 化 精 英 式 人 才 培 养 战 略, 进 行 拔 尖 型 实 验 考 试 所 有 同 学 自 愿 参 加 实 验 考 试, 不 参 加 考 试 的 同 学 成 绩 已 平 时 成 绩 进 行 计 算, 参 加 考 试 的 同 学 有 机 会 获 得 优 秀, 考 试 内 容 比 平 时 的 实 验 层 次 更 高, 以 设 计 性 综 合 性 为 主, 开 拓 学 生 视 野, 提 升 动 手 能 力 [8-9] 同 时, 为 配 合 个 性 化 拔 尖 人 才 培 养 的 目 标, 学 生 可 以 申 请 期 末 考 试 免 试 申 请 免 试 的 学 生 除 要 取 得 平 时 的 基 本 实 验 综 合 训 练 环 节 专 题 讨 论 课 等 教 学 环 节 的 优 异 成 绩 外, 还 要 选 做 由 主 讲 教 师 在 不 同 教 学 阶 段 布 置 的 若 干 结 合 工 程 实 际 着 重 创 新 设 计 能 力 培 养 的 免 试 题 目, 并 根 据 实 际 情 况 获 得 最 终 成 绩 3 结 束 语 经 过 多 年 的 教 学 实 践, 结 合 自 身 情 况, 物 理 实 验 教 学 中 心 在 实 验 教 学 中 形 成 了 强 化 基 础 注 重 能 力 突 出 创 新 的 实 验 教 学 理 念, 明 确 了 培 养 知 识 能 力 素 养 全 面 发 展 的 拔 尖 型 人 才 的 目 标 在 已 有 三 大 平 台 的 基 础 上, 不 断 地 进 行 改 革 和 探 索, 行 成 自 己 的 特 色, 希 望 能 给 其 他 高 校 的 实 验 教 学 改 革 提 供 一 些 参 考 和 借 鉴 参 考 文 献 : [1] 王 兴 邦 认 真 总 结, 提 升 理 念, 凝 练 成 果, 突 出 特 色, 迎 接 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 验 收 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2010(4): 1-5 [2] 潘 信 吉 实 验 教 学 示 范 中 心 可 持 续 发 展 的 研 究 与 实 践 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2010(6): 111-113 [3] 潘 蕾 实 验 教 学 示 范 中 心 建 设 的 探 索 与 实 践 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2005(2): 89-91 [4] 韩 忠, 李 田 彭 华 改 革 大 学 物 理 实 验 教 学 体 系 建 设 示 范 性 教 学 实 验 中 心 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2009(2): 89-91,109 [5] 孙 敬 姝, 刘 倩, 霍 俊 德 物 理 基 础 实 验 室 建 设 与 创 新 人 才 培 养 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2003 (1): 82-84 [6] 李 幼 真, 徐 富 新 物 理 实 验 教 学 中 的 若 干 问 题 及 创 新 平 台 建 设 的 思 考 及 实 践 [J] 物 理 实 验,2010(5): 102-104 8
[7] 王 震, 丁 永 文 普 通 物 理 实 验 教 学 中 的 提 出 问 题 [J] 物 理 实 验,2010(4): 18-21 [8] 朱 红, 王 伟, 原 所 佳 大 学 物 理 实 验 课 程 考 核 方 式 的 探 索 和 实 践 [J] 实 验 科 学 与 技 术, 2011(4): 108-111 [9] 李 林, 施 芸 城, 钟 宏 杰 物 理 实 验 课 不 同 考 核 方 式 的 改 革 与 实 践 操 作 考 试 的 积 极 效 应 最 为 明 显 [J] 大 学 物 理,2010(2): 43-46 Construction of Physical Experiment Teaching Center and Study of cultivating for top-notch personnel Zhang yang, Zhu zheng, Chen Shu-yan, Li Qing-bo, Wang shuo, Sun Jing-hua (College of science, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China) Abstract: The basic information, guiding ideology, and some methods of teaching reform of physical experiment teaching center are described in Harbin Engineering University. After that, the achievement, effects of demonstration and experience and its feature are also presented Key words: physical experiment; teaching reform; ability training; innovation spirit 9
略 论 高 校 物 理 实 验 教 学 范 士 民 ( 阜 阳 师 范 学 院 物 理 与 电 子 科 学 学 院, 安 徽 阜 阳 236041) 摘 要 : 通 过 对 物 理 实 验 教 学 过 程 的 诸 多 方 面 进 行 深 入 探 讨 与 思 考, 提 出 自 己 的 观 点 和 看 法 与 同 行 交 流 关 键 词 : 实 验 教 学 ; 教 学 过 程 ; 动 手 能 力 物 理 实 验 教 学 是 高 校 教 学 工 作 的 重 要 组 成 部 分, 与 理 论 教 学 一 同 构 成 高 校 培 养 人 才 的 主 要 手 段, 实 验 教 学 对 于 提 高 学 生 的 实 践 能 力 和 创 新 能 力 有 着 无 可 替 代 的 作 用 对 此, 实 验 教 师 应 该 明 确 所 从 事 职 业 的 崇 高 地 位, 树 立 正 确 的 价 值 观 如 何 上 好 实 验 课? 这 是 摆 在 每 个 实 验 教 师, 特 别 是 年 轻 的 实 验 教 师 面 前 的 首 要 问 题, 实 验 教 学 不 同 于 理 论 教 学, 它 要 求 所 有 的 学 生 在 一 定 的 时 间 内 完 成 一 定 的 实 验 内 容, 达 到 每 次 实 验 教 学 的 目 的 学 生 对 实 验 原 理 的 理 解 深 浅 程 度 不 同, 学 生 的 动 手 能 力 各 不 相 同, 实 验 仪 器 设 备 的 性 能 状 态 各 异, 为 了 培 养 学 生 的 动 手 能 力, 实 验 教 师 又 不 可 能 代 劳, 这 些 都 对 实 验 教 师 提 出 了 很 高 的 要 求 实 验 教 师 的 自 身 素 质 和 临 场 应 变 能 力 至 关 重 要, 甚 至 决 定 了 实 验 教 学 的 成 败 首 先, 为 了 上 好 实 验 课, 课 前 实 验 教 师 要 做 足 功 课 首 先 需 要 透 彻 理 解 实 验 原 理, 搞 清 楚 每 一 个 已 知 量 待 测 量 和 未 知 量, 对 原 理 公 式 的 来 龙 去 脉 要 准 确 把 握, 做 到 心 中 有 数 其 次 一 定 要 先 到 实 验 室 认 真 试 做 实 验, 了 解 每 一 台 仪 器 设 备 的 性 能 操 作 规 程 和 维 护 维 修 特 点, 了 解 测 量 值 的 大 小 和 范 围, 认 真 处 理 实 验 数 据, 自 己 先 写 出 实 验 报 告 根 据 实 验 教 学 大 纲, 写 出 实 验 教 学 设 计 ( 教 案 ) 是 每 个 实 验 教 师 的 本 职 工 作, 本 人 认 为 实 验 教 学 设 计 ( 教 案 ) 的 基 本 内 容 应 包 括 : 一 是 实 验 目 的, 要 根 据 实 验 教 学 大 纲 和 实 验 内 容 准 确 定 位, 实 验 目 的 要 明 确 具 体 可 检 测 的 二 是 实 验 仪 器, 写 清 楚 实 验 仪 器 设 备 的 名 称 型 号 和 主 要 规 格 参 数, 对 实 验 耗 材 的 名 称 和 数 量 也 应 准 确 标 明 三 是 实 验 原 理 与 方 法, 应 简 明 扼 要, 重 要 公 式 要 写 清 楚 推 导 过 程, 每 一 个 物 理 量 的 符 号 要 规 范, 实 验 数 据 处 理 应 给 出 公 式 和 处 理 方 法 四 是 实 验 内 容 和 步 骤, 要 求 实 验 内 容 明 确, 步 骤 准 确 规 范, 给 出 测 量 原 始 数 据 的 具 体 表 格 五 是 教 学 过 程, 这 在 下 面 稍 后 详 谈 六 是 教 学 小 结, 对 实 验 教 学 过 程 中 出 现 的 问 题 进 行 反 思 和 总 结, 提 出 改 进 意 见, 这 部 分 内 容 是 实 验 教 学 之 后 写 的 接 下 来 重 点 谈 谈 实 验 教 学 过 程, 在 上 第 一 节 实 验 课 之 前 要 向 学 生 明 确 强 调 的 事 项, 主 要 目 的 是 立 规 矩 首 先 是 安 全 教 育, 介 绍 实 验 室 电 源 系 统, 让 每 一 个 同 学 知 道 电 源 控 制 开 关 的 位 置 和 切 断 电 源 的 方 法, 实 验 教 师 要 现 场 演 示 其 次 是 卫 生 教 育, 禁 止 学 生 在 实 验 室 吐 痰 乱 扔 垃 圾 吃 东 西, 每 次 实 验 结 束 后 个 人 都 要 整 理 好 自 己 的 实 验 台, 放 好 凳 子, 并 留 下 几 名 同 学 负 责 实 验 室 的 整 体 卫 生, 再 次 是 强 调 实 验 教 学 注 意 事 项, 具 体 包 括 有 禁 止 学 生 迟 到 和 早 退, 未 经 允 许 禁 止 擅 自 调 换 实 验 组 别 ; 没 有 实 验 预 习 报 告 不 得 进 入 实 验 室 做 实 验 ; 独 立 完 成 实 验, 未 经 允 许 不 得 调 换 座 位 和 实 验 仪 器, 未 经 允 许 不 得 乱 动 实 验 仪 器, 保 持 实 验 室 安 静 ; 实 验 结 束 后 学 生 应 如 实 填 写 实 验 记 录 本, 禁 止 学 生 调 换 实 验 记 录 本 或 带 离 实 验 室, 及 时 提 交 实 验 报 告 ; 鼓 励 学 生 探 究 实 验 和 大 胆 创 新 向 学 生 给 出 自 己 的 联 系 方 式, 以 便 课 后 交 流 建 议 实 验 教 学 过 程 如 下 : 学 生 进 入 实 验 室, 首 先 提 交 实 验 预 习 报 告 并 到 指 定 座 位 就 坐, 作 者 简 介 : 范 士 民 (1957-), 男, 安 徽 阜 阳 人, 实 验 师, 从 事 大 学 物 理 实 验 研 究 10
实 验 教 师 提 出 若 干 个 实 验 预 习 思 考 题, 让 学 生 思 考 并 对 照 实 验 仪 器 说 明 书 预 习 ; 学 生 思 考 时, 实 验 教 师 批 阅 实 验 预 习 报 告 并 及 时 将 实 验 预 习 报 告 发 还 给 学 生, 作 为 记 录 实 验 原 始 数 据 之 用 约 十 分 钟 之 后, 实 验 教 师 有 针 对 性 地 安 排 提 问, 同 时 记 录 学 生 回 答 情 况 提 问 结 束 后, 实 验 教 师 简 要 讲 解 实 验 原 理 实 验 仪 器 实 验 方 法 实 验 步 骤 和 注 意 事 项 讲 解 实 验 原 理 时, 要 注 重 分 析 核 心 公 式 中 每 一 个 物 理 量 的 测 量 方 法 和 测 量 要 求, 弱 化 公 式 的 推 导 过 程, 让 学 生 明 确 测 什 么 量 怎 么 测 测 几 次 介 绍 实 验 仪 器 时 可 以 边 演 示 边 介 绍, 明 确 操 作 步 骤 和 注 意 事 项, 要 求 学 生 记 录 实 验 仪 器 的 名 称 编 号 型 号 和 主 要 规 格 参 数 整 个 讲 解 时 间 不 宜 过 长, 一 般 控 制 在 二 十 分 钟 以 内, 以 免 占 用 过 多 的 操 作 时 间 讲 解 结 束 后, 可 以 试 让 学 生 总 结 实 验 过 程, 对 学 生 的 疑 惑 进 行 解 答 接 下 来, 学 生 分 组 实 验 实 验 教 师 应 主 动 巡 视, 了 解 学 生 实 验 的 进 度, 及 时 纠 正 学 生 的 错 误, 解 答 学 生 的 问 题, 解 决 实 验 仪 器 的 小 故 障 学 生 实 验 结 束 后, 实 验 教 师 要 指 导 学 生 按 照 要 求 填 写 实 验 记 录 本, 并 签 字 确 认 实 验 教 师 应 审 阅 学 生 实 验 的 原 始 数 据, 并 签 署 合 格 或 不 合 格 的 评 语, 对 实 验 不 合 格 的 学 生 应 安 排 适 当 时 间 补 做 对 于 提 前 完 成 实 验 的 学 生 不 宜 让 其 提 前 离 开, 可 以 安 排 选 作 内 容 或 交 流 心 得 体 会, 也 可 以 让 其 在 实 验 室 写 实 验 报 告 如 何 评 价 学 生 的 实 验 动 手 能 力? 这 是 涉 及 实 验 教 学 评 价 的 一 个 关 键 问 题 理 论 分 析 能 力 可 以 通 过 试 题 检 测, 实 验 报 告 也 只 能 大 致 反 映 学 生 的 理 论 分 析 能 力 和 表 达 能 力, 很 难 判 断 学 生 的 实 验 动 手 能 力, 对 学 生 平 时 成 绩 的 评 价, 实 验 动 手 能 力 应 占 有 一 定 的 比 重 本 人 并 不 建 议 在 每 次 实 验 都 对 所 有 学 生 的 实 验 动 手 能 力 进 行 现 场 打 分, 因 为 一 方 面 现 场 打 分 会 占 用 很 多 时 间, 同 时 现 场 打 分 也 会 让 学 生 过 于 关 注 分 数 而 影 响 实 验 过 程, 我 认 为 可 以 对 学 生 的 动 手 能 力 进 行 描 述 性 的 记 录, 如 记 录 学 生 完 成 实 验 的 时 间, 记 录 学 生 出 现 错 误 的 情 况, 记 录 学 生 维 修 仪 器 设 备 的 情 况, 记 录 学 生 选 做 内 容 完 成 情 况, 记 录 学 生 的 创 新 思 维 等 等 学 期 结 束 后, 根 据 平 时 记 录 确 定 每 个 学 生 的 动 手 能 力 得 分 仪 器 设 备 出 现 故 障 时 实 验 教 师 应 如 何 处 理? 由 于 学 生 实 验 所 用 的 仪 器 设 备 利 用 率 高, 不 可 避 免 会 出 现 各 种 各 样 的 故 障 实 验 过 程 中, 如 果 有 的 学 生 仪 器 设 备 出 现 故 障, 实 验 教 师 应 及 时 联 系 实 验 管 理 人 员 维 修 更 换, 不 能 现 场 维 修 的 应 让 管 理 人 员 课 下 及 时 维 修 鼓 励 学 生 对 仪 器 设 备 的 一 些 小 故 障 进 行 维 修, 实 验 教 师 应 对 维 修 仪 器 的 同 学 进 行 记 录, 并 酌 情 对 学 生 的 实 验 动 手 能 力 进 行 加 分 仪 器 设 备 出 现 故 障 不 能 现 场 维 修 的, 实 验 教 师 应 及 时 安 抚 学 生 的 焦 急 情 绪, 并 及 时 安 排 与 其 他 学 生 合 做 实 验 少 数 学 生 不 能 按 时 完 成 实 验 内 容 的, 实 验 教 师 应 分 析 学 生 未 能 完 成 实 验 的 原 因, 并 安 排 学 生 在 适 当 的 时 间 补 做 大 数 学 生 不 能 按 时 完 成 实 验 内 容 的, 在 时 间 允 许 的 情 况 下 可 以 适 当 延 长 实 验 时 间, 并 认 真 分 析 自 身 原 因, 改 进 教 学 方 法 和 手 段 参 考 文 献 : [1] 赵 艳 艳 大 学 物 理 实 验 教 学 现 状 及 改 进 措 施 研 究 [J] 高 校 实 验 室 工 作 研 究,2011(3) [2] 刘 丹 我 校 大 学 物 理 实 验 课 程 改 革 的 研 究 [J] 贵 阳 学 院 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),2011(2) [3] 应 向 东, 叶 建 柱 大 学 物 理 实 验 课 程 体 系 改 革 探 索 [J] 高 等 理 科 教 育,2006(5) [4] 关 晓 平 工 科 大 学 物 理 实 验 的 教 改 初 探 [J] 教 学 研 究,2000(4) Brief study on teaching of physical experiments FAN Shi-min (School of Physics and Electronic Science, Fuyang Normal College, Fuyang 236041, China) Abstract: The article makes a deep resehrch and thingking on many aspects of the teaching process of physical experiments and, puts porward the author's own wews and opinions to exchange with the teachers of the same occupation. Key words: experimental teaching; teaching proless; ability to work with hands 11
探 究 性 基 础 物 理 实 验 教 学 平 台 建 设 的 探 索 与 实 践 鲍 德 松 ( 浙 江 大 学 物 理 系, 浙 江 杭 州 310058) 摘 要 : 针 对 学 生 自 主 创 新 能 力 培 养 的 要 求 及 各 年 级 学 生 的 特 点, 探 索 与 其 相 适 应 的 探 究 性 实 验 平 台 建 设, 使 得 学 生 在 有 限 时 间 内 尽 可 能 接 触 更 多 更 新 的 先 进 技 术 手 段 及 方 法, 提 升 大 学 物 理 实 验 教 学 水 平 关 键 词 : 探 究 性 实 验 ; 创 新 能 力 1 引 言 近 年 来, 高 校 都 十 分 重 视 大 学 生 的 创 新 能 力 培 养, 浙 江 大 学 物 理 实 验 教 学 中 心 在 物 理 实 验 教 学 中 为 学 生 构 筑 一 个 合 理 的 实 践 能 力 训 练 平 台, 应 尽 可 能 为 学 生 提 供 综 合 性 设 计 性 创 造 性 比 较 强 的 实 践 环 境, 让 每 个 大 学 生 在 大 学 生 活 中 能 经 过 多 个 这 种 实 践 环 节 的 培 养 和 训 练 物 理 实 验 教 学 中 心 对 本 系 学 生 的 实 验 教 学 做 了 如 下 探 索 : 一 是 将 各 研 究 所 各 教 授 的 专 业 实 验 室 充 分 为 学 生 开 放 ; 二 是 吸 引 长 江 杰 青 等 教 授 直 接 参 加 本 科 生 实 验 教 学 ; 第 三, 让 学 生 直 接 参 与 前 沿 课 题 研 究 工 作 因 此, 把 物 理 实 验 原 来 的 被 动 式 教 学 变 成 学 生 主 动 的 有 浓 厚 兴 趣 的 研 究 性 学 习, 一 方 面 培 养 了 学 生 的 科 研 能 力, 另 一 方 面 也 提 高 了 学 生 理 论 联 系 实 际 的 能 力 2 探 究 性 基 础 物 理 实 验 教 学 平 台 探 究 性 基 础 物 理 实 验 教 学 平 台 建 设 以 物 理 系 物 理 实 验 中 心 为 主 体, 由 凝 聚 态 物 理 研 究 所 光 学 研 究 所 和 应 用 物 理 研 究 所 为 支 撑, 集 物 理 系 科 研 和 教 学 工 作 为 一 体 的 公 共 基 础 课 教 学 实 验 平 台 主 要 功 能 是 帮 助 理 工 农 医 各 专 业 本 科 学 生, 按 照 专 业 公 共 必 修 基 础 课 的 要 求 打 好 相 应 的 物 理 学 基 础, 同 时 开 展 有 教 授 指 导 的 以 本 科 生 为 主 体 的 科 学 研 究 工 作, 培 养 本 科 学 生 的 观 察 能 力 动 手 能 力 理 论 联 系 实 际 的 能 力 探 究 性 基 础 物 理 实 验 教 学 平 台 建 设 以 培 养 高 层 次 的 综 合 型 研 究 型 创 新 型 一 流 人 才 为 目 标 ; 同 时 也 弥 补 了 目 前 的 大 学 物 理 实 验 环 境 和 设 备 经 费 的 欠 缺, 充 分 依 托 物 理 系 各 研 究 所 的 实 验 条 件 和 师 资 力 量 以 满 足 大 学 生 创 造 性 才 能 培 养 的 实 验 环 境 经 过 几 年 的 实 践 探 索, 除 了 物 理 实 验 中 心 教 师 之 外, 到 目 前 为 止 已 得 到 了 物 理 系 三 十 多 位 教 授 的 响 应, 同 时 开 展 了 包 括 凝 聚 态 物 理 光 学 以 及 应 用 物 理 等 研 究 方 向 数 十 个 课 题 研 究 具 体 研 究 内 容 如 表 1 所 示 : 表 1 目 前 正 在 开 展 的 探 究 性 实 验 内 容 1 新 型 超 导 体 合 成 和 物 性 探 索 2 非 常 规 超 导 体 的 探 索 研 究 3 铁 基 铁 磁 超 导 体 的 物 性 研 究 4 NaxCoO2 超 导 材 料 的 电 化 学 方 法 制 备 5 YBCO 超 导 火 车 的 制 作 和 演 示 6 新 型 无 机 超 导 体 的 合 成 和 表 征 7 多 重 极 端 条 件 下 的 物 性 测 量 : 方 法 与 技 术 8 关 联 电 子 材 料 的 开 发 与 应 用 12
9 氧 化 锌 基 薄 膜 晶 体 管 材 料 与 器 件 的 物 理 特 性 10 氧 化 锌 缺 陷 的 顺 磁 共 振 谱 与 光 致 发 光 谱 研 究 11 氧 化 铝 模 板 的 制 备 与 形 成 机 理 研 究 12 新 材 料 ( 能 源 类 ) 电 子 态 的 理 论 计 算 和 实 验 测 量 13 自 旋 阻 挫 效 应 的 Monte Carlo 模 拟 14 可 调 谐 半 导 体 激 光 功 率 放 大 器 的 输 出 特 性 光 束 和 偏 振 态 研 究 15 可 调 谐 窄 线 宽 二 极 管 泵 浦 铷 蒸 气 激 光 的 动 力 学 过 程 和 实 验 研 究 16 荧 光 寿 命 型 光 纤 温 度 传 感 技 术 研 究 17 半 导 体 激 光 泵 浦 固 体 激 光 器 的 输 出 和 选 模 特 性 研 究 18 超 导 量 子 器 件 19 基 于 超 导 器 件 的 量 子 计 算 和 量 子 模 拟 的 实 验 研 究 20 介 关 超 导 体 包 括 超 导 纳 米 线 和 薄 膜 的 输 运 特 性 的 实 验 研 究 21 纳 米 碳 材 料 制 备 22 无 线 能 量 传 输 的 实 验 设 计 23 功 能 材 料 应 用 24 非 线 性 科 学 25 光 子 晶 体 激 光 物 理 26 基 于 冷 原 子 干 涉 的 精 密 测 量 研 究 27 高 能 粒 子 探 测 28 碱 金 属 院 子 自 旋 态 时 域 技 术 的 研 究 29 利 用 扫 描 隧 道 显 微 镜 等 手 段 研 究 有 机 半 导 体 的 生 长 及 电 子 态 30 原 子 或 分 子 与 固 体 表 面 相 互 作 用 的 第 一 性 原 理 研 究 31 团 簇 及 其 组 装 材 料 的 结 构 和 电 子 特 性. 32 CUPT 项 目 ( 国 际 青 年 物 理 竞 标 赛 题 目, 每 年 17 个 ) 33 液 体 表 面 薄 膜 的 制 备 34 超 导 磁 通 的 动 力 学 学 生 通 过 探 究 性 实 验 研 究, 不 仅 能 提 高 学 生 分 析 问 题 解 决 问 题 的 能 力, 而 且 也 能 启 发 他 们 的 创 新 思 维 ; 有 利 于 加 强 对 学 生 的 创 新 兴 趣 意 识 和 科 学 研 究 能 力 的 培 养, 在 教 学 过 程 中 让 学 生 逐 步 成 为 自 我 开 发 创 造 的 主 体, 鼓 励 学 生 扬 长 避 短, 学 有 特 长, 逐 步 形 成 各 具 特 色, 风 格 各 异 的 创 新 素 质, 并 在 各 种 创 新 实 践 中 表 现 出 一 定 的 创 新 才 能 ; 激 励 教 师 学 生 互 动, 形 成 教 与 学 过 程 中 创 新 意 识 的 良 性 循 环 使 实 验 教 学 最 大 限 度 地 挖 掘 学 生 的 知 识 潜 能, 有 利 于 学 生 科 研 素 质 与 创 新 能 力 的 培 养 学 生 对 参 加 研 究 性 物 理 实 验 也 有 着 很 大 的 兴 趣 探 索 性 实 验 始 终 围 绕 着 重 培 养 学 生 的 实 验 兴 趣 独 立 实 验 能 力 分 析 与 研 究 能 力 自 主 创 新 能 力 以 及 归 纳 总 结 及 表 达 能 力 等 方 面 展 开 在 选 题 上 尽 量 实 施 个 性 化 教 学, 及 时 将 科 研 前 沿 引 入 教 学 中, 按 照 学 生 自 己 兴 趣 选 择 探 索 研 究 方 向 在 实 验 过 程 中 及 时 让 学 生 归 纳 总 结 以 纠 正 实 验 过 程 中 出 现 的 问 题, 注 重 全 过 程 管 理 : 包 括 文 献 查 阅 方 案 设 计 设 备 搭 建 和 改 进 实 验 记 录 数 据 分 析 合 作 讨 论 演 讲 论 文 写 作 3 结 束 语 探 究 性 实 验 研 究 具 体 体 现 以 下 特 色 : 1) 课 内 与 课 外 结 合 教 学 与 科 研 结 合 变 被 动 型 教 学 为 主 动 性 求 学 ; 13
2) 物 理 系 各 研 究 所 的 专 家 教 授 为 了 吸 引 更 多 优 秀 的 大 学 生, 能 积 极 主 动 投 入 到 物 理 实 验 教 学 之 中 ; 3) 各 指 导 教 师 带 着 前 沿 课 题 研 究 进 入 本 科 实 验 教 学, 因 此 形 成 了 制 备 方 式 的 多 样 性 样 品 表 征 手 段 的 多 样 性, 克 服 了 仪 器 设 备 数 量 少 的 矛 盾 4) 让 本 科 生 尽 早 接 触 使 用 现 代 大 型 先 进 仪 器 设 备, 克 服 了 研 究 型 实 验 设 备 的 大 型 化 高 价 位 与 有 限 教 学 实 验 经 费 有 限 的 矛 盾 The construction of the based physics experimental teaching platform for independent researching Bao de-song (Department of Physics, Zhejiang University, Hang zhou 310058, China) Abstract: according to the characteristics of the cultivation of students' autonomous innovation ability, the based physics experimental teaching platform for independent researching has been built. This scheme can improve the teaching level of university physics experiment, so that the students in the limited time as far as possible, contact more updated advanced technology, means and methods. Key words: Exploratory experiments; innovation ability 14
构 建 大 学 生 创 新 实 验 辅 导 平 台 的 构 想 郭 山 河, 张 金 宝, 王 丹 ( 吉 林 大 学 物 理 学 院, 吉 林 长 春 130025) 摘 要 : 创 新 实 验 活 动 是 培 养 工 科 学 生 理 论 联 系 实 际, 动 手 实 践 能 力, 以 及 人 际 之 间 交 流 协 作 能 力 的 重 要 步 骤 为 学 生 提 供 交 流 辅 导 的 平 台, 对 增 进 创 新 实 验 的 效 果 将 有 很 大 的 帮 助 关 键 词 : 创 新 性 实 验 ; 教 学 模 式 ; 辅 导 平 台 1 前 言 为 了 鼓 励 学 生 在 校 期 间 将 所 学 知 识 与 生 产 生 活 专 业 相 结 合, 在 实 践 中 锻 炼 提 高 自 己 的 能 力, 为 了 使 培 养 出 的 学 生 走 出 校 门 时 能 尽 快 适 应 所 从 事 的 工 作, 并 被 社 会 接 受 认 可, 各 学 校 在 改 进 课 程 体 系, 改 进 实 验 内 容 与 教 学 模 式 上 都 下 了 很 大 功 夫 特 别 是 现 在, 重 视 大 学 生 创 新 实 验 的 环 节 又 在 高 校 中 普 遍 开 展 起 来 如 何 在 完 善 创 新 实 验 机 制 与 形 式 的 过 程 中 收 到 好 的 效 果, 将 该 活 动 深 入 有 效 地 开 展 下 去, 是 我 们 教 育 工 作 者 需 要 共 同 关 注 的 问 题 其 中 构 建 大 学 生 创 新 实 验 辅 导 平 台, 便 是 值 得 我 们 探 讨 商 榷 的 内 容 2 开 展 创 新 实 验 活 动 的 意 义 基 础 实 验 教 学 的 特 征, 因 注 重 基 础 知 识 本 身 的 系 统 性 连 续 性, 使 得 各 个 实 验 内 容 过 于 传 统, 操 作 步 骤 过 于 呆 板, 使 学 生 认 为 这 些 初 中 听 说 过 高 中 看 见 过 并 再 次 在 大 学 实 验 课 中 验 证 过 的 物 理 基 础 现 象, 对 适 应 社 会 的 需 求, 对 改 善 大 多 数 学 生 先 天 的 重 理 论 轻 实 验 的 自 身 知 识 结 构 意 义 不 大 许 多 学 生 做 实 验 就 是 测 出 数 据, 按 老 师 要 求 写 出 实 验 报 告 就 完 事 其 自 身 的 动 手 能 力, 创 新 思 维 方 式, 与 其 受 教 育 的 程 度 不 相 符 合 这 点 从 我 校 学 生 提 出 的 创 新 实 验 内 容 上 从 电 子 创 新 大 赛 的 成 果 分 类 上 就 可 以 看 出 不 可 否 认, 这 些 活 动 确 实 激 发 了 许 多 学 生 的 创 新 热 情, 并 从 该 活 动 中 得 到 了 锻 炼, 每 届 都 有 学 生 拿 到 了 国 家 级 的 奖 项 根 据 我 指 导 几 届 学 生 创 新 实 验 活 动 来 看, 参 加 活 动 的 同 学 不 少 是 为 了 保 研 而 参 加 的 据 了 解, 许 多 没 有 参 加 的 同 学 或 是 有 想 法, 但 不 知 行 不 行, 也 不 知 道 去 问 谁 ; 或 是 想 参 加, 但 没 有 想 法, 希 望 能 有 老 师 给 出 建 议 但 从 效 果 上 看, 创 新 活 动 普 及 的 面 还 不 够 广, 创 新 的 深 度 还 有 待 于 进 一 步 提 高 3 创 新 实 验 的 环 节 1) 学 生 结 合 学 习 专 业 知 识, 接 触 基 础 与 专 业 实 验 设 备 的 优 势, 去 发 掘 专 业 上 生 活 中 遇 到 的 的 小 问 题, 设 想 如 何 解 决 这 个 问 题, 是 开 展 创 新 性 实 验 的 第 一 步 所 以, 在 基 础 实 验 教 学 活 动 中, 加 大 应 用 性 内 容, 增 加 思 考 性 内 容, 突 出 观 察 性 环 节, 可 有 效 解 决 基 础 实 验 与 创 新 性 实 验 之 间 的 衔 接 2) 与 具 有 相 关 领 域 的 老 师 讨 论 该 方 案 的 可 行 性, 是 创 新 性 实 验 实 施 的 关 键 步 骤 学 生 现 有 的 知 识 水 平 与 实 验 技 能, 使 得 学 生 想 出 来 的 方 案 具 有 高 大 全 的 特 点 ; 高 : 是 指 在 解 决 实 际 问 题 的 能 力 方 面 把 自 己 想 的 过 高 比 如 把 传 感 器 功 能 想 象 的 过 于 强 大 把 设 备 之 间 的 组 合 想 的 过 于 完 美 把 辅 助 材 料 的 自 制 想 象 的 过 于 简 单 等 作 者 简 介 : 郭 山 河, 男, 教 授, 长 期 从 事 物 理 实 验 教 学 与 研 究, 研 究 方 向 为 测 试 计 量 技 术 及 仪 器 15
大 : 把 实 验 内 容 制 定 的 过 大 没 有 以 重 点 解 决 的 问 题 与 要 实 现 的 基 本 功 能 为 核 心, 作 适 当 的 展 开 使 得 部 分 内 容 在 现 有 的 课 余 时 间 知 识 水 平 下 无 法 完 成 全 : 把 功 能 想 象 的 过 于 全 面 如 远 距 离 的 遥 控 计 算 机 编 程 控 制 等, 智 能 环 节 的 实 现 与 老 师 进 行 讨 论, 将 有 助 于 把 实 验 内 容 变 为 可 实 际 操 作 实 施 的 方 案 3) 在 相 关 实 验 室 完 成 原 理 性 实 验, 并 对 方 案 加 以 改 进 与 完 善, 或 决 定 是 否 继 续 进 行 实 际 研 发 阶 段 借 助 于 实 验 室 的 现 有 资 源, 通 过 辅 助 装 置 的 自 制 与 搭 建, 学 生 可 通 过 观 测, 从 定 性 与 定 量 的 角 度, 检 验 与 实 验 预 期 的 符 合 程 度 这 是 是 否 做 出 实 验 成 果 的 最 后 环 节 4) 完 成 阶 段, 学 生 将 原 理 实 验 的 环 节 组 成 实 用 模 型, 通 过 最 终 测 试, 对 其 功 能 做 出 总 结, 并 对 创 新 实 验 做 出 系 统 的 回 顾, 这 也 是 对 学 生 今 后 的 学 习 方 式 方 法 的 最 好 的 引 导 4 构 建 创 新 实 验 辅 导 平 台 的 构 想 综 上 所 述, 创 新 性 实 验 的 实 施 应 由 交 流 平 台 与 实 施 平 台 两 部 分 构 成 其 功 能 有 : 4.1 交 流 功 能 目 前, 根 据 学 校 专 业 的 特 点, 光 机 电 一 体 化 的 内 容 越 来 越 多, 与 专 业 结 合 的 程 度 也 越 来 越 大, 靠 学 生 接 触 熟 悉 的 老 师 解 答 问 题, 恐 难 以 胜 任, 至 少 不 利 于 开 阔 思 路 借 助 于 学 校 已 有 的 校 园 网 络, 由 不 同 学 科 的 老 师 组 成 一 个 受 访 群 体, 从 自 身 专 业 的 角 度 解 答 学 生 提 出 的 相 关 问 题 如 有 需 要 还 可 与 学 生 面 谈 具 体 问 题 4.2 实 施 功 能 在 基 础 实 验 室 建 立 相 应 的 大 学 生 科 技 创 新 辅 导 站, 依 托 已 有 设 备 材 料, 为 学 生 提 供 实 现 原 理 性 实 验 功 能 的 场 所, 并 对 学 生 进 行 适 当 的 指 导 4.3 信 息 检 索 功 能 对 往 届 学 生 完 成 的 创 新 实 验 进 行 汇 总 ( 如 有 可 能, 可 录 入 全 国 大 学 生 创 新 实 验 的 相 关 信 息 ), 扩 大 学 生 的 创 新 思 路, 以 及 避 免 做 重 复 性 工 作 5 总 结 创 新 性 实 验 的 开 设, 对 学 生 综 合 素 质 的 培 养 提 高 具 有 非 常 积 极 的 作 用, 不 仅 可 以 改 善 学 生 的 知 识 结 构, 还 可 改 善 人 才 培 养 与 社 会 需 求 的 高 分 低 能 现 象 在 当 今 知 识 爆 炸 性 增 长 的 情 况 下, 急 需 不 同 学 科 与 专 业 之 间 的 协 调 与 合 作 构 建 辅 导 平 台 的 需 求 也 越 来 越 明 显 学 校 完 善 相 关 的 扶 植 政 策 是 关 键 利 用 有 限 的 资 源, 力 争 取 得 事 半 功 倍 的 效 果, 加 快 提 高 人 才 培 养 质 量 的 步 伐, 也 是 每 个 教 育 工 作 者 的 希 望 也 希 望 同 行 之 间 通 过 探 讨 有 效 的 教 学 模 式, 改 进 现 有 的 教 学 环 节, 使 创 新 性 实 验 得 到 健 康 有 序 的 发 展 Conception of construction of college students ' innovative experimental guidance platform GUO Shan-he, ZHANG Jin-bao, WANG Dan (Physics College, Jilin University, Changchun 130025, China) Abstract: Innovative experimental activity is to train the students of engineering theory with practice and hands-on skills, as well as important step in interpersonal communication and collaboration skills. Counselling for students exchange platform for enhancing innovation in Lab's effect will be of great help. Key words: Innovative experiment; Teaching model; Coaching platform 16
改 进 实 验 模 式 培 养 学 生 创 新 能 力 周 玉 芳, 胡 连 军 ( 山 东 大 学 物 理 学 院, 山 东 济 南 250100) 摘 要 : 物 理 实 验 在 更 新 实 验 设 备 的 同 时 更 应 注 重 培 养 学 生 自 主 创 新 的 能 力. 本 文 介 绍 我 们 在 实 验 教 学 中, 改 进 原 有 的 实 验 模 式, 增 加 学 生 自 主 学 习 自 行 设 计 团 队 合 作 等 教 学 环 节, 激 发 学 生 对 物 理 实 验 的 兴 趣 和 热 情, 发 挥 学 生 的 主 动 性 和 积 极 性, 最 终 以 培 养 学 生 创 新 能 力 为 目 的 的 教 学 探 讨. 关 键 词 : 物 理 实 验 ; 实 验 模 式 ; 创 新 能 力 1 引 言 大 学 物 理 实 验 是 学 生 的 一 门 必 修 课, 目 的 是 让 学 生 系 统 地 了 解 物 理 实 验 的 方 法, 掌 握 物 理 实 验 的 基 本 知 识 与 技 术, 培 养 学 生 独 立 科 学 实 验 的 技 能. 近 几 年, 由 于 国 家 重 视 对 教 学 资 源 的 投 入, 物 理 实 验 室 在 硬 件 建 设 上 有 了 很 大 的 改 观, 实 验 室 的 教 学 环 境 得 到 明 显 改 善, 仪 器 设 备 进 行 了 更 新 换 代, 实 验 仪 器 设 备 的 综 合 性 集 成 化 程 度 越 来 越 高, 学 生 参 照 实 验 讲 义 的 要 求 能 够 更 加 方 便 容 易 地 完 成 实 验 内 容. 实 验 仪 器 变 得 越 来 越 先 进 的 同 时, 如 果 不 能 及 时 更 新 观 念 改 进 模 式 也 会 逐 渐 显 露 出 一 定 的 负 面 影 响, 如 学 生 可 以 完 全 参 照 已 有 的 实 验 方 法 和 步 骤, 只 需 进 行 简 单 的 操 作 便 可 得 出 实 验 数 据 和 结 果, 可 以 不 用 深 刻 领 会 实 验 原 理 及 思 想 方 法, 操 作 性 大 大 降 低 了, 限 制 了 学 生 的 主 动 性 和 积 极 性, 难 以 激 发 学 生 的 兴 趣 和 激 情, 这 对 于 学 生 的 动 手 能 力 和 创 新 能 力 的 培 养 是 不 利 的. 特 别 是 我 们 承 担 了 理 科 多 个 层 次 的 物 理 实 验 课 程, 包 括 教 育 部 在 试 点 高 校 实 施 的 基 础 学 科 拔 尖 学 生 培 养 试 验 计 划 的 实 验 班 学 生, 实 验 课 程 应 该 满 足 对 学 生 科 学 思 维 动 手 能 力 创 新 能 力 的 培 养. 为 此, 我 们 以 培 养 学 生 的 自 主 创 新 能 力 为 目 标, 对 原 有 的 实 验 模 式 进 行 改 进, 内 容 更 加 充 实, 学 生 的 能 力 得 到 提 升. 2 实 验 模 式 的 改 进 在 原 有 的 以 验 证 性 实 验 为 主 的 项 目 中 精 选 出 一 部 分 实 验, 作 为 学 生 自 主 性 研 究 性 的 实 验, 并 提 出 实 验 目 的 及 对 实 验 的 要 求. 将 学 生 以 组 为 单 位 分 成 若 干 个 小 组, 每 一 组 同 学 需 经 过 认 真 阅 读 实 验 讲 义 参 考 书 等 资 料 了 解 掌 握 该 实 验 涉 及 到 的 理 论. 此 后 小 组 同 学 要 熟 悉 掌 握 实 验 仪 器 的 结 构 功 能 及 测 量 原 理. 有 了 这 些 准 备 后, 小 组 同 学 发 挥 集 体 智 慧 设 计 出 该 实 验 的 测 量 方 案 及 测 量 步 骤, 并 与 指 导 教 师 一 起 讨 论 该 测 试 方 案 的 可 行 性, 讨 论 过 程 中 若 发 现 存 在 某 些 问 题, 指 导 教 师 采 用 提 问 式 启 发 式 的 商 讨 方 式 引 导 学 生 修 正 存 在 的 问 题, 优 化 实 验 测 量 方 案, 最 后 完 成 实 验 测 量 数 据 处 理 等 相 关 步 骤. 实 验 完 成 后 指 导 教 师 要 对 该 实 验 进 行 总 结, 对 比 不 同 组 别 的 实 验 特 点, 使 学 生 能 够 启 迪 思 维 相 互 学 习 共 同 提 高. 例 如 对 于 电 子 荷 质 比 测 定 的 实 验, 学 生 首 先 学 习 熟 悉 示 波 管 的 结 构 及 工 作 原 理, 然 后 要 学 习 并 掌 握 电 子 射 线 的 电 聚 焦 及 磁 聚 焦 理 论, 最 后 要 求 学 生 给 出 进 行 电 子 射 线 磁 聚 焦 测 量 的 计 算 公 式 以 及 必 须 进 行 测 量 的 物 理 参 量. 在 这 样 一 种 自 主 学 习 中, 学 生 体 会 到 了 如 何 将 书 本 上 学 到 的 理 论 知 识 真 正 应 用 到 实 际 中 的 一 种 尝 试, 虽 然 所 涉 及 到 的 理 论 都 是 课 堂 上 或 书 本 上 已 有 的 理 论, 但 能 够 真 正 地 应 用 到 实 际 中 却 还 要 考 虑 诸 多 的 因 素. 作 者 简 介 : 周 玉 芳 (1959-), 女, 山 东 大 学 物 理 学 院 教 授, 博 士, 主 要 从 事 物 理 理 论 及 实 验 教 学. 17
3 实 施 效 果 以 上 述 提 及 的 电 子 荷 质 比 实 验 为 例, 学 生 在 实 验 小 组 中 相 互 讨 论 积 极 探 索 充 分 发 挥 每 个 同 学 的 特 长 特 点, 依 靠 集 体 的 努 力 并 通 过 与 指 导 教 师 的 交 流, 确 定 出 实 验 所 需 的 测 量 方 法 及 实 施 步 骤, 最 后 按 照 设 计 出 的 方 案 完 成 实 验 测 量. 通 过 这 样 的 过 程 同 学 们 加 深 了 对 理 论 的 理 解, 增 强 了 理 论 与 实 践 相 结 合 的 能 力, 使 思 维 更 加 开 放, 提 高 了 动 手 能 力. 学 生 一 致 认 为 这 种 实 验 模 式 给 他 们 留 下 了 极 其 深 刻 的 印 象, 其 收 获 及 能 力 的 提 高 是 非 常 明 显 的, 主 要 可 归 结 为 以 下 几 方 面 : 首 先 对 示 波 管 的 结 构 及 工 作 原 理 有 了 详 细 的 了 解, 阴 极 电 子 发 射 是 由 一 个 表 面 涂 有 氧 化 物 的 金 属 圆 筒, 经 灯 丝 加 热 后 温 度 上 升, 部 分 电 子 克 服 逸 出 功 后 脱 离 金 属 表 面 而 成 为 自 由 电 子 发 射, 在 外 电 场 作 用 下 形 成 电 子 流. 而 栅 极 电 位 比 阴 极 低, 使 阴 极 发 射 出 来 具 有 一 定 初 速 度 的 电 子, 通 过 栅 极 和 阴 极 间 的 电 场 时 被 减 速. 在 栅 极 之 后 装 有 加 速 电 极, 加 速 电 极 之 后 是 第 一 阳 极 和 第 二 阳 极, 这 三 个 电 极 所 形 成 的 电 场, 对 阴 极 发 射 的 电 子 进 行 加 速, 并 使 之 会 聚 成 很 细 的 电 子 射 线, 即 电 聚 焦 若 使 得 所 发 射 的 电 子 在 螺 线 管 磁 场 中 运 动 并 聚 焦, 通 常 情 况 下 电 子 的 速 度 和 磁 感 应 强 度 B 之 间 成 一 角 度, 可 将 分 解 为 平 行 B 的 轴 向 速 度 // 和 垂 直 B 的 径 向 速 度, // 使 电 子 沿 轴 向 作 匀 速 运 动, 而 在 洛 兹 力 作 用 下 使 电 子 绕 轴 作 圆 周 运 动, 电 子 做 圆 周 运 动 的 规 律 及 半 径 分 别 为 : F eb m R 电 子 做 圆 周 运 动 所 需 的 时 间 即 周 期 T 为 : 电 子 的 合 成 运 动 轨 迹 为 螺 旋 线, 其 螺 距 为 : 2R 2m T eb 2 R m eb h T // 2m // eb 此 式 表 明, 电 子 束 从 某 一 点 出 发, 虽 然 径 向 速 度 不 同, 所 走 的 圆 半 径 R 也 不 同, 但 只 要 轴 向 速 度 // 相 等, 所 有 电 子 的 螺 距 是 相 同 的, 都 会 再 次 聚 集 到 一 点, 这 正 是 电 子 的 磁 聚 焦. 由 此 可 见 实 验 中 要 选 择 合 适 的 轴 向 速 度 // 和 磁 感 应 强 度 B, 使 电 子 在 经 过 螺 线 管 的 路 程 中 恰 好 包 含 整 数 个 螺 距 h, 实 现 电 子 射 线 的 磁 聚 焦. 上 述 磁 聚 焦 所 需 的 磁 场 通 常 采 用 长 直 螺 线 管 型 线 圈 产 生 的 磁 场, 如 图 所 示, 由 于 螺 线 管 的 长 度 是 有 限 的, 轴 线 上 某 点 x 的 磁 感 应 强 度 为 : 1 B 0nIcos2 cos1 2 若 螺 线 管 长 为 L, 直 径 为 D, 上 式 可 表 示 为 : 18
1 B 0nI 2 D 2 L x 2 2 L x 2 2 D 2 L x 2 2 L x 2 2 螺 线 管 轴 线 上 各 点 的 B 值 是 x 的 函 数, 为 了 完 成 实 验 测 量 需 要 求 出 磁 感 应 强 度 的 平 均 值, 若 实 验 中 使 用 的 磁 场 是 其 中 从 x0 至 x 0 中 间 的 一 段 螺 距 的 长 度, 其 平 均 磁 感 应 强 度 B 可 通 过 积 分 求 得 B 1 2x 0 x0 x0 B x dx K ni 0 其 中 K 由 螺 线 管 的 几 何 参 数 确 定, 根 据 实 验 中 给 定 的 参 数 得 到 B 6.8510 3 I 由 此 得 到 电 子 的 比 荷 为 e m 8 U l B 2 a 2 2 4.24 10 7 U I a 2 在 调 节 电 流 改 变 磁 场 大 小 进 行 磁 聚 焦 测 量 时, 需 要 观 察 者 的 主 观 判 断 确 定 是 否 聚 焦, 这 在 测 量 中 不 可 避 免 会 存 在 偶 然 误 差. 为 了 减 小 偶 然 误 差, 在 测 量 时 可 采 用 不 同 螺 距 的 聚 焦 方 法, 即 调 节 励 磁 电 流 使 电 子 束 在 经 过 一 个 螺 距 后 聚 焦 在 屏 幕 上, 此 时 的 电 流 记 为 I 1, 然 后 逐 渐 增 加 励 磁 电 流 电 子 束 发 散 后 再 一 次 重 新 聚 焦, 此 时 对 应 的 使 电 子 束 经 历 两 个 螺 距 后 的 聚 焦, 将 此 电 流 记 为 I 2, 此 后 继 续 增 大 电 流, 使 得 电 子 束 经 历 三 个 螺 距 后 再 次 聚 焦, 此 时 对 应 的 电 流 为 I 3, 经 过 这 样 的 三 次 观 察 与 判 断 可 以 大 大 减 小 励 磁 电 流 的 偶 然 误 差. 最 后 按 照 加 权 平 均 的 方 法 把 三 次 聚 焦 的 电 流 折 算 成 一 次 聚 焦 的 平 均 电 流 I I 1 I 2 I 1 2 3 3 4 结 语 相 同 的 实 验 内 容, 不 同 的 实 验 模 式, 同 学 们 的 收 获 是 显 而 易 见 的. 示 波 管 所 涉 及 的 原 理 是 电 子 在 电 场 中 的 运 动, 但 要 实 现 电 子 的 聚 焦 确 应 考 虑 诸 多 因 素. 电 子 射 线 的 磁 聚 焦 所 用 到 的 理 论 是 带 电 粒 子 在 磁 场 中 的 运 动, 但 要 实 现 电 子 束 的 磁 聚 焦 要 考 虑 电 子 速 度 与 磁 场 的 协 调 一 致, 即 加 速 电 压 与 励 磁 电 流 的 配 合, 同 时 还 要 考 虑 长 直 螺 线 管 中 的 磁 场 平 均 只 问 题. 为 了 减 小 偶 然 误 差 测 量 中 采 用 电 子 束 的 多 次 聚 焦 确 定 平 均 电 流 的 方 法. 这 些 方 面 在 课 堂 学 习 中 是 涉 及 不 到 的, 而 通 过 实 验 获 得 了 课 堂 上 学 不 到 的 知 识 与 方 法, 实 际 运 用 知 识 的 能 力 得 到 了 极 大 的 提 升. 19
参 考 文 献 : [1] 张 增 明, 孙 腊 珍, 霍 剑 青, 等 研 究 性 物 理 实 验 教 学 的 实 践 [J] 物 理 实 验,2011,31(2): 20~24 [2] 魏 秀 芳 开 设 开 放 性 物 理 实 验 项 目 培 养 大 学 生 科 研 创 新 能 力 [J] 大 学 物 理 实 验,2014, 27(1),117~119 [3] 王 永 钢 大 学 物 理 课 程 中 围 绕 学 生 创 新 能 力 的 调 研 与 措 施 [J] 物 理 与 工 程,2011,21(3): 46~48 Cultivating creative high-quality talents by improvement of physical experiments ZHOU Yu-fang, HU Lian-jun (School of Physics, Shandong University, Jinan 250100, China) Abstract: To be satisfied the aim of cultivating high-quality of the students, the part of fundamental physical experiments were improved and developed. Compared with original verified substance the reformed experiments consist of design and creativeness parts. Students, especially those of Taishan School are very interested in experimental work and their design capacity as well as creativeness will be trained and enhanced. Key words: physical experiment; high-quality talent; creativity 20
基 于 WIFI 的 物 理 实 验 教 学 实 时 评 价 体 系 创 新 建 设 陈 水 桥, 乐 静 飞, 殷 利 明, 王 玮 ( 浙 江 大 学 物 理 系, 浙 江 杭 州 310027) 概 要 : 本 文 分 析 了 浙 江 大 学 物 理 实 验 中 心 传 统 实 验 教 学 评 价 体 系 的 弊 病, 提 出 了 一 种 全 新 的 物 理 实 验 教 学 实 时 评 价 体 系, 提 高 了 实 验 效 益, 减 轻 了 学 生 负 担, 整 顿 了 实 验 次 序, 受 到 了 学 生 的 好 评 1 概 述 关 键 词 :WIFI; 实 时 评 价 体 系 ; 实 时 实 验 报 告 ; 物 理 实 验 物 理 实 验 教 学 评 价 体 系 一 直 是 物 理 实 验 教 学 系 统 中 的 关 键 一 环, 它 关 系 到 学 生 的 切 身 利 益 [1,2] 目 前 为 止, 大 多 高 校 实 行 的 是 批 实 验 报 告 - 发 实 验 报 告 的 模 式, 这 种 传 统 的 实 验 教 学 评 价 体 系 虽 然 可 行, 但 是 弊 病 也 不 少 : 其 一, 学 生 实 验 报 告 是 一 种 类 似 小 学 生 回 家 作 业 的 形 式, 所 以 抄 袭 实 验 报 告 的 现 象 屡 禁 不 止, 也 没 办 法 解 决 ; 其 二, 物 理 实 验 考 察 的 主 要 是 学 生 的 动 手 能 力, 而 不 是 实 验 报 告 的 书 写 能 力, 但 是 指 导 老 师 是 通 过 实 验 报 告 给 成 绩, 所 以 这 种 评 价 方 法 有 失 偏 颇 ; 其 三, 学 生 为 了 取 得 好 成 绩, 把 主 要 精 力 放 在 写 实 验 报 告 上 了, 所 以 往 往 捡 了 芝 麻, 丢 了 西 瓜 ; 其 四, 实 验 报 告 回 寝 室 做, 不 利 于 体 现 学 生 的 实 际 能 力, 使 得 实 验 做 得 不 好 的 学 生 往 往 通 过 抄 袭 好 学 生 的 实 验 报 告 而 取 得 好 成 绩, 从 而 使 这 样 的 评 价 体 系 有 失 公 平 ; 其 五, 复 杂 的 实 验 报 告 增 加 了 学 生 的 负 担, 不 利 于 高 校 培 养 实 践 创 新 人 才 的 需 求 所 以 改 革 势 在 必 行 针 对 浙 江 大 学 物 理 实 验 传 统 的 评 价 体 系 表 现 出 来 的 问 题 和 现 在 校 园 信 息 的 新 发 展, 浙 江 大 学 物 理 实 验 中 心 提 出 了 一 种 全 新 的 物 理 实 验 教 学 实 时 评 价 体 系, 该 体 系 最 大 的 特 点 是 : 实 验 报 告 的 实 时 性, 即 当 场 做 实 验 并 完 成 实 验 报 告 ; 实 验 评 分 的 实 时 性, 即 指 导 老 师 当 场 批 实 验 报 告 并 通 过 手 机 或 平 板 电 脑 的 WIFI 上 网 输 入 成 绩 ; 学 生 评 价 的 实 时 性, 即 学 生 可 以 即 时 通 过 手 机 实 时 对 教 师 打 分 通 过 这 种 方 法 提 高 了 学 生 实 验 效 率, 减 轻 了 学 生 实 验 负 担, 增 进 了 师 生 互 信, 规 整 了 无 序 的 实 验 报 告 收 发 现 象, 建 立 了 健 康 的 学 生 实 验 成 绩 评 价 体 系, 是 一 种 值 得 在 有 条 件 的 高 校 推 广 的 实 验 教 学 评 价 体 系 [3] 2 传 统 的 浙 江 大 学 物 理 实 验 中 心 实 验 教 学 评 价 体 系 传 统 的 浙 江 大 学 物 理 实 验 教 学 评 价 体 系 主 要 存 在 的 问 题 如 下 : 2.1 实 验 成 绩 评 定 不 统 一 各 指 导 教 师 的 实 验 报 告 成 绩 打 分 方 法 不 统 一, 没 有 一 个 好 的 标 准 ( 浙 江 大 学 物 理 实 验 中 心 曾 经 有 过 成 绩 评 定 标 准, 但 是 这 个 模 板 太 细, 就 像 考 试 给 分 一 样, 完 全 不 从 实 际 出 发, 不 从 操 作 简 单 化 出 发, 所 以 几 乎 没 有 教 师 会 用 这 个 标 准 来 给 学 生 打 分 ), 完 全 按 照 教 师 的 个 人 的 感 觉 在 打 分, 所 以 同 一 个 实 验, 不 同 的 教 师, 打 的 分 数 参 差 不 齐 ; 同 一 个 教 师, 不 同 的 实 验, 打 的 分 数 千 变 万 化 [4,5] 比 如 某 学 生 同 样 按 照 要 求 完 成 了 2 个 实 验 后, 其 中 一 个 实 验 老 师 打 80 分, 另 一 个 实 验 另 一 个 老 师 打 90 分, 学 生 意 见 很 大, 但 是 又 都 觉 得 无 奈 2.2 实 验 报 告 抄 袭 现 象 严 重 物 理 实 验 报 告 成 绩 占 学 生 总 成 绩 的 70%, 但 是 实 验 报 告 却 是 在 实 验 结 束 后, 学 生 回 寝 项 目 来 源 : 浙 江 大 学 大 物 理 实 验 教 学 基 层 组 织 建 设 作 者 简 介 : 陈 水 桥 (1971-), 男, 浙 江 湖 州 人, 高 级 工 程 师, 硕 士, 主 要 方 向 是 物 理 实 验 教 学 与 实 验 技 术 21
室 写 好 后 下 周 实 验 时 上 交 的, 这 就 存 在 一 个 实 验 报 告 抄 袭 的 问 题, 基 本 上 是 没 解 决 办 法 的, 估 计 这 种 现 象 全 国 各 高 校 都 有 所 以 学 生 的 实 验 成 绩 存 在 虚 假 成 份, 从 而 导 致 实 验 做 得 好 的 学 生 可 能 实 验 成 绩 一 般, 而 不 好 好 做 实 验 的 学 生 因 为 抄 袭 了 更 好 学 生 的 实 验 报 告 反 而 成 绩 很 好, 学 生 意 见 很 大 2.3 实 验 时 间 没 有 充 分 利 用 浙 江 大 学 的 物 理 实 验 课 程 有 1.5 学 分, 每 次 实 验 共 2.5 小 时, 可 是 现 在 的 普 遍 现 象 是 学 生 大 多 在 1 到 1.5 小 时 内 就 完 成 了 实 验, 虽 然 实 验 中 心 规 定 学 生 必 须 至 少 在 实 验 室 做 2 小 时 实 验, 但 是 实 际 情 况 是 很 难 控 制 再 加 上 实 验 时 间 基 本 上 是 上 午 9:50 开 始, 所 以 学 生 的 实 验 积 极 性 会 有 所 影 响, 再 加 上 中 午 吃 饭, 下 午 有 课 等 情 况, 学 生 往 往 不 在 乎 重 视 实 验, 而 希 望 早 点 完 成 实 验 所 以 实 验 课 的 效 益 将 大 大 受 到 影 响 笔 者 曾 经 做 过 调 查, 过 了 1-2 年 后 除 了 本 系 学 生 外 大 多 学 生 对 物 理 实 验 印 象 不 深 或 者 没 印 象 2.4 实 验 报 告 收 发 杂 乱 脏 物 理 实 验 报 告 的 收 发 历 来 是 各 高 校 头 痛 的 事 情 面 向 大 类 学 生 的 教 学 模 式, 浙 江 大 学 每 学 期 都 要 面 对 3000 人 以 上 的 做 实 验 的 学 生, 因 为 学 生 是 自 由 选 课, 使 得 同 一 个 学 生 在 每 次 做 实 验 时 都 面 对 不 同 班 级 的 同 学, 所 以 不 能 用 传 统 的 方 法 选 个 小 组 长 来 收 发 实 验 报 告, 为 此 实 验 中 心 专 门 为 教 师 制 作 了 收 实 验 报 告 箱 作 为 接 收 学 生 的 实 验 报 告, 但 是 不 可 能 为 每 位 学 生 制 作 一 个 发 实 验 报 告 箱 来 分 发 实 验 报 告, 所 以 只 能 以 学 生 专 业 为 单 位 制 作 了 发 实 验 报 告 箱, 随 之 而 来 的 问 题 是, 许 多 学 生 拿 不 到 自 己 的 实 验 报 告, 因 为 他 们 的 实 验 报 告 被 有 些 学 生 取 走 了 学 生 对 此 意 见 很 大 为 了 彻 底 解 决 上 述 问 题, 浙 江 大 学 物 理 实 验 中 心 建 设 了 基 于 WIFI 的 物 理 实 验 教 学 实 时 评 价 体 系 较 好 地 解 决 了 上 述 顽 疾, 得 到 了 学 生 的 好 评 3 基 于 WIFI 的 物 理 实 验 教 学 实 时 评 价 体 系 3.1 建 设 稳 定 的 WIFI 系 统 浙 江 大 学 为 了 学 生 的 需 求, 在 物 理 实 验 中 心 大 楼 建 设 了 稳 定 的 WIFI 系 统, 让 学 生 可 以 通 过 无 线 上 网 获 取 各 种 信 息, 也 为 物 理 实 验 中 心 的 实 时 实 验 评 价 体 系 的 建 设 提 供 了 强 大 的 保 障, 使 实 时 评 价 体 系 得 以 顺 利 实 施 依 托 WIFI, 实 验 中 心 的 实 验 内 容 建 设 实 验 室 建 设 和 实 验 教 学 创 新 建 设 跨 上 了 一 个 新 的 台 阶 [6] 使 得 学 生 和 老 师 只 要 通 过 手 机 或 平 板 电 脑 就 能 实 时 获 取 相 关 知 识, 提 高 了 教 学 效 率, 节 省 了 学 生 实 验 时 间 [7] 下 面 是 浙 江 大 学 WIFI 系 统 进 入 页 面 图, 见 图 1 3.2 建 设 便 利 的 网 络 化 成 绩 管 理 系 统 图 1 WIFI 进 入 界 面 物 理 实 验 中 心 每 学 期 都 要 面 对 大 量 的 学 生 做 实 验, 为 了 提 高 工 作 效 率, 实 验 中 心 建 设 了 22
面 向 学 生 的 系 统 化 实 验 教 学 网 站, 通 过 实 验 中 心 的 网 络, 学 生 可 以 下 载 实 验 相 关 的 信 息 和 知 识, 学 生 可 以 在 网 上 自 由 选 择 上 课 时 间 和 实 验 内 容 [8,9] 为 了 便 以 学 生 实 时 了 解 自 己 的 实 验 成 绩, 网 上 开 设 了 实 验 成 绩 查 询 系 统 和 针 对 实 验 教 师 或 实 验 室 的 评 分 体 系, 学 生 还 可 以 通 过 实 验 论 坛 反 映 自 己 的 诉 求 教 师 可 以 通 过 成 绩 登 录 页 面 直 接 给 学 生 的 实 验 打 分 下 面 是 实 验 中 心 的 网 络 化 成 绩 管 理 系 统 界 面 图, 见 图 2 3.3 设 计 面 向 实 验 内 容 的 简 易 实 时 实 验 报 面 告 传 统 的 实 验 报 告 就 像 一 张 试 卷, 要 写 的 内 容 非 常 多, 包 括 实 验 目 的 实 验 内 容 实 验 原 理 实 验 数 据 数 据 处 理 数 据 记 录 问 题 解 答 等, 学 生 反 响 很 强 烈, 花 在 写 实 验 报 告 的 时 间 太 多, 效 果 却 很 一 般, 增 加 了 学 生 负 担, 学 生 意 见 很 大 [10] 为 适 应 基 于 WIFI 的 实 时 实 验 成 绩 评 价 体 系, 实 验 中 心 取 消 了 原 来 的 实 验 报 告, 为 每 个 实 验 设 计 了 新 的 面 向 学 生 的 实 时 实 验 报 告, 即 减 轻 了 学 生 负 担, 又 便 以 教 师 现 场 及 时 快 速 评 定 实 验 成 绩, 并 及 时 指 正 学 生 在 实 验 中 的 错 误, 受 到 了 学 生 的 极 大 欢 迎 [11] 图 3 为 用 扭 摆 法 测 定 物 体 转 动 惯 量 实 验 的 实 时 实 验 报 告 3.4 规 范 统 一 的 实 验 成 绩 评 定 标 准 图 2 实 验 成 绩 管 理 页 传 统 的 评 分 标 准 为 : 预 习 报 告 及 实 验 操 作 40 分 ; 实 验 报 告 60 分 ( 实 验 目 的 :5 分 ; 实 验 仪 器 :5 分 ; 实 验 原 理 及 方 法 :10 分 ; 实 验 结 果 及 数 据 处 理 :10 分 ; 结 果 分 析 及 讨 论 : 10 分 ; 思 考 题 : 10 分 ; 卷 面 好 : 加 2 分 ) 传 统 的 实 验 报 告 成 绩 评 定 标 准 有 点 像 考 试 卷 一 样 给 分, 太 细, 绝 大 多 数 老 师 最 后 都 做 不 到, 废 除 是 迟 早 的 事 情 因 为 每 个 实 验 指 导 教 师 一 般 要 带 三 个 实 验 小 组, 每 个 小 组 约 18 人, 所 以 指 导 教 师 一 周 要 批 大 量 的 实 验 报 告, 如 果 每 次 都 像 批 改 试 卷 一 样, 花 费 在 批 实 验 报 告 上 的 时 间 是 可 想 而 知 的 了, 对 一 位 即 要 搞 科 研, 又 要 搞 教 学 的 老 师 来 说, 很 难 自 始 至 终 把 实 验 报 告 当 一 张 试 卷 来 批 改, 所 以 传 统 的 给 分 标 准 已 经 不 适 应 现 实 的 需 求 [12,13] 所 以 规 范 统 一 的 实 验 成 绩 评 定 标 准 也 随 着 新 系 统 的 建 设 呼 之 而 出 新 的 评 分 标 准 如 下 : 先 给 一 个 基 本 分 数 90 分, 做 得 特 别 好 的 酌 情 加 分, 一 般 不 超 过 95 分 ; 做 得 有 问 题 或 错 误 的 酌 情 减 分, 一 般 不 低 于 85 分 ; 最 后 看 实 验 报 告 对 错, 错 一 个 地 方 扣 1 分, 最 多 扣 5 分 ; 其 23
他 说 明 和 建 议 内 有 新 观 点 的 酌 情 加 1~5 分 这 样 使 得 分 数 能 控 制 在 80 分 到 100 分 之 间 ( 相 差 20 分 ) 因 为 实 验 报 告 的 成 绩 ( 取 所 有 已 做 的 实 验 的 平 均 分 ) 占 总 成 绩 的 70%( 期 末 考 试 占 30%), 所 以 实 际 使 得 分 数 能 控 制 在 56 分 到 70 分 之 间 ( 相 差 14 分 ), 比 较 合 情 合 理 另 外 无 故 未 能 做 实 验 的 学 生, 补 做 后, 基 本 分 数 从 90 分 调 整 为 80 分, 其 他 不 变 新 的 评 分 标 准 简 单 明 了, 便 以 操 作, 符 合 实 验 课 的 评 分 需 求 [14] 图 3 实 时 实 验 报 告 4 基 于 WIFI 的 物 理 实 验 教 学 实 时 评 价 流 程 与 亮 点 4.1 物 理 实 验 教 学 实 时 评 价 过 程 物 理 实 验 教 学 实 时 评 价 过 程 主 要 包 括 7 个 步 骤, 见 图 4 所 示 学 生 进 入 自 选 实 验 室 教 师 分 发 实 时 实 验 报 告 纸 学 生 实 验 结 束 后 现 场 完 成 实 验 报 告 教 师 现 场 批 改 实 验 报 告 并 打 分 教 师 利 用 手 机 WIFI 登 录 学 生 成 绩 学 生 与 老 师 探 讨 后 带 走 实 验 报 告 学 生 上 网 确 认 成 绩 并 给 教 师 打 分 图 4 课 堂 评 价 流 程 新 的 实 验 评 价 系 统 使 得 教 师 可 以 一 边 指 导 正 在 做 实 验 的 学 生, 一 边 批 改 完 成 实 验 的 学 生 的 实 验 报 告, 一 举 两 得 学 生 也 可 以 现 场 获 得 老 师 的 指 导, 并 将 错 误 的 地 方 及 时 改 正 由 于 24
学 生 等 老 师 批 改 好 实 验 报 告 后 能 及 时 带 走 自 己 的 实 验 报 告, 所 以 杜 绝 了 其 他 学 生 抄 袭 实 验 报 告 的 现 象, 真 正 做 到 了 每 位 学 生 必 须 自 己 完 成 实 验 才 能 获 取 成 绩 由 于 使 用 了 实 时 实 验 报 告, 也 基 本 消 除 了 好 学 生 得 到 的 成 绩 不 如 差 学 生 的 情 况 总 之, 这 种 方 法 增 进 了 教 师 与 学 生 的 互 动 和 交 流, 增 加 了 完 成 实 验 的 时 效 性 [15] 4.2 物 理 实 验 教 学 实 时 评 价 系 统 的 亮 点 归 纳 起 来, 物 理 实 验 教 学 实 时 评 价 系 统 的 亮 点 有 如 下 几 点 : 1) 基 于 WIFI 的 物 理 实 验 实 时 评 价 体 系 提 高 了 实 验 教 学 质 量, 充 分 利 用 了 学 校 的 资 源, 发 挥 了 教 师 和 学 生 的 主 观 能 动 性 2) 物 理 实 验 实 时 实 验 报 告 减 轻 了 学 生 负 担, 提 高 了 实 验 效 率, 消 除 了 学 生 抄 袭 实 验 报 告 的 不 良 现 象 3) 物 理 实 验 实 时 收 发 实 验 报 告, 去 除 了 学 生 回 寝 室 做 实 验 报 告 和 交 实 验 报 告 两 个 环 节, 完 全 解 决 了 以 前 实 验 报 告 到 处 乱 飞 的 现 象, 也 舒 缓 了 教 师 批 改 实 验 报 告 的 压 力 4) 学 生 实 时 完 成 实 时 报 告 使 得 学 生 缺 课 甚 至 逃 课 的 现 象 基 本 消 除, 学 生 在 实 验 室 的 时 间 大 大 延 长, 不 再 出 现 早 退 的 现 象, 甚 至 出 现 了 延 长 实 验 时 间 的 现 象, 这 是 以 前 不 可 能 发 生 的 事 情 5 总 结 基 于 WIFI 实 时 实 验 成 绩 评 价 体 系 必 须 依 托 学 校 的 资 源, 如 果 没 有 学 校 的 无 线 网 络 建 设, 就 无 法 实 行, 所 以 只 能 在 有 条 件 的 学 校 进 行 推 广 它 的 优 点 是 非 常 明 显 的, 即 有 利 于 学 生, 也 有 利 于 教 师 ; 即 减 轻 了 学 生 负 担, 提 高 了 实 验 效 率, 又 整 顿 了 实 验 课 程 中 出 现 的 各 种 不 良 现 象, 解 决 了 许 多 传 统 方 法 无 法 解 决 的 顽 疾 当 然, 任 何 事 情 都 不 可 能 是 完 美 的, 新 的 物 理 实 验 实 时 评 价 体 系 也 将 在 在 不 断 实 践 中 进 一 步 去 完 善 参 考 文 献 : [1] 陈 洪 山, 陈 水 桥 从 红 外 成 像 实 验 谈 物 理 实 验 建 设 思 想 [J] 江 西 科 学,2005,23(5): 645-648 [2] 刘 燕, 周 岚, 胡 经 国 大 学 物 理 实 验 教 学 改 革 的 探 索 与 实 践 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2009, 28(11):171-172 [3] 陈 水 桥, 陈 洪 山 物 理 实 验 研 究 性 课 题 式 教 学 方 法 的 实 现 与 探 讨 [J] 物 理 实 验,2008, 28(6):18-21 [4] 张 锐 波, 沈 剑 峰, 杜 金 潮 大 学 物 理 实 验 创 新 教 学 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2010,29(1): 80-82 [5] 陈 守 川 大 学 物 理 实 验 教 程 [M] 杭 州 : 浙 江 大 学 出 版 社,1995 [6] 陈 水 桥, 王 鲲, 陈 洪 山 浅 谈 如 何 合 理 性 选 配 和 组 建 物 理 实 验 仪 器 系 统 [J] 物 理 实 验, 2006,26(8):16-19 [7] 刘 海 霞 物 理 实 验 与 培 养 学 生 创 新 能 力 的 思 考 与 实 践 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2009,28(7): 12-14 [8] 陈 水 桥, 等 打 造 创 新 型 基 础 物 理 实 验 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2013(4):106-109 [9] 陈 水 桥, 等 研 究 型 物 理 实 验 以 内 容 为 中 心 的 站 队 式 教 学 方 法 探 索 [J] 物 理 实 验,2011, 32(11):19-22 [10] 陈 水 桥, 等 多 元 化 物 理 课 题 实 验 课 程 的 建 设 和 探 讨 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2011, 30(12):118-121 [11] 康 颖 创 新 实 验 教 学 培 养 综 合 素 质 [J] 物 理 与 工 程,2010,20(3):27-29 [12] 肖 利, 李 海 波, 刘 茂 军 全 面 实 施 物 理 实 验 改 革 培 养 学 生 创 新 素 质 [J] 实 验 室 研 究 与 25
探 索,2007,26(4):101-103 [13] 霍 剑 青, 王 晓 蒲, 汤 家 骏, 等 分 层 次 的 物 理 实 验 教 学 研 究 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索, 2009,28(4):232-235 [14] 朱 鹤 年 物 理 实 验 研 究 [M] 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社,1994 [15] 孙 腊 珍, 张 增 明 研 究 型 大 学 物 理 实 验 教 学 平 台 建 设 的 实 践 与 探 索 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2008,25(10): 18-20 Innovative Construction of a Real-time Evaluation System of Physics Experiment Teaching Based on the WIFI CHEN Shui-qiao, WANG kun, YIN li-ming, HE liang, WANG Zhou-yang (Physics Department, Zhejiang University, HangZhou 310027, China) Abstract: The disadvantage of the traditional evaluation system of experiment teaching of the Physics experiment center of Zhejiang University was analysised. a new real-time evaluation system of physics experiment teaching was put forward. the experimental efficiency was Improved. the burden on Students was Lightened. the order of physics department was rectified.the praise of students was showed. Key Words:WIFI; real-time evaluation system; real-time experiment report; physics experiment 26
大 学 物 理 实 验 仪 器 的 配 置 和 利 用 叶 树 中 ( 北 京 工 业 大 学 数 理 学 院, 北 京 100124) 摘 要 : 国 家 对 被 评 为 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 和 省 市 级 实 验 教 学 示 范 中 心 投 资 的 力 度 逐 年 加 大, 如 何 引 进, 配 置, 利 用 新 设 备, 新 仪 器 是 一 个 很 有 讲 究 的 实 际 问 题 我 校 数 理 学 院 物 理 实 验 中 心 被 评 为 北 京 市 级 实 验 教 学 示 范 中 心 以 来, 积 极 构 建 现 代 化 的 实 验 教 学 体 系 整 合 实 验 教 学 项 目 构 建 分 层 次 的 实 验 教 学 体 系, 引 进 并 合 理 配 置 新 型 实 验 设 备, 使 物 理 实 验 资 源 不 断 更 新, 完 善, 充 实, 为 学 生 有 效 利 用 这 些 宝 贵 资 源 创 造 了 必 要 条 件 发 挥 资 源 优 势 和 政 策 优 势 进 一 步 提 高 教 育 教 学 实 验 水 平, 提 高 整 体 的 综 合 实 力 关 键 词 : 资 源 配 置 ; 资 源 利 用 ; 改 革 创 新 ; 服 务 于 学 生 1 引 言 进 入 21 世 纪, 在 信 息 化, 网 络 化, 经 济 一 体 化 的 大 潮 中, 科 技 水 平 高 速 发 展, 先 进 的 生 产 力 把 人 们 从 繁 重 的 体 力 劳 动 中 解 放 出 来, 人 们 对 所 从 事 工 作 用 到 的 工 具, 设 备, 仪 器 的 性 能, 技 术 含 量 的 要 求 也 在 逐 步 提 高, 先 进 的 工 具, 设 备, 仪 器 不 仅 把 人 们 从 繁 重 的 体 力 劳 动 中 解 放 出 来, 还 能 提 高 工 作 效 率, 解 决 教 学, 科 研 中 的 难 题, 推 动 整 个 社 会 不 断 向 前 发 展 我 校 数 理 学 院 实 验 教 学 示 范 中 心 利 用 政 策 优 势, 与 时 俱 进, 对 老, 旧, 过 时 的 实 验 设 备, 仪 器 不 断 进 行 更 新, 改 造, 合 理 配 置 不 同 实 验 所 需 的 仪 器, 设 备, 为 学 生 创 造 出 一 个 良 好 的 硬 件 环 境, 并 利 用 这 些 资 源 为 实 验 教 学, 科 研, 创 新 实 验 以 及 最 后 出 成 果 提 供 了 必 要 条 件 2 资 源 配 置 如 何 利 用 投 资, 配 置 物 理 实 验 仪 器 设 备 不 是 盲 目 进 行 的, 除 了 力 学, 电 学, 光 学 传 统 项 目 外, 更 多 的 偏 重 于 一 些 发 展 较 快, 用 途 较 广 的 实 验 设 备, 例 如 : 多 媒 体, 光 纤 通 信, 计 算 机 仿 真,PASCO 等, 仪 器 设 备 的 购 入 数 量 和 品 种 是 根 据 本 科 实 验 教 学 中 大 学 物 理 实 验, 中 级 物 理 实 验, 近 代 物 理 实 验 学 生 人 数 和 使 用 频 率 的 不 同 按 比 例 进 行 配 置 的 传 统 光 学 实 验 中 的 棱 镜 摄 谱 仪 被 开 放 式 光 栅 摄 谱 仪 所 取 代, 老 式 的 棱 镜 摄 谱 仪 在 进 行 光 谱 观 测 和 测 量 时 手 动 转 动 股 轮 时 误 差 较 大, 准 确 度 不 高, 换 成 开 放 式 光 栅 摄 谱 仪 后, 不 但 体 积 小, 重 量 轻 而 且 使 用 起 来 简 单 方 便, 易 操 作, 易 观 察, 数 据 准 确 度 高, 误 差 也 大 大 减 小, 另 外 还 新 增 了 组 合 式 多 功 能 光 栅 光 谱 仪, 其 主 要 功 能 是 将 入 射 的 复 合 光 变 成 单 色 光 射 出, 再 通 过 光 电 采 集 送 入 计 算 机 进 行 数 据 分 析, 也 可 以 选 加 样 品 池 进 行 精 雕 要 求 不 高 的 样 品 透 过, 反 射 率 测 量, 分 光 计 在 换 成 大 口 径 望 远 镜 以 后, 调 节 光 路 更 加 便 捷, 视 场 更 宽 敞, 光 路 部 分 改 为 发 光 二 级 管 使 得 视 场 更 清 晰 更 明 亮, 学 生 使 用 起 来 更 加 得 心 应 手, 几 年 来 我 们 在 资 源 配 置 方 面 作 了 大 量 工 作, 进 行 了 有 益 的 探 索 和 尝 试, 取 得 良 好 效 果 3 资 源 利 用 几 年 来, 随 着 实 验 仪 器 设 备 的 不 断 更 新 与 完 善, 如 何 有 效, 合 理 使 用 现 有 资 源 也 成 为 摆 在 我 们 面 前 的 一 大 问 题, 对 于 单 独 设 课 的 大 学 物 理 实 验 是 每 个 学 生 必 修 的 一 门 课 程, 从 目 前 我 校 的 实 际 情 况 来 讲 人 员 和 实 验 仪 器 的 配 备 比 例 是 1..1..30..30 以 表 格 所 示 : 27
实 验 教 师 人 数 实 验 员 人 数 学 生 人 数 实 验 仪 器 1 1 30 30 实 验 仪 器 每 个 学 生 一 套, 这 种 配 置 为 满 员 满 载 状 态, 人 力 资 源 和 物 质 资 源 得 以 充 分 利 用 由 于 我 校 的 大 学 物 理 实 验 开 放 教 学 是 开 通 和 采 用 了 网 上 选 课 预 约 系 统, 实 行 网 上 预 约 是 一 种 随 机 行 为, 经 常 出 现 的 问 题 是 某 个 被 选 择 的 实 验 只 有 一 个 学 生, 一 个 实 验 教 师 和 一 个 实 验 员 一 大 间 实 验 室, 几 十 台 仪 器 服 务 于 一 个 学 生, 与 非 开 放 实 验 相 比, 一 旦 出 现 类 似 问 题, 虽 占 据 了 同 样 的 时 间, 同 样 的 空 间, 同 样 的 人 力, 资 源 配 置 明 显 失 调, 这 就 使 实 验 室 资 源 ( 人 力 资 源 和 物 质 资 源 ) 不 能 充 分 利 用, 造 成 资 源 浪 费 如 何 合 理 地 解 决 此 问 题 还 需 要 进 一 步 探 讨 我 们 现 在 考 虑 是 否 可 以 按 学 生 所 学 专 业 的 不 同 及 兴 趣 的 不 同 来 划 分, 选 择 安 排 实 验 内 容 例 如 : 建 筑 专 业 的 学 生 以 选 择 力 学 实 验 为 主, 电 子 信 息 专 业 的 学 生 以 选 择 电 学 实 验 为 主, 某 些 学 生 也 可 以 根 据 自 己 的 兴 趣 爱 好 集 中 选 择 实 验 内 容, 即 能 满 足 学 生 的 要 求 又 能 充 分 合 理 的 利 用 实 验 室 的 人 力 资 源 和 物 质 资 源 另 外, 对 获 得 我 校 星 火 基 金 的 学 生 来 说, 实 验 教 学 示 范 中 心 大 力 支 持 他 们 搞 项 目, 搞 创 新, 参 加 大 学 生 物 理 竞 赛, 随 时 可 以 使 用 所 有 实 验 仪 器, 并 单 独 给 他 们 设 立 出 一 间 创 新 实 验 室, 创 造 好 条 件, 实 验 资 源 得 以 合 理, 有 效 地 利 用, 在 2010 年 北 京 市 大 学 生 物 理 竞 赛 中 我 校 学 生 获 得 一 项 一 等 奖, 两 项 二 等 奖 的 优 异 成 绩 4 坚 持 改 革 创 新 随 着 科 学 技 术 的 迅 猛 发 展, 以 信 息 化, 网 络 化, 数 字 化 为 代 表 的 高 新 技 术 目 前 占 据 了 主 导 地 位, 高 等 院 校 的 教 育, 教 学, 科 研 领 域 乃 至 各 行 各 业 都 与 之 息 息 相 关, 所 以 在 确 定 引 入 教 学 科 研 实 验 仪 器 设 备 上 也 要 与 当 前 科 学 技 术 发 展 的 潮 流 相 一 致, 除 了 一 些 基 本 的 力 学, 电 学, 光 学 等 传 统 的 物 理 实 验 外, 我 校 也 不 失 时 机 地 引 入, 补 充, 开 发 了 光 纤 通 信, 仿 真, 全 息 照 相, 核 磁 共 振, 计 算 机 模 拟 等 实 验, 激 发 学 生 对 新 知 识, 新 技 术 的 浓 厚 兴 趣, 诱 发 他 们 的 想 象 力, 创 造 力, 培 养 他 们 不 断 创 新 的 意 识, 把 所 学 到 知 识 真 正 用 在 实 处 支 持 教 学 模 式 的 多 元 化, 激 励 教 师 与 学 生 教 学 互 动 共 同 探 索 教 学 改 革 新 途 径, 先 进 的 仪 器 设 备 是 搞 教 学, 科 研 的 重 要 因 素, 但 不 是 决 定 因 素, 出 成 果 的 决 定 因 素 是 人, 不 是 物 所 以, 坚 持 改 革 创 新 摆 正 人 与 物 的 关 系 才 是 唯 一 出 路 5 结 束 语 资 源 配 置 与 资 源 利 用 在 培 养 理 论 与 实 践 相 结 合 的 现 代 化 高 素 质 人 才 中 将 发 挥 重 要 作 用, 在 发 展 过 程 中 会 遇 到 各 种 问 题, 我 们 相 信, 经 过 不 懈 的 努 力 和 探 索 必 将 日 趋 完 善, 合 理, 充 分 发 挥 其 独 特 作 用 参 考 文 献 : [1] 浦 其 荣 开 放 型 物 理 实 验 的 研 究 和 探 索 [J] 物 理 实 验,2005,25(2) [2] 叶 树 中 大 学 物 理 实 验 开 放 教 学 与 资 源 配 置 [Z] 北 京 工 业 大 学 教 育 研 究 通 讯,2005-4 28
关 于 开 设 内 光 电 效 应 实 验 的 探 索 与 思 考 陈 彪 ( 河 北 工 程 大 学 理 学 院, 河 北 邯 郸 056021) 摘 要 : 本 文 重 点 介 绍 了 开 设 以 内 光 电 效 应 为 理 论 基 础 的 半 导 体 光 电 器 件 的 重 要 性 和 迫 切 性 并 详 尽 介 绍 了 内 光 电 效 应 的 理 论 与 半 导 体 光 电 器 件 的 分 类 和 应 用 前 景 关 健 词 : 内 光 电 效 应 ; 光 电 导 ; 光 生 伏 特 ; 光 磁 电 1 引 言 光 电 效 应 有 内 外 之 分, 外 光 电 效 应 的 内 容 在 各 种 版 本 的 物 理 教 材 中 都 有 详 尽 的 介 绍, 以 测 量 普 朗 克 常 数 和 外 光 电 效 应 实 验 规 律 的 物 理 实 验 仪 器 应 有 尽 有, 学 生 对 此 也 有 相 应 的 认 识, 尤 其 是 在 应 用 技 术 方 面 更 是 如 此 相 形 之 下, 而 内 光 电 效 应 的 内 容 和 实 验 尤 其 是 在 非 光 学 专 业 的 物 理 教 材 中, 几 乎 均 未 曾 提 及, 学 生 对 以 内 光 电 效 应 理 论 为 基 础 的 半 导 体 光 电 器 件 的 性 能 和 应 用 更 是 一 无 所 知, 而 在 高 新 技 术 突 飞 猛 进 信 息 化 时 代 的 今 天, 如 此 下 去, 我 们 所 培 养 的 学 生 将 不 能 够 适 应 当 前 形 式 发 展 的 需 要! 为 此 我 们 认 为 有 必 要 对 我 们 非 光 学 专 业 的 学 生 进 行 加 开 或 选 作 内 光 电 效 应 的 内 容 和 实 验 2 历 史 回 顾 以 内 光 电 效 应 为 理 论 基 础 的 半 导 体 光 电 器 件 是 随 着 半 导 体 物 理 学 和 半 导 体 工 艺 学 的 发 展 而 产 生 和 发 展 的 1839 年 培 克 雷 尔 (Becgurel) 发 现 了 光 生 伏 特 效 应,1883 年 夫 利 兹 (Filtts) 研 制 出 了 第 一 个 Se 光 伏 特 电 池, 以 后 随 着 对 半 导 体 内 光 电 效 应 的 研 究 又 相 继 研 制 成 功 了 光 敏 电 阻 和 其 它 探 测 器 1941 年 奥 勒 (Ohl) 制 出 了 第 一 个 单 晶 硅 光 电 池, 到 上 世 纪 五 十 年 代, 在 发 展 半 导 体 器 件 工 艺 的 同 时, 又 相 继 研 制 成 功 了 光 电 二 极 管 和 光 电 三 极 管, 七 十 年 代 末, 以 半 导 体 光 电 器 件 为 敏 感 元 件 的 光 学 传 感 器 已 在 好 多 领 域 广 泛 使 用 与 此 同 时, 光 纤 通 讯 光 纤 传 感 已 广 泛 应 用 于 军 事 国 防 工 业 人 造 卫 星 等 空 间 技 术 领 域 半 导 体 光 电 器 件 经 过 一 个 多 世 纪 的 发 展, 现 在 已 广 泛 应 用 于 国 民 经 济 军 事 科 学 技 术 等 各 个 部 门 在 工 业 自 动 化 自 动 控 制 等 方 面, 光 敏 电 阻 光 电 池 和 光 电 二 极 管 等 器 件 的 应 用 占 有 重 要 地 位 利 用 红 外 光 电 器 件 的 红 外 探 测 跟 踪 遥 感 遥 测 和 红 外 成 像 技 术 在 军 事 上 有 重 要 意 义 太 阳 能 电 池 为 宇 宙 航 行 空 间 技 术 提 供 了 可 靠 的 长 期 能 源, 此 外 随 着 地 球 上 石 油 煤 等 能 源 的 大 量 消 耗, 太 阳 能 的 利 用 已 提 到 了 重 要 议 程, 现 在 己 得 到 广 泛 的 重 视 总 之 半 导 体 光 电 器 件 在 现 代 科 学 技 术 发 展 中 占 有 重 要 地 位 3 思 考 与 探 索 既 知 半 导 体 光 电 器 件 的 应 用 如 此 重 要 与 紧 迫, 有 必 要 对 非 光 学 专 业 的 学 生 进 行 选 修 内 光 电 效 应 理 论 和 选 作 半 导 体 光 电 器 件 应 用 的 典 型 实 验, 使 之 对 内 光 电 效 应 的 一 些 基 本 观 点 和 基 本 概 念 有 个 清 晰 认 识, 对 半 导 体 光 电 器 件 应 用 的 技 术 有 一 个 全 新 的 了 解 3.1 内 光 电 效 应 原 理 光 电 导 效 应 光 生 伏 特 效 应 和 光 磁 电 效 应 三 者 均 为 内 光 电 效 应 现 分 述 之 : 作 者 简 介 : 陈 彪 (1951 ), 男, 河 北 省 邯 郸 人, 河 北 工 程 大 学 理 学 院 副 教 授, 从 事 物 理 教 学 及 实 验 物 理 光 电 教 学 仪 器 的 研 究 29
1) 光 电 导 效 应 : 光 电 导 效 应 是 光 电 导 探 测 器 光 电 转 化 的 基 础 当 半 导 体 材 料 受 光 照 射 时, 由 于 对 光 子 的 吸 收 引 起 载 流 子 浓 度 的 增 大, 因 而 导 致 材 料 导 电 率 增 大 这 种 现 象 称 为 光 电 导 效 应 材 料 对 光 的 吸 收 有 本 征 型 和 非 本 征 型, 所 以 光 电 效 应 也 有 本 征 型 和 非 本 征 型 当 光 子 能 量 大 于 材 料 禁 带 宽 度 时, 把 价 带 中 的 电 子 激 发 到 导 带, 在 价 带 中 留 空 穴, 从 而 使 材 料 的 导 电 率 增 大, 这 是 本 征 光 电 导 效 应 若 光 子 能 量 激 发 杂 质 半 导 体 中 的 施 主 或 受 主, 使 它 们 产 生 电 离, 产 生 光 生 自 由 电 子 或 自 由 空 穴, 从 而 增 加 材 料 导 电 率, 这 种 现 象 就 是 非 本 征 光 电 导 效 应 材 料 受 光 照 引 起 导 电 率 的 变 化, 在 外 电 场 作 用 下 就 能 得 到 电 流 的 变 化 2) 光 生 伏 特 效 应 : 光 照 使 不 均 匀 半 导 体 或 半 导 体 与 金 属 组 合 的 不 同 部 位 之 间 产 生 电 位 差 的 现 象 称 为 光 生 伏 特 效 应 这 种 效 应 是 基 于 两 种 材 料 互 相 接 触 形 成 内 建 势 垒, 当 光 子 激 发 后 光 生 载 流 子 注 入 到 势 垒 附 近 就 形 成 了 光 生 电 压 因 为 所 用 材 料 不 同, 于 是 就 有 不 同 的 PN 结 PIN 结 金 属 与 半 导 体 的 肖 特 基 结 和 异 质 结 等 多 种 结 构 的 光 生 伏 特 效 应 现 以 PN 结 为 例 分 析 光 生 伏 特 效 应 当 PN 结 受 到 光 照 时, 样 品 对 光 子 的 本 征 吸 收 和 非 本 征 吸 收 都 将 产 生 光 生 载 流 子 但 是 能 引 起 光 生 伏 特 效 应 的 只 能 是 本 征 吸 收 所 激 发 的 少 数 载 流 子 因 为 P 区 产 生 的 光 生 空 穴,N 区 产 生 的 光 生 电 子 属 于 多 数 载 流 子, 都 被 势 垒 结 阻 挡 而 不 能 过 结 只 有 P 区 的 光 生 电 子 与 N 区 的 光 生 空 穴 和 结 区 的 电 子 空 穴 对 ( 称 少 数 载 流 子 ) 扩 散 到 结 电 场 附 近 时 能 够 在 内 建 电 场 作 用 下 漂 移 过 结 光 生 电 子 被 拉 向 N 区, 光 生 空 穴 被 拉 向 P 区 样 品 出 于 开 路 状 态 时 结 附 近 的 N 区 积 累 着 光 生 电 子,P 区 积 累 着 光 生 空 穴,P 为 正 N 为 负, 形 成 光 生 电 压 VS, 光 生 电 压 方 向 与 内 建 电 场 方 向 相 反 此 时, 若 样 品 短 路 会 在 外 电 路 形 成 短 路 电 流, 这 种 短 路 电 流 就 是 光 生 载 流 子 过 结 的 电 流 3) 丹 倍 效 应 和 光 磁 电 效 应 均 匀 光 电 导 体 当 光 激 发 不 均 匀 时, 载 流 子 密 度 也 就 不 均 匀 a. 当 某 一 单 色 光 照 射 光 电 导 样 品 时, 且 样 品 的 吸 收 系 数 a 很 大, 而 使 (1/a) d(d 为 样 品 的 厚 度 ), 则 过 剩 载 流 子 出 现 不 均 匀 分 布, 从 而 产 生 扩 散 电 流 当 电 子 和 空 穴 的 扩 散 常 数 不 同 时, 存 在 有 垂 直 于 光 照 表 面 的 内 建 电 场, 即 在 前 后 表 面 之 间 产 生 光 生 电 压, 这 就 是 丹 倍 效 应 b. 丹 倍 电 动 势 发 生 在 载 流 子 扩 散 方 向 上, 当 均 匀 光 照 时 横 向 ( 即 平 行 与 光 照 的 方 向 ) 是 不 会 有 光 生 电 压 的 若 在 垂 直 光 照 的 竖 直 方 向 上 加 一 磁 场, 此 时 沿 光 照 方 向 流 动 的 电 子 和 空 穴 则 受 到 洛 仑 兹 力 的 作 用, 空 穴 向 上 电 子 向 下, 于 是 在 与 光 照 垂 直 的 另 一 方 向 就 有 一 个 光 生 电 压, 若 用 导 线 短 接 外 电 路 则 有 电 流 通 过 该 现 象 即 为 光 磁 电 效 应 3.2 半 导 体 光 电 器 件 的 分 类 就 器 件 的 物 理 过 程 来 说, 有 光 电 导 型 光 生 伏 特 型 和 光 磁 电 型 三 类, 分 别 利 用 了 半 导 体 的 光 电 导 光 生 伏 特 和 光 磁 电 三 种 光 电 效 应 就 器 件 的 构 造 来 说, 可 分 为 均 质 型 和 结 型 两 种 均 质 型 半 导 体 器 件 多 利 用 光 电 导 效 应 和 光 磁 电 效 应, 最 典 型 的 器 件 是 光 敏 电 阻 结 型 半 导 体 光 电 器 件 按 结 的 种 类 不 同 又 可 分 为 PN 结 PIN 结 异 质 结 和 肖 特 基 结, 它 们 多 做 成 光 电 池 光 电 二 极 管 和 多 极 管 就 器 件 的 应 用, 可 分 为 换 能 器 件 和 探 测 器 件 两 种 换 能 器 件 着 重 于 光 能 转 换 为 电 能, 最 典 型 的 器 件 就 是 太 阳 能 电 池, 评 价 这 类 器 件 的 最 重 要 的 指 标 是 转 换 效 率 探 测 器 件 则 着 重 于 把 光 辐 射 信 号 转 换 为 电 信 号, 其 种 类 繁 多 光 敏 电 阻 光 电 池 各 种 类 型 的 光 电 二 极 都 广 泛 应 用 于 各 波 段 的 光 辐 射 探 测 评 价 探 测 器 件 的 主 要 指 标 是 光 谱 响 应 特 性 探 测 灵 敏 度 和 它 的 调 制 频 率 响 应 特 性 按 照 探 测 的 辐 射 波 长 又 可 分 为 可 见 光 探 测 器 红 外 探 测 器 和 紫 外 探 测 器 等 30
4 典 型 应 用 4.1 光 敏 电 阻 1) 光 敏 电 阻 的 主 要 性 能 指 标 : 光 谱 特 性 暗 电 阻 照 度 特 性 温 度 特 性 最 高 工 作 电 压 和 允 许 耗 散 功 率 2) 种 类 : 按 光 谱 特 性 和 最 佳 工 作 波 段 划 分 有 三 种 : a. 对 紫 外 光 (0.3 0.4 微 米 ) 灵 敏 的 光 敏 电 阻, 主 要 用 于 探 测 和 度 量 各 种 射 线 强 度 的 α γ 射 线 计 量 计 和 α β 射 线 晶 体 计 数 管 b. 对 可 见 光 (0.4 0.76 微 米 ) 灵 敏 的 光 敏 电 阻, 这 类 光 敏 电 阻 主 要 用 于 制 造 自 动 控 制 元 件, 如 产 品 计 数 器 路 灯 控 制 器 等 以 及 安 全 保 护 装 置 和 位 移 液 面 等 自 动 控 制 装 置 的 光 探 测 头 c. 对 红 外 光 (0.76 6 微 米 ) 灵 敏 的 光 敏 电 阻 主 要 用 于 科 学 研 究 和 探 测 不 可 见 目 标 3) 派 生 器 件 a. 光 电 耦 合 器 : 它 是 将 发 光 器 件 和 光 敏 电 阻 构 成 光 结 合 器 件 的 总 称, 具 有 体 积 小 寿 命 长 无 触 点, 抗 干 扰 能 力 强, 单 向 传 输 信 号 能 传 输 模 拟 信 号 和 数 字 信 号 一 类 用 于 光 隔 离, 另 一 类 用 于 光 传 感 器 b. 光 电 位 器 : 用 于 位 置 检 测 的 无 接 点 电 位 器 c. 光 桥 3) 应 用 a. 在 电 子 电 路 中 : 电 视 机 亮 度 自 动 调 节 远 距 离 自 动 切 换 和 增 益 的 自 动 切 换 b. 在 仪 器 仪 表 中 : 作 照 度 计 浓 度 计 辐 射 高 温 计 检 流 计 和 比 色 计 等 c. 路 灯 的 自 动 点 燃 和 熄 灭 汽 车 前 灯 的 自 动 切 换 浮 标 灯 的 自 动 点 灭 和 自 动 报 警 d. 照 相 机 电 子 快 门 4.2 光 电 池 1) 光 电 池 的 主 要 性 能 指 标 : a. 伏 安 特 性 b. 转 换 效 率 和 最 佳 负 载 电 阻 c. 光 谱 响 应 d. 响 应 时 间 e. 温 度 特 性 2) 种 类 :Se 光 电 池 GaAs 光 电 池 和 Si 光 电 池 三 种 Se 光 电 池 : 适 用 于 可 见 光 的 接 收, 但 转 换 效 率 低, 寿 命 短 GaAs 光 电 池 : 光 谱 响 应 与 太 阳 光 谱 吻 合 的 好, 但 转 换 效 率 低 Si 光 电 池 : 价 格 低 廉 转 换 效 率 高 寿 命 长 易 接 收 红 外 光 是 一 种 很 有 发 展 前 途 的 器 件 3) 用 途 a. 用 作 光 电 探 测 元 件, 在 气 象 农 业 林 业 等 方 面 测 量 太 阳 光 的 辐 射 量 ; 用 于 制 造 各 种 光 电 自 动 控 制 装 置 : 如 光 开 关 光 阀 门 光 电 比 色 计 和 光 电 高 温 计 b. 用 作 电 源 : 作 为 一 般 能 源 补 充, 此 时 要 求 价 格 低 廉 功 率 大 : 作 为 宇 航 电 源, 此 时 要 求 体 积 小 重 量 轻 转 换 效 率 高 : 作 为 一 般 民 用 电 器 补 充, 要 求 价 格 低 廉 体 积 小, 不 要 求 容 量 大 4) 应 用 a. 颜 色 识 别 31
b. 光 电 开 关 电 路 c. 照 相 机 用 暴 光 表 d. 弱 光 检 测 e. 比 色 高 温 计 4.3 光 电 二 极 管 1) 性 能 参 数 a. 伏 安 特 性 b. 最 高 工 作 电 压 c. 光 电 流 d. 暗 电 流 e. 光 谱 响 应 f. 光 电 灵 敏 度 g. 响 应 时 间 h. 结 电 容 i. 指 向 特 性 j. 噪 声 特 性 2) 种 类 a. PN 结 b.pin 结 c. 异 质 结 d. 肖 特 基 结 3) 应 用 a. 光 信 号 放 大 电 路 b. 光 开 关 电 路 c. 转 速 测 定 仪 5 结 束 语 通 过 开 设 内 光 电 效 应 选 修 课 和 自 行 设 计 选 作 半 导 体 光 电 器 件 应 用 的 实 验, 无 疑 是 对 非 光 学 专 业 的 学 生 拓 宽 了 视 野 提 高 了 动 手 能 力 提 高 了 分 析 问 题 解 决 问 题 的 能 力 但 因 课 时 有 限, 仪 器 有 限 还 未 能 如 愿 将 目 前 好 多 很 有 典 型 很 有 意 义 的 实 验 全 部 开 设 出 来 但 我 们 深 信 所 有 选 作 我 们 这 些 实 验 的 同 学 无 疑 都 看 到 了 新 型 光 电 器 件 的 应 用 前 景 参 考 文 献 : [1] 王 君 容, 薛 召 南 光 电 子 器 件 [M]. 北 京 : 国 防 工 业 出 版 社,1982 [2] 潘 天 明 半 导 体 光 电 器 件 及 其 应 用 [M] 北 京 : 冶 金 工 业 出 版 社,1985 [3] 刘 振 玉 光 电 技 术 [M] 北 京 : 北 京 理 工 大 学 出 版 社,1990 Exploration and reflection about setting the internalphoto effect CHEN Biao (School of Science, Hebei University of Engineering, Handan 056021, China) Abstract: This paper mainly introduces the principle of the internalphoto effect as well as the importance and urgency of the application of semiconductor parts. At the same time it illustrates the theory of the internalphoto effect in detail, the categories of semiconductor photoelectric effect and the prospect of the application. Key words:internalphoto effect; photoconduction:photovoltaic; photo-magnetoelectric effect 32
基 于 网 络 环 境 的 实 验 室 教 学 管 理 体 系 建 设 王 素 红 ( 信 息 工 程 大 学 理 学 院 基 础 实 验 中 心, 河 南 郑 州 450001) 摘 要 : 为 了 提 高 实 验 室 规 范 化 的 教 学 管 理 水 平, 我 校 建 设 了 基 于 网 络 环 境 的 实 验 室 教 学 管 理 体 系, 解 决 了 实 验 教 学 中 设 备 师 资 力 量 课 时 不 足 等 的 困 扰, 是 激 发 学 生 学 习 热 情 挖 掘 学 生 学 习 潜 能 培 养 学 生 自 主 学 习 能 力 培 养 创 新 型 人 才 的 重 要 保 证 关 键 词 : 创 新 型 人 才 ; 教 学 模 式 ; 自 主 学 习 ; 信 息 化 平 台 1 引 言 实 验 教 学 是 高 等 学 校 教 学 的 重 要 组 成 部 分, 是 学 生 学 习 实 验 知 识 提 高 实 验 技 能 培 养 创 新 思 维 不 可 缺 少 的 教 学 环 节 为 了 更 好 地 搞 好 实 验 教 学, 加 强 教 学 管 理, 优 化 教 学 环 境, 提 升 教 学 服 务, 完 善 教 学 监 督 和 质 量 评 估, 推 动 实 验 教 学 跨 越 式 发 展, 充 分 发 挥 实 验 教 学 在 创 新 实 践 人 才 培 养 的 优 势 作 用, 切 实 提 高 实 验 教 学 效 果 和 人 才 培 养 质 量 2 建 设 目 标 实 验 教 学 是 高 等 教 育 的 重 要 领 域, 是 培 养 学 生 实 践 能 力 探 究 精 神 创 新 能 力 的 主 要 平 台 实 际 教 学 中, 由 于 实 验 实 和 师 资 力 量 等 限 制, 很 难 提 供 给 学 生 大 面 积 实 验 预 习 的 环 境, 使 学 生 无 法 对 实 验 环 境 建 立 直 观 认 识 ; 由 于 教 学 时 间 和 手 段 限 制, 教 师 也 无 法 有 效 的 对 学 生 的 预 习 情 况 进 行 有 效 检 查 这 样 导 致 实 验 教 学 中 长 期 存 在 走 过 场, 严 重 影 响 了 教 学 质 量 的 提 高 项 目 建 设 以 实 验 教 学 改 革 为 核 心, 通 过 实 验 教 学 过 程 化 管 理 系 统 的 支 撑, 改 革 传 统 的 实 验 课 程 教 学 模 式, 对 学 生 预 习 选 课 考 勤 实 验 过 程 实 验 报 告 自 动 评 阅 师 生 交 互 答 疑 等 环 节 实 施 高 效 科 学 的 管 理, 创 建 适 应 学 生 自 主 学 习 的 教 学 环 境, 切 实 提 高 实 验 教 学 效 果 教 学 管 理 与 服 务 水 平 ; 以 能 力 培 养 为 主 线, 将 实 验 项 目 面 向 学 生 全 面 开 放, 满 足 各 层 次 各 类 别 的 学 习 需 求, 实 行 教 师 指 导 下 的 学 生 自 主 实 验, 努 力 培 养 学 生 学 习 能 力 实 践 技 能 和 创 新 思 维 在 此 基 础 上, 以 开 放 式 实 验 室 的 建 设 为 试 点, 通 过 信 息 化 手 段 开 放 教 学 资 源, 深 化 实 验 教 学 的 管 理, 建 设 培 养 学 生 自 主 学 习 和 创 新 实 践 能 力 的 教 学 环 境, 实 现 面 向 大 面 积 学 生 开 设 开 放 式 实 验 教 学, 以 满 足 学 生 日 益 高 涨 的 自 主 学 习 和 个 性 化 发 展 的 需 求 3 统 功 能 介 绍 3.1 教 学 管 理 及 选 排 课 系 统 开 放 性 实 验 教 学 是 实 施 以 学 生 为 主 体 教 师 为 主 导 的 教 学 理 念 和 教 学 方 法 的 有 效 途 径 开 放 性 实 验 教 学 是 指 实 验 的 内 容 实 验 教 学 的 时 间 和 空 间 对 学 生 开 放 学 生 可 根 据 各 自 的 实 验 基 础 感 兴 趣 的 领 域, 自 主 安 排 时 间 到 开 放 实 验 室 完 成 实 验 开 放 性 实 验 教 学 从 教 学 内 容 教 学 时 间 和 空 间 上 给 了 学 生 充 分 的 自 主 性, 充 分 满 足 了 个 性 化 教 学 的 需 要 利 用 系 统, 可 以 在 现 有 师 资 力 量 的 前 提 下, 通 过 允 许 学 生 自 主 选 择 实 验 内 容 自 主 选 择 上 课 时 间, 提 高 实 验 教 学 的 开 放 性 同 时, 又 通 过 人 性 化 的 统 计 分 析 功 能, 实 验 课 程 管 理 员 能 够 容 易 掌 握 学 生 上 课 的 动 态 信 息, 防 止 教 学 过 程 中 学 生 乱 选 课 少 选 课 等 情 况 发 生, 保 证 教 学 秩 序 的 正 常 进 行 33
3.2 实 验 预 习 系 统 实 验 预 习 不 仅 要 求 学 生 掌 握 实 验 理 论, 而 且 要 求 学 生 初 步 掌 握 实 验 仪 器 操 作 和 实 验 方 法 实 验 预 习 的 结 果 可 作 为 真 实 实 验 前 的 资 格 审 查 依 据, 应 用 于 实 际 教 学 和 开 放 式 教 学 中 由 于 实 验 实 和 师 资 力 量 等 限 制, 很 难 提 供 给 学 生 大 面 积 实 验 预 习 的 环 境, 使 学 生 无 法 对 实 验 环 境 建 立 直 观 认 识 ; 由 于 教 学 时 间 和 手 段 限 制, 教 师 也 无 法 有 效 的 对 学 生 的 预 习 情 况 进 行 有 效 检 查 这 样 导 致 实 验 教 学 中 长 期 存 在 走 过 场, 严 重 影 响 了 教 学 质 量 的 提 高 物 理 实 验 预 习 自 动 评 判 系 统, 采 用 计 算 机 虚 拟 现 实 技 术, 在 大 学 物 理 仿 真 实 验 的 基 础 上, 进 一 步 加 强 虚 拟 实 验 的 模 型 设 计, 建 设 与 理 论 考 试 相 结 合 的 在 线 实 验 预 习 环 境, 用 仿 真 实 验 替 代 了 学 生 按 书 本 抄 写 实 验 步 骤 实 验 原 理 的 过 程 促 使 学 生 完 成 一 个 完 整 的 学 习 链 过 程, 保 证 大 面 积 实 验 教 学 质 量 的 提 升, 同 时 大 大 减 轻 了 教 师 批 改 预 习 报 告 的 工 作 量 3.3 实 验 报 告 自 动 评 阅 系 统 实 验 报 告 的 完 成 评 阅 是 实 验 教 学 中 的 一 个 重 要 环 节 实 验 报 告 体 现 出 学 生 的 数 据 处 理 分 析 综 合 思 考 和 创 新 能 力 教 师 通 过 评 阅 报 告, 了 解 学 生 对 实 验 的 理 解 发 现 总 结 教 学 中 的 问 题, 针 对 性 的 调 整 教 学 方 案 在 大 面 积 的 实 验 教 学 中, 存 在 教 师 人 数 有 限 报 告 评 阅 工 作 量 大 报 告 评 阅 质 量 不 高 的 问 题, 严 重 的 影 响 了 实 验 教 学 的 质 量 和 水 平 的 提 高 实 验 报 告 自 动 评 阅 系 统 采 用 数 据 处 理 自 动 评 判 分 析 总 结 人 工 评 判 相 结 合 的 方 式 完 成 评 阅 在 保 证 报 告 评 阅 质 量 的 基 础 上, 提 高 了 评 阅 效 率, 为 提 高 大 面 积 实 验 教 学 质 量 水 平 提 供 了 有 效 的 工 具 和 方 法 3.4 开 放 式 实 验 室 管 理 系 统 WEB 开 放 式 实 验 室 需 要 承 担 计 划 内 教 学 ( 上 课 时 间 段 ) 和 计 划 外 教 学 ( 开 放 时 间 段 ) 两 项 任 务 全 面 开 放 了 实 验 教 学 资 源, 提 供 开 放 式 教 学 服 务, 实 现 学 生 自 主 选 课 自 由 预 约 自 主 实 验, 充 分 发 挥 学 生 的 主 动 性, 激 发 学 习 热 情 3.5 开 放 式 管 理 系 统 派 位 考 勤 电 源 管 理 学 生 可 通 过 网 络 或 到 实 验 室 内 的 派 位 机 实 现 电 脑 预 约 派 位, 学 生 进 入 实 验 室 后 到 预 约 台 位 实 验 派 位 机 与 式 远 程 电 源 控 制 终 端 联 动, 派 位 机 在 刷 卡 通 过 设 备 控 制 器 对 相 应 设 备 供 电 ; 记 录 学 生 的 使 用 记 录, 自 动 的 提 交 到 管 理 服 务 器, 生 成 实 验 项 目 学 生 仪 器 设 备 使 用 记 录 等 原 始 的 统 计 资 料 与 依 据 通 过 建 设, 逐 步 构 筑 具 有 先 进 设 备 和 先 进 管 理 机 制 的 实 践 教 学 过 程 化 管 理 体 系, 实 现 教 学 全 过 程 动 态 管 理, 促 进 教 学 改 革 与 发 展, 彻 底 扭 转 当 前 实 验 教 学 处 于 相 对 薄 弱 地 位 的 局 面 34
一 种 新 型 综 合 设 计 性 实 验 系 统 的 研 制 和 应 用 韩 力, 卢 杰, 曲 延 吉, 刘 铁 成 ( 吉 林 大 学 物 理 实 验 中 心, 吉 林 长 春 130012) 摘 要 : 提 出 了 一 种 综 合 设 计 性 实 验 系 统 全 新 的 设 计 思 路 该 实 验 系 统 采 用 了 多 项 独 创 的 实 验 技 术 和 测 量 方 法, 将 力 电 光 多 个 实 验 内 容 融 合 成 一 个 完 整 的 实 验 项 目, 非 常 好 的 体 现 了 实 验 的 综 合 性 和 设 计 性 介 绍 了 实 验 系 统 装 置 和 在 实 验 教 学 中 的 应 用 情 况 由 于 该 实 验 系 统 采 用 了 组 合 式 的 设 计 理 念, 可 根 据 需 要 非 常 容 易 的 实 现 两 个 不 同 难 度 实 验 平 台 的 自 由 转 换 关 键 词 : 新 实 验 仪 器 设 计 ; 综 合 性 实 验 ; 设 计 性 实 验 ; 1 引 言 众 所 周 知, 拥 有 先 进 教 学 理 念 的 高 水 平 综 合 设 计 性 实 验, 是 衡 量 高 校 实 验 教 学 改 革 取 得 突 破 性 进 展 的 重 要 标 志, 是 培 养 高 质 量 创 新 型 人 才 的 重 要 手 段 和 途 径 之 一, 也 是 提 升 学 校 在 国 内 一 流 大 学 实 验 教 学 所 处 地 位, 体 现 实 验 教 学 核 心 竞 争 力 和 实 验 教 学 质 量 的 重 要 观 察 点 因 此, 研 制 具 有 全 新 实 验 设 计 理 念 和 独 创 性 的 高 水 平 综 合 设 计 性 实 验 系 统, 开 展 与 之 相 适 应 新 的 实 验 教 学 方 法 研 究 工 作 将 具 有 十 分 重 要 的 意 义 基 于 以 上 重 要 性, 近 些 年 来, 国 内 各 高 校 通 过 提 供 政 策 和 资 金 的 支 持, 纷 纷 加 大 了 这 方 面 研 究 力 度, 投 入 大 量 的 人 力 和 物 力, 开 展 和 推 进 新 的 综 合 设 计 性 实 验 方 面 研 究 工 作, 取 得 了 一 些 令 人 可 喜 的 进 展 [1,2,3], 开 设 出 一 些 新 的 综 合 设 计 性 实 验 [4,5] 但 在 研 制 具 有 特 色 和 创 新 性 的 实 验 仪 器, 开 展 相 应 的 实 验 教 学 方 法 改 革 方 面 有 进 一 步 提 高 的 空 间, 取 得 跨 越 式 的 进 展 还 需 付 出 更 大 的 努 力 目 前, 在 各 高 校 开 设 的 综 合 设 计 实 验 中, 其 实 验 综 合 性 一 般 体 现 在 测 量 手 段 和 技 术 上 的 简 单 叠 加, 综 合 设 计 性 实 验 课 程 大 多 是 由 一 些 实 验 内 容 相 互 独 立 的 若 干 实 验 堆 积 组 成, 彼 此 之 间 实 验 内 容 缺 乏 整 体 性 内 在 有 机 联 系, 特 别 是 在 力 电 光 实 验 内 容 相 互 融 合 与 整 体 综 合 运 用 方 面 还 很 不 足 从 某 中 意 义 上 说, 这 样 的 实 验 没 有 充 分 体 现 其 综 合 设 计 性, 在 培 养 学 生 综 合 设 计 实 验 能 力 方 面 作 用 不 大 近 年 来, 在 多 年 从 事 实 验 教 学 改 革 工 作 基 础 上, 我 们 物 理 实 验 中 心 在 研 发 新 的 综 合 设 计 性 实 验 仪 器 方 面, 开 展 了 大 量 探 索 和 尝 试 工 作, 取 得 一 些 成 果 和 经 验, 在 综 合 设 计 性 实 验 的 思 路 和 实 践 方 面 取 得 了 进 展, 提 出 了 一 套 特 色 鲜 明 理 念 先 进 的 综 合 设 计 性 实 验 研 发 新 思 路 和 实 验 教 学 新 模 式 在 2013 年 葫 芦 岛 东 北 三 省 物 理 实 验 教 学 研 讨 会 上, 本 文 合 作 者 刘 铁 成 教 授 作 了 题 为 综 合 设 计 性 实 验 的 探 索 和 实 践 的 专 题 发 言, 介 绍 了 我 们 研 制 综 合 设 计 性 实 验 系 统 的 新 思 路 和 实 验 教 学 实 践 的 情 况, 引 起 了 与 会 者 的 广 泛 关 注 最 近, 该 实 验 仪 器 系 统 的 研 制 工 作 取 得 重 大 进 展, 在 学 校 新 仪 器 研 制 重 点 项 目 的 资 金 支 持 下, 实 现 了 该 实 验 仪 器 系 统 的 产 品 化, 其 中 在 综 合 设 计 性 实 验 系 统 中 采 用 的 多 项 仪 器 装 置 的 设 计 和 新 测 量 技 术 的 发 明 专 利 申 请 已 被 受 理, 目 前 已 尝 试 性 应 用 在 本 科 生 的 综 合 设 计 性 实 验 教 学 实 践 中 2 实 验 系 统 的 设 计 思 想 和 装 置 介 绍 该 实 验 系 统 的 最 初 设 计 思 想 源 于 本 文 作 者 在 2011 年 承 担 全 国 中 学 生 物 理 奥 林 匹 克 竞 赛 作 者 简 介 : 韩 力 (1962 ), 男, 吉 林 长 春 人, 吉 林 大 学 物 理 实 验 中 心 副 教 授, 长 期 从 事 物 理 实 验 教 学 工 作 35
的 实 验 命 题 工 作 作 为 物 理 实 验 命 题 组 成 员, 为 提 交 一 个 令 人 满 意 的, 能 够 代 表 全 国 实 验 竞 赛 水 平 的 高 质 量 命 题, 历 经 近 一 年 时 间 对 实 验 方 案 的 反 复 推 敲 和 研 究 设 计, 通 过 对 以 往 命 题 的 特 色 和 优 缺 点 的 大 量 分 析 研 究, 决 定 在 实 验 的 综 合 设 计 性 和 考 试 形 式 上 做 大 胆 的 尝 试, 提 出 了 将 大 学 物 理 实 验 中 的 多 个 典 型 力 电 光 实 验 内 容 融 合 成 一 个 综 合 设 计 性 题 目 : 测 定 细 钢 丝 材 料 的 杨 氏 模 量 电 导 率 和 测 量 系 统 中 光 学 元 件 的 参 数 由 于 实 验 仪 器 系 统 中 多 处 设 计 采 用 了 全 新 实 验 技 术 和 测 量 方 法, 新 实 验 与 其 它 已 有 的 传 统 实 验 有 了 很 大 的 不 同 要 想 最 终 得 到 实 验 测 量 结 果, 需 要 确 定 一 系 列 系 统 参 数, 通 过 实 验 装 置 的 特 殊 设 计, 使 各 个 系 统 参 数 的 测 定 形 成 一 个 数 据 链 条, 将 众 多 实 验 内 容 连 成 一 个 整 体 网 状 结 构 整 个 实 验 内 容 的 完 成, 将 涉 及 到 力 学 的 杨 氏 模 量 实 验 和 电 学 的 低 电 阻 测 量, 光 学 实 验 部 分 涉 及 几 何 光 学 和 应 用 光 学 的 实 验 内 容 实 验 的 综 合 设 计 性 具 体 表 现 在 对 实 验 方 案 的 选 择 实 验 流 程 和 实 验 方 法 的 设 计, 以 及 分 析 实 验 内 容 彼 此 之 间 联 系 方 面 最 终 依 据 该 思 路 设 计 的 实 验 仪 器 系 统 的 实 验 命 题, 完 美 的 将 实 验 内 容 的 综 合 设 计 性 淋 漓 尽 致 的 表 现 出 来, 在 全 国 中 学 生 物 理 奥 林 匹 克 竞 赛 中 达 到 了 预 期 效 果, 实 验 考 试 题 目 得 到 许 多 高 校 实 验 竞 赛 带 队 教 师 和 考 生 的 高 度 评 价, 也 得 到 了 国 家 命 题 专 家 组 北 京 大 学 物 理 系, 长 期 从 事 物 理 实 验 教 学 工 作 的 资 深 教 授 吕 思 华 先 生 的 赞 许 和 认 可 本 文 介 绍 的 新 实 验 系 统 就 是 在 此 基 础 上, 重 新 进 行 了 九 处 重 大 的 创 新 和 改 进, 使 实 验 内 容 综 合 性 更 加 充 实 设 计 性 更 强, 实 验 内 容 的 覆 盖 范 围 和 实 验 设 计 难 度 有 了 大 幅 度 的 提 高 学 生 一 般 需 要 25 个 学 时 以 上 的 时 间, 才 能 最 终 完 成 这 个 大 型 综 合 设 计 性 实 验 所 有 实 验 内 容 利 用 这 个 综 合 设 计 性 实 验 平 台 可 独 立 开 设 一 门 小 型 综 合 设 计 性 实 验 课 程 CCY_LDG 型 综 合 设 计 性 实 验 系 统 装 置 如 图 一 所 示, 整 个 实 验 仪 器 由 力 电 和 光 三 部 分 实 验 测 量 子 系 统 组 成 : 图 1 综 合 设 计 性 实 验 系 统 装 置 图 力 学 测 量 部 分 为 全 新 设 计 的 改 进 型 数 字 式 杨 氏 模 量 仪, 用 于 完 成 细 钢 丝 材 料 的 力 学 参 数 测 量 由 于 在 实 验 测 量 中 使 用 了 全 新 的 技 术 路 线 和 测 量 方 法, 新 型 仪 器 与 传 统 的 测 量 仪 器 相 比 做 了 多 处 改 变, 用 特 殊 设 计 的 可 连 续 精 确 改 变 受 力 的 数 显 装 置, 替 代 了 传 统 的 用 增 减 砝 码 改 变 受 力 烦 琐 方 式 ; 考 虑 到 综 合 设 计 性 的 要 求, 将 其 连 接 到 光 学 导 轨 上 与 相 应 光 学 测 量 系 统 的 连 接, 保 证 与 光 学 实 验 内 容 的 融 合 ; 光 杠 杆 采 用 45 度 固 定 角 度, 测 量 方 向 采 用 垂 直 向 上 的 方 式, 大 大 减 小 了 实 验 占 用 空 间 ; 连 接 电 学 测 量 系 统 部 分 采 用 了 特 殊 设 计 的 绝 缘 接 线 装 置, 用 来 完 成 细 钢 丝 材 料 的 电 学 参 数 测 量 光 学 测 量 部 分 由 以 下 多 个 测 量 子 系 统 集 合 而 成 : 双 棱 镜 干 涉 激 光 波 长 测 量 装 置 细 丝 直 36
径 的 衍 射 测 量 实 验 装 置 用 于 提 供 测 量 目 标 的 光 栅 衍 射 装 置 激 光 准 直 与 几 何 光 学 实 验 测 量 装 置 自 组 装 式 望 远 测 距 装 置 及 若 干 附 件 光 学 测 量 系 统 只 有 与 力 学 测 量 系 统 相 结 合, 在 给 定 的 实 验 条 件 要 求 下, 才 能 完 成 细 钢 丝 材 料 的 杨 氏 模 量 的 测 量 电 学 测 量 系 统 是 由 电 源 检 流 计 若 干 标 准 电 阻 箱 标 准 钢 丝 样 品 精 密 可 调 电 阻 箱 等 集 合 而 成 使 用 者 可 自 行 连 线 组 成 双 臂 电 桥, 采 用 四 端 接 入 方 式 与 杨 氏 模 量 仪 连 接, 实 现 对 细 钢 丝 材 料 的 低 电 阻 和 长 度 的 测 量 3 在 实 验 教 学 中 的 应 用 从 2013 年 9 月 开 始, 该 实 验 系 统 作 为 一 个 全 新 的 综 合 设 计 性 实 验 平 台, 已 正 式 应 用 在 我 们 物 理 实 验 中 心 的 普 通 物 理 综 合 设 计 性 实 验 课 程 中, 此 实 验 课 程 是 为 物 理 专 业 高 年 级 学 生 开 设 的 一 门 高 级 物 理 实 验 为 了 更 好 的 高 效 发 挥 这 个 综 合 设 计 性 实 验 平 台 潜 力, 利 用 好 其 所 提 供 的 实 验 条 件, 我 们 还 尝 试 开 展 了 一 系 列 与 之 相 匹 配 的 实 验 教 学 改 革 工 作 : 1) 改 变 以 往 原 有 陈 旧 的 实 验 教 学 模 式, 即 教 师 事 先 排 好 实 验 规 定 实 验 内 容 和 实 验 方 法, 学 生 按 照 实 验 教 材 要 求 被 动 实 验 的 状 态, 建 立 一 个 以 学 生 为 主 教 师 为 辅 的 自 主 设 计 开 放 研 究 式 的 实 验 教 学 新 模 式 实 验 中 不 给 学 生 提 供 相 应 的 实 验 教 材, 学 生 通 过 阅 读 仪 器 使 用 说 明 书 和 实 验 任 务 书, 根 据 实 验 系 统 提 供 的 器 材 和 实 验 要 求, 自 己 查 找 相 关 的 实 验 资 料, 自 行 拟 定 实 验 内 容 和 实 验 计 划 流 程, 给 出 相 应 的 实 验 测 量 原 理, 设 计 切 实 可 行 的 实 验 方 案 和 实 验 步 骤, 着 重 培 养 学 生 的 独 立 自 主 学 习 能 力 2) 本 综 合 设 计 性 实 验 平 台 提 供 多 项 新 的 实 验 测 量 原 理 和 测 量 方 法, 着 重 培 养 学 生 的 实 验 综 合 设 计 能 力 由 于 实 验 系 统 结 构 设 计 采 用 了 以 力 电 光 系 统 参 数 测 量 为 主 线, 将 与 此 相 关 的 重 多 实 验 内 容 有 机 联 系 在 一 起, 形 成 具 有 一 个 复 杂 网 状 结 构 的 大 型 综 合 设 计 性 实 验, 实 验 的 复 杂 性 和 实 验 难 度 较 大, 学 生 一 般 需 要 累 计 不 少 于 26 个 学 时 才 能 最 终 完 成 实 验 为 适 应 学 生 对 实 验 时 间 和 实 验 内 容 的 碎 片 化 要 求, 实 验 室 将 对 学 生 全 面 开 放, 学 生 可 自 由 选 择 实 验 时 间 完 成 相 应 的 实 验 内 容, 利 用 综 合 设 计 性 实 验 平 台 最 终 独 立 完 成 所 有 的 实 验 内 容 3) 为 方 便 学 生 实 验 提 高 仪 器 的 使 用 效 率 和 实 验 教 学 管 理 需 要, 必 须 建 立 一 套 多 功 能 实 验 教 学 电 子 管 理 系 统, 利 用 该 实 验 教 学 网 络 和 视 频 管 理 系 统, 对 学 生 的 实 验 情 况 进 行 动 态 管 理 它 应 具 备 以 下 一 些 功 能 : 学 生 的 实 验 时 间 和 实 验 项 目 内 容 的 预 约 ; 实 验 室 进 入 和 离 开 时 间 的 记 录 ; 学 生 实 验 情 况 全 程 实 时 视 频 记 录 ; 学 生 在 完 成 本 次 实 验 离 开 前, 需 在 计 算 机 网 络 上 填 写 本 次 实 验 工 作 日 志, 以 便 用 于 自 己 和 教 师 随 时 备 查 ; 由 于 实 验 室 现 场 采 用 全 天 候 无 教 师 值 班 的 管 理 模 式, 该 系 统 还 应 具 备 类 似 QQ 功 能 的 网 络 在 线 呼 叫 和 答 疑 功 能, 以 便 学 生 与 教 师 随 时 沟 通 4) 学 生 实 验 前 需 查 找 收 集 相 关 资 料, 自 己 设 计 实 验 方 案, 制 定 实 验 进 度 和 工 作 计 划, 做 开 题 报 告, 实 验 方 案 经 过 论 证 合 格 后, 才 能 进 入 实 验 室 开 始 实 验 经 实 验 教 学 管 理 系 统 记 录 确 认, 学 生 在 实 验 室 的 实 验 时 间 必 须 达 到 总 课 时 要 求 的 百 分 之 七 十 五 以 上 学 生 平 时 实 验 情 况 将 由 实 验 课 程 管 理 系 统 的 视 频 监 控 和 实 验 进 程 登 记 管 理 系 统 记 录 备 案, 作 为 学 生 实 验 成 绩 评 定 的 重 要 依 据 实 验 完 成 后, 学 生 需 提 交 8~10 页 论 文 形 式 的 纸 制 打 印 和 电 子 文 档 实 验 报 告 各 一 份, 申 请 实 验 成 绩 优 秀 的 学 生 需 进 行 最 后 的 答 辩 过 程 5) 实 验 成 绩 采 用 评 定 实 验 方 案 设 计 平 时 实 验 情 况 与 最 终 论 文 和 答 辩 相 结 合 的 方 式 给 出 实 验 设 计 方 案 占 20%, 平 时 实 验 情 况 20%, 小 论 文 形 式 的 实 验 报 告 50%, 答 辩 情 况 10%, 满 分 100 分 4 结 论 通 过 该 实 验 装 置 在 实 验 教 学 中 近 一 年 来 的 实 际 应 用, 随 着 在 实 验 教 学 活 动 中 经 验 的 不 断 37
积 累, 我 们 对 该 实 验 系 统 的 性 能 和 特 点 初 步 给 出 以 下 几 方 面 结 论 : 1) 由 于 该 综 合 设 计 性 实 验 系 统 采 用 测 量 材 料 的 力 电 光 特 性 参 数 测 量 数 据 链 的 设 计 思 路, 将 彼 此 相 关 的 多 个 实 验 内 容 联 系 在 一 起, 组 成 了 一 个 大 型 的 物 理 综 合 设 计 性 实 验 项 目, 用 一 套 实 验 可 完 成 力 电 光 共 9 个 实 验 内 容, 因 此, 仪 器 使 用 效 率 和 性 价 比 较 高 2) 实 验 系 统 采 用 了 多 项 全 新 的 结 构 设 计 和 实 验 测 量 方 法, 将 所 有 实 验 内 容 很 好 的 结 合 在 一 起, 较 好 体 现 了 实 验 的 综 合 性 和 设 计 性 3) 教 师 可 在 实 验 前 给 定 一 部 分 实 验 系 统 参 数, 实 现 不 同 难 度 的 实 验 平 台 ( 基 本 型 和 高 级 型 ) 之 间 的 自 由 转 换 通 过 采 用 不 同 实 验 难 度 类 型 的 平 台 搭 配, 可 以 适 应 不 同 年 级 和 专 业 学 生 的 需 要, 使 本 实 验 系 统 在 实 验 教 学 中 具 有 非 常 大 的 灵 活 性 和 适 应 性 4) 该 实 验 仪 器 将 不 同 实 验 内 容 方 法 综 合 在 一 起 的 独 特 设 计, 使 实 验 不 同 阶 段 的 流 程 和 方 案 之 间 存 在 密 切 的 相 关 性, 对 学 生 选 择 合 理 的 实 验 流 程, 确 定 各 项 实 验 内 容 的 先 后 次 序 提 出 了 更 高 要 求, 突 出 了 实 验 的 综 合 设 计 性, 强 化 学 生 创 新 能 力 和 综 合 能 力 的 训 练 5) 实 现 了 由 指 定 单 一 的 实 验 内 容 和 教 学 方 法 向 自 主 设 计 研 究 型 多 学 科 交 叉 综 合 型 的 实 验 教 学 新 模 式 的 过 渡 有 利 于 提 高 学 生 提 出 问 题 分 析 问 题 解 决 问 题 和 理 论 联 系 实 际 的 能 力 的 训 练, 将 对 提 高 综 合 设 计 实 验 课 程 的 教 学 水 平 发 挥 重 要 作 用 参 考 文 献 : [1] 郑 鹤 松 大 学 物 理 设 计 性 实 验 的 教 改 实 践 与 思 考 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2O04,21(5): 101-107 [2] 刘 竹 琴, 刘 艳 峰 设 计 性 实 验 教 学 探 讨 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2005,22(6):97-99 [3] 周 殿 清 普 通 物 理 实 验 中 综 合 性 设 计 性 实 验 的 开 设 [J] 物 理 实 验,2005,25(1):31-33 [4] 张 锐 波 大 学 物 理 实 验 项 目 的 系 统 设 计 [J] 大 学 物 理 实 验,2003,16(2):84-86 [5] 沈 元 华 设 计 性 研 究 性 物 理 实 验 介 绍 [J] 物 理 实 验,2OO4,24(2):33-37 Development and Application of New Comprehensive Design Experimental System HAN Li, LU Jie, QU Yan-ji, LIU Tie-cheng (Experimental Physics Center, Jilin University, Changchun 130012, China) Abstract: It has proposed a new way to develop a comprehensive design experimental system. A number of original experimental techniques and measure methods have been used in he experimental system, integrating several experimental contents, including force, optical and electric, into a complete experimental project. The properties of comprehensiveness and design in the experiment have been shown very well. The device and the situation of applying also have been introduced in this paper. In addition, this experimental system adopted an associated concept, which means the free conversion between different experimental platforms can be easily realized as needed. Key words: New experimental instrument design; Comprehensive experiment; Design experiment 38
建 构 缄 默 知 识, 提 升 创 新 能 力 大 学 物 理 实 验 课 程 的 实 践 何 焰 蓝 a, 陈 旭 灿 b, 彭 刚 a, 于 晓 燕 a, 刘 一 星 a, 马 奇 奇 ( 国 防 科 学 技 术 大 学 a. 理 学 院 ; b. 训 练 部, 湖 南 长 沙 410073) a 摘 要 : 实 践 是 培 养 创 新 能 力 的 重 要 环 节, 缄 默 知 识 是 创 新 能 力 的 基 础 大 学 物 理 实 验 是 理 工 科 院 校 的 一 门 公 共 基 础 实 践 课 程, 在 实 践 教 学 中 用 建 构 主 义 理 论 构 建 学 生 的 缄 默 知 识, 可 以 有 效 地 提 升 学 生 的 创 新 能 力 关 键 字 : 创 新 能 力 ; 缄 默 知 识 ; 建 构 主 义 ; 物 理 实 验 实 践 是 引 发 创 新 的 动 力 源 泉, 人 的 创 新 活 动 必 须 根 植 于 实 践 培 养 创 新 人 才, 必 须 充 分 发 挥 实 践 育 人 对 创 新 能 力 培 养 的 重 要 支 撑 作 用 [1] 实 验 课 程 不 仅 是 培 养 创 新 能 力 的 重 要 基 础 课 程, 其 实 践 过 程 也 是 培 养 学 生 掌 握 科 学 思 想 基 本 技 能 和 方 法 的 过 程, 是 加 深 知 识 理 解 学 会 知 识 应 用 的 过 程 [1], 是 通 向 创 新 的 桥 梁 大 学 物 理 实 验 课 程 的 学 习 是 学 生 在 大 学 接 受 系 统 实 验 方 法 和 实 验 技 能 训 练 的 开 端, 是 其 他 学 科 科 学 实 验 的 重 要 基 础, 必 然 担 负 培 养 与 科 学 发 展 社 会 进 步 相 适 应 的 人 才 的 重 要 责 任 但 长 期 以 来, 大 学 物 理 实 验 课 程 由 于 是 公 共 基 础 课, 学 生 人 数 众 多, 教 学 流 程 有 批 量 生 产 的 痕 迹, 通 常 采 用 如 下 的 教 学 模 式 : 检 查 学 生 的 预 习 报 告 教 师 授 课 ( 介 绍 实 验 目 的 原 理 步 骤 仪 器 设 备 注 意 事 项, 并 且 演 示 操 作 过 程 ) 学 生 实 验 教 师 巡 视 辅 导 教 师 检 查 数 据 清 理 仪 器 完 成 实 验 报 告 这 种 模 式 以 传 统 教 学 论 为 基 础, 强 调 对 知 识 的 传 授, 表 现 出 知 识 传 承 效 率 高 的 优 点 但 是 这 种 模 式 下 的 教 学, 教 师 往 往 处 于 教 学 中 心 的 地 位, 是 实 验 知 识 的 传 播 者 和 灌 输 者, 而 学 生 的 任 务 就 是 要 消 化 理 解 教 师 讲 授 的 内 容, 学 生 被 看 作 外 部 刺 激 反 映 的 被 动 接 受 者, 成 为 前 人 知 识 与 经 验 的 灌 输 对 象 这 种 言 传 身 教 填 鸭 式 的 教 学 方 法 忽 略 了 学 生 的 主 体 地 位, 忽 视 了 学 生 认 识 过 程 的 主 观 能 动 性 和 创 造 性 这 种 教 学 模 式 长 期 潜 移 默 化 的 影 响, 势 必 影 响 学 生 创 新 能 力 的 培 养, 不 利 于 学 生 探 索 能 力 创 造 力 和 学 习 内 在 动 机 的 提 高 1 缄 默 知 识 是 创 新 能 力 提 升 的 土 壤 有 学 者 断 言 : 在 通 往 成 功 的 道 路 中 [2], 缄 默 知 识 的 作 用 远 远 大 于 显 性 知 识 缄 默 知 识 理 论 是 由 英 国 著 名 的 物 理 化 学 家 和 思 想 家 波 兰 尼 提 出 的 在 其 1958 年 出 版 的 人 的 研 究 一 书 中, 首 次 明 确 提 出 缄 默 知 识 的 概 念, 并 在 其 随 后 的 著 作 中 系 统 阐 述 了 缄 默 知 识 的 逻 辑 性 质, 尤 其 是 深 刻 地 阐 述 了 这 种 知 识 对 于 科 学 和 其 他 社 会 实 践 的 重 要 价 值, 并 将 缄 默 知 识 理 论 的 研 究 逐 渐 扩 展 到 社 会 科 学 的 若 干 学 科 领 域 [3] 1.1 缄 默 知 识 的 蕴 涵 缄 默 知 识 是 相 对 于 显 性 知 识 而 言 的 波 兰 尼 指 出 : 人 类 有 两 种 知 识 通 常 所 说 的 知 识 是 用 书 面 文 字 或 地 图 数 学 公 式 来 表 述 的, 这 只 是 知 识 的 一 种 形 式 还 有 一 种 知 识 是 不 能 系 项 目 资 助 : 国 防 科 学 技 术 大 学 教 育 教 学 研 究 课 题 (U2012003); 中 国 高 教 学 会,2013: 十 一 五 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 建 设 与 发 展 分 析 ; 中 国 高 教 学 会,2013: 对 精 品 资 源 共 享 实 验 课 程 之 共 享 特 征 的 研 究 及 建 议 作 者 简 介 : 何 焰 蓝 (1962-), 女, 四 川 南 充 人, 国 防 科 学 技 术 大 学 理 学 院 教 授 39
统 表 述 的, 例 如 我 们 有 关 自 己 行 为 的 某 种 知 识 前 一 种 知 识 称 为 显 性 知 识, 后 一 种 知 识 则 称 为 缄 默 知 识 缄 默 知 识 本 质 是 一 种 理 解 力, 是 一 种 领 会 心 灵 的 意 会 在 人 类 认 识 的 各 个 层 次 上 都 起 着 主 导 性 的 决 定 作 用, 缄 默 知 识 是 人 类 获 得 知 识 的 终 极 能 力 显 性 知 识 必 须 以 缄 默 知 识 为 基 础, 被 意 会 地 理 解 和 运 用 因 此, 所 有 的 知 识 不 是 缄 默 知 识 就 是 植 根 于 缄 默 知 识 [4] 1.2 缄 默 知 识 与 创 新 能 力 的 关 系 缄 默 知 识 往 往 比 显 性 知 识 更 宝 贵 更 能 创 造 价 值 [5] 在 缄 默 知 识 认 知 维 度 上, 灵 感 等 缄 默 知 识 具 有 创 造 性 思 维 的 特 征 和 性 质, 创 造 性 思 维 不 仅 是 创 新 的 必 要 条 件, 而 且 具 有 创 新 的 功 能 在 缄 默 知 识 传 递 与 人 才 创 新 能 力 的 培 养 之 间, 思 维 是 知 识 向 能 力 转 换 的 关 键 环 节 [6] 人 的 一 部 分 缄 默 知 识 内 涵 着 创 新 能 力, 成 为 创 新 能 力 培 养 的 土 壤 ; 另 一 部 分 缄 默 知 识 就 是 对 创 新 能 力 的 表 述 技 能 层 面 的 缄 默 知 识, 其 每 一 步 提 升 就 意 味 着 创 新 能 力 的 提 升 2 教 学 中 用 建 构 主 义 理 论 构 建 缄 默 知 识 波 兰 尼 在 研 究 缄 默 知 识 的 时 候 曾 注 意 到 它 与 教 学 的 关 系, 非 常 重 视 缄 默 知 识 在 教 学 过 程 中 的 作 用 显 性 知 识 主 要 通 过 教 学 活 动 传 递, 并 且 显 性 知 识 的 传 递 只 有 通 过 缄 默 知 识 的 应 用 才 能 获 得 成 功 波 兰 尼 指 出, 教 学 活 动 只 有 以 这 种 缄 默 的 潜 在 知 识 为 基 础, 才 能 使 师 生 双 方 意 识 到 自 己 的 理 智 的 力 量 教 育 的 功 能 在 于 形 成 缄 默 知 识, 知 识 和 能 力 的 培 养 最 终 是 否 有 效, 取 决 于 对 学 生 缄 默 知 识 的 影 响 这 标 志 着 教 育 是 知 识 与 个 体 经 验 的 结 合, 从 而 转 化 为 能 力 的 过 程 让 学 生 不 自 觉 地 在 文 化 知 识 情 感 道 德 以 及 知 识 的 创 新 等 方 面 受 到 教 师 或 教 学 内 容 的 感 染 和 积 极 影 响, 增 加 其 缄 默 知 识, 推 动 学 生 个 人 全 面 素 质 的 发 展 构 建 学 生 缄 默 知 识 的 最 佳 教 学 理 论 我 们 认 为 就 是 建 构 主 义 理 论 建 构 主 义 是 行 为 主 义 发 展 到 认 知 主 义 以 后 的 进 一 步 发 展, 是 西 方 教 育 心 理 学 的 最 新 教 学 理 论 建 构 主 义 是 一 种 学 习 的 哲 学, 其 理 论 包 含 了 一 系 列 对 于 知 识 学 生 学 习 活 动 与 学 习 环 境 教 学 及 评 价 等 方 面 的 基 本 观 点 [7] 建 构 主 义 从 独 特 的 视 角 出 发, 在 学 习 和 学 习 者 方 面 提 出 了 与 传 统 观 点 有 本 质 区 别 的 认 识 2.1 建 构 主 义 学 习 观 建 构 主 义 强 调 学 习 者 的 经 验 学 习 者 原 有 缄 默 知 识 是 学 习 意 义 获 得 的 基 础, 原 有 的 缄 默 知 识 因 为 新 的 显 性 和 缄 默 知 识 的 进 入 而 发 生 调 整 和 改 变 建 构 主 义 注 重 以 学 习 者 为 中 心 学 习 不 是 被 动 地 接 受 信 息 刺 激, 而 是 主 动 地 建 构 意 义, 这 种 建 构 不 可 能 由 他 人 代 替 学 习 不 是 由 教 师 把 显 性 知 识 简 单 直 接 地 传 递 给 学 生, 而 是 由 学 生 自 己 理 解 建 构 和 转 化 缄 默 知 识 的 过 程 建 构 主 义 注 重 创 造 真 实 的 冲 突 的 学 习 情 景 建 构 主 义 学 习 理 论 认 为 情 境 协 作 会 话 和 意 义 建 构 是 学 习 环 境 中 的 四 大 要 素 显 性 知 识 根 植 于 缄 默 知 识 之 中, 知 识 的 意 义 总 是 存 在 于 情 境 之 中, 在 同 化 顺 应 中 循 环 往 复, 平 衡 不 平 衡 中 相 互 交 替 人 的 认 知 能 力 的 发 展, 就 是 这 样 的 一 个 过 程 建 构 主 义 注 重 互 动 的 学 习 方 式 知 识, 特 别 是 缄 默 知 识 是 学 习 者 与 他 人 经 由 磋 商 并 达 成 一 致 的 社 会 建 构, 因 此, 科 学 的 学 习 必 须 通 过 对 话 沟 通 的 方 式 刺 激 学 习 者 反 省 思 考, 在 交 互 质 疑 辩 证 的 过 程 中, 以 不 同 的 方 法 解 决 问 题, 澄 清 疑 虑, 逐 渐 完 成 知 识 的 意 义 建 构 2.2 建 构 主 义 教 学 观 教 学 不 能 无 视 学 生 的 经 验, 而 应 该 把 学 生 现 有 的 知 识 经 验 作 为 新 知 识 的 生 长 点, 引 导 学 生 从 原 有 的 知 识 经 验 中 建 构 出 新 的 知 识 经 验 建 构 主 义 认 为, 教 学 就 是 要 努 力 创 造 一 个 适 宜 的 学 习 环 境, 使 学 习 者 能 积 极 主 动 地 建 构 他 们 自 己 的 知 识, 在 学 的 过 程 中 实 现 显 性 知 识 和 40
缄 默 知 识 的 有 机 结 合 和 相 互 转 化 3 建 构 主 义 在 大 学 物 理 实 验 教 学 中 的 运 用 大 学 物 理 实 验 这 一 基 础 性 实 践 课 程 的 重 要 意 义 不 言 而 喻, 为 了 解 决 传 统 教 学 中 存 在 的 弊 端, 我 们 将 建 构 主 义 理 论 引 入 教 学 3.1 转 移 教 学 中 心 以 学 生 为 主, 采 取 研 讨 方 式, 还 实 验 授 课 环 节 与 学 生 具 体 流 程 如 下 : 预 备 阶 段 ( 学 生 分 组 课 前 预 习 ) 学 生 研 讨 ( 以 案 例 实 验 为 主 线 ) 教 师 点 评 并 进 一 步 讲 解 一 些 要 点 学 生 实 验 教 师 巡 视 并 与 学 生 实 时 交 流 教 师 检 查 数 据 清 理 仪 器 完 成 实 验 报 告 在 还 授 课 环 节 于 学 生 的 过 程 中, 调 动 学 生 积 极 性 促 使 其 自 觉 有 效 地 进 行 预 习 学 生 自 主 预 习 的 过 程 实 质 上 也 是 一 种 知 识 的 融 合 过 程, 即 显 性 知 识 转 化 为 显 性 知 识 的 过 程 学 生 的 知 识 体 系 中 存 在 着 缄 默 知 识 和 显 性 知 识, 在 预 习 和 查 阅 资 料 的 过 程 中, 融 合 基 本 上 是 信 息 的 加 工 处 理 [8], 是 一 种 将 显 性 知 识 转 化 为 更 为 复 杂 的 系 统 的 显 性 知 识 的 过 程 ; 是 将 概 念 系 统 化 到 一 个 知 识 体 系 的 过 程 ; 是 将 不 同 显 性 知 识 收 集 起 来, 进 行 筛 选 补 充 分 析 组 合 等 工 序 产 生 新 知 识 的 过 程 ; 是 一 种 知 识 扩 散 的 过 程, 即 知 识 在 不 同 层 次 不 同 领 域 渗 透 整 合 ; 是 各 种 显 性 知 识 有 机 结 合 的 过 程 在 还 授 课 环 节 于 学 生 的 过 程 中, 以 学 生 为 主 的 研 讨 模 式 使 得 学 生 能 将 头 脑 中 零 碎 的 知 识 进 行 融 合 并 用 逻 辑 化 的 语 言 表 述 出 来, 以 促 使 其 个 人 知 识 上 升 为 显 性 知 识, 并 为 更 多 人 共 享, 从 而 创 造 更 大 的 价 值 此 外, 个 体 学 生 之 间 所 具 备 的 显 性 和 缄 默 知 识 体 系 较 教 师 而 言 彼 此 更 加 接 近, 因 此 学 生 通 过 预 习 在 构 建 自 身 的 知 识 体 系 基 础 上, 用 逻 辑 化 的 语 言 表 述 出 来 的 东 西, 更 加 贴 近 学 生 所 具 有 的 最 新 发 展 区, 其 频 率 也 更 加 接 近 学 生 知 识 结 构 的 共 振 频 率, 易 于 促 使 学 生 内 部 缄 默 知 识 处 于 激 活 状 态 3.2 建 立 学 习 共 同 体 隐 性 知 识 的 载 体 是 科 学 共 同 体 师 生 生 生 间 缄 默 知 识 的 流 动 转 移 和 分 享 是 显 性 化 的 重 要 条 件 教 学 中, 一 个 实 践 班 ( 不 超 过 30 人 ) 按 学 生 意 愿 划 分 为 若 干 个 小 组, 每 一 个 小 组 是 以 个 体 学 生 为 单 元 的 学 习 共 同 体 ; 几 个 小 组 ( 一 个 实 践 班 ) 又 分 别 以 小 组 形 式 或 个 体 形 式 与 教 师 之 间 再 形 成 一 个 新 的 共 同 体, 且 整 体 循 环 于 实 验 教 学 体 系 中 ( 由 若 干 个 案 例 性 实 验 有 机 而 成 的 教 学 体 系 ) 这 种 共 同 体 的 层 次 递 进 关 系 可 以 在 不 同 时 空 中 更 有 效 地 发 挥 作 用 以 小 组 为 单 位 的 预 习 功 能 前 面 已 经 做 过 相 应 的 阐 述, 从 缄 默 知 识 和 显 性 知 识 的 建 构 与 转 化 过 程 来 看, 学 生 可 以 分 享 其 他 成 员 对 实 验 思 想 原 理 等 的 理 解 与 认 识, 这 个 认 识 的 过 程 必 然 比 单 个 个 体 所 建 构 的 知 识 体 系 有 效 课 堂 上 学 生 以 案 例 性 实 验 内 容 为 主 线 进 行 的 研 讨 活 动, 一 方 面, 可 以 使 学 生 相 互 交 流 并 发 生 思 维 火 花 的 碰 撞, 相 互 启 发, 相 互 补 充, 每 个 学 生 都 能 从 不 同 的 思 维 方 式 和 思 想 中 得 到 启 迪, 从 而 产 生 新 的 思 想, 而 在 实 验 过 程 中, 可 以 直 接 学 到 其 他 学 生 的 技 能 特 长 ; 另 一 方 面, 学 生 在 表 述 自 己 观 点 和 回 答 学 生 质 疑 的 过 程 中, 需 要 清 晰 明 白 的 交 流 思 想 和 看 法, 需 要 分 析 其 他 学 生 的 看 法 与 自 己 看 法 的 相 似 或 不 同, 寻 找 理 由 以 批 驳 那 些 他 认 为 不 对 的 观 点, 对 不 明 确 的 地 方 提 出 质 疑 并 共 同 讨 论, 这 就 要 求 他 们 必 须 直 面 自 己 浅 层 次 的 认 识, 要 求 他 们 更 好 地 掌 握 已 学 习 的 内 容 并 去 做 充 实 意 义 的 添 加 建 构 或 生 发, 从 而 对 问 题 加 以 深 入 思 考 缄 默 知 识 的 传 递 中 很 重 要 的 一 个 途 径 就 是 师 徒 制, 但 在 基 础 物 理 实 验 的 教 学 中, 我 们 更 关 注 的 是 教 师 的 引 导 作 用 具 体 表 现 在 学 生 集 中 研 讨 环 节 中 的 适 时 引 导 研 讨 完 后 的 点 拨 以 及 学 生 实 践 过 程 中 的 巡 视 和 创 造 知 识 建 构 中 的 关 键 节 点 41
缄 默 知 识 显 性 化 后, 常 常 归 为 知 识 思 想 方 法 和 情 感 态 度 价 值 观 等 方 面, 这 些 内 容 对 学 生 而 言 是 新 的, 需 要 进 一 步 统 整 和 提 升 在 学 生 独 立 反 思 且 交 流 互 动 之 后, 再 由 教 师 汇 总 并 进 行 提 升 讲 解 缄 默 知 识 是 个 人 知 识, 课 堂 中 主 要 是 针 对 学 生 缄 默 知 识 显 性 化, 而 这 些 学 生 缄 默 知 识 对 教 师 来 说 则 往 往 是 显 性 知 识, 因 此 教 师 可 以 与 学 生 进 行 深 层 次 对 话, 为 学 生 的 显 性 化 活 动 提 供 引 领 和 提 升 服 务, 最 后 以 语 言 符 号 较 为 规 范 地 表 达 出 来 3.3 抓 住 交 替 转 折 点 学 生 在 实 践 中, 不 仅 可 以 使 原 有 的 缄 默 知 识 得 以 显 性 化, 同 时 可 以 形 成 更 多 的 缄 默 知 识, 从 而 促 进 其 对 物 理 实 验 知 识 的 学 习 缄 默 知 识 的 显 性 化 不 是 都 能 事 前 预 设 的, 因 而 随 机 的 缄 默 知 识 显 性 化 也 是 必 要 的 对 能 进 入 教 学 实 践 环 节 的 学 生 群 体 的 缄 默 知 识 显 性 化 往 往 是 预 设 的, 而 对 教 学 实 践 中 偶 然 发 生 的 学 生 个 体 的 缄 默 知 识 显 性 化 则 往 往 是 随 机 的 随 机 的 缄 默 知 识 显 性 化, 是 在 实 践 进 行 中, 在 教 师 巡 视 并 捕 捉 到 有 价 值 的 缄 默 知 识 运 用 时, 师 生 立 即 抓 住 它 并 对 其 进 行 研 究 的 过 程 和 结 果, 因 而 随 机 缄 默 知 识 显 性 化 的 关 键 在 于 抓 得 住 课 堂 中 缄 默 知 识 的 运 用 节 点 缄 默 知 识 运 用 时, 表 现 的 是 不 经 逻 辑 过 程 而 直 接 迅 速 地 认 知 事 物 的 思 维 活 动, 也 就 是 直 觉 思 维 活 动 而 直 觉 运 用 与 逻 辑 思 维 方 式 是 相 互 补 充 的 : 逻 辑 思 维 是 以 一 次 前 进 一 步 为 特 征 的, 其 中 的 步 骤 是 明 显 的 能 说 明 的, 而 直 觉 运 用 是 不 经 过 逻 辑 操 作 而 跃 进 地 简 捷 地 获 得 答 案, 问 题 的 解 决 往 往 是 通 过 直 觉 获 得 答 案, 然 后 再 运 用 逻 辑 思 维 进 行 检 验, 两 者 交 替 着 进 行 直 到 问 题 解 决 因 此, 要 抓 住 的 就 是 交 替 的 转 折 点, 即 节 点 [9] 在 课 堂 教 学 过 程 中, 敏 感 地 判 断 有 价 值 的 节 点, 抓 住 它, 马 上 调 整 教 学 进 程, 以 刚 刚 发 生 的 缄 默 知 识 运 用 为 对 象 进 行 讨 论, 一 起 展 开 刚 才 运 用 缄 默 知 识 时 处 于 压 缩 或 者 模 糊 状 态 的 思 维 过 程 这 种 展 开 工 作 则 既 能 使 缄 默 知 识 部 分 显 性 化, 也 能 养 成 追 问 怎 么 想 到 的 缄 默 知 识 显 性 化 的 习 惯 3.4 评 价 与 发 展 建 构 主 义 还 有 一 个 重 要 的 教 学 观, 就 是 效 果 评 价 实 时 评 价 : 学 生 研 讨 中, 教 师 的 适 时 引 导 和 研 讨 后 的 综 合 点 评 可 以 属 于 这 一 类 评 价 ; 过 程 评 价 : 教 师 对 实 验 过 程 中, 学 生 解 决 问 题 的 能 力 所 发 现 的 新 的 有 价 值 的 或 者 错 误 的 操 作 方 式 等 的 点 评 ; 总 结 评 价 : 教 师 对 学 生 实 验 报 告 等 的 综 合 评 定 等 参 考 文 献 : [1] 杨 学 军 加 强 实 践 动 手 能 力 培 养 改 革 创 新 人 才 培 养 模 式 [J] 高 等 教 育 研 究 学 报,2013 (1): 4-7 [2] 上 官 子 木 隐 性 知 识 教 育 缺 失 的 代 价 [N] 中 国 教 育 报,2008(12) [3] 张 健, 等 缄 默 知 识 理 论 视 阈 下 的 实 践 育 人 观 [J] 辽 宁 教 育 行 政 学 院 学 报,2011(2): 38-41 [4] 迈 克 尔 波 兰 尼 个 人 知 识 : 迈 向 后 批 判 哲 学 [M] 贵 阳 : 贵 州 人 民 出 版 社,2000:87-95 [5] 赵 士 英, 洪 晓 楠 显 性 知 识 与 隐 性 知 识 的 辩 证 关 系 [U] 自 然 辩 证 法 研 究,2001,( 10): 20-23 [6] 王 坚, 等 基 于 知 识 与 能 力 链 接 的 思 维 [U] 苏 州 大 学 学 报 ( 工 科 版 ),2009,( 2):78-80 [7] 张 瑞 君 在 建 构 主 义 学 习 理 论 指 导 下 进 行 探 究 性 物 理 实 验 教 学 的 策 略 指 导 [J] 考 试 周 刊, 2011(7): 154-155 [8] 尹 琼 芳, 等 缄 默 知 识 与 显 性 知 识 的 转 化 及 其 在 教 学 中 的 作 用 [J] 湖 南 科 技 大 学 学 报 ( 社 会 科 学 版 ),2007(11):120-124 [9] 周 文 良, 等 根 植 缄 默 知 识 以 促 进 学 生 深 度 体 验 [J] 全 球 教 育 展 望,2012(10): 24-29 42
Construction of tacit knowledge and enhancement innovation ability ---Practice of "College Physics Experiment" He Yan-lan a, Chen Xu-can b, Peng Gang a, Yu Xiao-yan a, Liu Yi-xing a, Ma Qi-qi a (a. College of Science; b. Department of education and training, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China) Abstract: Practice is an important foundation to train innovation ability. Tacit knowledge is the premise of innovation ability and which built using the constructivist theory can improve effectively the innovation ability for students. The method was adopted to teaching practice of college physics experiment which is a public fundamental curriculum. Key words: Innovation Ability; Tacit Knowledge; Constructivist theory; Physics Experiments 43
依 托 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 平 台 提 高 创 新 能 力 的 培 养 戴 心 锐, 韩 忠 ( 重 庆 大 学 物 理 学 院, 重 庆 400030) 摘 要 : 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 教 学 团 队 以 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 为 平 台, 以 拓 宽 学 生 知 识 面 为 目 的, 开 展 多 种 形 式 的 教 学 改 革, 在 创 新 教 学 手 段 开 展 实 践 育 人 等 方 面 走 在 了 全 国 的 前 列 关 键 词 : 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 ; 物 理 实 验 ; 创 新 ; 实 践 育 人 重 庆 大 学 是 是 国 家 211 工 程 和 985 工 程 建 设 的 教 育 部 直 属 重 点 大 学, 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 依 托 这 两 项 重 要 工 程 的 建 设, 尤 其 是 被 确 定 为 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 建 设 单 位 后, 在 学 校 的 大 力 支 持 下, 实 验 设 施 不 但 上 了 台 阶, 而 且 实 验 形 式, 实 验 内 容 也 有 较 大 的 创 新, 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 教 学 团 队 在 教 学 改 革 科 研 转 化 教 学 等 方 面 做 了 大 量 的 工 作, 该 教 学 团 队 以 高 水 平 的 科 学 研 究 为 源 泉, 形 成 了 具 有 一 定 特 色 的 物 理 实 验 教 学 团 队 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 教 学 团 队 将 科 学 研 究 精 神 融 入 物 理 实 验 教 学, 针 对 问 题 或 现 象, 设 置 与 物 理 学 有 关 的 科 研 课 题, 并 将 其 科 研 成 果 转 换 成 可 用 于 教 学 的 实 验 仪 器, 所 研 制 的 科 研 成 果 中 多 项 获 得 国 家 发 明 专 利, 并 在 全 国 高 校 自 制 教 学 仪 器 展 评 中 获 奖 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 教 学 团 队 在 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 建 设 中, 针 对 当 代 大 学 生 具 有 创 新 意 识, 渴 望 在 学 习 中 产 生 新 思 想, 释 放 创 新 激 情 的 愿 望, 充 分 利 用 该 物 理 实 验 中 心 的 资 源, 建 立 物 理 创 新 实 践 基 地, 鼓 励 广 大 教 师 积 极 参 与 引 导 和 培 养 学 生 开 展 研 究 性 学 习 创 新 性 实 验 的 活 动, 在 这 方 面 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 教 学 团 队 是 走 在 了 全 国 的 前 列 教 师 将 科 研 思 想 结 合 科 研 成 果 通 过 物 理 实 验 课 传 授 给 学 生, 将 工 程 技 术 中 实 际 应 用 的 先 进 经 验 和 技 术 手 段 通 过 开 展 的 国 家 级 大 学 生 创 新 训 练 项 目 重 庆 大 学 大 学 生 科 研 训 练 计 划 (SRTP) 等 活 动 训 练 学 生, 同 时 将 一 些 具 有 物 理 思 想 的 科 研 成 果 开 发 为 有 特 色 的 物 理 实 验, 从 而 使 实 验 教 学 内 容 更 贴 近 实 际 应 用, 对 激 发 学 生 开 阔 思 路 探 究 创 新 起 到 了 很 好 的 作 用 一 分 耕 耘 一 分 收 获, 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 教 学 团 队 经 过 辛 勤 努 力, 换 来 了 丰 硕 的 成 果 请 看, 重 庆 大 学 弘 深 学 院 2010 级 本 科 生 王 雪 丽 史 庆 岩 刘 文 鹏 乔 荣 飞 顾 晓 龙 同 学 利 用 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 这 个 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 大 平 台, 在 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 教 学 团 队 的 指 导 下 完 成 了 第 五 届 重 庆 大 学 大 学 生 创 新 基 金 资 助 项 目 电 阻 温 度 系 数 的 检 测 节 能 装 置, 该 项 目 在 教 育 部 举 办 的 第 一 届 全 国 大 学 生 节 能 减 排 社 会 实 践 与 科 技 竞 赛 中 获 得 了 全 国 优 秀 奖, 受 到 了 广 大 师 生 们 的 好 评 作 者 简 介 : 戴 心 锐 (1954-), 男, 重 庆 人, 重 庆 大 学 物 理 学 院 高 级 实 验 师, 主 要 从 事 物 理 实 验 教 学 及 研 究 工 作 44
从 这 以 后, 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 教 学 团 队 更 加 注 重 培 养 学 生 的 创 新 能 力, 实 行 开 放 式 实 验 教 学 在 改 革 实 验 教 学, 培 养 综 合 性 能 力 的 大 学 生 过 程 中, 该 实 验 教 学 团 队 也 不 是 一 帆 风 顺, 也 会 遇 到 各 种 各 样 的 问 题, 特 别 是 带 学 生 完 成 课 外 科 技 创 新 项 目 时 遇 到 的 科 研 技 术 难 题, 这 时, 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 教 学 团 队 的 教 师 会 亲 自 带 学 生 走 访 专 家 或 学 者, 下 科 研 院 所 或 厂 矿 企 业, 寻 求 解 决 问 题 的 经 验 和 办 法, 这 样 既 解 决 了 问 题, 又 使 自 己 获 得 了 新 的 知 识, 学 生 也 从 中 领 悟 到 搞 创 新 不 要 怕 困 难 更 不 要 怕 失 败, 关 键 是 要 寻 求 解 决 问 题 的 途 径 的 人 生 哲 理 至 今, 学 生 们 在 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 教 学 团 队 的 指 导 下, 利 用 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 这 个 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 大 平 台 完 成 了 多 项 国 家 级 大 学 生 创 新 训 练 项 目 重 庆 大 学 大 学 生 科 研 训 练 计 划 (SRTP) 等 课 题, 其 中 多 项 课 题 在 全 国 或 重 庆 市 或 重 庆 大 学 的 科 技 创 新 竞 赛 中 获 奖 下 面 是 重 庆 大 学 2011 级 电 子 信 息 科 学 与 技 术 专 业 的 本 科 生 谢 岢 洋, 车 晓, 贺 碧 彬 同 学 以 现 实 生 活 中 遇 到 的 实 际 问 题 为 题 材 利 用 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 这 个 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 提 供 的 资 源, 在 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 教 学 团 队 的 指 导 下 完 成 的 重 庆 大 学 大 学 生 科 研 训 练 计 划 (SRTP) 资 助 项 目 的 实 例, 该 项 目 荣 获 得 重 庆 市 教 育 委 员 会 组 织 的 第 一 届 重 庆 市 大 学 生 物 理 创 新 竞 赛 二 等 奖 该 项 目 设 计 合 理, 有 创 意, 虽 然 整 个 设 计 方 案 有 待 于 完 善, 但 从 该 项 目 的 设 计 思 路 可 以 看 出 该 项 目 贴 近 生 活, 涉 及 面 广, 设 计 者 想 象 丰 富, 对 科 学 有 积 极 探 索 的 精 神 对 这 样 具 有 良 好 学 风 的 学 生 只 要 给 予 正 确 引 导, 可 以 肯 定 未 来 他 们 定 能 担 当 起 祖 国 建 设 的 大 梁 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 教 学 团 队 在 依 托 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 平 台 提 高 创 新 能 力 的 培 养 中 虽 然 付 出 了 很 多, 但 想 到 所 做 的 一 切 是 在 尽 一 个 教 师 的 责 任, 是 在 为 国 家 培 养 有 用 的 合 格 人 才, 为 中 华 民 族 的 崛 起 出 力, 因 而 他 们 所 有 的 付 出 是 值 得 的 重 庆 大 学 物 理 实 验 中 心 教 学 团 队 的 教 师 说 得 好 : 我 们 还 需 更 加 的 努 力, 为 实 现 重 庆 大 学 成 为 中 国 最 好 的 大 学 之 一 的 目 标, 为 国 家 和 社 会 培 养 能 够 适 应 和 驾 驭 未 来 的 人 才, 而 继 续 奋 斗 参 考 文 献 : [1] 魏 怀 鹏, 张 再 东, 安 莉, 等 建 设 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 的 探 索 与 实 践 [A] 2008 年 全 国 高 等 学 校 物 理 基 础 课 程 教 育 学 术 研 讨 会 论 文 集 [C] 2008:59-65 [2] 谢 秉 智 积 极 推 进 研 究 性 教 学, 提 高 大 学 生 的 创 新 能 力 [J] 中 国 大 学 教 学,2006(2):21-23 [3] 张 凤 琴, 林 晓 珑, 张 铁 强 依 托 优 秀 教 学 团 队 构 建 创 新 素 质 培 育 型 大 学 物 理 课 程 教 学 体 系 的 实 践 [J] 大 学 物 理,2014(4):41-43 [4] 彭 明 昭, 申 菊 生 高 校 创 新 人 才 培 养 标 准 浅 谈 [J] 科 技 创 业 月 刊,2007(1): 154-155 45
让 学 生 看 到 音 乐 的 数 理 之 美 通 过 乐 音 研 究 再 谈 大 学 文 科 物 理 实 验 的 设 计 理 念 与 贯 彻 执 行 李 俊 庆, 刘 建 龙, 方 光 宇, 林 珊, 赵 海 发 ( 哈 尔 滨 工 业 大 学 物 理 系, 黑 龙 江 哈 尔 滨 150001) 摘 要 : 本 文 针 对 新 开 设 的 大 学 文 科 物 理 实 验 之 一 的 乐 音 研 究 实 验 教 学 实 践, 着 重 强 调 了 实 验 的 设 计 理 念 目 的 和 思 路 我 们 目 的 在 于 通 过 这 样 一 个 有 趣 的 实 验, 使 文 科 学 生 区 分 噪 音 和 乐 音 差 异, 了 解 其 作 为 一 种 特 殊 力 学 振 动 的 时 域 特 征 频 域 特 征, 理 解 乐 音 听 起 来 好 听 的 悦 耳 和 谐 原 理, 并 通 过 展 示 各 个 音 符 间 的 关 系, 让 学 生 学 会 示 波 器 以 及 LabView 分 析 界 面 的 使 用, 通 过 分 析 归 纳 出 十 二 平 均 律, 最 后 利 用 三 分 损 益 方 法 构 建 管 萧, 体 验 乐 音 中 的 包 含 物 理 学 和 数 学 在 内 的 科 学 原 理, 感 受 中 国 古 人 音 乐 方 面 创 造 的 伟 大, 并 由 衷 地 赞 叹 其 对 世 界 文 明 的 巨 大 贡 献, 进 而 增 加 名 族 的 自 豪 感 和 增 强 自 信 心 关 键 词 : 文 科 物 理 实 验 ; 噪 音 和 乐 音 ; 和 谐 ; 频 率 关 系 ; 十 二 平 均 律 ; 三 分 损 益 1 引 言 近 年 来 许 多 高 校 十 分 重 视 文 管 类 大 学 生 综 合 素 质 的 培 养 和 科 学 实 践 能 力 的 提 高 工 作, 一 些 学 校 甚 至 仿 照 理 工 农 医 类 学 生 要 加 强 人 文 素 质 培 养 提 出 了 文 科 学 生 要 加 强 科 学 素 质 培 养 的 口 号 对 此 已 有 一 些 学 校 开 设 了 一 些 适 宜 文 科 学 生 含 有 动 手 实 践 环 节 的 课 程, 如 物 理 实 验, 电 子 电 工 小 制 作 实 验 等 物 理 实 验 作 为 一 个 实 践 性 很 强 又 紧 密 结 合 日 常 生 活 知 识 性 较 强 的 课 程, 常 被 作 为 文 科 学 生 增 加 科 学 素 质 的 首 选 必 修 课 当 然 一 般 给 文 管 类 的 学 生 实 验 授 课 要 求, 包 括 内 容 总 学 时 数 等 显 然 要 低 于 理 工 科 学 生 我 们 知 道 文 科 学 生 的 自 然 科 学 基 础 薄 弱, 本 来 就 对 理 工 教 学 内 容 兴 趣 不 高, 如 果 所 开 的 课 程 没 有 引 起 其 兴 趣, 又 离 生 活 和 其 从 事 的 专 业 相 关 度 小 的 话, 是 不 可 能 有 什 么 良 好 效 果 的 如 何 对 此 类 学 生 开 物 理 实 验 课 本 身 就 是 一 个 值 得 研 究 的 课 题 在 课 程 的 设 计 等 方 面, 必 须 照 顾 此 类 学 生 的 特 点, 从 内 容 到 形 式 都 要 精 心 琢 磨 事 实 证 明, 仅 简 单 地 采 用 适 用 于 长 学 时 理 工 科 学 生 的 所 谓 分 层 次 模 块 式 的 实 验 教 学 中 的 最 低 层 次 教 学 模 块 来 组 织 短 学 时 文 科 教 学 效 果 肯 定 是 差 的 客 观 来 讲, 许 多 学 校 的 文 科 实 验 教 学 也 恰 似 简 化 版 或 缩 略 版 的 理 工 科 化 教 学 如 果 教 学 过 程 中 仍 过 度 强 调 培 养 学 生 所 谓 的 理 工 科 的 实 验 基 础 ( 非 文 科 实 验 基 础 ), 过 度 要 求 测 量 数 据 处 理, 若 加 之 实 验 内 容 偏 于 原 理 验 证 及 工 程 应 用 的 话, 就 必 然 造 成 实 验 对 文 科 学 生 来 讲 显 得 十 分 枯 燥 乏 味 如 再 辅 之 以 单 一 的 演 示 性 的 教 学, 施 以 填 鸭 式 的 说 明 书 式 的 甚 至 是 手 把 手 式 的 教 学 方 式, 教 学 注 定 是 要 失 败 的, 不 会 达 到 良 好 教 学 效 果 的, 这 样 做 只 能 导 致 学 生 求 知 的 欲 望 湮 灭, 主 动 探 索 的 精 神 消 亡, 形 成 被 填 的 惯 性, 养 成 思 考 的 惰 性, 这 样 的 教 学 过 程 也 无 形 地 占 据 了 本 该 留 给 学 生 独 立 思 考 与 实 践 的 时 间 和 空 间, 又 何 谈 教 学 过 程 中 注 重 启 发 性 引 导 性 可 探 究 性 及 互 动 性 的 理 念 呢! 这 些 年 我 们 对 文 科 物 理 实 验 教 学 进 行 了 部 分 改 革, 从 教 学 内 容 的 再 设 计 到 教 学 方 法 探 索 等 诸 多 方 面 都 进 行 了 尝 试, 以 期 在 教 学 理 念 上 达 到 如 下 的 转 变 : 首 先 要 对 教 学 内 容 从 无 层 次 少 思 考 地 设 计 转 变 到 注 重 精 心 筹 划 有 层 次 趣 味 化 地 设 计 ; 其 次 从 仅 注 重 讲 解 测 量 数 资 助 项 目 : 黑 龙 江 省 高 等 教 育 教 学 改 革 项 目 (JG2012010151); 985 工 程 本 科 生 教 学 建 设 项 目 (HITJG2014008) 通 信 作 者 : 李 俊 庆 (1963-), 男, 哈 尔 滨 人, 哈 尔 滨 工 业 大 学 物 理 系 教 授 / 博 士 生 导 师, 博 士, 从 事 物 理 光 学 及 物 理 实 验 教 学 与 研 究 46
据 处 理 转 变 到 注 重 引 导 学 生 注 意 观 察 分 析, 佐 以 数 据 处 理 与 分 析 ; 从 无 总 结 和 引 申 探 讨 的 八 股 文 式 的 报 告 形 式 转 到 注 重 撰 写 小 科 技 报 告 撰 写 总 结 短 文, 引 申 讨 论 等 灵 活 形 式 ; 教 学 方 法 上 从 死 板 的 教 学 转 到 注 重 开 发 内 容 的 趣 味 性, 引 人 思 考 方 面, 教 学 形 式 转 向 注 重 灵 活 性, 增 强 教 学 启 发 性 开 放 性 互 动 性, 可 探 究 性 方 面 我 们 体 会 到, 学 生 的 兴 趣 是 一 个 实 验 教 学 成 败 的 关 键 显 然 有 两 个 层 次 的 问 题 要 解 决, 首 先 要 使 内 容 设 计 得 有 趣, 使 人 感 兴 趣, 引 人 入 胜, 使 人 思 考, 还 要 使 教 的 过 程 变 得 生 动 有 趣, 记 忆 深 刻 针 对 如 此 的 理 念, 我 们 从 文 科 教 学 软 硬 件 方 面 专 门 做 了 一 些 改 革, 开 发 拓 展 了 传 统 的 教 学 内 容, 开 设 了 一 些 新 的 教 学 内 容 以 适 应 文 科 学 生 的 实 验 教 学 其 中 乐 音 研 究 就 是 一 个 新 开 设 的 实 验, 几 轮 的 教 学 试 点 证 明 它 的 开 设 是 相 当 成 功 的 本 文 将 从 实 验 目 的 所 用 的 仪 器 与 装 置 设 计 实 验 内 容, 以 及 实 验 过 程 的 控 制 等 几 个 方 面 展 示 实 验 的 设 计 思 想 和 设 计 理 念, 并 通 过 一 些 学 生 的 反 馈 展 现 教 学 效 果 2 实 验 的 目 的 这 个 实 验 所 要 到 达 的 目 的 是 什 么? 概 括 起 来 主 要 有 五 点 : 1) 让 学 生 观 测 乐 音 间 的 差 异 以 及 与 噪 音 的 本 质 差 异 ; 2) 研 究 乐 音 间 ( 频 率 或 周 期 ) 的 关 系 ; 3) 探 究 乐 音 悦 耳 和 谐 的 原 理 ; 4) 感 受 古 人 之 伟 大 ( 体 验 三 分 损 益 制 管 乐 器, 体 验 十 二 平 均 率 ); 5) 让 学 生 学 会 示 波 器 的 使 用 ; 了 解 虚 拟 以 仪 器 的 应 用 我 们 知 道 声 音 是 一 种 机 械 振 动, 它 是 一 种 可 以 在 特 定 媒 介 中 传 播 的 机 械 波 而 乐 音 是 一 种 有 别 于 噪 音 的 特 殊 声 音, 它 经 常 是 悦 耳 的, 当 然 可 作 为 一 种 信 号 被 我 们 或 仪 器 所 感 知 它 可 发 自 一 个 腔 体, 这 个 腔 体 可 以 是 一 个 动 物 的 喉 咙, 如 人 嗓 子, 也 可 以 来 自 一 个 乐 器, 如 管 乐 或 弦 乐 器 等 我 们 要 让 学 生 看 到 不 同 声 音 的 差 别, 包 括 不 同 乐 器 发 出 乐 音 的 音 色 差 异, 了 解 乐 音 悦 耳 的 原 理, 理 解 其 组 合 在 一 起 的 和 谐 原 理 我 们 靠 什 么 看 到 或 感 受 到 这 些 信 息 分 辨 这 些 信 息, 我 们 靠 的 是 声 音 探 测 器, 如 麦 克, 以 及 显 示 装 置, 如 示 波 器 等 因 此 这 个 实 验 的 核 心 目 的 之 一 就 是 让 学 生 了 解 示 波 器 的 功 能 并 有 机 会 接 触 虚 拟 仪 器 仅 仅 了 解 示 波 器 等 是 不 够 的, 我 们 的 目 的 之 二 是 借 助 示 波 器 通 过 观 察 和 测 量 了 解 乐 音 和 噪 音 的 差 异, 了 解 乐 音 的 构 成 要 素, 如 响 度 音 色 音 调 高 低 时 长 与 观 测 声 音 信 号 的 强 度 波 形 周 期 和 频 率 与 持 续 时 间 等 量 的 对 应 性 另 一 个 目 的 是 研 究 不 同 乐 音 之 间 的 关 系 比 如 一 个 有 八 度 差 异 的 高 低 不 同 的 同 一 个 音 的 频 率 关 系, 如 Do 和 高 音 Do, 研 究 一 个 八 度 各 音 阶 的 频 率 关 系 实 验 还 有 一 个 目 的 是 在 时 域 分 析 之 外 引 入 频 域 ( 频 谱 ) 分 析 的 概 念, 探 究 乐 音 悦 耳 的 原 理, 以 及 多 个 特 定 乐 音 组 合 ( 如 和 弦 ) 让 人 感 到 和 谐 动 听 的 原 因 最 后 让 学 生 了 解 三 分 损 益 方 法 来 制 作 发 音 排 箫, 以 及 验 证 十 二 平 均 率, 进 而 让 学 生 了 解 音 乐 与 数 学 的 科 学 关 系, 体 会 中 国 古 人 对 世 界 音 乐 文 明 做 出 的 了 不 起 的 贡 献, 以 期 增 加 学 生 们 兴 致 及 民 族 自 豪 感 和 自 信 心, 这 是 相 当 重 要 的 3 实 验 仪 器 与 装 置 实 验 硬 件 将 由 发 声 部 分, 接 收 部 分, 显 示 和 分 析 部 分 三 大 部 分 组 成, 如 图 1 所 示 发 声 接 收 显 示 与 分 部 分 部 分 析 部 分 部 分 图 1 仪 器 与 装 置 格 局 设 计 47
发 声 部 分 可 以 是 真 实 乐 器 ( 如 管 乐 笛 箫 等, 弦 乐 如 小 提 琴 二 胡 ), 也 可 以 是 电 子 琴 ( 可 以 模 仿 若 干 种 类 的 音 色 ); 还 可 以 是 自 制 发 音 腔 管, 其 腔 长 可 调 控, 如 用 试 管 注 以 不 同 水 位 吹 响 可 发 出 音 响, 还 可 以 是 软 管 可 是 自 制 的 带 移 动 琴 码 的 单 弦 琴, 其 弦 可 调 控 松 紧 控 制 发 声 频 率 可 用 声 频 信 号 发 生 器 将 信 号 经 功 放 后 由 音 箱 放 出, 信 号 可 直 接 接 入 后 续 的 接 收 单 元 上 以 显 示 与 分 析 信 号 的 特 性 在 接 收 部 分, 发 出 的 声 音 可 由 麦 克 接 受 变 成 电 信 号, 可 考 虑 使 用 计 算 机 使 用 的 微 型 麦 克 接 入 带 声 卡 的 计 算 机 显 示 和 分 析 部 分 的 功 能 可 由 示 波 器 或 计 算 机 来 实 现 乐 音 信 号 可 在 时 域 和 频 域 被 展 示 出 来, 即 可 以 得 到 如 波 形 强 度 主 周 期 或 频 率 的 时 域 信 息, 也 可 以 得 到 频 谱 成 分 强 弱 分 布 的 频 域 信 息 用 计 算 机 编 制 的 特 殊 界 面, 如 LabView 界 面 ( 其 实 例 见 图 2), 可 实 现 乐 音 的 显 示 与 分 析 我 们 可 以 分 析 录 制 的 波 形 文 件, 也 可 以 直 接 分 析 采 样 接 收 即 时 的 声 音 信 号 图 2 LabView 界 面 : 声 腔 ( 试 管 ) 吹 出 的 声 音 频 谱 分 析, 主 音 和 泛 音 ( 主 音 的 倍 频 音 ) 的 显 示 总 之 实 验 需 要 乐 器 模 拟 电 子 琴 琴 弦 腔 管 声 频 信 号 发 生 器 耳 麦 有 源 音 箱 示 波 器 计 算 机 ( 配 有 声 卡 和 LabView 软 件 ) 等 硬 件 设 备 即 可 开 设 这 一 课 程 我 们 可 以 看 到, 过 去 枯 燥 的 示 波 器 的 应 用 实 验 被 巧 妙 地 融 到 本 实 验 之 中, 同 时 一 个 先 进 的 计 算 机 虚 拟 仪 器 技 术 ( 用 LabView 实 现 ) 也 被 学 生 接 触 到 了 事 实 上 学 生 在 实 验 中 不 会 再 感 到 枯 燥 乏 味 了 4 实 验 内 容 在 教 学 课 件 的 设 计 中, 我 们 不 同 以 往 先 给 出 原 理, 后 列 出 实 验 步 骤, 给 出 实 验 要 求 和 问 题 讨 论 等 讲 义 写 法, 为 了 让 学 生 感 兴 趣 去 思 考 去 主 动 找 知 识, 我 们 在 指 导 书 上 先 预 设 了 若 干 个 引 子, 之 后 才 提 出 了 一 些 问 题 供 学 生 思 考, 并 再 在 适 当 的 位 置 给 出 提 示 和 知 识 点 讲 解, 或 者 先 提 出 适 当 开 放 的 问 题 鼓 励 学 生 预 习 时 上 网 预 先 查 询, 或 上 课 时 利 用 实 验 室 Wifi 环 境 即 时 上 网, 以 期 让 学 生 养 成 了 一 个 主 动 找 知 识 搞 懂 原 理 的 好 习 惯, 而 不 是 被 动 地 被 灌 输 知 识 我 们 在 指 导 材 料 的 引 子 中 谈 到 了 音 乐 之 神 奇 : 提 起 音 乐, 大 家 都 会 感 受 到 它 的 无 穷 魅 力 有 人 说 音 乐 是 一 种 美 妙 的 宇 宙 语 言, 它 能 描 述 出 世 间 万 物, 传 达 出 万 种 情 感, 它 很 容 易 让 你 感 染 上 喜 怒 悲 伤, 紧 张 和 放 松, 让 你 体 会 到 雄 伟 与 悲 壮, 感 受 到 缠 绵 和 无 奈, 甜 美 和 苦 涩 ; 它 是 一 只 神 奇 的 魔 笔, 它 能 给 你 以 形 象, 描 绘 出 一 个 场 景, 展 示 出 一 幅 画 卷, 让 你 看 到 事 物 美 与 丑, 刚 与 柔, 它 能 展 示 出 气 势 的 恢 弘 与 凄 凉, 让 你 感 受 阳 光 的 明 媚 以 及 黑 暗 的 阴 森 和 恐 怖 它 让 人 徘 徊 在 梦 幻 与 现 实 之 间, 可 给 人 以 压 抑 或 者 引 起 亢 奋 亦 或 是 紧 张 感, 它 也 会 给 人 以 无 尽 的 向 上 力 量 音 乐 是 个 乐 音 的 集 合 体, 它 发 自 不 同 乐 器 和 我 们 喉 咙, 不 同 高 低 不 同 强 弱 不 同 时 长 的 乐 音 按 着 一 定 顺 序 如 诗 一 般 的 流 淌 有 时 它 可 以 是 涓 涓 溪 流, 有 时 它 可 以 是 奔 腾 怒 吼 的 大 江 那 音 乐 的 魅 力 到 底 来 自 何 处?... 这 样 就 48
叙 述 就 比 较 适 于 引 导 学 生 以 自 然 的 非 生 硬 有 文 彩 的 方 式 去 接 触 我 们 的 实 验 专 题 在 小 知 识 点 提 示 里, 我 们 谈 到 了 毕 达 哥 拉 斯, 谈 到 了 数 学 与 音 乐 的 和 谐, 谈 到 了 信 号 的 频 谱 理 论, 谈 到 傅 立 叶 (Fourier) 和 亥 姆 霍 兹 (Helmholtz) 在 物 理 学 和 生 物 医 学 方 面 对 音 乐 的 贡 献, 谈 到 了 古 人 在 音 乐 方 面 对 世 界 文 明 的 伟 大 贡 献, 谈 到 了 五 度 相 生 律 和 十 二 平 均 律, 谈 到 了 管 子 和 吕 氏 春 秋 中 记 载 过 的 用 三 分 损 益 法 来 生 乐 音 制 萧 事 情, 我 们 也 给 出 了 特 定 音 调 的 ( 如 C 大 调 ) 一 个 八 度 音 程 内 各 个 音 符 的 频 率 定 义, 进 而 为 后 续 学 生 测 量 乐 器 发 出 音 响 的 音 准 和 比 较 各 音 的 关 系 埋 下 伏 笔 如 谈 及 中 国 古 代 的 三 分 损 益 法 发 明 : 中 国 春 秋 战 国 时 期 的 管 子 吕 氏 春 秋 记 载 过 古 人 研 究 过 如 何 制 备 竹 管 乐 器 他 们 以 一 根 长 约 八 寸 的 发 音 竹 管 为 标 准, 记 为 黄 钟 音 ( 相 当 于 Do), 再 截 取 长 约 为 其 三 分 之 二 ( 长 约 五 寸 二 ) 的 另 一 竹 管, 可 以 吹 出 另 一 个 高 五 度 的 音, 记 为 林 钟 ( 相 当 于 So), 再 将 这 五 寸 二 的 竹 管 接 上 其 三 分 之 一 对 应 长 度 约 七 寸 的 竹 管 吹 响 可 以 得 到 比 林 钟 低 四 度 太 簇 音 ( 相 当 于 Re), 如 此 循 环 操 作, 做 三 分 之 一 比 例 的 损 和 益, 便 可 以 得 到 在 一 个 八 度 内 所 有 乐 音 (Do,Re,Mi,Fa ) 上 课 时 我 们 给 出 了 三 分 损 益 法 示 意 图 ( 原 理 见 图 3), 从 中 可 让 同 学 总 结 出 各 个 音 的 近 小 整 数 比 关 系, 因 为 学 生 知 道 管 长 决 定 乐 音 频 率 的 道 理 从 而 引 起 学 生 对 多 乐 音 组 合 ( 如 和 弦 ) 和 谐 动 听 的 理 解 或 猜 想 并 为 指 导 学 生 后 续 自 制 排 箫 奠 定 原 理 基 础 图 3 三 分 损 益 法 生 乐 音 原 理 图 5 教 学 过 程 控 制 我 们 的 教 学 过 程 控 制 如 下 : 先 教 会 学 生 或 复 习 示 波 器 的 使 用, 如 通 过 了 解 一 个 已 知 频 率 的 周 期 信 号 如 何 在 示 波 器 上 正 确 显 示 的 过 程, 让 学 生 学 会 如 何 使 信 号 稳 定, 并 能 得 到 如 信 号 幅 度 周 期, 进 而 得 到 频 率 等 信 息, 并 和 信 号 源 显 示 的 信 息 ( 或 已 选 好 的 频 率 值 ) 对 照, 以 期 增 加 学 生 的 自 信 心 让 学 生 观 察 一 个 由 乐 器 产 生 的 乐 音 信 号 在 示 波 器 上 的 形 态, 首 先 了 解 到 了 乐 音 的 ( 准 ) 周 情 性, 让 学 生 看 到 不 同 乐 器 音 色 在 波 形 上 体 现 出 的 差 别, 让 学 生 看 到 乐 音 的 长 短 和 时 间 上 的 稳 定 对 显 示 难 易 的 差 别 学 生 很 容 易 分 辨 出 管 乐 ( 如 长 笛 ) 与 弦 乐 ( 如 小 提 琴 ) 的 乐 音 信 号 波 形 的 持 续 稳 定 性, 以 及 键 盘 乐 器 ( 如 钢 琴 ) 的 声 音 的 脉 冲 特 性, 同 时 看 到 了 各 种 乐 器 波 形 ( 偏 离 正 弦 波 ) 的 非 对 称 性 或 不 规 则 性, 进 而 适 时 引 出 频 谱 成 分 的 概 念 研 究 较 单 纯 的 ( 单 一 频 率 低 的 正 弦 波 ) 声 波 ( 纯 音 ) 构 成 的 一 个 八 度 音 阶 Do,Re,Me, Fa,So,La,Ti,Do( 如 C 调 的 1,2,3,4,5,6,7,1) 的 频 率 关 系, 可 直 接 利 用 显 示 波 形 来 得 到 周 期 和 频 率 信 息, 总 结 出 其 间 的 小 整 数 比 关 系, 尤 其 是 高 低 不 同 的 同 一 音 的 频 率 关 系, 进 而 修 正 音 阶 频 率 等 间 隔 的 错 误 印 象 也 可 以 利 用 合 成 出 来 的 利 萨 如 图 形 (Lissajous figures) 将 所 研 究 乐 音 信 号 与 一 个 已 知 信 号 源 信 号 比 较 得 出 频 率 关 系 针 对 一 个 管 腔 发 音 的 结 构, 如 一 个 可 吹 响 的 试 管 或 竖 笛, 研 究 一 个 乐 音 的 组 成, 让 学 生 看 到 它 实 际 是 由 一 套 纯 音 ( 单 一 频 率 正 弦 波 ) 按 比 例 组 合 而 成 的, 一 般 被 称 之 为 主 音 (principal 49
tone) 与 泛 音 (overtone) 的 组 合, 又 被 称 为 与 倍 频 音 (multiplied tones) 或 谐 音 (harmonic tones) 的 组 合, 了 解 主 音 和 泛 音 之 间 的 频 率 关 系, 进 而 理 解 为 何 越 纯 净 的 音 越 好 听 的 道 理 原 因 也 引 申 出 傅 里 叶 频 谱 分 析 与 合 成 的 原 理, 以 及 了 解 亥 姆 霍 兹 是 怎 样 通 过 研 究 乐 音 的 成 分 与 相 互 作 用 开 创 性 地 研 究 乐 音 对 人 类 生 理 与 心 理 施 加 影 响 的 可 让 学 生 先 用 注 水 的 方 式 得 到 有 不 同 空 气 柱 高 度 的 试 管, 然 后 吹 出 八 度 音 阶, 分 别 比 较 其 ( 主 音 ) 间 的 频 率 关 系 我 们 适 时 引 出 自 行 设 计 的 适 宜 频 域 分 析 的 LabView 界 面, 对 发 出 的 声 音 观 察 频 域 上 的 频 谱 特 征 可 故 意 制 造 一 个 噪 音, 观 察 其 频 谱 形 态, 然 后 可 用 试 管 发 声 比 较 前 后 信 号 的 频 谱 变 化, 进 而 佐 证 为 何 纯 音 好 听 的 说 法 再 观 察 单 弦 拉 动 和 吹 试 管 所 发 声 音 的 频 谱 特 点, 进 而 总 结 出 倍 频 关 系, 从 而 联 想 到 固 定 长 度 的 腔 或 弦 共 振 时 可 支 持 多 种 可 能 频 率 波 的 驻 波 的 物 理 原 理 解 释 可 让 学 生 由 塑 料 吸 管 制 作 发 音 簧 片, 研 究 其 前 端 预 留 长 度 与 可 吹 出 音 的 高 低 关 系 可 研 究 笛 子 或 萧 的 孔 的 排 布 位 置, 以 及 放 开 和 按 住 哪 些 个 孔 组 合 对 发 出 声 音 高 与 低 的 影 响 可 研 究 和 弦 和 谐 原 理, 如 Do,Me,So 构 成 的 大 三 和 弦 的 和 谐 道 理, 让 学 生 发 现 其 单 独 各 个 音 倍 频 之 间 周 期 性 重 叠 的 关 系 由 Do,Me 和 Re,Ti 四 个 音 弹 奏 乐 段, 让 学 生 感 受 贝 多 芬 命 运 交 响 曲 引 起 的 从 快 乐 到 压 抑 的 情 绪 产 生 的 原 理 6 教 学 效 果 与 学 生 反 馈 事 实 证 明, 我 们 的 教 改 是 非 常 成 功 的, 学 生 热 情 高 涨, 争 抢 着 选 择 来 上 乐 音 研 究 实 验, 甚 至 不 顾 有 否 成 绩 也 要 旁 听 教 学 效 果 极 好, 学 生 感 到 受 益 颇 多 从 抽 取 的 部 分 学 生 反 馈 意 见 中 也 能 看 到 这 些 有 同 学 在 报 告 后 写 到 : 我 以 前 听 音 乐, 只 是 出 于 音 乐 那 种 动 人 的 感 觉, 并 未 意 识 到 到 其 背 后 与 频 率 的 关 系, 虽 然 小 的 时 候, 也 会 用 药 瓶 子 加 些 水 吹 出 一 些 简 单 的 音, 但 并 未 深 入 的 了 解 过 背 后 所 蕴 藏 的 科 学 原 理 和 谐 之 音 其 实 就 是 在 人 耳 可 听 到 的 范 围 内, 几 个 单 音 的 公 共 频 率 越 多, 那 声 音 就 更 加 和 谐 而 噪 音 则 是 由 太 多 频 率 不 同 的 音, 尤 其 是 相 位 无 规 律 的 音 合 起 来 ( 的 ) 音, 这 样 无 规 律 的 组 合 使 声 音 变 得 噪 音 阶 也 是 如 此, 音 调 的 高 度 与 频 率 跨 度 的 关 系, 仿 佛 是 种 巧 合 却 又 是 种 必 须 ( 然 ), 让 人 越 发 地 感 到 科 学 的 神 秘 力 量 的 ( 和 ) 魅 力 我 们 可 以 利 用 频 率 不 同, 制 造 出 更 美 妙 的 和 弦, 这 一 艺 术 与 科 学 的 结 合 是 如 此 神 奇, 而 又 如 此 美 妙. 另 一 位 同 学 写 到 : 今 天 我 看 见 了 乐 音! 我 一 直 很 喜 欢 音 乐, 初 中 的 时 候 也 了 解 了 乐 音 的 本 质 是 机 械 波, 可 ( 它 ) 是 书 本 上 的 知 识, 没 有 亲 手 实 践 过,( 这 次 ) 对 我 的 冲 击 很 大 第 一 次 使 用 示 波 器, 以 前 只 见 过 插 图, 对 新 的 仪 器 十 分 好 奇, 在 老 师 的 指 导 下 我 看 到 了 一 列 列 的 正 弦 波, 它 们 就 是 能 陶 冶 琴 操 的 音 乐 呀! 和 信 号 源 的 组 合 ( 我 ) 看 到 了 一 个 个 的 利 萨 如 图 形 在 显 示 屏 上 变 化, 十 分 有 趣 老 师 还 以 命 运 交 响 曲 为 例 讲 了 和 弦 半 ( 伴 ) 音 的 秘 密, 我 听 得 很 入 神 不 仅 老 师 讲, 我 还 亲 自 实 践 自 己 造 琴, 在 同 学 的 帮 助 下 我 完 成 了 对 琴 的 测 量, 很 有 成 就 感 发 现 实 验 原 来 也 可 以 这 样 做, 好 奇 什 么 就 做 什 么, 不 懂 什 么 就 自 己 探 索, 十 分 开 放 引 人 探 索, 只 是 一 节 课 时 间 太 短, 关 于 乐 音 也 只 是 了 解 了 初 步, 但 这 节 实 验 却 激 发 了 我 的 兴 趣, 音 乐 不 仅 是 音 乐, 还 是 物 理, 还 是 数 学, 音 乐 的 美 使 我 看 到 了 数 学 的 美 7 结 束 语 一 个 新 开 设 实 验 的 成 功 是 与 教 学 目 的 把 握 教 学 理 念 的 正 确 建 立, 具 体 实 验 内 容 的 精 心 再 设 计, 实 验 教 学 过 程 的 精 确 把 控, 教 学 各 种 技 巧 的 灵 活 使 用 等 各 环 节 密 不 可 分 其 中 学 生 50
兴 趣 的 提 升 与 保 持 是 一 个 教 学 成 败 的 至 关 重 要 的 因 素 之 一 在 兴 趣 中 教 会 学 生 去 探 索, 去 拓 展 自 己 的 知 识 这 非 常 重 要 这 对 设 计 者 和 任 课 教 师 提 出 了 很 高 的 要 求, 要 求 他 既 要 扎 实 的 专 业 功 底, 还 要 有 对 事 物 的 敏 锐 洞 察 力, 宽 泛 的 知 识 面, 兼 有 融 会 贯 通 的 能 力, 他 的 言 传 身 教 无 疑 对 学 生 素 质 的 培 养, 创 造 力 和 创 新 意 识 的 培 养 是 十 分 重 要 的 本 实 验 可 供 相 关 高 校 文 科 类 物 理 实 验 教 学 参 考 参 考 文 献 : [1] 方 兴 安, 胡 建 华 文 科 大 学 物 理 实 验 开 设 的 实 践 与 思 考 [J] 物 理 实 验,2004,24(7): 21-23 [2] 马 世 红, 童 培 雄, 赵 在 忠 文 科 物 理 实 验 [M] 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社,2007 [3] 耿 完 桢, 赵 海 发, 金 恩 培, 等 大 学 物 理 实 验 [M] 哈 尔 滨 : 哈 尔 滨 工 业 大 学 出 版 社, 2008 [4] 蔡 天 方, 余 守 宪 简 单 与 和 谐 - 谈 谈 乐 音 音 程 与 和 弦, 现 代 物 理 知 识 [J] 2001,13(6): 1-7 [5] Barry Parker. Good Vibrations - the Physics of Music [M]. Johns Hopkins University Press, 2009. [6] John Fauvel, Raymond Flood, Robin Wilson. Music and Mathematics - From Pythagoras to Fractals [M]. Oxford University Press, 2006. Let the Students Fell the Beauty of Musical Sounds in Physics and Mathematics on Design Philosophy and Implementation of Physics Experiment for Liberal Arts Students via Study on Musical Sounds LI Jun-qing, LIUI Jian-long, FANG Guang-yu, LI Shan, ZHAO Hai-fa (Harbin Institute of technology, Department of physics, Harbin 150001, China) Abstract: This article focuses on the practice of a newly-opened course study on the musical sounds in university physics experiments for the liberal arts students by emphasizing the design philosophy, goals and design method. Through such an interesting course, we aim at letting the students differentiate the noise and musical sounds, be familiar to the characteristics of musical sound as a special mechanical vibration in time and frequency domain, understand the principle of harmony and consonance of its sounding pleasing to the ear, master the usage of oscilloscope and the analysis interface of LabView to indicate and determin the frequency relation among the musical notes therefore to summarize and deduce the twelve tone equal temperament, and finally construct an panpipes by using the loss and gain method by one third to experience the scientific principle in physics and mathematics inside the musical sounds, to feel the greatness of ancient Chinese in music and highly praise the their contribution to world civilization, therefore to increase the sense of national pride and self-confidence. Key words: Arts physics experiments; Noise and musical sounds; Consonance; Frequency ration; Twelve tone equal temperament; The loss and gain method by one third 51
大 学 文 科 物 理 实 验 探 索 与 实 践 ---- 电 光 源 特 性 研 究 林 珊, 李 俊 庆, 赵 海 发 ( 哈 尔 滨 工 业 大 学 物 理 系, 黑 龙 江 哈 尔 滨 150001) 摘 要 : 针 对 光 环 境 污 染 和 学 习 光 源 的 合 理 选 择 等 问 题 新 开 设 了 大 学 文 科 物 理 实 验 电 光 源 的 光 谱 与 频 闪 特 性 研 究 具 体 介 绍 了 实 验 的 设 计 理 念 主 要 研 究 内 容 及 实 验 结 果 结 合 教 学 经 验, 指 出 贴 近 生 活 的 研 究 对 象 简 单 的 实 验 操 作 更 具 趣 味 性 和 直 观 性 的 实 验 结 果 以 及 高 科 技 手 段 辅 助 可 以 在 文 科 物 理 实 验 教 学 中 达 到 满 意 的 教 学 效 果 关 键 词 : 文 科 物 理 实 验 ; 电 光 源 ; 光 谱 ; 频 闪 ; 波 动 深 度 1 引 言 大 学 物 理 实 验 是 高 校 通 识 教 育 的 重 要 课 程 之 一, 目 前 很 多 高 校 都 为 文 科 学 生 开 设 了 物 理 及 物 理 实 验 课, 这 是 培 养 文 科 学 生 兼 具 一 定 科 学 素 质 的 积 极 尝 试 [1-5] 针 对 文 科 学 生 对 社 会 人 文 关 注 度 高 而 对 物 理 理 论 知 识 掌 握 得 相 对 较 弱 的 特 点, 我 校 物 理 实 验 中 心 不 断 地 对 文 科 物 理 实 验 内 容 进 行 改 进 调 整 和 完 善, 从 而 达 到 更 好 的 教 学 效 果 环 境 污 染 ( 包 括 光 环 境 污 染 ) 是 我 国 近 年 来 随 着 经 济 高 速 发 展 而 出 现 的 亟 待 解 决 的 新 问 题 [6-7] 比 如 : 节 能 灯 LED 等 已 经 取 代 常 规 白 炽 灯, 那 么 与 前 者 相 比, 这 些 光 源 对 人 眼 就 一 定 是 健 康 的 吗? 如 何 合 理 选 择 照 明 光 源 是 无 法 回 避 的 现 实 问 题, 而 文 科 学 生 对 此 普 遍 有 更 多 的 关 注 针 对 这 一 特 点, 我 们 开 设 了 电 光 源 的 光 谱 与 频 闪 特 性 研 究 实 验, 旨 在 引 导 学 生 学 会 评 价 及 选 择 不 同 光 源, 避 免 光 污 染, 同 时 纠 正 学 生 长 期 以 来 的 一 些 错 误 认 识 在 实 验 设 计 中, 我 们 遵 循 趣 味 直 观 操 作 简 单 深 入 浅 出 结 合 生 活 与 高 科 技 的 设 计 理 念, 力 求 实 验 内 容 贴 近 生 活, 使 实 验 内 容 生 动 有 趣, 吸 引 人, 所 得 到 的 实 验 结 果 能 启 发 学 生 对 生 活 中 的 常 见 现 象 进 行 思 考 本 文 则 以 具 体 实 验 内 容 为 主 线, 并 结 合 教 学 经 验, 阐 述 如 何 实 现 这 一 设 计 理 念, 从 而 达 到 满 意 的 教 学 效 果 2 研 究 对 象 要 贴 近 生 活 文 科 生 通 常 对 实 验 中 科 学 研 究 客 体 感 觉 是 陌 生 的 深 奥 而 又 神 秘 的, 甚 至 有 距 离 感 的, 实 验 课 上 其 心 里 有 抵 触 和 畏 惧 情 绪 实 属 正 常 本 实 验 则 提 供 了 市 面 上 几 类 常 见 的 可 发 白 光 的 电 光 源 作 为 研 究 对 象, 包 括 白 炽 灯 护 眼 灯 ( 日 光 灯 ) 家 用 节 能 灯 ( 紧 凑 型 荧 光 灯 ) 手 基 金 项 目 : 黑 龙 江 省 高 等 教 育 教 学 改 革 项 目 (JG2012010151); 985 工 程 本 科 生 教 学 建 设 项 目 (HITJG2014008 ); 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 (HIT.NSRIT.2013084) 作 者 简 介 : 林 珊 (1978-), 女, 吉 林 省 吉 林 市 人, 哈 尔 滨 工 业 大 学 物 理 系, 博 士, 工 程 师, 从 事 凝 聚 态 物 理 及 物 理 实 验 教 学 与 研 究 通 信 作 者 : 李 俊 庆 (1963-), 男, 哈 尔 滨 人, 哈 尔 滨 工 业 大 学 物 理 系, 博 士, 教 授 / 博 导, 从 事 物 理 光 学 及 物 理 实 验 教 学 与 研 究 52
电 筒 (LED 灯 ) 和 低 压 汞 灯, 这 样 使 得 学 生 在 实 验 时 会 对 这 些 贴 近 生 活 的 研 究 对 象 不 再 陌 生, 会 感 到 很 亲 切, 自 然 也 就 不 再 有 畏 难 甚 至 抵 触 情 绪 了 3 实 验 内 容 要 设 计 得 更 具 趣 味 性 而 实 验 结 果 要 更 具 直 观 性 3.1 光 谱 展 示 与 研 究 方 面 科 技 发 展 日 新 月 异, 我 们 身 边 的 电 光 源 从 传 统 的 白 炽 灯 日 光 灯, 发 展 到 目 前 带 着 高 科 技 光 环 的 LED 灯 节 能 灯 ( 紧 凑 型 荧 光 灯 ) 护 眼 灯 等 等 那 么, 这 些 高 新 科 技 产 品 的 特 点 是 什 么? 如 何 选 择 学 习 用 的 照 明 光 源? 我 们 所 接 触 到 的 光 源 是 否 环 保? 是 否 有 利 于 身 体 健 康? 通 过 本 实 验 学 生 就 可 以 回 答 这 些 与 生 活 息 息 相 关 的 问 题, 这 既 能 引 起 文 科 学 生 的 学 习 兴 趣, 又 能 使 学 生 学 以 致 用, 应 用 这 些 常 识 使 其 在 生 活 中 受 益 (A) 白 炽 灯 (B) 手 电 筒 (LED 灯 )( C) 日 光 灯 (D) 节 能 灯 (E) 低 压 汞 灯 图 1 用 三 棱 镜 分 光 后 拍 摄 的 各 种 白 光 光 谱 仅 凭 肉 眼, 学 生 们 只 能 感 觉 到 光 源 的 亮 度 和 色 调 的 不 同, 而 利 用 三 棱 镜 和 分 光 计, 通 过 折 射 对 复 光 分 解, 学 生 们 可 观 测 到 不 同 光 源 呈 现 的 不 同 彩 色 谱 线 光 谱 图 1 给 出 了 实 验 中 学 生 观 测 到 的 几 种 常 见 发 白 光 的 光 源 光 谱 实 验 中 看 到 的 奇 幻 的 色 彩 斑 斓 的 犹 如 彩 虹 的 实 验 现 象, 不 仅 引 起 了 文 科 学 生 的 浓 厚 学 习 兴 趣, 轻 而 易 举 地 揭 开 了 这 些 高 科 技 光 源 的 神 秘 面 纱, 也 形 象 生 动 地 印 证 了 虽 然 几 种 光 源 都 是 发 白 光 的, 但 所 谓 的 白 光 其 实 是 复 合 光, 是 由 多 种 颜 色 的 可 见 光 按 一 定 的 强 度 和 比 例 混 合 成 的 结 论, 由 于 发 光 机 制 不 同, 光 谱 线 ( 或 谱 带 ) 的 颜 色 和 条 数 也 不 尽 相 同, 学 生 看 到 : 1) 白 炽 灯 ( 图 1A) 光 谱 在 可 见 光 的 范 围 内 是 连 续 谱, 颜 色 是 七 色, 属 于 热 致 发 光, 此 类 光 谱 还 有 太 阳 光 烛 光 灯 2) 白 光 LED( 图 1B) 谱 为 分 立 窄 谱 带, 谱 带 只 有 红 绿 和 蓝 三 基 色, 属 于 固 体 发 光 3) 日 光 灯 节 能 灯 和 低 压 汞 灯 属 于 气 体 放 电 发 光, 由 于 内 部 封 装 了 汞 蒸 气, 光 谱 含 有 分 立 谱 线 日 光 灯 ( 图 1C) 和 节 能 灯 ( 图 1D) 分 别 采 用 卤 磷 酸 钙 荧 光 粉 发 光 和 稀 土 三 基 色 荧 光 粉 发 光, 后 者 的 发 光 效 率 更 高, 因 此 也 更 节 能 而 由 低 压 汞 灯 ( 图 1E) 的 光 谱 可 以 明 显 看 到 5 条 分 立 谱 线, 分 别 为 黄 绿 青 蓝 和 紫 色, 对 应 的 是 汞 原 子 的 特 征 谱 线 通 过 光 谱 比 较, 学 生 们 可 从 中 体 会 到 各 种 光 源 的 异 同 点, 了 解 其 发 光 机 制 3.2 频 闪 展 示 与 研 究 方 面 提 到 光 源 频 闪 同 学 们 可 能 觉 得 抽 象 陌 生, 但 如 果 让 他 们 利 用 手 机 里 的 照 相 或 摄 像 模 式 对 准 电 脑 显 示 器 台 灯 或 电 视 屏 幕 观 察, 同 学 们 会 惊 讶 的 发 现 这 些 点 亮 的 光 源 是 闪 烁 的 53
接 下 来 同 学 们 就 会 提 出 一 系 列 问 题 : 为 什 么 光 源 会 闪 烁? 为 什 么 我 们 肉 眼 察 觉 不 到? 频 闪 现 象 对 我 们 的 生 活 有 什 么 影 响? 如 何 利 用 或 者 避 免 频 闪 现 象? 为 了 深 刻 体 会 频 闪 的 含 义, 我 们 专 门 设 计 了 实 验 用 黑 匣 子, 用 以 观 测 临 界 闪 烁 频 率 用 信 号 发 生 器 驱 动 黑 匣 子 里 一 盏 LED 灯 发 光, 当 频 率 很 低 时, 同 学 可 轻 易 地 分 辨 出 光 源 一 亮 一 暗 明 显 闪 烁 ; 当 频 率 增 加 时, 光 源 由 粗 闪 变 为 细 闪, 当 频 率 继 续 增 大 到 某 一 数 值, 由 于 人 眼 的 视 觉 暂 留 特 性, 学 生 感 受 到 的 不 再 是 闪 烁 光, 而 是 连 续 的 光, 这 时 对 应 的 频 率 即 为 临 界 闪 烁 频 率 如 果 提 高 背 景 光 ( 点 亮 黑 匣 子 里 另 一 盏 LED 灯 ), 会 发 现 临 界 闪 烁 频 率 减 小 这 是 因 为 临 界 闪 烁 频 率 也 与 一 些 因 素, 如 光 源 照 射 强 度 背 景 光 颜 色 强 度 观 察 者 身 体 因 素 等 等 有 关, 其 理 论 参 考 值 为 45.8Hz 通 过 上 面 的 简 单 实 验, 同 学 们 就 会 明 白 普 通 日 光 灯 是 以 频 率 50Hz( 一 秒 钟 变 化 50 次 ) 电 压 220V 的 正 弦 交 流 电 为 电 源, 其 闪 烁 频 率 是 100Hz 的 道 理 ; 也 知 道 了 正 因 为 视 觉 暂 留 的 效 应, 电 影 (24 帧 / 秒 和 24 次 / 秒 遮 挡, 传 送 频 率 为 48Hz) 和 电 视 (25 帧 / 秒, 采 用 隔 行 扫 描, 传 送 频 率 为 50Hz) 这 些 闪 烁 播 放 的 图 像, 看 起 来 是 连 续 的 原 因 [8] 3.3 波 动 深 度 的 研 究 方 面 文 科 学 生 书 籍 阅 读 量 较 大, 特 别 关 心 眼 睛 疲 劳 的 问 题 和 对 电 光 源 的 选 择 标 准 同 学 们 常 有 这 样 的 体 会 : 在 宽 敞 明 亮 的 自 习 室 通 常 比 寝 室 内 台 灯 下 看 书 学 习 眼 睛 要 舒 服 不 易 疲 劳 面 对 市 面 上 林 林 总 总 的 打 着 高 科 技 旗 号 的 台 灯 产 品, 同 学 们 如 何 判 断 选 择 这 些 产 品 呢? 其 实, 最 理 想 的 光 线 是 变 化 极 其 缓 慢 的 自 然 光 对 于 稳 定 的 照 明 光 线, 眼 睛 的 瞳 孔 调 节 相 对 固 定, 调 节 量 很 小, 不 容 易 引 起 眼 部 光 学 系 统 损 伤 和 视 觉 疲 劳 ; 对 于 不 稳 定 的 光 线, 学 习 时 眼 睛 的 瞳 孔 需 要 频 繁 调 节, 调 节 量 大, 容 易 引 起 眼 部 光 学 系 统 损 伤 和 视 觉 疲 劳 [9] 我 们 想 让 学 生 知 道 光 源 的 好 坏 不 光 是 由 平 均 的 发 光 强 度 来 判 断 的, 更 严 格 来 讲, 应 由 波 动 深 度 来 判 断, 波 动 深 度 可 表 示 光 源 闪 烁 的 程 度, 那 么 何 谓 波 动 深 度 呢? 我 们 需 要 学 生 理 解 其 定 义 及 内 涵, 要 学 生 知 道 其 形 式 可 表 示 为 :H=(I max -I min )/I max, 其 中 I max 为 最 亮 时 候 的 光 强, I min 为 最 暗 时 的 光 强 [10], 其 物 理 含 义 是 : 明 暗 光 强 的 变 化 占 最 大 光 强 的 百 分 比 数, 如 图 2 所 示 波 动 深 度 的 测 量 可 利 用 示 波 器 实 现 [11], 如 图 3 所 示 我 们 希 望 学 生 知 道 频 闪 的 波 动 深 度 小 于 5% 的 光 源 才 被 认 为 是 理 想 的 照 明 光 源 [12] 图 2 波 动 深 度 示 意 图 图 3 波 动 深 度 测 量 装 置 图 为 了 更 好 的 体 会 波 动 深 度 的 意 义 及 影 响 其 变 化 的 因 素 我 们 专 门 设 计 了 用 LED 灯 模 拟 波 动 深 度 测 量 的 实 验 内 容, 图 4 展 示 了 部 分 学 生 实 验 观 测 到 的 结 果 模 拟 黑 匣 子 利 用 直 流 和 交 流 信 号 源 驱 动 两 盏 LED 灯 发 光, 可 通 过 调 节 直 流 和 交 流 信 号 幅 值, 模 拟 波 动 深 度 H 为 0% 50% 和 100% 可 以 看 到, 屏 幕 上 方 的 直 线 ( 或 曲 线 ) 为 测 量 曲 线, 下 方 的 直 线 为 地 线 ( 即 对 应 V=0 mv) 同 学 只 需 调 节 直 流 电 压 大 小 和 交 流 信 号 的 幅 值 (V P-P ), 即 可 体 会 到 [13] : 1) 光 信 号 全 部 为 直 流 成 分 则 H=0%, 光 源 强 度 无 波 动 变 化 ; 当 光 信 号 全 部 为 交 流 成 分 则 H=100%, 光 源 强 度 波 动 变 化 最 大 ; 2) 适 当 调 节 直 流 和 交 流 电 压 可 达 到 H=50% 可 见 所 谓 不 闪 即 波 动 深 度 为 零, 指 的 是 采 用 直 流 电 压 供 电 ; 如 果 电 压 中 有 交 流 成 分, 54
尽 量 减 小 交 流 信 号 的 幅 值, 也 可 达 到 降 低 波 动 深 度 的 目 的 图 4 观 测 波 动 深 度 (A) H=0%,( B) H=100%,( C) H=50% 利 用 图 3 的 实 验 装 置, 可 以 让 学 生 实 际 测 量 一 下 不 同 光 源 的 波 动 深 度 图 5 为 白 炽 灯 波 动 深 度 的 测 量 结 果 计 算 可 知 白 炽 灯 的 波 动 深 度 约 为 30% 图 5 观 测 白 炽 灯 的 波 动 深 度 需 要 注 意 的 是, 光 源 摆 放 位 置 高 度 以 及 室 内 背 景 光 源 都 可 能 影 响 波 动 深 度 的 测 量 结 果 通 过 示 波 器 图 像, 学 生 们 可 直 观 看 到 肉 眼 看 似 稳 定 的 光 源 其 实 是 周 期 性 明 暗 变 化 的 实 际 生 活 中, 可 以 通 过 提 高 背 景 光 的 亮 度, 来 达 到 降 低 波 动 深 度 的 目 的 4 实 验 仪 器 要 操 作 简 单 本 实 验 涉 及 到 的 基 本 实 验 仪 器 是 分 光 计 和 示 波 器 以 前 针 对 分 光 计 我 们 开 设 了 分 光 计 的 调 节 和 三 棱 镜 顶 角 测 定 实 验, 但 同 学 们 普 遍 反 应 实 验 仪 器 调 节 枯 燥 繁 琐 难 度 大, 调 节 部 分 占 去 了 大 半 时 间, 冲 淡 了 仪 器 使 用 部 分 的 内 容, 喧 宾 夺 主, 导 致 实 验 内 容 枯 燥 乏 味, 而 实 验 结 束 后 学 生 很 难 对 仪 器 使 用 留 下 深 刻 印 象 而 针 对 这 种 情 况, 本 实 验 对 分 光 计 只 做 简 单 的 调 节 要 求, 上 课 前 由 教 师 大 致 调 好, 课 上 同 学 只 需 调 节 转 台 和 望 远 镜 位 置 即 可 观 察 到 彩 色 谱 线 图 6 黑 匣 子 外 观 及 内 部 结 构 图 为 了 使 频 闪 和 波 动 深 度 的 观 测 简 单, 我 们 自 制 了 黑 匣 子, 其 顶 盖 可 抽 拉 模 拟 暗 室 避 免 室 内 光 源 干 扰, 侧 面 留 有 视 窗, 以 便 学 生 直 接 体 验 波 动 的 影 响 黑 匣 子 如 图 6 所 示, 其 内 部 主 要 包 括 两 个 LED 光 源 和 光 信 号 探 测 元 件 硅 光 电 池 两 盏 LED 灯, 分 别 由 外 部 直 流 电 源 和 交 流 电 源 驱 动, 装 置 可 用 来 模 拟 频 闪 和 波 动 深 度 涉 及 学 生 调 节 的 只 有 几 个 旋 钮 这 些 简 化 后 的 实 验 操 作, 使 文 科 学 生 更 容 易 上 手, 增 加 了 学 生 的 成 就 感 及 实 验 热 情, 使 学 生 的 注 意 力 集 中 在 实 验 的 观 察 和 结 果 的 分 析 上 55
5 要 展 示 高 科 技 手 段 辅 助 的 实 验 结 果 为 了 使 学 生 了 解 科 学 前 沿, 进 一 步 增 强 实 验 的 科 学 性, 我 们 演 示 了 科 研 上 利 用 便 携 式 微 型 光 纤 光 谱 仪 测 量 出 的 上 述 光 源 频 谱 [14], 如 图 7 所 示 由 于 光 谱 仪 采 用 分 光 元 件 为 光 栅, 波 长 也 经 过 线 性 校 准, 谱 线 测 量 范 围 宽, 能 更 准 确 地 反 映 光 谱 特 性, 因 此, 学 生 可 以 进 一 步 在 图 7 中 看 到 紫 外 和 红 外 区 域 的 谱 图, 而 图 1 只 显 示 了 可 见 光 的 光 谱 例 如 : 图 7 中 日 光 灯 和 汞 灯 的 紫 外 区 域 谱 线 可 准 确 辨 识, 而 在 图 1 中 却 不 可 分 辨 ; 图 7 中 白 炽 灯 的 红 外 区 域 仍 有 光 谱 图 7 用 便 携 式 光 纤 光 谱 仪 直 接 测 量 的 各 种 白 光 光 谱 6 要 深 入 浅 出 地 分 析 理 解 与 引 申 实 验 结 果 通 过 光 谱 实 验, 增 强 了 学 生 环 保 意 识, 生 活 中 注 意 避 免 含 汞 灯 泡 的 随 意 丢 弃 ; 提 高 了 学 生 自 身 防 护 的 科 学 意 识, 尽 量 多 晒 太 阳 光, 避 免 长 期 在 谱 线 缺 失 的 光 源 下 学 习, 远 离 紫 外 辐 射 这 类 光 污 染 [5,15] ; 拉 近 学 生 与 高 科 技 产 品 的 距 离, 了 解 了 生 活 中 的 一 些 科 技 词 汇, 如 红 外 理 疗 紫 外 灭 菌 等 等 启 发 同 学 思 考 一 些 贴 近 生 活 的 小 实 验, 例 如 : 没 有 三 棱 镜, 同 学 可 用 电 脑 光 盘 分 光 得 到 光 源 光 谱 ; 水 滴 滴 在 电 脑 显 示 器 上 ( 或 手 机 屏 幕, 或 电 视 屏 幕 ), 可 以 看 到 红 绿 蓝 三 基 色, 从 而 体 会 白 光 是 复 合 光 的 道 理 通 过 频 闪 实 验, 启 发 同 学 思 考 为 什 么 高 速 行 驶 的 车 轮 有 时 看 起 来 不 转 或 倒 转 ; 如 果 晃 动 铅 笔, 在 太 阳 光 和 日 光 灯 下, 看 到 的 虚 影 有 什 么 不 同? 通 过 波 动 深 度 的 研 究, 使 学 生 了 解 人 眼 疲 劳 的 来 源, 培 养 其 个 人 用 眼 卫 生, 保 护 视 力 7 结 束 语 本 实 验 内 容 丰 富 有 趣, 实 验 仪 器 简 单 易 操 作, 实 验 结 果 具 体 直 观, 已 在 文 科 本 科 生 中 进 行 了 一 学 期 教 学 试 点, 达 到 了 令 人 满 意 的 效 果, 使 文 科 学 生 理 解 了 所 谓 光 源 发 白 光 的 原 理, 及 各 种 光 源 的 发 光 特 点 ; 在 学 习 生 活 中 学 会 判 断 及 利 用 不 同 光 源, 避 免 光 污 染 ; 纠 正 了 学 生 长 期 以 来 的 一 些 错 误 认 识 : 诸 如 认 为 光 源 发 光 越 白 越 亮 越 是 好 光 源, 白 光 源 和 太 阳 光 一 样 是 连 续 谱, 光 源 缺 谱 线 对 身 体 无 害 等 ; 并 且 在 实 验 中 掌 握 了 分 光 计 和 示 波 器 等 基 本 实 验 仪 器 的 使 用, 提 高 了 动 手 能 力 当 学 生 们 看 到 紫 外 区 域 光 谱 后 经 常 说 的 一 句 感 叹 的 话 是 以 后 可 得 注 意 了!, 有 学 生 对 自 己 新 买 的 带 一 闪 一 闪 发 光 的 彩 色 LED 的 漂 亮 台 灯 有 了 新 的 认 识, 决 定 等 到 实 验 室 观 测 确 认 之 后 才 启 用 从 不 同 的 高 科 技 产 品 光 源 的 判 断 选 择, 到 个 人 用 眼 卫 生 的 培 养 ; 从 增 强 环 保 意 识 到 远 离 光 环 境 污 染, 这 些 知 识 的 学 习 对 同 学 都 是 大 有 益 处 的 本 56
实 验 可 供 相 关 高 校 文 科 类 物 理 实 验 教 学 参 考 参 考 文 献 : [1] 方 兴 安, 胡 建 华 文 科 大 学 物 理 实 验 开 设 的 实 践 与 思 考 [J] 物 理 实 验,2004,24(7):21-23 [2] 汪 兰, 夏 娴, 殷 实 在 物 理 实 验 教 学 中 培 养 文 科 类 人 才 的 理 性 思 维 [J] 物 理 与 工 程,2007, 17(1):49-50 [3] 王 勇, 卢 佃 清, 王 莉 开 设 文 科 物 理 的 实 践 与 探 索 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2009,28(12): 142-144 [4] 章 羽, 钱 锋, 戴 玉 蓉 文 科 物 理 实 验 教 学 实 践 探 索 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2012,29(3): 144-146 [5] 牟 海 维, 金 少 先, 王 世 英 改 革 物 理 实 验 教 学 提 高 学 生 综 合 素 质 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索, 2000(4): 14-16 [6] 梁 红 山 光 污 染 对 人 体 的 危 害 及 预 防 [J] 劳 动 医 学,2001,18(4):243 [7] 王 亚 军 光 污 染 及 其 防 治 [J] 安 全 与 环 境 学 报,2004,4(1):56-58 [8] 郭 保 军, 杨 凤 梅, 赵 娜 对 动 画 原 理 的 修 正 [J] 影 视 制 作,2009(11):16-17 [9] 余 希 湖, 蒋 涌 潮 光 源 闪 烁 对 视 觉 影 响 的 研 究 [J] 照 明 工 程 学 报,1996,7(2):22-26 [10] 曾 丽 梅, 苏 昌 林 电 光 源 频 闪 测 试 技 术 研 究 [J] 中 国 测 试,2012,38(3):34-38 [11] 马 世 红, 童 培 雄, 赵 在 忠 文 科 物 理 实 验 [M] 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社,2007 [12] 杨 光 学 习 照 明 的 频 闪 及 其 影 响 因 素 探 讨 [J] 中 国 照 明 电 器,2011(3): 17-22 [13] 杨 光 基 于 不 同 驱 动 条 件 下 白 光 LED 照 明 频 闪 问 题 的 研 究 [J] 照 明 工 程 学 报,2011, 22(6):8-13 [14] 李 加, 张 存 洲, 朱 箭 光 纤 光 谱 仪 简 介 [J] 现 代 科 学 仪 器,1998(4):15 [15] 刘 毅, 彭 涛, 沈 杰 商 用 节 能 灯 的 光 谱 特 性 及 对 人 体 的 危 害 [J] 浙 江 科 技 学 院 学 报, 2010,22(2):94-101 Exploration and Practice of Physics Experiments for Liberal Arts Undergraduates- Study on Electrical Light Sources Lin Shan, Li Jun-qing, Zhao Hai-fa (Harbin Institute of technology, Department of physics, Harbin 150001, China) Abstract: The physics experiment, "study on the spectrum and strobe features of electrical light sources", for university arts undergraduates was recently opened, aiming at the solution to the problems visual pollution and quality assurance of light sources. The design ideas, experiments and results are introduced in detail. The exploration and practice of teaching for one year show that the positive effects on physics experiment for arts undergraduates originate from objects in daily life, simple experiments, fun and intuitive results and supplementary high-tech. Key words: Arts physics experiments; Electrical light sources; Spectrum; Strobe feature; Fluctuation depth 57
在 大 学 物 理 实 验 课 程 中 开 设 DIY 研 究 型 课 题 实 验 的 探 索 和 实 践 赵 海 发, 刘 世 刚, 刘 建 龙, 张 立 彬, 耿 完 桢 ( 哈 尔 滨 工 业 大 学 物 理 系, 黑 龙 江 哈 尔 滨 150001) 摘 要 : 教 学 内 容 的 更 新 落 后 于 当 代 科 技 的 发 展 ; 实 验 教 学 模 式 过 于 单 一 ; 在 实 验 教 学 过 程 中, 学 生 始 终 处 于 一 种 被 动 接 受 难 以 主 动 参 与 到 实 验 整 个 过 程 等 弊 端, 一 直 是 困 扰 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 改 革 的 难 题 我 们 的 探 索 和 实 践 表 明, 加 入 一 个 DIY 研 究 型 课 题 实 验 的 新 实 验 类 型, 可 以 十 分 有 效 地 调 动 学 生 的 学 习 热 情 和 创 新 精 神, 取 得 良 好 的 教 学 效 果 关 键 词 : 大 学 物 理 实 验 ;DIY; 电 磁 悬 浮 1 引 言 近 年 来, 国 内 各 高 校 在 大 学 物 理 实 验 课 程 中 进 行 的 课 程 教 学 改 革 取 得 了 很 大 进 展, 以 分 层 次 全 面 开 放 模 式 为 代 表 的 各 种 教 学 改 革 新 成 果 不 断 涌 现, 在 实 验 内 容 更 新 新 实 验 仪 器 研 制 教 学 和 科 研 相 结 合 的 教 学 方 法 以 及 鼓 励 学 生 开 展 科 技 创 新 项 目 研 究 等 方 面 都 做 出 了 很 多 努 力, 也 取 得 了 大 量 的 成 果 但 据 我 们 的 调 研 和 自 身 教 学 的 体 会, 在 实 验 课 程 的 教 学 中, 还 比 较 普 遍 地 存 在 着 教 学 内 容 的 更 新 落 后 于 当 代 科 技 的 发 展 ; 实 验 教 学 模 式 单 一 ; 学 生 的 主 动 性 和 能 动 性 难 以 得 到 充 分 发 挥, 处 于 一 种 被 动 接 受 无 法 参 与 到 实 验 设 计 的 整 个 过 程 等 弊 端 学 生 对 于 实 验 课 程 比 较 普 遍 缺 乏 兴 趣 和 热 情, 学 习 积 极 性 不 高 针 对 这 些 问 题, 我 们 经 过 仔 细 分 析 反 复 讨 论 和 研 究, 在 大 学 物 理 实 验 课 程 中, 开 设 了 一 类 完 全 新 型 的 物 理 实 验 项 目 DIY 研 究 型 课 题 实 验 ; 在 教 学 实 践 过 程 中 受 到 了 学 生 们 的 普 遍 欢 迎, 取 得 了 良 好 的 教 学 效 果 所 谓 的 DIY 研 究 型 课 题 实 验, 从 选 题 上 应 该 是 一 些 具 有 一 定 挑 战 性 新 颖 性 ; 与 当 代 科 技 发 展 紧 密 相 连 ; 能 够 引 起 学 生 强 烈 兴 趣 同 时 在 难 度 和 深 度 上 又 比 较 适 于 本 科 学 生 进 行 研 究 设 计 的 课 题 ; 在 实 践 的 过 程 中 又 应 该 是 充 分 体 现 DIY 的 精 神, 尽 量 放 手, 让 学 生 最 大 限 度 地 参 与 到 实 验 方 案 的 考 虑 实 验 设 备 的 选 配 部 分 组 件 的 制 作 和 全 部 实 验 的 调 试 中 去 DIY 制 作 电 磁 混 合 磁 悬 浮 实 验 系 统 就 是 我 们 一 年 来 按 照 上 述 选 题 和 实 践 原 则, 研 究 设 计 的 一 次 我 们 认 为 是 十 分 成 功 的 试 点 实 验 项 目 电 磁 悬 浮 技 术 是 集 电 磁 学 电 子 学 力 学 和 控 制 工 程 于 一 体 的 现 代 高 新 技 术, 利 用 此 技 术 可 实 现 无 摩 擦 无 接 触 无 噪 声 和 无 污 染 等 状 态, 因 而 倍 受 世 人 关 注 如 果 让 学 生 自 己 来 设 计 研 究 一 个 方 案,DIY 动 手 实 现 一 次, 我 们 相 信, 学 生 的 反 应 一 定 会 是 十 分 强 烈 的 在 一 些 发 达 国 家, 不 管 是 家 庭 教 育 还 是 学 校 教 育, 让 学 生 DIY 自 己 动 手 的 理 念 从 小 就 习 以 为 常 了 可 是 在 中 国 由 于 受 到 传 统 观 念 的 影 响 和 高 考 指 挥 棒 的 牵 引, 家 长 和 孩 子 从 小 就 养 成 了 只 注 重 考 试 分 数 和 书 本 知 识 学 习 的 观 念 到 了 大 学, 很 难 改 变 学 生 的 传 统 思 维 习 惯, 一 方 面 实 验 教 学 不 得 不 从 最 基 础 的 实 验 内 容 开 始, 另 一 方 面 在 实 验 过 程 中, 学 生 往 往 注 重 实 验 结 果 而 不 注 重 实 验 过 程 和 实 验 规 律 的 探 索 在 教 学 安 排 上, 传 统 的 物 理 实 验 内 容 虽 然 已 经 基 金 项 目 : 黑 龙 江 省 高 等 教 育 教 学 改 革 项 目 (JG2012010151), 985 工 程 本 科 生 教 学 建 设 项 目 (HITJG2014008) 作 者 简 介 : 赵 海 发 (1962-), 男, 黑 龙 江 人, 哈 尔 滨 工 业 大 学 物 理 系 教 授, 主 要 从 事 大 学 物 理 实 验 教 学 工 作 58
经 过 长 期 实 验 教 学 的 积 累 磨 砺, 并 且 经 过 实 验 室 的 精 心 设 置 和 安 排, 实 验 内 涵 比 较 丰 富, 但 是 给 学 生 的 印 象 却 往 往 是 实 验 是 不 会 失 败 的 永 远 会 成 功 的 因 此 学 生 认 为 预 期 的 实 验 的 结 果 是 自 然 会 出 现 的, 当 它 出 现 了, 学 生 们 的 反 应 当 然 是 习 以 为 常 味 同 嚼 蜡 而 如 果 实 验 不 顺 利 没 有 出 现 预 期 的 结 果, 往 往 学 生 不 去 分 析 实 验 过 程 中 出 现 了 什 么 问 题 怎 么 样 去 解 决 这 些 问 题, 而 是 抱 怨 实 验 仪 器 不 好 这 时 候 有 些 老 师 也 出 于 对 教 学 负 责 的 好 心, 往 往 还 会 亲 自 出 马, 帮 助 学 生 过 关 以 避 免 出 现 一 次 失 败 的 实 验 这 种 实 验 教 学 过 程 和 真 实 的 科 学 探 索 过 程 相 差 甚 远, 和 学 生 自 主 的 实 验 要 求 和 能 力 培 养 的 目 标 也 大 相 径 庭 我 们 知 道, 任 何 科 学 实 验 的 过 程 都 会 出 现 失 败, 很 多 的 科 学 发 现 都 是 在 大 量 的 探 索 - 失 败 - 探 索 过 程 中 完 成 的 因 此 在 实 验 教 学 过 程 中, 尽 可 能 地 营 造 一 个 科 学 研 究 的 氛 围, 让 学 生 们 真 正 的 是 在 DIY 自 主 的 氛 围 中 进 行 实 验 研 究, 是 实 验 教 学 改 革 的 一 个 重 要 理 念 我 们 新 开 的 这 个 实 验 项 目, 实 际 上 是 一 个 完 整 的 小 课 题, 其 中 有 不 少 关 卡 需 要 学 生 去 克 服, 不 经 过 认 真 分 析 反 复 的 调 试 过 程, 悬 浮 一 般 是 不 可 能 出 现 的 学 生 做 完 这 个 实 验 之 前, 心 里 一 直 揣 着 一 个 兔 子 : 能 否 成 功? 如 何 获 得 成 功? 这 就 使 学 生 的 心 理 处 在 完 全 不 同 的 状 态 成 功 了, 是 他 的 成 就, 能 不 兴 奋 吗! 2 开 设 此 类 实 验 的 准 备 为 了 开 好 这 类 实 验, 我 们 首 先 作 了 充 分 的 开 课 准 备, 为 学 生 提 供 了 有 关 实 现 电 磁 混 合 磁 悬 浮 的 物 理 模 型 和 机 理 的 资 料 以 及 实 现 磁 悬 浮 的 相 应 实 验 技 术, 学 生 通 过 网 上 预 约 的 方 式, 提 前 预 订 上 课 时 间 在 做 好 充 分 预 习 的 情 况 下, 在 规 定 的 上 课 时 间, 由 项 目 指 导 教 师 在 实 验 室 指 导 学 生 DIY 制 作 实 验 室 为 学 生 提 供 必 要 的 电 子 元 器 件 面 包 板, 电 烙 铁 电 压 表 示 波 器 等 元 器 件 材 料 和 专 用 工 具 铁 芯 线 圈 驱 动 电 路 多 谐 振 荡 器 脉 宽 调 制 器 驱 动 电 路 霍 尔 传 感 器 永 磁 铁 调 制 信 号 霍 尔 传 感 器 电 磁 线 圈 悬 挂 物 体 悬 挂 物 体 (a) 工 作 原 理 图 (b) 工 作 框 图 图 1 电 磁 混 合 磁 悬 浮 实 验 的 工 作 原 理 图 和 工 作 框 图 整 个 实 验 的 工 作 任 务 流 程 是 : 首 先 弄 清 楚 系 统 的 工 作 原 理, 在 教 师 的 指 导 下 辨 认 各 种 电 子 元 器 件 和 集 成 元 件 ; 根 据 实 验 室 提 供 的 三 块 电 路 板 分 别 焊 接 组 成 多 谐 振 荡 器 脉 宽 调 制 器 和 线 圈 驱 动 控 制 器 ; 利 用 测 量 仪 器 分 别 测 量 分 系 统 的 工 作 状 态, 保 证 各 电 路 系 统 正 常 工 作, 记 录 相 应 测 试 现 象 ; 利 用 实 验 室 提 供 的 大 面 包 板, 将 各 分 电 路 系 统 总 装 在 一 起 ; 整 机 调 试, 观 察 实 验 现 象, 分 析 实 验 过 程, 如 果 不 成 功, 要 分 析 原 因, 适 当 改 变 参 数, 重 新 调 整 线 路 状 态, 最 终 实 现 系 统 目 标 ; 总 结 本 次 实 验 心 得 体 会, 提 供 实 验 报 告, 附 实 验 系 统 正 常 运 行 照 片 图 2 和 图 3 是 是 学 生 上 课 时 和 指 导 教 师 在 讨 论 问 题 的 场 景 和 最 终 所 完 成 的 作 品 59
3 实 验 教 学 效 果 一 年 的 教 学 实 践 显 示, 教 学 效 果 是 令 人 满 意 的 全 学 期 选 修 这 项 实 验 的 四 五 百 同 学 们 对 所 开 设 的 DIY 实 验 给 出 了 非 常 积 极 的 评 价 其 中 我 校 电 子 科 学 与 技 术 系 潘 越 同 学 做 完 物 理 实 验 DIY 自 制 电 磁 混 合 磁 悬 浮 实 验 系 统 后, 她 在 自 己 的 实 验 报 告 中 充 满 感 情 地 总 结 了 实 验 后 的 感 触, 其 中 写 到 我 可 以 毫 不 夸 张 的 说, 这 是 我 所 做 过 的 最 有 意 思 最 有 意 义 最 有 成 就 感 的 一 次 实 验, 能 自 己 做 成 一 个 实 用 的 东 西, 这 是 最 让 人 感 到 喜 悦 的 了 同 时 这 次 实 验 如 同 一 座 桥 梁, 拉 近 了 我 与 电 子 制 作 的 距 离, 让 我 感 到 电 子 世 界 不 再 那 么 晦 涩 难 懂, 只 要 你 肯 下 功 夫 投 入 地 去 做 就 一 定 有 成 果 对 于 这 门 新 开 设 的 实 验, 我 想 给 老 师 们 九 分 的 肯 定, 剩 下 的 一 分, 请 作 为 开 设 更 多 诸 如 此 类 有 意 义 的 实 验 的 动 力 吧!, 另 一 位 同 学 黎 斌 也 写 到 经 过 了 一 下 午 的 实 验, 虽 然 要 比 其 他 实 验 累, 但 却 在 实 验 中 得 到 了 更 多 的 东 西, 同 时 实 验 过 程 也 非 常 享 受, 锻 炼 了 自 己 的 动 手 能 力 当 实 验 没 有 按 照 预 期 的 结 果, 返 回 去 调 试 的 过 程 也 考 验 一 个 人 的 细 心 和 毅 力 总 的 来 说, 对 这 门 实 验 课 十 分 满 意 我 相 信 过 不 了 多 久, 这 门 课 肯 定 很 热 门 图 2 电 磁 悬 浮 实 验 电 路 实 物 图 图 3 电 磁 悬 浮 实 验 上 课 情 景 图 4 结 束 语 新 层 次 的 实 验 虽 然 得 到 了 学 生 的 广 泛 好 评, 初 步 达 到 了 开 设 的 目 的, 但 是 我 们 知 道 其 中 还 有 不 少 需 要 完 善 的 细 节 我 们 认 识 到 开 设 这 类 实 验 项 目 对 学 生 和 教 师 来 讲 都 是 一 种 激 励, 有 的 同 学 说 做 完 这 个 实 验 对 基 础 实 验 项 目 的 意 义 才 有 了 更 深 入 的 认 识 ; 而 对 我 们 教 师 来 讲, 不 断 学 习 和 更 新 知 识 强 化 对 课 程 教 学 改 革 方 向 的 认 识, 才 可 能 更 好 的 胜 任 这 类 实 验 的 教 学 和 课 程 建 设 教 学 改 革 工 作 我 们 在 12 周 的 开 课 时 间 里, 随 时 分 析 学 生 反 馈 回 的 意 见 和 建 议, 然 后 及 时 在 之 后 的 教 学 过 程 中 做 出 改 进 和 完 善 目 前 我 们 正 在 研 发 另 外 几 个 涉 及 现 代 实 验 技 术 的 DIY 课 题 实 验 项 目, 这 些 实 验 的 设 计 思 想 同 样 是 内 容 新 颖 物 理 内 涵 丰 富 和 实 际 应 用 联 系 紧 密 学 生 可 以 全 面 地 参 与 到 仪 器 制 作 调 试 的 全 过 程 相 信 开 出 一 批 这 样 的 新 颖 DIY 课 题 实 验 以 后, 一 定 可 以 大 大 提 高 学 生 学 习 的 热 情 和 积 极 性 并 进 一 步 强 化 大 学 物 理 实 验 课 程 在 素 质 培 养 和 创 新 能 力 培 养 方 面 的 作 用 60
Exploration and practice of DIY research experiment in college physics experiment course ZHAO Hai-fa, LIU Shi-gang, LIU Jian-long, ZHANG Li-bin, GENG Wan-zhen (Department of Physics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China) Abstract: The updating of teaching content has fell behind the development of modern science and technology; the experiment teaching method is too simple; students are always in a state of passive acceptance and it is difficult for them to actively participate in the whole process of the experiment. These are confusing problems in the teaching reform of college physics experiment course. Our exploration and practice show that adding a new type of experiment which is called the "DIY research experiment" can effectively mobilize the enthusiasm and innovative spirit of students and achieve good teaching results. Key words: College physics experiment; DIY; electromagnetic suspension 61
构 建 创 新 班 大 学 物 理 实 验 课 程 体 系 的 探 索 与 实 践 王 爱 军, 吴 冲, 唐 军 杰, 吕 志 清, 冯 金 波, 赵 嵩 清 ( 中 国 石 油 大 学 理 学 院, 北 京 102249) 摘 要 : 大 学 物 理 实 验 课 程 是 高 校 理 工 专 业 都 要 开 设 的 公 共 基 础 实 验 课 是 大 学 生 科 学 素 质 教 育 和 实 践 能 力 培 养 的 一 个 极 重 要 环 节, 是 培 养 大 学 生 的 创 新 意 识, 创 新 思 维 和 创 新 能 力 的 一 个 极 重 要 平 台 本 文 介 绍 了 我 校 针 对 创 新 班 学 生 的 特 点 及 人 才 培 养 要 求 构 建 由 基 础 性 综 合 性 实 验 扩 展 性 实 验 设 计 性 应 用 性 物 理 实 验 和 研 究 性 物 理 实 验 构 成 的 创 新 班 大 学 物 理 实 验 课 程 体 系 的 做 法 这 一 新 课 程 体 系 实 践 收 到 了 很 好 教 学 效 果, 创 新 班 学 生 的 创 新 意 识, 创 新 思 维 和 创 新 能 力 得 到 了 培 养, 实 践 能 力 得 到 进 一 步 提 高 关 键 词 : 创 新 班 ; 大 学 物 理 实 验 ; 课 程 体 系 1 引 言 从 上 世 纪 末 起, 我 国 高 等 教 育 步 入 了 快 速 发 展 轨 道, 高 等 教 育 毛 入 学 率 由 2002 年 的 15% 上 升 到 了 到 2012 年 30%, 进 入 了 大 众 化 阶 段 在 推 进 高 等 教 育 大 众 化 进 程 的 同 时, 我 们 也 不 得 不 面 对 这 样 的 现 实 : 发 展 不 仅 需 要 民 族 素 质 的 整 体 提 高, 更 需 要 培 养 各 行 各 业 的 精 英 人 才, 如 何 搞 好 高 等 教 育 大 众 化 背 景 下 精 英 化 教 育 问 题, 是 我 国 高 等 教 育 界 研 究 的 一 大 课 题 [1,2] 在 这 一 背 景 下, 各 高 校 针 对 不 同 专 业 开 设 了 创 新 实 验 班 创 新 实 验 班 体 现 精 英 教 育 理 念, 以 培 养 崇 尚 科 学 追 求 创 新 富 有 社 会 责 任 感 的 社 会 急 需 的 研 究 型 创 新 人 才 为 目 标 自 2007 年 起, 我 校 每 年 在 本 科 生 中 组 建 2 3 个 创 新 实 验 班, 是 由 入 学 后 通 过 数 学 物 理 选 拔 考 试 后 筛 选 出 来 的 基 础 比 较 好 的 优 秀 学 生 针 对 优 秀 本 科 生 的 学 习 能 力 和 特 点, 通 过 单 独 制 定 培 养 计 划 单 独 组 班 单 独 配 备 教 师 授 课 等 方 式, 因 材 施 教, 体 现 我 校 人 才 培 养 的 精 品 战 略, 为 培 养 高 端 创 新 人 才 打 下 基 础 大 学 物 理 实 验 课 程 是 高 校 理 工 专 业 都 要 开 设 的 公 共 基 础 实 验 课 是 大 学 生 科 学 素 质 教 育 和 实 践 能 力 培 养 的 一 个 极 重 要 环 节, 是 培 养 大 学 生 的 创 新 意 识, 创 新 思 维 和 创 新 能 力 的 一 个 极 重 要 平 台 [3-7] 到 2006 年 我 校 大 学 物 理 课 程 形 成 了 由 基 础 实 验 综 合 性 实 验 和 设 计 性 实 验 构 成 的 层 次 化 课 程 体 系 这 一 课 程 体 系 是 面 向 普 通 班 学 生 的, 但 是 针 对 创 新 班 学 生 的 特 点 及 人 才 培 养 要 求 存 在 明 显 不 足, 主 要 体 现 在 以 下 几 个 方 面 首 先 原 有 课 程 体 系 是 针 对 所 有 学 生 的, 所 以 教 学 内 容 要 求 是 一 样 的 而 创 新 实 验 班 学 生 基 础 好 动 手 能 力 强, 一 些 实 验 内 容 显 得 简 单 了, 出 现 学 生 吃 不 饱 情 况, 即 在 普 通 班 正 常 3 个 学 时 完 成 的 实 验, 在 创 新 实 验 班 可 能 只 需 2 个 学 时 其 次, 尽 管 我 校 大 学 物 理 实 验 课 开 设 有 设 计 性 实 验, 但 是 由 于 实 验 条 件 限 制, 学 生 要 在 3 个 课 时 内 首 次 接 触 实 验 仪 器 并 要 进 行 实 验 方 案 的 设 计 实 施 及 测 量 过 程,3 个 学 时 远 远 不 够, 学 生 往 往 会 对 设 计 性 实 验 感 到 困 惑, 不 知 如 何 下 手, 因 此 课 堂 上 教 师 不 得 不 按 照 传 统 的 教 学 方 法 把 实 验 目 的 原 理 仪 器 方 法 步 骤 一 一 讲 解, 这 样 的 教 学 行 为 并 不 能 使 学 生 获 得 充 分 的 独 立 进 行 设 计 的 机 会, 对 学 生 的 实 验 设 计 能 力 培 养 客 观 上 讲 意 义 不 大 ; 另 外 由 于 同 一 节 实 验 课 上 的 学 生 所 进 行 的 是 同 一 个 设 计 性 实 验, 学 生 彼 此 之 间 可 以 互 相 参 考 实 验 方 案, 甚 至 完 全 照 搬, 学 生 自 主 实 验 体 现 不 充 分, 设 计 性 实 验 的 意 义 就 无 法 得 到 充 分 体 现 再 则, 原 有 大 学 物 理 课 程 教 学 内 容 体 现 物 理 实 验 技 术 与 方 法 在 专 业 领 域 应 用 不 足 缺 乏 应 用 性 物 理 实 验 内 容, 学 生 常 常 有 一 种 上 物 理 实 验 课 不 知 其 所 用 的 疑 惑 最 后, 近 年 来 各 高 校 都 在 积 极 探 索 和 实 践 研 究 性 实 验 教 学 在 研 究 性 实 验 教 学 中, 学 生 不 是 单 纯 的 实 验 操 作 者, 而 是 实 验 构 思 和 设 计 的 主 导 者 以 及 实 验 过 程 的 控 制 者, 62
对 培 养 学 生 的 创 新 实 践 能 力 有 积 极 的 意 义, 因 此 在 创 新 班 开 设 研 究 性 物 理 实 验 势 在 必 行 总 之, 针 对 原 有 大 学 物 理 实 验 课 程 体 存 在 不 足, 结 合 创 新 班 学 生 的 特 点 及 人 才 培 养, 我 们 提 出 构 建 创 新 班 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 体 系 2 创 新 班 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 体 系 构 建 与 实 践 2.1 基 础 性 综 合 性 实 验 我 们 从 40 个 大 学 物 理 实 验 项 目 中 精 选 了 12 个 项 目 作 为 创 新 实 验 班 大 学 物 理 实 验 课 程 的 基 础 性 综 合 性 实 验 实 验 内 容 2.2 扩 展 性 实 验 大 学 物 理 实 验 课 程 的 扩 展 性 实 验 包 括 三 部 分 内 容 : 课 堂 选 做 实 验 网 络 虚 拟 仿 真 物 理 实 验 和 学 术 参 观 活 动 课 堂 选 做 实 验 是 根 据 基 础 性 综 合 性 物 理 实 验 项 目 设 计 的 一 些 实 验 题 目 供 学 生 在 完 成 基 础 性 综 合 性 物 理 实 验 项 目 后 选 做 要 求 学 生 在 课 堂 内 完 成, 并 且 单 独 写 一 个 报 告 例 如 在 气 轨 上 的 实 验 --- 动 量 守 恒 定 律 的 验 证 实 验 中 设 计 了 滑 块 的 初 始 速 度 对 动 量 守 恒 定 律 的 验 证 实 验 的 影 响 和 滑 块 的 初 始 外 力 的 方 向 对 动 量 守 恒 定 律 的 验 证 实 验 的 影 响 选 做 实 验 题 目 ; 在 用 拉 伸 法 测 量 钢 丝 的 弹 性 模 量 实 验 中 设 计 了 分 析 改 变 光 杠 杆 的 放 大 倍 数 对 测 量 结 果 的 影 响 和 实 验 中 当 放 置 望 远 镜 的 桌 面 受 到 一 定 外 力 作 用 时, 实 验 结 果 有 何 不 同? 选 做 实 验 题 目 ; 在 刚 体 转 动 惯 量 的 测 定 实 验 中 设 计 了 转 盘 和 绕 线 的 水 平 对 实 验 精 度 有 影 响 吗 和 遮 光 棒 位 置 ( 或 刚 体 初 始 角 速 度 ) 对 实 验 结 果 又 影 响 吗? 选 做 实 验 题 目 等 等 选 做 实 验 主 要 由 学 生 独 立 完 成, 如 果 课 堂 不 能 完 成 且 学 生 有 兴 趣, 可 以 课 后 继 续 做 实 验 选 做 实 验 完 成 后, 要 求 学 生 写 一 份 单 独 实 验 报 告, 报 告 要 求 相 对 简 单, 写 出 实 验 原 理, 列 出 实 验 数 据, 分 析 实 验 数 据 及 误 差, 给 出 实 验 结 论 在 教 学 过 程 中 尽 管 学 生 能 顺 利 甚 至 圆 满 完 成 基 础 性 综 合 性 实 验 的 实 验 内 容, 但 在 实 验 过 程 中 存 在 的 一 些 问 题, 学 生 并 没 有 意 识 到 或 没 有 去 主 动 思 考 通 过 课 堂 选 做 实 验 这 一 环 节, 不 仅 使 学 生 对 所 做 的 基 础 性 综 合 性 实 验 有 了 深 入 了 解, 更 重 要 的 是 培 养 学 生 学 会 思 考 问 题 依 托 近 现 代 物 理 发 展 起 来 的 新 技 术 新 方 法 日 新 月 异 层 出 不 穷, 并 切 在 工 程 领 域 得 到 了 广 泛 应 用, 产 生 了 明 显 经 济 效 益 通 过 物 理 实 验 课 程 使 学 生 了 解 和 掌 握 与 新 技 术 新 方 法 相 关 的 现 代 物 理 原 理 是 十 分 必 要 的 受 学 时 实 验 房 间 和 仪 器 设 备 的 限 制, 学 生 可 做 的 物 理 实 验 项 目 数 是 有 限 的, 特 别 是 工 科 学 生 很 少 接 触 近 现 代 物 理 实 验, 网 络 虚 拟 仿 真 技 术 为 解 决 这 一 问 题 提 供 了 思 路 [8,9] 为 了 扩 展 学 生 的 知 识 面 我 们 开 设 了 网 络 虚 拟 仿 真 物 理 实 验, 虚 拟 仿 真 物 理 实 验 内 容 贴 近 近 代 物 理 如 迈 克 耳 孙 干 涉 仪 光 电 效 应 和 普 朗 克 常 量 的 测 定 GM 计 数 管 的 研 究 γ 能 谱 实 验 喇 曼 光 谱 实 验 透 射 电 子 显 微 镜 法 布 里 - 泊 罗 标 准 具 实 验 动 态 测 量 磁 滞 回 线 等 学 生 从 这 些 实 验 选 做 其 中 的 任 意 两 个 实 验 项 目 同 时 开 发 了 网 络 虚 拟 仿 真 物 理 实 验 管 理 系 统 学 生 完 成 网 络 虚 拟 仿 真 物 理 实 验 过 程 如 下 : 学 生 在 做 虚 拟 仿 真 实 验 前, 必 须 查 阅 相 关 资 料, 熟 悉 该 实 验 的 目 的 原 理 及 操 作 内 容, 书 写 相 关 实 验 的 预 习 报 告 ; 通 过 事 先 预 设, 在 虚 拟 仿 真 系 统 内 设 定 每 个 学 生 完 成 实 验 的 时 间 段, 在 学 生 做 实 验 过 程 中 系 统 自 动 记 录 学 生 实 验 操 作 过 程 和 所 用 时 间, 同 时 记 录 下 实 验 相 关 数 据 学 生 在 电 脑 上 完 成 实 验 操 作 后 须 提 交 其 操 作 过 程 记 录, 存 于 服 务 器 以 备 查 ; 在 实 验 课 结 束 后, 学 生 撰 写 实 验 报 告 并 上 交 ; 通 过 查 看 学 生 提 交 的 实 验 操 作 过 程 内 容 及 上 交 的 实 验 报 告, 给 出 虚 拟 仿 真 实 验 的 最 终 成 绩 2.3 设 计 性 物 理 实 验 设 计 性 物 理 实 验 与 基 础 性 综 合 性 实 验 不 同, 是 在 学 生 掌 握 了 部 分 基 础 性 实 验 具 备 了 一 定 的 实 验 基 础 知 识 和 实 验 能 力 之 后 进 行 的 一 种 教 学 实 践 活 动, 重 点 在 于 培 养 学 生 的 实 验 设 计 能 力 实 践 探 索 精 神 针 对 现 有 设 计 性 物 理 实 验 存 在 问 题, 我 们 建 设 了 专 门 的 设 计 性 物 理 63
实 验 室, 提 出 一 种 全 新 设 计 性 实 验 教 学 模 式, 面 向 创 新 班 开 设 设 计 性 物 理 实 验 课 设 计 性 物 理 实 验 教 学 内 容 由 8 个 不 同 设 计 性 物 理 实 验 组 成 设 计 性 物 理 实 验 室 为 每 个 实 验 提 供 设 计 性 物 理 实 验 任 务 书, 设 计 性 物 理 实 验 任 务 书 包 括 实 验 名 称 任 务 仪 器 和 必 要 文 献, 学 生 根 据 任 务 书 进 行 文 献 阅 读, 撰 写 实 验 方 案 ( 包 括 实 验 原 理 实 验 内 容 和 实 验 步 骤 ), 实 验 方 案 通 过 教 师 审 核 后 方 可 实 验, 实 验 完 成 后 要 对 实 验 方 案 进 行 修 订, 两 次 实 验 方 案 作 为 考 核 的 重 点 同 一 课 堂 每 组 学 生 的 设 计 性 实 验 题 目 不 重 复, 每 次 课 学 生 随 机 抽 取 实 验 题 目 学 生 在 课 堂 未 能 完 成 实 验, 可 在 课 后 其 它 时 间 补 做 2.4 应 用 性 物 理 实 验 通 过 将 工 程 光 学 实 验 内 容 引 入 创 新 班 大 学 物 理 实 验 教 学, 建 成 由 16 个 实 验 项 目 构 成 的 应 用 性 物 理 实 验 内 容, 每 名 学 生 选 作 为 其 中 2 个 实 验, 共 计 6 个 学 时 这 些 实 验 体 现 光 学 技 术 在 工 程 中 应 用, 例 如 激 光 位 移 计 CCD 的 工 作 原 理 与 应 用 激 光 散 斑 测 量 横 向 微 小 位 移 温 度 场 测 量 光 纤 传 感 器 测 容 器 压 强 用 光 纤 位 移 传 感 器 测 定 材 料 的 杨 氏 模 量 等 我 们 将 工 程 光 学 实 验 作 为 应 用 性 物 理 实 验 内 容 引 入 大 学 物 理 实 验 教 学 为 解 决 目 前 在 物 理 实 验 教 学 过 程 中 存 在 的 体 现 物 理 原 理 技 术 和 方 法 在 实 际 中 应 用 弱 的 问 题 提 供 了 一 条 思 路 2.5 研 究 性 物 理 实 验 研 究 性 实 验 是 指 : 组 织 若 干 个 围 绕 基 础 物 理 实 验 的 课 题, 由 学 生 以 个 体 或 团 队 的 形 式, 以 科 研 方 式 进 行 的 实 验 研 究 性 实 验 的 目 的 是 使 学 生 了 解 科 学 实 验 的 全 过 程 逐 步 掌 握 科 学 思 想 和 科 学 方 法, 培 养 学 生 独 立 实 验 的 能 力 和 运 用 所 学 知 识 解 决 给 定 问 题 的 能 力 ( 摘 自 2004 年 教 育 部 高 等 学 校 非 物 理 类 物 理 基 础 课 程 教 学 指 导 分 委 员 会 颁 发 了 非 物 理 类 理 工 学 科 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 基 本 要 求 ) 当 前, 面 向 工 科 学 生 开 设 研 究 性 物 理 实 验 需 要 研 究 和 探 索 以 下 问 题 [10-12] 研 究 性 物 理 实 验 教 学 是 一 种 教 学 活 动 又 是 一 种 科 学 研 究 模 拟 活 动, 研 究 性 物 理 实 验 教 学 的 教 学 管 理 体 制 和 运 行 模 式 如 何, 即 实 施 研 究 性 教 学 如 何 才 能 做 到 既 要 体 现 创 新 教 育 所 倡 导 的 探 究 性 原 则 开 放 性 原 则 和 独 立 性 原 则, 也 要 有 规 范 的 教 学 管 理 制 度 来 保 证 质 量 现 有 大 学 物 理 实 验 课 程 的 物 理 实 验 条 件 能 否 满 足 研 究 性 物 理 实 验 教 学 要 求 ; 如 果 不 满 足, 如 何 建 设 适 合 工 科 学 生 进 行 研 究 性 物 理 实 验 教 学 的 实 验 条 件 如 何 解 决 工 科 学 生 物 理 基 础 弱 的 问 题, 工 科 学 生 只 是 通 过 大 学 物 理 课 程 和 大 学 物 理 实 验 课 程 系 统 学 习 物 理 理 论 知 识 和 实 验 技 术, 对 于 那 些 偏 重 物 理 问 题 的 研 究 性 实 验 项 目, 由 于 基 础 弱 完 成 有 难 度, 学 生 兴 趣 不 高 大 学 物 理 实 验 课 是 工 科 院 校 本 科 生 公 共 基 础 课, 它 的 定 位 在 于 为 专 业 学 习 打 基 础, 研 究 性 物 理 实 验 教 学 内 容 如 何 结 合 学 生 专 业 背 景 体 现 物 理 学 原 理 和 方 法 在 解 决 专 业 问 题 上 应 用 针 对 上 述 一 系 列 问 题, 我 们 提 出 了 以 专 题 物 理 技 术 学 习 和 应 用 为 核 心 结 合 学 生 专 业 背 景 体 现 物 理 学 原 理 和 方 法 在 解 决 专 业 问 题 上 应 用 来 开 展 研 究 性 教 学 的 思 路, 提 出 了 建 设 研 究 性 物 理 实 验 教 学 仪 器 平 台 的 解 决 方 案 研 究 性 物 理 实 验 教 学 仪 器 平 台 由 仪 器 系 统 和 通 用 工 具 类 仪 器 组 成 仪 器 系 统 能 开 出 涉 及 某 一 物 理 技 术 的 多 项 研 究 性 实 验, 研 究 性 物 理 实 验 教 学 仪 器 平 台 具 备 二 次 开 发 条 件, 即 通 过 适 当 改 换 样 品 增 减 附 件 就 可 以 开 发 出 新 的 研 究 性 实 验 项 目 ; 通 用 工 具 类 仪 器 的 精 度 和 技 术 水 平 达 到 和 接 近 科 研 要 求 开 设 的 研 究 性 实 验, 包 括 物 理 技 术 基 本 物 理 学 习 物 理 技 术 常 用 仪 器 工 作 原 理 及 性 能 的 研 究 性 和 物 理 技 术 结 合 专 业 应 用 的 研 究 性 实 验 实 验 项 目 既 要 使 学 生 能 系 统 学 习 物 理 技 术, 又 要 能 与 专 业 相 联 系, 体 现 物 理 技 术 在 解 决 专 业 问 题 上 的 应 用 ; 实 验 内 容 要 能 充 分 锻 炼 学 生 的 动 手 能 力 ( 如 调 节 光 路 加 工 样 品 制 作 电 路 等 ), 要 为 学 生 独 立 地 进 行 实 验 设 计 留 出 足 够 空 间, 研 究 性 实 验 不 能 只 是 调 节 仪 器 记 录 数 据 写 实 验 报 告 这 样 一 个 过 程 从 2007 年 用 近 两 年 时 间 建 设 完 成 了 由 若 干 个 研 究 性 物 理 实 验 教 学 仪 器 平 台 构 成 的 物 理 创 新 实 验 室 2010 年 编 写 出 版 了 研 究 性 物 理 实 验, 该 教 材 被 列 入 石 油 高 等 教 育 十 一 五 规 划 教 材, 是 我 校 第 一 部 面 向 研 究 性 教 学 的 教 材 ; 并 向 10 11 级 创 新 班 开 出 研 究 性 物 理 实 验 课 程 同 时, 通 过 制 订 了 详 细 可 行 的 研 究 性 物 理 实 验 课 程 教 学 组 织 和 管 理 64
制 度 来 保 证 教 学 质 量, 如 下 : 研 究 性 物 理 实 验 课 程 教 学 组 织 制 度 : 物 理 创 新 实 验 室 对 学 生 全 天 开 放, 学 生 自 己 选 择 实 验 时 间, 以 学 生 独 立 完 成 实 验 为 主, 教 师 指 导 为 辅 ; 学 生 首 先 通 过 阅 读 讲 义 独 立 完 成 基 础 型 研 究 性 实 验, 写 出 实 验 报 告 ; 教 师 提 供 应 用 型 研 究 性 性 实 验 题 目 或 学 生 自 拟 题 目 ; 调 研 写 出 开 题 报 告 ; 开 题 报 告 约 2000 字, 内 容 包 括 文 献 综 述 研 究 意 义 实 施 方 案 和 参 考 文 献 教 师 审 阅 开 题 报 告 提 出 修 改 建 议, 开 题 报 告 通 过 后, 学 生 开 始 实 验 ; 学 生 完 成 项 目 后 要 写 出 研 究 报 告 或 撰 写 科 技 论 文 ; 最 后 指 导 教 师 对 学 生 的 科 研 能 力 进 行 综 合 评 价 同 时 要 求 学 生 写 出 课 程 小 结 研 究 性 物 理 实 验 课 程 教 学 管 理 制 度 : 管 理 制 度 应 涉 及 以 下 几 个 方 面 规 定 完 成 课 程 时 间 6 8 周, 对 学 生 完 成 研 究 性 物 理 实 验 课 程 阶 段 内 容 有 时 间 上 和 质 量 上 的 要 求, 达 不 到 要 求 的 教 师 可 终 止 学 生 该 课 程 学 习 : 学 生 定 期 向 指 导 教 师 汇 报 课 程 进 展 ; 学 生 要 写 工 作 日 志, 特 别 要 求 学 生 要 记 录 在 实 验 过 程 中 遇 到 问 题 以 及 如 何 解 决 问 题 的 ; 规 定 课 程 考 核 方 式, 教 师 根 据 文 献 调 研 和 外 文 应 用 能 力 方 案 设 计 与 实 验 技 能 分 析 和 解 决 问 题 能 力 科 研 报 告 或 论 文 质 量 工 作 态 度 团 队 精 神 和 成 果 七 个 方 面 对 学 生 的 科 研 能 力 进 行 综 合 评 价, 给 出 评 分, 写 出 评 语 这 种 以 专 题 物 理 技 术 学 习 和 应 用 为 核 心 结 合 学 生 专 业 背 景 体 现 物 理 学 原 理 和 方 法 在 解 决 专 业 问 题 上 应 用 来 开 展 研 究 性 教 学 的 思 路 具 有 创 新 性, 其 理 论 研 究 和 实 践 工 作 为 工 科 院 校 开 展 研 究 性 物 理 实 验 教 学 开 辟 一 条 新 路 研 究 性 物 理 实 验 也 是 我 校 面 向 本 科 生 正 式 开 设 的 第 一 门 研 究 性 课 程 ; 研 究 性 物 理 实 验 课 程 规 划 和 管 理 制 度 设 计 充 分 体 现 了 实 施 创 新 教 育 要 遵 循 的 主 体 性 原 则 个 性 化 原 则 探 究 性 原 则 民 主 性 原 则 和 实 践 性 原 则, 为 科 学 化 制 度 化 开 展 研 究 性 教 学, 建 立 创 新 教 育 模 式 提 供 了 可 以 借 鉴 的 思 路 3 结 语 大 学 物 理 实 验 课 程 是 高 校 理 工 专 业 都 要 开 设 的 公 共 基 础 实 验 课 是 大 学 生 科 学 素 质 教 育 和 实 践 能 力 培 养 的 一 个 极 重 要 环 节, 在 培 养 创 新 人 才 的 发 挥 着 重 要 作 用 本 文 介 绍 了 我 校 针 对 创 新 班 学 生 的 特 点 及 人 才 培 养 要 求 构 建 创 新 班 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 体 系 的 一 些 做 法 这 些 做 法 收 到 了 很 好 教 学 效 果, 创 新 班 学 生 的 创 新 意 识, 创 新 思 维 和 创 新 能 力 得 到 了 培 养, 实 践 能 力 得 到 进 一 步 提 高 2013 年 12 月 我 校 物 理 教 学 示 范 中 心 以 优 异 成 绩 通 过 北 京 市 高 等 学 校 实 验 教 学 示 范 中 心 验 收, 评 审 专 家 对 我 校 构 建 创 新 班 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 体 系 的 探 索 与 实 践 工 作 给 予 高 度 评 价 2014 年 3 月 我 校 大 学 物 理 实 验 教 学 团 队 被 中 国 石 油 大 学 ( 北 京 ) 批 准 为 首 批 校 级 优 秀 教 学 团 队 建 设 单 位 参 考 文 献 : [1] 覃 焕 昌, 周 秀 苗 高 等 教 育 大 众 化 背 景 下 精 英 教 育 课 程 改 革 的 思 考 [J] 高 教 论 坛, 2009,11(1): 67-69 [2] 潘 懋 元 大 众 化 阶 段 的 精 英 教 育 [J] 高 等 教 育 研 究,2003,24 (6):1-5 [3] 张 锐 波 新 世 纪 大 学 物 理 实 验 培 养 综 合 性 人 才 途 径 的 探 讨 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2011, 29(5): 168-171 [4] 孙 腊 珍, 张 增 明 以 培 养 学 生 能 力 为 核 心, 建 立 多 层 次 实 验 课 程 体 系 和 多 元 化 教 学 模 式 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2012,29(4): 1-2 [5] 胡 成 华, 史 玲 娜 大 学 物 理 实 验 教 学 创 新 模 式 的 探 索 与 实 践 [J] 物 理 与 工 程,2012,22(1): 44-46 [6] 赵 艳 艳 大 学 物 理 实 验 教 学 现 状 及 改 进 措 施 研 究 [J] 高 校 实 验 室 工 作 研 究,2011,109(3): 34-36 65
[7] 高 英 俊, 邓 文, 吴 伟 明 大 学 物 理 实 验 新 体 系 的 构 建 与 实 践 [J] 广 西 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),2007,32( 增 刊 ):370-372 [8] 荣 振 宇, 邵 明 辉, 童 艳 荣, 等 基 于 网 络 的 大 学 物 理 实 验 自 主 学 习 与 评 价 平 台 的 建 设 [J] 高 校 实 验 室 工 作 研 究,2012,111(1): 56-57 [9] 邢 红 宏, 梁 承 红, 柳 叶 网 络 课 程 在 大 学 物 理 实 验 教 学 中 的 应 用 探 索 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2011,28(10): 127-129 [10] 孙 维 民, 赵 丽 军, 赵 褰, 等 开 设 研 究 性 与 创 新 性 实 验 提 高 学 生 创 新 能 力 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2012,31(7): 124-126 [11] 董 有 尔, 郜 江 瑞, 王 彦 华, 等 四 种 教 学 模 式 连 动, 全 过 程 开 展 研 究 性 物 理 实 验 教 学 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2012,29(5): 6-9 [12] 陈 水 桥, 李 海 洋, 陈 洪 山, 等 多 元 化 物 理 课 题 实 验 课 程 的 建 设 和 探 讨 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索 2011,30(12):118-121 66
加 强 制 度 建 设 保 障 实 验 教 学 质 量 冯 金 波, 王 爱 军, 张 国 林, 唐 军 杰, 刘 淑 霞, 刘 卫 红, 杨 振 清, 赵 卉 ( 中 国 石 油 大 学 ( 北 京 ) 理 学 院 物 理 系, 北 京 102249) 摘 要 : 本 文 介 绍 了 我 校 物 理 实 验 教 学 中 心 建 设 和 实 践 一 种 常 态 化 实 验 教 学 动 态 质 量 监 控 体 制 的 情 况 关 键 词 : 实 验 教 学 ; 制 度 建 设 ; 动 态 质 量 监 控 1 引 言 众 所 周 知, 公 共 实 验 课 的 教 学 工 作 涉 及 部 门 多 人 员 杂 教 学 环 节 多 上 课 教 师 人 数 多 上 课 时 间 灵 活 有 些 还 实 行 开 放 教 学, 因 此 加 强 教 学 与 实 验 室 的 管 理 是 保 证 实 验 教 学 质 量 的 根 本 [1-5] 但 是, 长 期 以 来 我 国 高 校 在 实 验 教 学 工 作 方 面 普 遍 存 在 的 一 个 问 题, 就 是 虽 然 有 各 级 部 门 的 教 学 评 估, 由 于 评 估 周 期 过 长 (5 年 左 右 ), 对 于 实 验 教 学 工 作 的 及 时 了 解 和 评 估 事 实 上 是 滞 后 的 因 此, 我 们 提 出 通 过 制 度 建 设 和 制 度 创 新, 针 对 实 验 教 学 的 各 个 环 节, 创 建 一 个 常 态 化 的 实 验 教 学 动 态 质 量 监 控 体 制 2 常 态 化 的 实 验 教 学 动 态 质 量 监 控 体 制 2.1 实 行 按 实 验 教 学 的 环 节 进 行 监 控 的 模 式 传 统 的 实 验 教 学 管 理 制 度 大 都 是 针 对 人 财 物 ( 设 备 ) 信 息 ( 课 程 ) 来 制 定 的, 这 是 一 个 比 较 全 面 宏 观 静 态 的 管 理 模 式 可 是 实 验 教 学 过 程 是 一 个 由 多 个 环 节 构 成 的 动 态 过 程, 因 此 需 要 从 实 验 教 学 的 各 个 环 节 入 手 建 立 一 种 实 时 的 动 态 的 管 理 和 监 控 体 制 2.2 通 过 档 案 管 理 制 度 规 范 和 记 录 各 个 环 节 的 教 学 行 为 教 学 活 动 有 两 个 主 体 : 教 师 和 学 生 下 面 分 两 条 线, 从 实 验 教 学 所 涉 及 的 各 个 环 节 展 开 介 绍 第 一, 针 对 教 师 教 1) 实 验 仪 器 设 备 的 购 置 和 开 发 制 订 了 新 增 实 验 项 目 审 批 制 度, 规 定 新 增 任 何 一 个 实 验 项 目 都 必 须 经 过 申 请 审 批 执 行 和 验 收 这 几 个 过 程 制 订 了 物 理 实 验 教 学 中 心 经 费 申 请 和 使 用 制 度, 为 积 极 开 发 新 实 验 项 目 或 新 实 验 内 容 的 教 师 提 供 资 助 2) 实 验 技 术 人 员 准 备 实 验 项 目 制 订 了 实 验 技 术 人 员 日 常 工 作 基 本 要 求, 要 求 实 验 技 术 人 员 在 开 课 前 准 备 好 实 验 器 材, 并 填 写 < 大 学 物 理 实 验 > 课 前 实 验 项 目 准 备 情 况 统 计 和 物 品 购 买 申 请 表 3) 教 师 预 做 集 体 备 课 制 订 了 < 大 学 物 理 实 验 > 课 程 任 课 教 师 的 教 学 基 本 要 求, 把 教 师 分 成 若 干 教 学 小 组 进 行 预 做 和 集 体 备 课, 并 填 写 集 体 备 课 记 录 表 ; 此 外, 还 要 求 教 师 的 教 案 实 验 报 告 等 教 学 文 件 存 档 4) 教 师 展 开 实 验 教 学 要 求 教 师 按 集 体 备 课 的 成 果 展 开 实 验 教 学, 在 课 堂 上 使 用 实 验 操 作 评 分 标 准 表, 并 作 者 简 介 : 冯 金 波 (1976 ), 男, 新 疆 石 河 子 人, 中 国 石 油 大 学 ( 北 京 ) 理 学 院 物 理 系 讲 师, 硕 士, 从 事 大 学 物 理 实 验 及 大 学 物 理 的 教 学 工 作 67
填 写 课 堂 教 学 记 录 表 ( 该 表 供 实 验 技 术 人 员 查 看 ) 下 面 以 用 分 光 计 测 单 色 光 波 长 的 实 验 项 目 为 例 ( 表 1), 介 绍 一 下 实 验 操 作 评 分 标 准 表 的 使 用 表 1 实 验 操 作 评 分 标 准 实 验 项 目 用 评 分 指 标 预 习 ( 预 习 报 告 课 堂 提 问 等 ) 分 光 计 测 单 色 光 波 长 基 本 要 求 特 定 检 查 点 其 它 仪 器 使 用 ( 规 范 熟 练 等 ) 数 据 测 量 ( 读 取 有 效 位 数 单 位 等 ) 仪 器 归 位 ( 开 关 旋 钮 位 置 等 ) 望 远 镜 调 节 ( 目 镜 光 轴 方 向 ) 平 行 光 管 调 节 ( 狭 缝, 光 轴 方 向 ) 光 栅 平 面 垂 直 于 平 行 光 管 光 轴 衍 射 角 的 测 量 实 验 中 意 外 情 况 的 处 理 能 力 创 造 性 的 意 见 建 议 表 1 中 的 基 本 要 求 是 适 用 于 所 有 实 验 项 目 的 通 用 指 标, 用 以 引 导 学 生 养 成 一 个 良 好 的 实 验 习 惯 表 中 的 特 定 检 查 点, 是 学 生 完 成 后 必 须 主 动 请 老 师 检 查 的 实 验 内 容, 实 际 上 是 完 成 整 个 实 验 操 作 所 必 须 经 历 的 一 个 个 阶 段 性 目 标 表 中 的 其 它 是 对 学 生 解 决 问 题 能 力 和 创 新 能 力 的 鼓 励 5) 实 验 仪 器 设 备 的 日 常 维 护 制 订 了 实 验 用 品 管 理 制 度, 把 仪 器 设 备 保 管 品 和 耗 材 分 类 放 置, 统 一 管 理, 并 实 行 领 用 登 记 制 度 ( 即 实 验 技 术 人 员 按 需 要 向 管 理 人 员 领 用 并 登 记 ), 实 现 了 对 每 一 个 实 验 用 品 从 购 入 到 报 废 整 个 过 程 的 监 管 此 外, 还 要 求 实 验 技 术 人 员 每 天 与 任 课 教 师 沟 通, 了 解 学 生 使 用 仪 器 的 情 况, 查 看 任 课 教 师 填 写 的 课 堂 教 学 记 录 表, 并 填 写 实 验 技 术 人 员 工 作 日 志 第 二, 针 对 学 生 学 1) 预 习 制 订 了 < 大 学 物 理 实 验 > 课 程 的 教 学 程 序 及 基 本 要 求, 要 求 学 生 在 上 实 验 课 之 前, 必 须 先 预 习, 并 完 成 由 实 验 教 学 中 心 编 制 的 预 习 报 告, 上 课 时 由 教 师 检 查 2) 考 勤 和 使 用 实 验 室 实 验 教 学 中 心 执 行 严 格 的 考 勤 制 度, 明 确 告 知 学 生 迟 到 和 旷 课 的 后 果 制 订 了 学 生 使 用 大 学 物 理 实 验 室 的 管 理 规 定, 规 范 学 生 使 用 实 验 室 和 实 验 仪 器 的 行 为 3) 进 行 实 验 操 作 学 生 按 实 验 操 作 评 分 标 准 表 的 要 求, 独 立 完 成 每 一 个 实 验 内 容, 并 接 受 教 师 的 检 查 该 表 只 设 定 了 实 验 操 作 的 阶 段 性 目 标, 而 并 没 有 规 定 实 现 这 些 目 标 的 手 段, 从 而 给 了 学 生 较 68
大 的 自 主 权, 贯 彻 了 由 教 师 组 织 和 引 导 的 学 生 自 主 学 习 的 教 学 模 式 学 生 测 得 实 验 数 据 后, 必 须 接 受 教 师 的 检 查, 并 由 教 师 签 字 4) 整 理 仪 器 和 清 扫 实 验 室 学 生 在 完 成 实 验 操 作 后, 必 须 整 理 仪 器, 并 填 写 仪 器 使 用 情 况 记 录 表 每 次 最 后 做 完 实 验 的 两 个 同 学 负 责 清 扫 实 验 室 5) 书 写 实 验 报 告 每 次 完 成 实 验 后, 学 生 必 须 按 实 验 报 告 评 分 标 准 的 要 求 完 成 实 验 报 告 的 书 写 6) 成 绩 评 定 学 生 最 终 的 成 绩 由 3 个 部 分 按 一 定 比 例 组 成 这 3 个 部 分 是 : 实 验 操 作 成 绩 ( 依 据 实 验 操 作 评 分 标 准 表 给 出 ), 报 告 成 绩 ( 依 据 报 告 评 分 标 准 给 出 ), 绪 论 课 考 试 成 绩 2.3 通 过 实 验 教 学 督 导 制 度 实 时 监 控 各 个 环 节 的 教 学 行 为 为 此, 做 了 两 方 面 的 工 作 : 第 一, 实 行 物 理 实 验 教 学 中 心 周 例 会 制 度, 参 加 者 有 实 验 教 学 中 心 的 正 副 主 任 实 验 课 程 的 负 责 人 全 体 实 验 技 术 人 员 和 部 分 实 验 课 教 师, 通 过 每 周 的 例 会 及 时 反 馈 和 纠 正 实 验 教 学 中 出 现 的 各 类 问 题 第 二, 成 立 实 验 教 学 督 导 小 组, 小 组 成 员 包 括 : 实 验 教 学 中 心 的 正 副 主 任 实 验 课 程 的 负 责 人 和 两 名 有 教 授 职 称 的 任 课 教 师 该 小 组 每 学 期 定 期 和 不 定 期 地 开 展 教 学 活 动, 实 时 监 控 实 验 教 学 的 各 个 环 节 主 要 职 责 包 括 :(1) 指 导 和 监 督 实 验 仪 器 设 备 的 选 择 开 发 和 更 新 等 工 作 ;(2) 每 学 期 抽 查 1~2 次 全 部 实 验 技 术 人 员 的 仪 器 准 备 情 况, 给 出 量 化 评 价 结 果 ; (3) 指 导 和 监 督 实 验 教 学 活 动 的 开 展 情 况, 如, 参 加 各 教 学 小 组 的 集 体 备 课 ; 每 学 期 随 机 听 取 部 分 任 课 教 师 的 授 课, 并 反 馈 听 课 结 果 ;(4) 定 期 向 学 生 发 放 问 卷, 调 查 学 生 的 学 习 情 况 3 结 论 中 国 石 油 大 学 ( 北 京 ) 的 大 学 物 理 实 验 教 学, 自 从 2011 年 加 强 制 度 建 设 以 来, 已 经 取 得 了 多 方 面 的 显 著 成 效 首 先, 所 有 的 教 师 都 感 觉 到, 无 论 学 生 们 的 实 验 习 惯, 还 是 自 主 学 习 能 力 动 手 能 力 都 比 此 前 有 较 大 的 提 高 ; 近 三 年 仪 器 损 坏 率 也 呈 逐 年 降 低 趋 势 ;2014 年 5 月, 我 们 随 机 抽 取 260 名 已 学 完 本 课 程 的 学 生 进 行 问 卷 调 查, 有 77% 的 学 生 认 为 学 习 大 学 物 理 实 验 课 程 有 助 于 其 形 成 自 主 学 习 的 习 惯, 这 为 其 日 后 进 一 步 的 学 习 和 工 作 奠 定 了 良 好 的 基 础 其 次, 通 过 制 度 建 设 提 升 了 我 校 物 理 实 验 教 学 中 心 的 整 体 管 理 水 平,2013 年 12 月 5 日, 北 京 市 高 等 学 校 实 验 教 学 示 范 中 心 验 收 时, 评 审 专 家 对 我 们 的 制 度 建 设 工 作 给 予 了 高 度 评 价 ;2014 年 3 月 7 日, 大 学 物 理 实 验 教 学 团 队 入 选 我 校 首 批 校 级 优 秀 教 学 团 队 参 考 文 献 : [1] 熊 永 红 工 科 物 理 实 验 教 学 改 革 的 实 践 与 探 索 [J] 物 理 实 验,2005,25(2):28-30 [2] 周 合 兵 构 建 实 验 教 学 质 量 保 障 体 系 的 实 践 与 探 索 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2006,25(6): 713-716 [3] 罗 梅 娟 对 构 建 高 校 实 践 教 学 质 量 监 控 机 制 的 思 考 [J] 北 京 邮 电 大 学 学 报 ( 社 会 科 学 版 ), 2008,10(4):71-74 [4] 陈 立 君 高 校 实 验 教 学 质 量 监 控 体 系 的 探 索 与 实 践 [J] 实 验 室 科 学,2009(3):52-54 [5] 韩 春 田 高 等 院 校 实 验 室 建 设 与 管 理 工 作 的 探 讨 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2011,28(8): 189-191 69
Strengthen the system construction and improve the quality of Experiment Teaching FENG Jin-bo, WANG Ai-jun, ZHANG Guo-lin, TANG Jun-jie, LIU Shu-xia, LIU Wei-hong, YANG Zhen-qing, ZHAO Hui (Department of Physics, College of Science, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China) Abstract: This paper presents a dynamic experimental teaching quality monitoring system, it is by our school physics experiment teaching center created and carried out the practice. Key words: Experiment Teaching; Management system construction; Dynamic quality monitoring 70
量 子 信 息 前 沿 实 验 课 程 设 计 陈 凯, 刘 乃 乐 ( 中 国 科 学 技 术 大 学, 安 徽 合 肥 230027) 摘 要 : 中 国 科 学 技 术 大 学 将 近 年 来 发 展 成 熟 的 量 子 信 息 技 术 和 著 名 的 实 验 方 案 融 入 研 究 生 和 高 年 级 本 科 生 的 实 验 教 学 中, 设 计 开 展 了 小 型 纠 缠 源 实 验 系 统 BB84 量 子 密 钥 分 发 实 验 系 统 B92 量 子 密 钥 分 发 实 验 系 统 单 光 子 干 涉 和 双 光 子 干 涉 实 验 系 统 量 子 成 像 实 验 系 统 等 一 系 列 国 内 首 创 的 新 型 实 验 课 程 关 键 字 : 量 子 信 息 ; 高 年 级 本 科 生 ; 纠 缠 源 ; 量 子 保 密 通 信 ; 双 光 子 干 涉 ; 量 子 成 像 当 前 在 国 际 上, 量 子 信 息 技 术 理 论 和 实 验 研 究 是 一 个 成 果 频 出 的 前 沿 热 点 领 域 近 年 来, 中 国 科 学 技 术 大 学 微 尺 度 物 质 科 学 国 家 实 验 室 量 子 物 理 与 量 子 信 息 研 究 部 在 开 展 量 子 信 息 科 技 前 沿 研 究 的 同 时, 也 重 视 将 近 年 来 发 展 成 熟 的 量 子 信 息 技 术 和 著 名 的 实 验 方 案 融 入 研 究 生 和 高 年 级 本 科 生 的 实 验 教 学 本 研 究 部 研 制 了 小 型 纠 缠 源 实 验 系 统 BB84 量 子 密 钥 分 发 实 验 系 统 B92 量 子 密 钥 分 发 实 验 系 统 单 光 子 干 涉 和 双 光 子 干 涉 实 验 系 统 量 子 成 像 实 验 系 统 等 一 批 国 内 首 创 独 具 特 色 的 教 学 仪 器 设 备, 并 编 制 了 相 关 的 实 验 手 册 在 此 基 础 上, 2013 年 上 半 年, 我 校 投 入 300 万 元 重 点 建 设 了 国 内 高 校 首 个 量 子 信 息 教 学 创 新 示 范 实 验 室, 并 开 设 了 本 科 5 级 实 验 课 程 纠 缠 源 的 产 生 与 应 用 量 子 保 密 通 信 实 验 光 子 干 涉 实 验 和 量 子 成 像 技 术 我 们 在 2013 年 下 半 学 期 主 讲 了 本 科 5 级 实 验 课 程 纠 缠 源 的 产 生 与 应 用 和 量 子 保 密 通 信 实 验 本 课 程 得 到 了 校 教 务 处 和 物 理 实 验 教 学 中 心 的 大 力 支 持 实 验 学 生 超 过 130 人 次 ( 由 于 是 第 一 次 开 课, 做 了 人 数 限 制, 以 后 有 了 很 好 的 教 学 经 验 后 可 以 扩 大 规 模 ) 实 际 实 验 过 程 中, 还 有 很 多 未 能 同 时 选 上 这 两 个 实 验 的 同 学 还 要 求 继 续 做 另 一 个 未 能 选 上 的 实 验 我 们 在 教 学 条 件 允 许 的 情 况 下, 还 尽 量 给 予 了 满 足 学 生 们 做 完 实 验 后 反 响 非 常 好, 表 示 学 校 应 该 继 续 开 设 相 关 课 程 可 以 说 我 们 圆 满 完 成 了 实 验 教 学 任 务, 达 到 了 预 期 目 标 两 个 量 子 信 息 实 验 的 设 立 和 运 行 得 到 了 校 教 务 处 和 物 理 实 验 教 学 中 心 的 大 力 支 持 我 们 会 同 物 理 实 验 教 学 中 心 完 成 了 实 验 室 建 设 实 验 仪 器 采 购 和 相 关 教 学 设 施 的 配 套 按 照 学 校 实 验 教 学 要 求, 我 们 进 行 了 理 论 课 的 教 学, 实 验 教 学 讲 义 的 编 写, 实 验 内 容 的 设 计 等 我 们 还 自 行 设 计 了 实 验 室 的 宣 传 展 板, 提 前 进 行 了 实 验 室 相 关 仪 器 设 备 的 操 作 运 行 和 调 试 维 护 该 课 程 自 开 课 以 来 学 生 反 应 普 遍 较 好 学 生 们 踊 跃 参 与, 给 予 了 很 好 的 评 价 以 下 是 部 分 同 学 做 完 实 验 后 的 评 价 感 想 和 体 会 : 通 过 实 验 真 实 体 会 到 了 量 子 通 信 的 优 越 性 及 技 术 实 现 上 的 精 巧 深 刻 感 受 到 了 量 子 力 学 的 神 奇 与 魅 力! 我 们 的 思 维 不 能 受 直 观 经 验 的 约 束, 在 做 物 理 研 究 的 时 候 要 更 多 的 使 用 逻 辑 推 理 的 力 量! 量 子 纠 缠 很 神 奇, 而 且 确 实 存 在! 量 子 信 息 是 完 全 不 同 于 经 典 世 界 的 全 新 领 域 感 受 到 了 量 子 力 学 的 神 奇 与 精 确 的 预 言 觉 得 量 子 纠 缠 现 象 很 神 奇, 对 一 边 的 影 响 能 立 即 对 另 一 纠 缠 光 子 发 生 影 响, 这 种 性 质 十 分 奇 特! 量 子 力 学 的 现 象 可 以 通 过 巧 妙 的 实 验 观 测 证 实 71
纠 缠 态 果 然 不 愧 为 量 子 效 应 最 明 显, 最 能 区 别 于 经 典 的 现 象 量 子 通 信 很 有 前 途, 希 望 能 尽 快 看 到 它 投 入 广 泛 使 用 的 一 天! 本 实 验 让 我 认 识 到 了 量 子 通 信 的 保 密 性 和 可 行 性, 解 决 了 心 中 的 诸 多 困 惑! 实 验 需 要 耐 心 细 心, 操 作 应 当 规 范 出 现 问 题 要 先 独 立 思 考, 检 查 光 路 发 现 错 误 并 及 时 改 正, 而 且 要 注 意 与 队 友 合 作 本 实 验 操 作 看 似 十 分 简 单, 但 是 却 充 满 玄 机 实 验 的 设 计 也 十 分 巧 妙, 很 有 新 意 作 为 世 界 上 首 批 应 用 量 子 加 密 方 法 加 密 传 送 图 片 的 同 学 来 说, 感 觉 很 不 错, 谢 谢 各 位 老 师! 第 一 次 在 实 验 中 亲 手 实 现 了 量 子 保 密 通 信, 感 受 到 了 量 子 实 验 的 神 奇, 看 似 复 杂 的 原 理 实 际 并 不 复 杂, 物 理 原 理 很 明 晰 该 实 验 让 我 们 亲 身 体 验 到 在 微 观 体 系 中, 量 子 叠 加 性 是 自 然 存 在 的 量 子 实 验 总 可 以 使 人 深 思, 体 会 其 奇 妙 之 处 第 一 次 做 量 子 实 验, 真 切 的 感 受 到 了 量 子 理 论 用 于 实 验, 解 释 实 验 结 果, 更 相 信 量 子 力 学 扩 大 实 验 室 规 模, 让 更 多 的 人 感 受 到 这 一 点 本 实 验 中 操 作 简 便, 却 充 分 展 示 了 量 子 通 信 的 高 度 保 密 性 上 的 巨 大 优 势, 因 而 其 在 将 来 的 应 用 前 景 也 是 不 可 限 量 的! 今 后, 我 们 会 持 续 地 将 影 响 重 大 的 前 沿 科 研 实 验 引 入 到 研 究 生 和 高 年 级 本 科 生 的 实 验 教 学 中, 为 更 好 更 快 地 培 养 高 级 科 研 人 才 做 贡 献 观 察 结 果 72
动 手 调 试 理 论 讲 解 73
教 学 示 范 Quantum information frontier experiment curriculum design CHEN Kai, LIU Nai-le (University of science and technology of China, 230027, China) Abstract: University of science and technology of China in recent years transform famous experiment scheme of quantum information into graduate and senior undergraduate experimental teaching, and design a series of new type experimental course including small entanglement source experiment system, BB84 quantum key distribution system, B92 quantum key distribution experiment system, single photon interference and two-photon interference experiment system, quantum imaging experiment system, etc Key words: quantum information; Senior undergraduate; entangled photon source; quantum secret communication; Quantum imaging; two-photon interference 74
军 校 大 学 物 理 实 验 教 学 改 革 探 索 林 上 金, 胡 澄 ( 解 放 军 理 工 大 学 理 学 院, 江 苏 南 京 211101) 摘 要 : 针 对 军 校 当 前 大 学 物 理 实 验 教 学 的 突 出 矛 盾, 探 索 与 三 性 实 验 的 特 点 相 应 的 实 验 教 学 模 式, 采 用 多 种 模 式 连 动 的 差 异 化 教 学 模 式, 发 挥 各 种 模 式 的 优 势, 体 现 综 合 效 能 以 实 验 学 案 的 问 题 牵 引 学 员 进 行 实 验 全 过 程, 引 导 学 员 学 习 实 验 的 三 基, 培 养 动 手 能 力, 提 高 教 学 效 果, 提 高 适 应 第 一 任 职 的 实 践 能 力 关 键 词 : 大 学 物 理 实 验 ; 多 模 式 连 动 ; 动 手 能 力 ; 教 学 效 果 大 学 物 理 实 验 课 程 是 军 队 综 合 大 学 学 员 接 受 系 统 实 验 方 法 和 实 验 技 能 训 练 的 一 门 重 要 课 程 大 学 物 理 实 验 的 教 学 过 程 中, 学 员 可 以 直 接 观 察 和 分 析 物 理 现 象, 学 习 和 掌 握 基 本 的 物 理 实 验 方 法, 并 将 物 理 知 识 与 实 践 有 机 结 合 起 来, 从 而 培 养 他 们 观 察 事 物 分 析 事 物 提 出 问 题 探 究 问 题 解 决 问 题 的 能 力 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 模 式 研 究 是 当 前 高 等 教 育 中 的 一 个 热 点 [1-3] 它 对 于 提 高 和 培 养 学 员 的 科 学 素 养 实 践 能 力 和 创 新 精 神, 对 于 军 事 指 挥 人 才 知 识 构 成 文 化 修 养 综 合 素 质 和 创 新 能 力 的 培 养 与 未 来 的 发 展 将 发 挥 基 础 性 的 长 效 作 用, 在 精 英 教 育 中 占 有 重 要 地 位 1 当 前 大 学 物 理 实 验 教 学 的 突 出 矛 盾 1.1 教 学 转 型 对 实 践 能 力 要 求 提 高 与 学 员 认 识 不 足 的 矛 盾 随 着 大 学 转 型 建 设 和 信 息 化 条 件 下 联 合 作 战 指 挥 人 才 培 养 需 要, 大 学 的 培 训 任 务 由 专 业 技 术 人 才 的 学 历 教 育 为 主 转 型 为 初 级 指 挥 人 才 的 学 历 教 育 为 主 总 部 明 确 要 求, 初 级 指 挥 军 官 学 历 教 育 阶 段 的 培 养 目 标 是 完 成 普 通 本 科 学 历 教 育, 同 时 进 行 军 政 理 论 教 育 和 军 事 基 础 训 练, 为 学 员 的 任 职 培 训 特 别 是 未 来 长 远 发 展 打 牢 思 想 政 治 基 础 科 学 文 化 基 础 军 事 素 质 基 础 和 身 体 心 理 基 础 [4] 可 见, 为 实 现 初 级 指 挥 生 长 军 官 培 养 的 目 标 要 求, 应 突 出 指 挥 职 业 指 向, 必 须 强 化 军 事 技 术 培 育 和 体 能 训 练, 具 备 初 级 指 挥 人 才 的 基 本 条 件 ; 同 时 又 必 须 完 成 国 家 规 定 的 高 等 学 历 教 育, 具 备 工 程 技 术 领 域 的 专 门 知 识 和 实 践 能 力, 具 备 良 好 的 综 合 素 质 然 而, 由 于 我 国 教 育 长 期 重 理 论, 轻 实 践 畸 形 发 展, 学 员 在 观 念 上 存 在 着 重 理 论 轻 实 践, 重 物 理 理 论 学 习 轻 物 理 实 验 的 倾 向, 对 物 理 实 验 只 是 停 留 在 理 论 认 识 层 面 上 对 物 理 实 验 的 作 用 认 识 有 偏 差, 对 人 才 素 质 的 培 养 缺 乏 整 体 观 念 有 的 学 员 认 为 物 理 实 验 课 不 重 要, 是 选 修 课 或 者 是 大 学 物 理 理 论 课 的 附 属 课 程, 物 理 实 验 课 可 有 可 无, 上 课 只 是 觉 得 新 鲜 好 玩, 摆 弄 一 下 实 验 仪 器, 抄 抄 数 据 敷 衍 了 事 ; 大 学 物 理 实 验 对 于 学 员 实 践 能 力 的 培 养 效 果 甚 微 所 以, 教 学 转 型 对 实 践 能 力 要 求 提 高 与 学 员 认 识 不 足 的 矛 盾, 是 当 前 大 学 物 理 实 验 教 学 的 一 个 突 出 的 矛 盾 1.2 教 学 模 式 单 一 与 实 验 类 型 多 样 性 的 矛 盾 目 前, 我 校 大 学 物 理 实 验 课 程 已 经 根 据 军 队 院 校 本 科 教 学 工 作 评 价 指 标 体 系 中 对 三 性 实 验 的 界 定, 进 行 了 三 性 认 证 ( 即 : 基 础 实 验 综 合 性 和 设 计 性 实 验 自 主 性 实 验 ) 基 金 项 目 : 解 放 军 理 工 大 学 2013 年 教 育 教 学 课 题 ( 编 号 :GJ1307033) 作 者 简 介 : 林 上 金, 男,1962, 硕 士, 副 教 授, 研 究 方 向 : 实 验 流 体 力 学 与 大 学 物 理 实 验 教 学 75
然 而, 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 模 式 却 多 采 用 传 统 的 知 识 传 授 式 的 教 学 方 法 和 封 闭 式 的 教 学 手 段, 还 不 适 应 三 性 实 验 的 特 点, 缺 乏 针 对 性 实 验 教 学 从 属 依 附 于 理 论 教 学, 整 个 实 验 过 程 中, 教 员 全 程 指 导, 几 乎 把 所 有 的 事 情 都 做 完 了, 学 员 只 须 照 方 抓 药, 按 照 教 材 的 实 验 步 骤 按 部 就 班 地 进 行 操 作, 根 本 不 用 去 思 考 就 能 完 成 实 验, 处 于 被 动 的 学 习 状 态 学 员 学 习 的 积 极 性 和 主 动 性 被 遏 制, 致 使 相 当 一 部 分 学 员 不 重 视 大 学 物 理 实 验 敷 衍 了 事, 甚 至 出 现 相 互 抄 袭 实 验 报 告 的 现 象, 实 验 报 告 千 篇 一 律 它 无 法 激 发 学 员 的 学 习 兴 趣, 不 利 于 培 养 学 员 的 分 析 能 力 创 造 能 力 和 解 决 问 题 的 能 力, 限 制 了 学 员 勇 于 探 索 创 新 的 精 神 ; 对 开 发 学 员 的 创 新 思 维 培 养 学 员 研 究 问 题 的 能 力 的 作 用 是 有 限 的, 不 利 于 学 员 的 综 合 素 质 和 创 新 能 力 发 展 教 学 效 果 很 不 理 想 针 对 这 一 现 状, 从 提 高 教 学 质 量 和 创 新 教 育 出 发, 必 须 对 旧 的 教 学 模 式 进 行 改 革 从 创 新 能 力 培 养 的 角 度, 让 学 员 积 极 主 动 地 做 实 验, 激 发 学 员 的 科 学 思 维 和 创 新 意 识, 强 化 训 练 学 员 的 实 验 实 践 能 力, 构 建 适 应 初 级 指 挥 人 才 培 养 的 教 学 模 式 2 构 建 适 应 初 级 指 挥 人 才 培 养 的 物 理 实 验 教 学 模 式 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 的 本 质 特 征 就 是 引 导 学 员 积 极 参 与 有 结 构 的 经 验 学 习 一 方 面 是 体 现 以 学 员 为 中 心, 让 学 员 掌 握 一 定 的 操 作 技 能, 熟 悉 常 用 的 科 学 探 索 方 法, 加 强 理 论 知 识 的 理 解 力, 揭 示 各 种 现 象 的 变 化 过 程 以 及 对 这 种 变 化 过 程 的 描 绘 和 预 测, 在 实 验 室 通 过 仪 器 操 作 再 现 前 人 的 经 验 ; 另 一 方 面 以 这 些 经 验 为 指 导 对 新 问 题 进 行 探 索, 培 养 学 员 的 创 新 思 维 和 创 新 能 力 所 以, 大 学 物 理 实 验 课 程 在 培 养 学 员 的 创 新 精 神 科 学 素 质 和 实 践 能 力 方 面 具 有 不 可 替 代 的 作 用 ; 它 通 过 对 物 理 规 律 的 探 究 学 习 引 导 学 员 学 会 学 习, 掌 握 探 究 科 学 本 质 的 方 法, 为 终 身 学 习 和 工 作 奠 定 基 础, 为 军 事 指 挥 人 才 积 累 发 展 后 劲 教 学 模 式 是 指 在 一 定 教 学 思 想 或 教 学 理 论 指 导 下 建 立 起 来 的 较 为 稳 定 的 教 学 活 动 结 构 框 架 和 活 动 程 序, 是 构 成 课 程 和 作 业 选 择 教 材 提 示 教 员 活 动 的 一 种 范 式 或 计 划 [5] 大 学 物 理 实 验 课 程 既 是 一 个 有 机 整 体, 各 部 分 的 教 学 内 容 又 相 对 独 立 所 以, 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 模 式 应 当 是 以 多 元 化 教 学 内 容 为 载 体, 系 统 化 实 验 格 局 为 平 台, 并 且 与 教 学 内 容 匹 配 的 多 种 模 式 连 动 的 差 异 化 教 学 模 式 依 据 大 学 物 理 实 验 课 程 三 性 界 定, 以 当 下 流 行 的 三 种 学 习 理 论 为 指 导, 构 建 了 系 列 教 学 模 式, 从 基 础 操 作 入 手, 培 养 学 员 的 动 手 能 力 及 操 作 技 能 ; 到 综 合 性 设 计 性 实 验, 培 养 学 员 理 论 知 识 的 应 用 能 力 及 实 践 能 力 ; 再 到 自 主 性 实 验, 培 养 学 员 的 科 研 能 力 和 探 索 精 神 ; 立 足 于 以 学 员 为 主 体 教 员 为 主 导, 从 人 才 培 养 体 系 的 整 体 出 发, 激 发 学 习 兴 趣, 培 养 学 员 的 应 用 能 力 和 创 新 能 力, 发 展 学 员 的 创 造 性 思 维 2.1 以 行 为 主 义 学 习 理 论 为 指 导, 构 建 基 础 性 实 验 的 导 学 式 教 学 模 式 行 为 主 义 理 论 认 为 学 习 是 刺 激 反 应 (S-R) 系 统, 学 习 过 程 是 接 受 外 界 刺 激 的 过 程, 教 员 提 供 外 部 刺 激, 即 向 学 员 传 授 知 识, 学 员 则 是 接 受 外 界 刺 激, 即 理 解 和 吸 收 教 员 传 授 的 知 识 教 学 的 目 的 就 是 一 种 最 有 效 的 方 式 向 学 习 者 传 授 和 迁 移 知 识 ; 教 学 设 计 上 就 是 强 调 外 部 的 刺 激, 使 所 有 个 体 在 相 同 的 教 学 活 动 中, 达 到 同 一 个 教 学 目 标 教 员 要 设 计 良 好 的 环 境 和 活 动 通 过 教 学 促 进 刺 激 反 应 联 结, 来 促 进 学 员 获 取 刺 激 信 号 的 能 力 基 础 性 验 证 性 实 验 是 学 员 接 触 大 学 物 理 实 验 课 程 后, 起 步 阶 段 的 教 学 内 容, 教 员 要 在 教 学 过 程 中 充 分 发 挥 自 身 的 主 导 地 位, 利 用 导 学 案 进 行 具 体 而 有 效 的 刺 激, 运 用 各 种 引 导 方 法, 通 过 细 致 有 效 的 引 导, 培 养 学 员 实 验 操 作 的 规 范 性, 促 进 学 员 对 所 学 理 论 知 识 的 巩 固 和 以 及 相 关 物 理 规 律 的 理 解, 并 能 够 掌 握 基 本 的 实 验 技 能 和 方 法, 以 及 物 理 实 验 中 常 用 的 数 据 处 理 方 法 和 实 验 结 果 分 析 方 法, 同 时 养 成 良 好 的 实 验 习 惯 2.2 以 认 知 主 义 学 习 理 论 为 指 导, 构 建 综 合 性 设 计 性 实 验 的 问 题 牵 引 式 教 学 模 式 认 知 主 义 理 论 认 为 学 习 是 外 界 刺 激 和 认 知 主 体 内 部 心 理 过 程 相 互 作 用 的 结 果 学 习 过 程 是 每 个 人 根 据 自 己 的 态 度 需 要 和 兴 趣 爱 好 并 利 用 过 去 的 知 识 经 验 对 当 前 的 外 界 刺 激 ( 如 教 76
学 内 容 ) 主 动 作 出 的 有 选 择 的 信 息 加 工 过 程 教 学 就 是 要 通 过 安 排 适 当 的 外 部 条 件 来 影 响 和 促 进 学 习 者 的 内 部 心 理 过 程 综 合 性 和 设 计 性 实 验 是 学 员 已 初 步 具 备 了 实 验 的 基 本 理 论 基 本 方 法 和 基 本 技 能 后 展 开 的 教 学 内 容, 其 目 标 是 培 养 学 员 解 决 实 际 问 题 的 能 力 教 员 通 过 巧 妙 创 设 问 题 设 置 情 境, 强 化 外 部 刺 激, 引 导 学 员 如 何 学 员 如 何 发 现 问 题, 如 何 动 手 解 决 问 题, 在 解 决 问 题 过 程 中 如 何 发 现 新 的 问 题, 以 问 题 为 中 心 来 展 开 教 学 活 动, 使 教 学 活 动 自 始 至 终 围 绕 着 问 题 的 探 索 和 解 决 展 开, 最 后 解 决 问 题 并 进 行 总 结, 达 到 引 导 学 员 由 浅 入 深 探 究 问 题, 逐 步 内 化 知 识 的 目 的, 在 给 学 员 留 出 足 够 的 思 维 与 操 作 空 间 同 时, 着 重 培 养 学 员 独 立 思 考 独 立 操 作 独 立 运 用 所 学 知 识 分 析 问 题 和 解 决 问 题 的 能 力 美 国 教 育 家 杜 威 (John Dewey) 提 出 了 五 步 教 学 法, 即 困 难 问 题 假 设 验 证 结 论, 从 而 把 问 题 式 教 学 法 程 序 化 模 式 化 [6] 学 员 的 学 习 活 动 与 问 题 相 结 合, 以 探 索 问 题 来 引 导 和 维 持 学 员 的 学 习 兴 趣 和 动 机, 让 学 员 带 着 问 题 思 考 带 着 问 题 探 究, 使 学 员 拥 有 学 习 的 主 动 权 教 员 创 设 特 定 的 问 题 情 境, 引 导 学 员 在 解 决 所 面 临 的 问 题 中 主 动 获 得 和 运 用 一 定 的 知 识 技 能, 发 展 其 学 习 主 动 性 和 解 决 问 题 的 能 力 2.3 以 建 构 主 义 学 习 理 论 为 指 导, 构 建 自 主 性 实 验 的 自 主 探 究 式 教 学 模 式 建 构 主 义 认 为 学 习 的 实 质 是 学 习 者 积 极 主 动 地 进 行 意 义 建 构 的 过 程, 即 学 习 不 是 由 教 员 把 知 识 简 单 地 传 递 给 学 员, 而 是 由 学 员 自 己 建 构 知 识 的 过 程 学 习 不 是 被 动 接 受 信 息 刺 激, 而 是 主 动 建 构 意 义, 是 根 据 自 己 的 经 验 背 景, 对 外 部 信 息 主 动 地 选 择 加 工 和 处 理, 从 而 获 得 自 己 的 意 义 自 主 性 实 验 是 大 学 物 理 实 验 课 程 的 提 高 阶 段 教 学 内 容, 为 少 数 学 有 遗 力 且 有 自 主 探 究 兴 趣 的 学 员 开 设, 引 导 学 员 运 用 科 学 探 究 的 方 法 ( 即 学 员 用 以 获 取 知 识 领 悟 科 学 的 思 想 观 念 领 悟 科 学 家 研 究 自 然 界 所 用 的 方 法 而 进 行 的 各 种 活 动, 包 括 观 察 测 量 制 作 提 出 假 设 进 行 实 验 提 出 模 型 和 交 流 ) 进 行 学 习, 主 动 获 取 知 识 发 展 能 力 学 员 以 实 验 导 学 案 为 基 础 进 行 实 验 原 理 和 实 验 方 案 的 分 析 和 设 计, 教 员 采 取 提 问 和 讨 论 的 方 式 对 学 员 进 行 指 引, 找 出 各 个 控 制 要 素 间 的 关 系 和 实 验 难 点, 并 可 对 实 验 探 究 方 案 进 行 适 当 调 整 或 重 新 设 计, 得 到 最 优 化 的 实 验 方 案 在 此 基 础 上, 学 员 独 立 地 探 索, 自 行 解 决 问 题 根 据 收 集 的 各 种 证 据, 及 时 进 行 分 析 和 处 理, 得 出 结 果 和 结 论 然 后, 评 价 实 验 是 否 验 证 了 物 理 概 念 与 规 律, 是 否 发 现 奇 异 点, 是 否 达 到 实 验 目 标 最 后, 总 结 和 检 验 实 验 对 理 论 验 证 的 可 信 度, 分 析 实 验 中 出 现 的 异 常 现 象, 写 出 实 验 报 告 或 小 论 文 在 整 个 探 究 活 动 中, 学 员 充 分 发 挥 主 体 能 动 作 用, 相 对 独 立 地 建 构 知 识 并 不 断 调 控 自 己 的 学 习 进 程 和 学 习 状 态 的 一 种 学 习 方 式, 它 具 有 主 动 性 相 对 独 立 性 反 思 性 建 构 性 和 创 新 性 通 过 自 主 探 究 学 会 学 习 和 掌 握 探 究 科 学 本 质 的 方 法, 发 展 学 员 的 创 造 性 思 维, 培 养 创 新 能 力, 为 终 身 学 习 和 工 作 奠 定 基 础, 有 利 于 学 员 科 学 思 维 方 式 形 成 和 可 持 续 发 展 大 学 物 理 实 验 课 程 的 教 学 模 式 必 须 与 教 学 对 象 相 适 应, 应 当 有 军 队 综 合 大 学 的 特 色, 适 合 初 级 指 挥 学 员 课 程 组 训 的 特 点 ; 有 些 模 式 在 地 方 高 校 行 之 有 效, 在 军 校 就 不 一 定 适 用 所 以, 要 建 立 起 这 样 一 种 适 合 教 学 相 长 的 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 模 式, 把 学 员 教 员 教 法 学 法 教 学 管 理 法 和 教 学 保 障 法 看 成 一 个 教 学 的 生 态 系 统, 并 以 此 建 立 一 种 整 体 的 和 谐 的 可 持 续 发 展 的 以 及 符 合 人 类 的 认 知 规 律 和 大 学 物 理 实 验 教 学 规 律 的 教 学 形 态 3 提 升 教 学 效 果 的 措 施 为 了 解 决 当 前 大 学 物 理 实 验 教 学 的 矛 盾, 提 升 大 学 物 理 实 验 教 学 效 果, 采 取 了 一 些 比 较 有 效 的 措 施 3.1 紧 盯 三 基, 编 写 实 验 导 学 案 大 学 物 理 实 验 课 程 作 为 军 队 综 合 大 学 学 员 接 受 系 统 实 验 方 法 和 实 验 技 能 训 练 的 一 门 重 要 的 基 础 课 程 必 须 立 足 于 夯 实 基 础, 使 学 员 在 掌 握 实 验 课 程 基 本 理 论 基 本 技 能 基 本 方 法 的 基 础 上, 提 升 科 学 素 质 和 综 合 能 力, 适 应 精 英 教 育 要 求 77
为 了 有 效 引 导 学 员 进 行 预 习 和 实 验, 教 员 要 准 备 好 较 详 细 的 实 验 导 学 案 及 参 考 资 料 实 验 导 学 案 必 须 由 教 员 根 据 仪 器 设 备 情 况 及 学 员 特 点 亲 自 设 计 和 书 写, 其 内 容 要 充 分 体 现 科 学 探 究 的 思 想, 要 站 在 学 员 的 角 度 思 考 和 分 析 问 题, 而 不 要 把 实 验 导 学 案 变 成 以 前 照 本 宣 科 的 灌 输 式 教 材 具 体 要 注 意 已 下 几 点 : 1) 通 过 以 填 空 题 或 简 答 题 的 形 式 来 引 导 学 员 阅 读 教 材, 掌 握 实 验 的 基 本 原 理 测 量 依 据 的 理 论 实 际 的 实 验 测 量 关 系 式 由 理 论 公 式 到 实 验 测 量 式 转 换 的 依 据 或 条 件 等, 使 学 员 掌 握 实 验 的 基 本 理 论 2) 以 填 空 题 或 简 答 题 的 形 式 来 引 导 学 员, 通 过 自 习 掌 握 实 验 的 基 本 测 量 方 法 名 称 内 容 解 决 的 问 题 如 何 实 现 等, 使 学 员 掌 握 实 验 的 基 本 方 法 3) 以 填 空 题 或 简 答 题 的 形 式 来 引 导 学 员, 通 过 自 习 掌 握 实 验 仪 器 设 备 的 正 确 连 接 方 法 正 确 的 调 试 方 法 正 确 的 测 量 方 法 禁 止 的 操 作 动 作 等 操 作 注 意 事 项, 使 学 员 掌 握 实 验 的 基 本 技 能 4) 通 过 以 填 空 题 或 简 答 题 的 形 式 来 引 导 学 员, 弄 清 实 验 数 据 处 理 的 基 本 算 式 误 差 计 算 的 依 据 及 计 算 式 测 量 结 果 计 算 及 误 差 的 分 析 讨 论 等, 掌 握 实 验 结 果 的 表 达 方 法 5) 要 重 视 实 验 与 社 会 生 活 和 军 事 应 用 的 联 系, 以 简 答 题 或 论 述 题 的 形 式 来 引 导 学 员, 通 过 查 阅 资 料, 分 析 实 验 过 程 中 的 收 获, 探 讨 采 取 其 他 实 验 方 法 进 行 测 量 的 理 论 依 据 实 验 方 法 实 验 步 骤 的 设 计, 对 比 各 种 测 量 的 优 缺 点 等 了 解 与 实 验 相 关 的 实 际 应 用, 在 部 分 可 行 性 强 的 实 验 中 提 出 一 些 有 意 义 的 研 究 课 题, 引 导 学 员 学 会 向 社 会 向 生 活 寻 找 探 究 课 题, 进 行 创 意 性 设 计, 通 过 实 验 进 行 科 学 探 究, 结 合 实 验 开 展 科 技 创 新 活 动 3.2 多 模 式 连 动, 提 高 教 学 效 果 根 据 三 性 实 验 的 特 点, 采 用 多 模 式 连 动 的 差 异 化 教 学 模 式, 发 挥 各 种 模 式 的 优 势, 多 模 式 共 振, 体 现 综 合 效 能, 提 高 教 学 效 果 大 学 物 理 实 验 多 模 式 连 动 教 学 模 式, 依 托 军 队 院 校 本 科 教 学 工 作 评 价 指 标 体 系 中 对 三 性 实 验 的 界 定, 进 行 大 学 物 理 实 验 课 程 的 内 容 三 性 认 证, 它 涵 盖 了 基 础 性 实 验 ( 预 备 性 实 验 和 验 证 性 实 验 ) 综 合 性 和 设 计 性 实 验 自 主 性 实 验, 对 大 学 物 理 实 验 课 程 实 施 多 模 式 连 动 教 学 模 式, 具 体 构 成 如 图 1 大 学 物 理 实 验 课 程 三 性 认 证 基 础 性 实 验 综 合 性 和 设 计 性 实 验 自 主 性 实 验 导 学 式 问 题 牵 引 式 自 主 探 究 式 图 1 大 学 物 理 实 验 多 模 式 连 动 教 学 模 式 对 基 础 性 验 证 性 实 验, 采 用 导 学 式, 通 过 教 员 直 接 而 有 效 的 引 导, 使 学 员 尽 快 掌 握 实 验 的 三 基, 养 成 良 好 的 科 学 实 验 习 惯 对 综 合 性 和 设 计 性 实 验, 采 用 问 题 牵 引 式 即 问 题 实 验 事 实 结 论 应 用, 以 具 体 实 验 的 关 键 问 题 引 导 学 员 做 实 验, 通 过 做 中 学 培 养 学 员 解 决 实 际 问 题 的 实 践 能 力 对 自 主 性 实 验, 采 用 自 主 探 究 式, 学 员 可 根 据 探 究 的 兴 趣, 选 择 探 究 问 题, 制 定 实 验 方 案, 让 学 员 成 为 学 习 的 主 人, 使 学 员 在 自 主 探 究 的 过 程 中 学 习, 获 得 具 体 的 经 历 和 感 受 ; 让 学 员 在 合 作 中 促 进 潜 能 的 发 挥, 促 进 学 员 有 特 色 地 发 展 可 持 续 地 发 展 比 如, 学 员 在 完 成 空 气 热 机 这 一 综 合 性 实 验 以 后, 进 行 深 入 思 考, 从 不 同 角 度 提 出 了 78
自 主 探 究 的 课 题 有 的 学 员 发 现, 大 学 物 理 实 验 教 材 在 考 察 热 机 输 出 匹 配 的 实 验 中, 对 热 机 的 加 热 电 压 和 转 速 的 初 值 有 比 较 严 格 的 要 求, 就 质 疑 这 些 条 件 的 必 要 性, 并 通 过 查 阅 资 料, 调 查 相 关 文 献, 制 定 研 究 方 案, 进 行 自 主 探 究 ; 通 过 实 验 获 得 数 据 信 息, 经 分 析 探 究, 得 出 结 论 通 过 对 热 机 在 不 同 加 热 电 压 下 的 输 出 功 率 变 化 的 探 究, 表 明 教 材 的 条 件 不 是 必 须 的 ; 并 用 实 验 证 明 了 [7-8] 相 关 文 献 的 结 论 该 作 品 获 得 全 军 首 届 大 学 员 物 理 竞 赛 三 等 奖 有 的 学 员 则 从 能 量 转 换 的 角 度, 提 出 了 利 用 绿 色 能 源 的 课 题 通 过 查 阅 资 料, 调 查 相 关 文 献, 确 定 可 行 的 研 制 方 案, 进 行 自 主 探 究 把 空 气 热 机 实 验 装 置 进 行 必 要 的 改 造, 将 位 移 汽 缸 换 成 太 阳 能 管, 再 利 用 太 阳 灶 汇 集 太 阳 能 驱 动 热 机, 实 现 太 阳 能 与 机 械 能 的 转 换, 再 由 机 械 能 驱 动 电 机 发 电, 最 终 实 现 太 阳 能 与 电 能 的 转 换 该 作 品 获 得 全 军 首 届 大 学 员 物 理 竞 赛 二 等 奖 物 理 实 验 方 案 是 多 样 的, 物 理 研 究 要 从 不 同 的 角 度 观 察 分 析 和 解 释 物 理 现 象 教 员 要 鼓 励 学 员 对 研 究 对 象 进 行 深 入 地 分 析 与 思 考, 发 现 并 提 出 问 题 ; 针 对 问 题 提 出 假 设, 鼓 励 并 辅 导 学 员 自 主 设 计 实 验 探 究 方 案, 到 实 验 中 去 检 验 自 己 设 计 的 实 验 方 案, 使 学 员 逐 步 走 上 自 主 探 究 式 实 验 之 路, 培 养 学 员 的 自 主 研 究 学 习 能 力 4 结 语 多 种 模 式 连 动 的 差 异 化 教 学 模 式, 体 现 了 以 学 员 为 中 心 主 体 和 教 员 为 主 导 的 教 学 关 系, 克 服 了 传 统 的 实 验 教 学 依 附 于 理 论 教 学, 理 论 与 实 践 相 脱 节 等 缺 点, 可 以 提 高 学 员 对 大 学 物 理 实 验 的 学 习 兴 趣, 使 教 学 过 程 变 成 学 员 发 现 信 息 捕 捉 信 息 加 工 信 息 研 究 问 题 增 长 知 识 的 过 程, 是 提 高 大 学 物 理 实 验 课 教 学 效 果 及 效 率 的 有 效 手 段 ; 也 是 培 养 学 员 的 应 用 能 力 创 新 意 识 科 学 探 究 能 力 的 有 效 途 径 参 考 文 献 : [1] 冯 清 问 题 引 导 下 的 探 究 式 实 验 教 学 模 式 研 究 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2012(5) [2] 董 有 尔, 郜 江 瑞, 王 彦 华, 解 光 亮 四 种 教 学 模 式 连 动, 全 过 程 开 展 研 究 性 物 理 实 验 教 学 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2012(5) [3] 林 上 金, 刘 立 龙, 胡 澄, 白 忠 大 学 物 理 实 验 的 探 究 式 教 学 浅 议 [J] 解 放 军 理 工 大 学 学 报 ( 综 合 版 ),2012,13(6) [4] 张 亚 非 伴 随 我 军 现 代 化 建 设 发 展 的 指 挥 军 官 学 历 教 育 [J] 中 国 军 事 教 育,2007(4):42-45 [5] 赞 科 夫 教 学 与 发 展 [M] 北 京 : 人 民 教 育 出 版 社,1995 [6] 约 翰 杜 威 民 主 主 义 与 教 育 [M] 王 承 绪, 译. 北 京 : 人 民 教 育 出 版 社,1990 [7] 丁 泽 民, 陈 林 根, 孙 丰 瑞 线 性 唯 象 传 热 定 律 下 斯 特 林 热 机 性 能 极 限 分 析 [J] 工 程 热 物 理 学 报,2009,30(4) [8] 訾 琨, 杨 秀 奇, 江 屏 考 虑 机 械 损 失 时 发 动 机 功 率 效 率 特 性 [J] 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报, 2009,41(6) 79
浅 议 军 校 物 理 实 验 教 材 建 设 胡 澄, 林 上 金, 白 忠 ( 解 放 军 理 工 大 学 理 学 院, 江 苏 南 京 211101) 摘 要 : 军 校 物 理 实 验 教 材 还 不 适 应 初 级 指 挥 人 才 培 养 的 需 要, 文 章 指 出 当 前 实 验 教 材 存 在 的 弊 端, 并 提 出 改 革 与 评 价 的 多 项 措 施 关 键 词 : 物 理 实 验 ; 实 验 教 学 ; 教 材 建 设 大 学 物 理 实 验 课 程 作 为 军 校 的 基 础 必 修 课, 是 以 提 高 和 培 养 学 员 的 科 学 素 养 实 践 能 力 和 创 新 精 神 为 目 的 综 合 基 础 性 应 用 课 程 大 学 物 理 实 验 覆 盖 面 广, 具 有 丰 富 的 实 验 思 想 方 法 和 手 段 它 在 培 养 学 员 严 谨 治 学 态 度 科 学 实 验 能 力 活 跃 的 创 新 意 识 理 论 联 系 实 际 和 适 应 科 技 发 展 的 综 合 应 用 能 力 等 方 面 具 有 其 他 实 践 类 课 程 不 可 替 代 的 作 用 因 此, 大 学 物 理 实 验 课 的 教 学 质 量 与 人 才 培 养 息 息 相 关, 对 于 军 事 指 挥 人 才 知 识 构 成 文 化 修 养 综 合 素 质 和 创 新 能 力 的 培 养 与 未 来 的 发 展 必 将 发 挥 基 础 性 的 长 效 作 用, 在 精 英 教 育 中 占 有 重 要 地 位 而 大 学 物 理 实 验 教 材, 是 物 理 实 验 教 学 的 重 要 载 体, 优 秀 教 材 应 当 是 学 员 学 习 和 参 考 的 工 具 [1] 教 材 建 设 作 为 重 要 教 学 资 源, 是 指 导 思 想 培 养 目 标 培 养 标 准 以 及 重 点 任 务 的 集 中 体 现 和 实 践 载 体, 是 培 养 和 造 就 高 素 质 人 才 的 基 本 保 证, 对 于 推 进 人 才 培 养 模 式 改 革, 提 高 学 员 的 实 践 能 力 创 新 能 力 和 综 合 素 质 等 均 具 有 重 要 作 用 [2] 通 过 教 材 建 设 带 动 实 验 课 程 教 学 水 平 及 培 养 人 才 水 平 的 提 升, 提 高 实 验 课 程 教 学 质 量, 促 进 教 学 水 平 整 体 提 高, 培 养 合 格 的 人 才 [3] 实 验 教 学 是 提 高 学 员 素 质 培 养 创 新 思 维 的 重 要 途 径, 是 科 学 创 造 的 基 础 知 识 和 能 力 来 源 于 实 践, 素 质 只 能 在 实 践 中 养 成 实 验 教 材 是 实 验 教 学 内 容 的 知 识 载 体 高 质 量 的 实 验 教 材 是 提 高 军 校 教 学 效 果 保 证 实 验 教 学 质 量 实 现 人 才 培 养 目 标 有 效 地 完 成 实 验 教 学 计 划 的 重 要 保 证, 贯 穿 在 实 验 教 材 中 的 学 术 思 想 和 思 维 方 式, 对 学 员 起 着 潜 移 默 化 的 作 用 [4] 然 而, 军 校 教 材 建 设 也 存 在 一 些 问 题, 教 材 评 价 选 用 机 制 有 待 进 一 步 完 善 1 军 校 实 验 教 材 存 在 的 问 题 实 验 教 材 建 设 是 军 校 实 验 教 学 中 的 一 项 非 常 重 要 的 基 本 建 设, 对 提 高 实 验 教 学 质 量 优 化 实 验 教 学 体 系 实 现 人 才 培 养 目 标 具 有 重 大 的 意 义 由 于 受 到 各 种 条 件 限 制, 实 验 教 材 的 建 设 落 后 于 其 它 教 学 环 节 改 革 的 步 伐 [5] 目 前, 军 校 实 验 教 材 建 设 过 程 中 主 要 存 在 以 下 几 个 问 题 : 1.1 指 向 不 明 确, 科 学 性 不 强 目 前 实 验 教 学 所 使 用 的 教 材 相 当 部 分 是 各 军 校 的 自 编 教 材, 部 分 自 编 教 材 由 实 验 设 备 附 带 的 可 开 设 的 实 验 说 明 书 演 化 而 来, 实 验 教 材 所 起 的 作 用 相 对 于 仪 器 说 明 书, 虽 然 它 们 有 明 确 的 实 验 条 件 和 操 作 流 程, 但 是 操 作 步 骤 文 字 叙 述 太 繁 琐, 篇 幅 过 长, 重 点 不 够 突 出, 学 员 在 看 完 实 验 教 材 后, 很 难 在 头 脑 中 真 正 领 会 实 验 的 设 计 思 路 和 实 验 方 法, 从 而 也 不 能 举 一 反 三, 不 利 于 实 验 能 力 的 培 养 不 一 定 满 足 实 验 教 学 大 纲 和 教 学 目 标 的 要 求, 对 学 员 科 学 精 神 和 科 学 品 德 的 培 养 关 注 不 够, 对 学 员 的 职 业 取 向 也 没 有 涉 及 基 金 项 目 : 解 放 军 理 工 大 学 理 学 院 20134 年 教 育 教 学 重 点 课 题 作 者 简 介 : 胡 澄 (1965 ), 男, 硕 士, 副 教 授, 研 究 方 向 : 大 学 物 理 实 验 教 学 80
1.2 内 容 陈 旧, 缺 乏 系 统 性 长 期 以 来, 实 验 课 依 附 于 理 论 课, 实 验 教 学 内 容 以 验 证 理 论 教 材 中 所 描 述 的 现 象 和 定 理 为 主, 极 少 吸 收 现 代 最 新 实 验 设 备 技 术 和 科 研 成 果 到 实 验 项 目 中, 也 较 少 从 教 育 理 念 人 才 培 养 目 标 角 度 考 虑 重 组 优 化 实 验 项 目, 综 合 性 设 计 性 研 究 性 实 验 项 目 偏 少 忽 视 对 实 验 的 基 本 理 论 基 本 方 法 基 本 技 能 的 规 范 性 训 练, 实 验 内 容 层 次 不 清 同 时, 实 验 强 调 本 课 程 的 教 学, 忽 视 了 学 科 专 业 的 实 验 课 程 之 间 存 在 内 在 的 必 然 联 系, 没 有 形 成 有 机 的 系 统 的 实 验 课 程 体 系 1.3 模 式 单 一 体 系 平 面 化 实 验 教 材 模 式 雷 同, 每 一 个 实 验 项 目 由 实 验 目 的 实 验 原 理 实 验 仪 器 实 验 步 骤 数 据 处 理 思 考 题 等 几 部 分 组 成, 有 些 内 容 在 论 述 实 验 原 理 和 实 验 方 法 时 虽 然 采 用 循 序 渐 进 清 晰 讲 解 的 方 法, 但 往 往 是 一 种 知 识 的 灌 输, 每 一 个 实 验 涉 及 到 的 目 的 原 理 方 法 步 骤 等 都 有 长 篇 大 论 的 表 述, 过 多 过 细 学 员 在 预 习 实 验 时 只 是 被 动 地 接 受 知 识, 难 以 边 思 考 边 学 习, 容 易 产 生 畏 难 情 绪, 看 完 即 忘, 达 不 到 预 习 的 目 的 然 而, 不 同 的 实 验 项 目 有 不 同 的 特 点 和 目 的 有 些 实 验 项 目 要 求 学 员 掌 握 基 本 实 验 技 能, 有 些 实 验 项 目 则 重 在 要 求 学 员 掌 握 实 验 思 想, 还 有 些 实 验 要 求 学 员 自 主 选 择 内 容 设 计 实 验 方 案 如 何 把 不 同 教 学 目 的 贯 穿 在 各 项 实 验 中, 应 当 是 军 校 实 验 教 材 建 设 的 关 键 此 外, 实 验 教 材 建 设 仍 然 停 留 在 单 一 的 纸 质 教 材 上, 不 适 应 信 息 技 术 计 算 机 网 络 的 快 速 发 展 2 军 校 实 验 教 材 建 设 的 措 施 教 材 建 设 是 一 项 系 统 复 杂 的 教 学 改 革 工 程, 设 计 和 编 写 教 材 应 基 于 教 员 的 教 和 学 员 的 学, 在 教 学 中 发 挥 应 有 的 教 学 张 力, 对 教 材 进 行 批 判 性 的 使 用, 构 建 新 的 大 学 课 堂 组 织, 培 养 学 员 的 自 主 精 神 和 创 新 能 力, 提 高 教 学 效 果 [6] 优 秀 教 材 应 有 自 身 科 学 体 系, 能 反 映 本 学 科 的 发 展 规 律, 教 材 内 容 能 与 学 科 的 发 展 相 适 应, 甚 至 有 一 定 的 超 前 性, 同 时 又 能 反 映 学 员 的 认 识 规 律 [7] 为 此, 我 们 提 出 军 校 实 验 教 材 建 设 的 以 下 几 个 方 面 具 体 措 施 2.1 调 查 实 验 教 材 现 状, 分 析 教 材 改 革 的 动 力 长 期 以 来, 实 验 教 员 针 对 原 工 程 技 术 类 院 校 培 养 工 程 师 的 课 程 标 准, 已 撰 写 相 当 数 量 的 教 材, 随 着 军 校 教 学 转 型, 学 员 的 结 构 培 养 模 式 及 目 标 都 发 生 了 根 本 的 变 化, 人 才 培 养 的 目 标 已 经 转 变 为 适 应 信 息 化 条 件 下 联 合 作 战 需 要 的 具 有 工 程 师 素 质 的 初 级 指 挥 人 才, 现 行 的 教 材 还 不 适 应 这 种 变 化 通 过 问 卷 调 查 法 访 谈 法, 对 实 验 室 使 用 实 验 教 材 情 况 进 行 摸 底 调 查, 访 谈 实 验 教 材 使 用 教 员 和 教 材 编 写 教 员, 实 验 教 员 还 在 如 何 提 高 教 材 质 量 上 下 功 夫, 全 国 统 编 的 实 验 教 材 数 量 和 品 种 都 不 多, 并 且 缺 少 可 参 照 分 析 的 材 料, 许 多 教 员 对 编 写 实 验 教 材 感 到 非 常 棘 手, 数 量 不 足 质 量 不 高 的 实 验 教 材 和 讲 义 必 然 影 响 实 验 教 学, 军 校 的 实 验 教 材 亟 待 加 强 建 设 2.2 准 确 定 位, 制 订 实 验 教 材 建 设 规 划 实 验 教 学 应 按 人 才 培 养 目 标 教 学 规 律, 坚 持 传 授 基 础 知 识 培 养 能 力 提 高 综 合 素 质 协 调 发 展, 实 验 教 材 还 应 体 现 培 养 学 员 探 索 精 神 科 学 思 维 实 践 能 力 和 创 新 能 力 实 验 教 材 建 设 应 该 根 据 实 验 教 学 内 容 的 要 求 和 军 校 实 际 实 验 教 学 条 件, 制 定 出 适 合 实 际 情 况 的 实 验 教 材 建 设 规 划, 防 止 使 用 实 验 教 材 的 随 意 性 教 材 定 位 是 教 材 编 写 的 重 要 前 提 和 基 础, 在 明 确 军 校 培 养 目 标 的 基 础 上, 教 材 编 写 要 定 位 于 既 体 现 军 校 的 培 养 目 标, 又 突 出 军 校 的 特 色 上 一 方 面 在 编 写 之 前 主 编 和 参 编 要 对 教 材 定 位 以 及 当 前 军 校 教 育 的 教 学 现 状 和 特 征 进 行 认 真 分 析, 确 定 编 写 方 案 和 编 写 大 纲, 保 证 教 材 编 写 的 准 确 定 位 和 编 写 质 量 ; 另 一 方 面 要 对 教 材 编 写 内 容 准 确 定 位, 在 满 足 教 学 需 要 的 基 础 上, 在 内 容 取 舍 和 难 易 程 度 方 面, 既 高 于 军 校 教 育, 又 要 有 别 于 普 通 高 等 教 育, 并 突 出 军 校 教 育 特 色 81
2.3 改 革 实 验 教 材 模 式, 增 设 实 验 教 学 内 容 实 验 教 学 研 究 成 果 表 明, 分 层 次 模 块 华 设 计 实 验 项 目, 减 少 验 证 性 实 验 项 目, 增 加 综 合 性 设 计 性 和 研 究 性 实 验 项 目, 是 实 验 教 学 改 革 的 主 流 但 是 也 不 能 搞 一 刀 切, 基 础 性 的 验 证 实 验 是 训 练 学 员 基 本 实 验 技 能 的 重 要 手 段, 针 对 低 年 级 开 设 的 实 验 必 须 强 化 验 证 性 实 验, 针 对 高 年 级 学 员 应 多 开 设 综 合 性 实 验 和 设 计 性 实 验, 因 此, 不 能 简 单 地 要 求 每 门 实 验 课 程 增 加 综 合 性 实 验 或 者 设 计 性 实 验, 或 者 简 单 地 规 定 每 门 实 验 课 程 必 须 有 多 少 综 合 性 或 设 计 性 实 验 课 时 从 教 学 实 际 层 面 入 手, 按 照 基 础 实 验 服 务 于 初 级 指 挥 第 一 任 职 的 要 求, 注 重 在 基 础 实 验 教 学 中 渗 透 军 事 思 维 和 军 事 技 术 要 素 ; 把 传 统 的 教 学 内 容 与 现 代 科 学 技 术 的 新 成 果 相 结 合, 注 重 把 实 验 教 学 与 工 程 和 社 会 应 用 实 践 相 结 合, 把 新 技 术 新 材 料 新 方 法 引 入 基 础 实 验 课 堂, 给 学 员 打 开 一 个 个 新 知 识 的 天 窗 ; 提 炼 出 有 广 泛 意 义 的 实 验 教 材 框 架 体 系, 不 断 地 改 进 教 学 提 高 课 堂 教 学 的 效 率 通 过 在 实 验 内 容 的 编 排 上 做 一 些 探 索, 以 循 序 渐 进 提 出 问 题 引 导 学 员 找 出 解 决 问 题 的 根 本 方 法 为 大 框 架, 再 在 步 步 思 考 中 体 会 解 决 问 题 的 具 体 技 术 问 题, 从 而 让 学 员 领 会 每 个 实 验 的 主 要 思 路, 同 时 学 员 只 有 经 过 深 入 的 思 考 才 能 完 成 实 验 2.4 应 用 信 息 技 术 手 段, 构 建 多 维 度 实 验 教 材 体 系 随 着 信 息 技 术 计 算 机 网 络 的 快 速 发 展, 许 多 理 论 教 材 已 形 成 立 体 化, 理 论 教 材 有 多 种 表 现 形 式, 除 了 传 统 的 纸 质 教 材 以 外, 还 有 网 络 教 材 电 子 教 材 音 像 教 材 等 多 种 形 式, 开 发 了 辅 助 课 件 或 仿 真 工 具, 已 经 构 成 了 一 个 比 较 成 熟 的 教 材 体 系 然 而, 实 验 教 材 建 设 严 重 滞 后 于 理 论 教 材 建 设, 必 须 运 用 信 息 技 术 多 媒 体 技 术 和 计 算 机 网 络 开 发 系 列 实 验 教 学 的 电 子 教 材 网 络 化 实 验 辅 助 和 指 导 教 学 多 媒 体 课 件, 创 建 实 验 教 学 网 络 平 台, 形 成 多 维 度 的 实 验 教 材 体 系 实 验 原 理 实 验 设 备 实 验 步 骤 等 实 验 教 学 环 节 可 用 多 媒 体 技 术 开 发 仿 真 系 统, 把 验 证 性 实 验 尽 量 用 计 算 机 仿 真 出 来, 由 学 员 课 前 预 习, 既 加 强 学 员 自 学 能 力, 又 减 少 了 验 证 性 实 验 学 时 数, 进 而 增 加 综 合 性 实 验 和 设 计 性 实 验 的 教 学 内 容 形 成 利 于 学 员 能 力 生 长 的 教 学 体 系 模 块, 在 总 体 设 计 上, 力 求 贯 彻 以 学 员 为 本 的 理 念, 注 重 基 础 性 实 践 性 探 索 性 开 放 性 的 有 机 统 一 2.5 构 建 实 验 教 材 评 价 机 制, 确 保 实 验 教 学 质 量 针 对 实 验 教 学 的 规 律, 构 建 实 验 教 材 评 价 机 制 和 指 标 体 系, 加 强 对 实 验 教 材 的 评 价 通 过 跟 踪 调 查 与 信 息 反 馈 制 度, 不 断 完 善 实 验 教 材 评 价 体 系 根 据 军 队 院 校 本 科 教 学 工 作 评 价 指 标 体 系 中 对 三 性 实 验 的 界 定, 深 入 研 究 基 于 三 性 实 验 的 特 点, 体 现 学 员 的 主 体 地 位, 开 发 适 用 于 自 主 开 放 式 教 学 并 具 有 指 导 学 员 自 主 完 成 实 验 的 具 备 工 具 书 价 值 的 教 材 实 验 教 材 改 革 是 实 验 教 学 改 革 的 重 要 组 成 部 分, 它 与 实 验 教 学 的 各 环 节 紧 密 联 系, 必 须 有 一 支 优 秀 的 实 验 教 学 队 伍 才 可 能 编 好 的 实 验 教 材, 实 验 教 学 内 容 受 制 于 仪 器 设 备, 先 进 的 仪 器 设 备 高 效 的 资 源 共 享 透 明 的 开 放 服 务 等 良 好 的 实 验 教 学 环 境, 促 进 和 保 障 实 验 教 材 改 革 3 结 语 军 校 物 理 实 验 教 材 建 设 的 指 导 思 想 是 : 针 对 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 的 现 状, 探 索 三 性 实 验 教 学 一 般 流 程 的 自 主 开 放 式 教 材 开 发, 立 足 于 夯 实 基 础, 使 学 员 在 掌 握 实 验 课 程 基 本 理 论 基 本 技 能 基 本 方 法 的 基 础 上, 提 升 科 学 素 质 和 综 合 能 力, 适 应 精 英 教 育 要 求 ; 形 成 利 于 学 员 能 力 生 长 的 教 学 体 系 模 块, 在 总 体 设 计 上, 力 求 贯 彻 以 学 员 为 本 的 理 念, 注 重 基 础 性 实 践 性 探 索 性 开 放 性 的 有 机 统 一 形 成 具 有 较 宽 的 覆 盖 面 和 足 够 的 实 验 项 目, 反 映 物 理 实 验 教 学 改 革 和 研 究 的 成 果, 既 体 现 科 学 的 内 涵 实 验 内 容 的 更 新, 又 要 反 映 新 技 术 新 方 法 新 设 备 等 现 代 实 验 技 术 和 手 段, 以 基 础 性 实 验 综 合 性 和 设 计 性 实 验 自 主 研 究 性 实 验 模 块, 从 低 到 高 从 基 本 到 前 沿 从 接 受 知 识 型 到 培 养 综 合 能 力 型 逐 级 提 高 的 大 学 物 理 实 验 课 程 新 体 系 ; 改 变 分 工 过 细, 内 容 重 复, 综 合 性 实 验 设 计 性 实 验 自 主 研 究 性 实 82
验 不 足 的 缺 点 ; 充 分 体 现 现 代 信 息 技 术 在 物 理 实 验 中 的 应 用, 充 分 体 现 军 校 教 学 的 特 色 参 考 文 献 : [1] 李 辉 基 于 卓 越 工 程 师 教 育 培 养 计 划 的 教 材 建 设 [J] 中 国 高 等 教 育,2012,19 [2] 华 驰 基 于 工 学 结 合 的 ASP.NET 软 件 设 计 实 验 教 材 研 究 与 开 发 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2012,31(10) [3] 贺 峰 涛 国 外 大 学 理 工 科 优 秀 教 材 的 特 点 及 其 借 鉴 意 义 [J] 中 国 校 外 教 育,2012,11 [4] 卢 航 提 高 实 验 教 学 质 量 应 从 实 验 教 材 改 革 做 起 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2002,19(3) [5] 刘 湘 晨, 窦 艳 涛 精 品 实 验 课 程 需 要 精 品 实 验 教 材 册 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2011,30(8) [6] 肖 全 民 关 于 大 学 教 材 的 几 点 认 识 [J] 中 国 大 学 教 学,2011,4 [7] 朱 伟 利, 张 颖 关 于 实 验 教 材 编 写 模 式 的 思 考 与 实 践 [J] 大 学 物 理,2011,30(8) 83
大 物 实 验 大 创 项 目 物 理 竞 赛 三 位 一 体 的 实 验 教 学 改 革 实 践 韩 立 立 ( 中 国 石 油 大 学 ( 华 东 ) 理 学 院, 山 东 青 岛 266580) 摘 要 : 本 文 阐 述 了 大 学 物 理 实 验 大 学 生 创 新 项 目 物 理 竞 赛 三 位 一 体 的 实 验 教 学 模 式, 结 合 实 验 教 学 改 革 实 践, 给 出 适 合 创 新 实 验 学 生 组 织 的 学 习 型 组 织 结 构 和 基 于 MOOC 的 实 验 教 学 改 革 手 段, 并 总 结 了 目 前 实 验 教 学 改 革 实 践 中 存 在 的 问 题 和 取 得 的 成 绩 关 键 词 : 三 位 一 体 的 实 验 教 学 改 革 ; 学 习 型 组 织 ;MOOC 1 引 言 中 国 石 油 大 学 理 学 院 物 理 实 验 中 心 是 山 东 省 高 等 学 校 实 验 教 学 示 范 中 心, 主 要 开 设 省 级 精 品 课 程 大 学 物 理 实 验 大 学 物 理 综 合 实 验 智 能 检 测 技 术 实 验 创 新 研 究 性 物 理 实 验 等 重 组 基 础 综 合 交 叉 反 映 现 代 注 重 创 新 的 系 列 课 程 基 于 人 才 培 养 和 实 验 教 学 中 存 在 的 问 题, 提 出 以 问 题 和 研 究 课 题 为 核 心 的 本 科 生 创 新 实 验 与 物 理 竞 赛 相 结 合 的 实 验 教 学 改 革 模 式 侧 重 发 现 学 生 中 的 精 英, 激 发 其 创 新 意 识, 开 拓 其 创 新 思 维, 培 养 其 创 新 能 力 2 大 物 实 验 大 创 项 目 物 理 竞 赛 三 位 一 体 的 实 验 教 学 模 式 大 学 物 理 实 验 教 学 体 系 第 一 级 为 基 础 性 实 验 ; 第 二 级 为 近 代 综 合 与 设 计 性 实 验 ; 第 三 级 为 综 合 物 理 实 验 ; 第 四 级 为 创 新 研 究 性 物 理 实 验 工 科 学 生 实 验 教 学 培 养 目 标 为 观 察 测 量 数 据 处 理 等 基 本 实 验 技 能 物 理 创 新 实 验 专 题 训 练 体 系 理 科 ( 含 实 验 班 ) 学 生 以 系 统 项 目 训 练 的 形 式 开 展, 体 现 综 合 交 叉 多 学 科 知 识 反 映 现 代 技 术 发 展 结 合 石 油 特 色, 实 现 知 识 转 移 在 基 本 实 验 技 能 基 础 之 上 总 结 归 纳 实 验 过 程, 发 现 问 题, 解 决 问 题, 通 过 问 题 的 研 究 提 升 学 生 的 综 合 能 力 大 学 生 创 新 实 验 计 划 项 目 体 系 物 理 创 新 实 验 专 题 训 练 中 诞 生 出 的 创 新 灵 感, 经 过 凝 练 提 升, 在 教 师 指 导 下 申 请 大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 项 目, 获 得 专 项 资 助, 以 期 孵 化 论 文 专 利 等 学 生 成 果 大 学 生 课 外 科 技 竞 赛 体 系 高 水 平 教 师 指 导 下 的 拔 尖 大 学 生 创 新 计 划 或 科 技 竞 赛, 是 应 用 型 人 才 培 养 的 重 要 途 径, 也 是 实 验 教 学 改 革 的 重 要 抓 手 给 竞 赛 或 大 创 项 目 等 同 于 课 程 的 质 量 观, 以 竞 赛 促 进 学 生 课 程 兴 趣, 促 进 课 程 的 建 设, 促 进 创 新 人 才 培 养 模 式 的 变 革 三 种 教 学 体 系 的 针 对 不 同 层 次 不 同 能 力 学 生 给 予 差 异 化 个 性 化 有 针 对 性 的 培 养 大 学 物 理 实 验 课 程 注 重 的 是 原 理 和 实 验 方 法 以 及 实 验 技 能 的 培 养, 物 理 创 新 训 练 专 题 以 研 究 性 教 学 理 念 为 指 导, 开 展 基 于 问 题 的 研 究 和 基 于 项 目 的 训 练 教 学 过 程 从 实 验 技 能, 创 新 思 维, 研 究 能 力 三 个 维 度 培 养 学 生 的 创 新 能 力 实 现 实 验 知 识 传 承, 理 性 思 维 提 升, 实 验 方 法 优 化, 创 新 智 慧 生 成 三 位 一 体 的 实 验 教 学 改 革 切 实 提 高 了 实 验 教 学 的 质 量 作 者 简 介 : 韩 立 立 (1974-), 女, 山 东 博 兴 人, 硕 士, 实 验 师, 主 要 研 究 方 向 为 物 理 实 验 技 术, 实 验 室 研 究 与 管 理 84
3 实 验 教 学 改 革 视 域 下 的 大 学 生 创 新 组 织 结 构 和 师 生 关 系 目 前 211 学 校 本 科 生 在 学 习 大 学 物 理 实 验 课 程 时 一 人 一 套 实 验 仪 器 进 行 一 个 实 验 项 目, 独 立 给 出 实 验 报 告 实 验 过 程 无 法 体 现 学 生 间 的 合 作 物 理 创 新 专 题 训 练 的 学 生 一 般 是 2-3 人 一 组 围 绕 一 个 课 题 进 行 研 究 和 实 验, 给 出 一 份 研 究 论 文, 专 题 训 练 可 以 初 步 锻 炼 学 生 的 团 队 合 作 交 流 能 力 大 学 生 创 新 计 划 或 参 加 竞 赛 的 学 生 由 于 有 2000-10000 的 资 金 支 持, 学 生 可 以 自 主 的 做 一 些 研 究 大 创 项 目 学 生 组 织 的 结 构 在 实 验 教 学 改 革 视 域 下 采 用 的 是 学 习 型 组 织 结 构 [1] 学 生 创 新 组 织 先 天 就 有 学 习 型 组 织 的 特 点 : 天 然 浓 厚 的 学 习 氛 围, 扁 平 化 的 结 构, 共 同 的 愿 景 等 改 革 中 突 破 学 校 对 创 新 项 目 人 数 的 限 制, 在 项 目 立 项 之 初 最 大 范 围 的 吸 收 有 意 愿 的 学 生 参 与, 在 项 目 过 程 中 竞 争 分 流 和 淘 汰, 研 究 成 果 的 分 享 署 名 排 序 等 由 学 生 自 主 决 定, 教 师 只 给 出 建 议 项 目 进 行 中 由 负 总 责 任 的 学 生 协 调 所 有 事 项, 而 非 教 师 ; 其 他 学 生 根 据 自 身 专 业 和 特 长 分 工, 电 路 设 计 制 作, 原 理 方 法 的 确 定, 计 算 机 程 序 的 编 制, 耗 材 购 买 的 账 目 等 等 所 有 事 项 都 由 项 目 学 生 专 人 负 责 教 师 协 助 项 目 负 责 人 控 制 大 创 项 目 的 进 度 成 本 风 险 人 事 等 事 项, 锻 炼 的 是 学 生 的 团 队 能 力, 解 决 实 际 问 题 的 能 力, 创 新 能 力 风 险 管 理 能 力 资 金 成 本 控 制 等 综 合 能 力 大 学 生 创 新 计 划 形 式 上 是 实 验 教 学 改 革, 但 本 质 上 是 人 才 培 养 模 式 改 革, 限 于 经 费 和 师 资 的 缺 乏 目 前 只 有 学 生 中 的 精 英 才 能 获 得 4 幕 课 在 实 验 教 学 改 革 中 的 应 用 慕 课 (MOOC), M 代 表 Massive( 大 规 模 ), 字 母 O 分 别 代 表 Open( 开 放 ) 和 Online( 在 线 ), C 代 表 Course( 课 程 ) 幕 课 突 破 传 统 课 程 的 人 数 限 制, 以 兴 趣 导 向, 不 分 国 籍, 不 受 时 空 限 制, 只 需 邮 箱 注 册 ; 就 可 以 在 网 上 完 成 学 习 的 课 程 MOOC 是 2008 年 在 加 拿 大 首 次 由 热 衷 计 算 机 网 络 传 播 创 新 和 教 育 技 术 应 用 变 革 的 专 家 提 出 的, 倡 导 将 计 算 机 技 术 作 为 一 种 改 革 破 碎 的 教 育 系 统 的 手 段 和 增 进 智 慧 的 协 作 工 具 应 用 于 学 习 过 程 之 中, 极 力 推 进 教 育 过 程 的 开 放, 将 个 人 计 算 机 与 互 联 的 计 算 机 网 络 结 合 起 来, 从 而 形 成 一 种 大 规 模 的 世 界 性 的 课 程 信 息 分 享 [2] 在 本 科 生 创 新 实 验 教 学 改 革 过 程 中, 教 师 个 人 学 科 领 域 和 专 业 特 长 是 有 限, 在 实 际 教 学 中 引 入 MOOC 这 一 先 进 教 育 技 术 手 段, 可 以 摆 脱 物 化 或 窄 化 的 技 术 导 向, 指 导 学 生 突 破 自 我 局 限, 最 快 的 最 直 接 的 接 收 到 某 一 领 域 最 好 的 教 师 传 授, 获 取 专 业 或 学 科 以 外 的 国 际 化 的 思 路 知 识 或 技 能 幕 课 的 应 用 使 得 学 生 真 正 成 为 学 习 的 主 体, 学 习 方 法 互 联 网 化 个 性 化 教 师 的 教 学 改 革 思 路 转 变 为 自 教 他 教 共 教 [3], 师 生 关 系 转 变 成 相 学 相 长 5 叶 圣 陶 教 育 思 想 : 不 教 的 学 在 实 验 教 学 改 革 中 的 应 用 在 大 学 物 理 实 验 课 程 阶 段, 我 们 还 会 采 用 传 统 的 实 验 授 课 方 式, 讲 原 理 讲 方 法, 讲 注 意 事 项, 在 创 新 训 练 专 题 训 练 中, 教 师 更 多 采 取 引 导 式 的 研 究 型 教 学, 教 师 个 体 与 学 生 群 体 双 向 构 建 教 师 的 身 份 是 权 威 顾 问 同 伴 三 位 一 体 在 对 大 学 生 创 新 计 划 和 学 科 竞 赛 的 学 生 教 学 时 更 多 采 用 的 是 叶 圣 陶 的 教 育 思 想 : 不 教 的 学 教 是 为 了 不 教, 学 是 为 了 会 学 [4] 大 学 生 创 新 计 划 的 教 学 目 标 不 是 教 给 学 生 多 少 知 识, 而 是 激 发 学 生 的 学 习 兴 趣 和 热 情, 先 培 养 出 问 题 意 识, 于 无 疑 处 有 疑, 方 是 进 矣 乐 学 而 后 会 学 不 断 改 变 教 学 模 式, 培 养 学 生 的 自 主 学 习 能 力 更 多 地 让 学 生 自 己 动 手 实 验 动 口 交 流 动 脑 解 决 创 新 计 划 过 程 中 遇 到 的 实 际 问 题 相 学 相 长 的 教 学 为 学 生 创 新 实 践 能 力 的 培 养 营 造 良 好 的 氛 围, 在 大 师 教 育 思 想 和 当 代 高 等 教 育 教 学 论 指 导 下, 结 合 专 业 和 学 科, 让 学 生 自 信 自 主 地 创 造 性 地 实 验 85
6 实 验 教 学 改 革 视 域 中 存 在 的 现 实 问 题 教 学 实 验 教 学 改 革 在 教 师 层 面 目 前 主 要 存 在 的 问 题 是 缺 乏 方 法 论 的 指 导, 和 对 教 学 论 缺 乏 研 究 和 实 践, 教 师 间 没 有 形 成 共 同 的 关 注 的 研 究 课 题, 也 就 不 能 形 成 共 同 的 智 慧, 缺 乏 新 理 论 新 方 法 新 范 式 产 生 的 平 台 [5] 实 验 教 学 改 革 的 管 理 和 评 价 主 要 来 自 上 级 教 务 管 理 部 门, 一 刀 切 现 象 严 重, 个 性 不 足, 不 宽 容 失 败, 过 分 注 重 论 文 专 利 奖 项 等 可 量 化 成 果 [6] 由 于 传 统 课 程 注 重 考 试 成 绩 的 思 维 定 式 和 经 费 的 缺 乏 造 成 创 新 实 验 只 能 面 向 少 数 精 英 学 生 的 困 境, 学 生 参 与 创 新 实 验 教 学 改 革 实 践 的 意 识 和 机 会 欠 缺 7 结 论 大 物 实 验 大 创 项 目 物 理 竞 赛 三 位 一 体 的 实 验 教 学 模 式 在 本 科 人 才 培 养 工 作 中 取 得 了 突 出 的 成 绩 近 三 年 来, 物 理 实 验 中 心 教 师 指 导 学 生 在 中 文 核 心 期 刊 发 表 研 究 论 文 10 篇 ; 指 导 学 生 在 山 东 省 大 学 生 物 理 科 技 创 新 大 赛 获 特 等 奖 2 项 一 等 奖 2 项 二 等 奖 3 项 三 等 奖 2 项 ; 指 导 学 生 完 成 5 项 国 家 级 和 校 级 大 学 生 创 新 训 练 计 划 项 目 ; 指 导 学 生 完 成 2 项 自 主 创 新 项 目 ; 指 导 学 生 参 加 挑 战 杯 竞 赛 获 山 东 省 特 等 奖 全 国 三 等 奖 各 1 项 参 考 文 献 : [1] 彼 得 圣 吉 第 五 项 修 炼 : 学 习 型 组 织 的 艺 术 与 实 践 [M] 北 京 : 中 信 出 版 社,2009:10 [2] 百 度 百 科 幕 课. http://baike.baidu.com/view/10629886.htm [3] 徐 晓 飞 抓 住 MOOC 之 机 遇 促 进 计 算 机 如 软 件 工 程 专 业 教 学 改 革 [J] 中 国 大 学 教 学,2014:1 [4] 任 苏 民 叶 圣 陶 教 育 思 想 的 文 化 底 蕴 和 当 代 价 值 [J] 教 育 研 究,2012:3 [5] 裴 娣 娜 中 国 教 学 论 学 科 的 当 代 形 态 及 发 展 路 径 [J] 教 育 研 究,2009:3 [6] 郑 益 慧, 江 志 斌, 吴 益 锋 实 施 大 学 生 创 新 计 划 引 领 和 推 动 人 才 培 养 模 式 改 革 [J] 中 国 高 等 教 育,2012:18 Three- in-one experimental teaching reform practice for college physics experiment university student innovative project physics contests HAN Li-li (College of Science, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China) Abstract: the experimental teaching model of Three- in-one of college physics experiment university student innovative project physics contests is introduced. The organization structure for study suitable for student organization of innovative experiment and the experimental teaching reform methods MOOC are suggested by combining experimental teaching reform practice. Then the problems and achievements currently existing in experimental teaching reform practice are concluded. Key words: Three-in-one experimental teaching reform practice; organization structure for study; MOOC 86
最 近 发 展 区 及 相 关 理 论 在 大 学 物 理 实 验 教 学 中 的 应 用 韩 璐, 孙 敬 姝, 杨 名 超 ( 吉 林 大 学 物 理 学 院, 吉 林 长 春 130012) 摘 要 : 本 文 介 绍 了 在 大 学 物 理 实 验 课 程 中 以 最 近 发 展 区 及 其 相 关 理 论 为 指 导 进 行 教 学 的 应 用 实 例 关 键 词 : 最 近 发 展 区 ; 大 学 物 理 实 验 1 引 言 物 理 实 验 是 物 理 学 科 的 基 础, 也 是 物 理 研 究 的 基 本 手 段 物 理 实 验 体 现 了 大 多 数 科 学 实 验 的 共 性, 在 实 验 思 想 实 验 方 法 上 是 很 多 学 科 的 基 础 因 此, 物 理 实 验 也 是 所 有 理 工 科 专 业 的 学 生 的 必 修 课 通 过 物 理 实 验 课 程, 能 够 引 导 学 生 思 考 物 理 现 象, 认 识 和 掌 握 理 论 知 识, 同 时 也 能 激 发 学 生 的 学 习 兴 趣, 提 高 学 生 的 观 察 能 力, 锻 炼 学 生 的 逻 辑 思 维, 是 培 养 学 生 的 创 新 思 维 和 创 新 能 力 的 重 要 方 法 和 手 段 在 传 统 的 教 学 模 式 下, 一 般 是 教 师 在 上 课 时 先 讲 授 实 验 原 理 实 验 仪 器 和 实 验 内 容 等, 交 代 实 验 注 意 事 项 后, 学 生 开 始 自 己 动 手 做 实 验 这 样 的 老 师 先 讲, 学 生 照 做 的 模 式 往 往 会 导 致 学 生 不 能 真 正 理 解 实 验 的 原 理, 只 是 按 照 要 求 完 成 了 实 验 步 骤 而 已, 缺 少 了 主 动 思 考 的 过 程, 课 后 对 实 验 的 印 象 不 深, 使 物 理 实 验 课 的 作 用 大 打 折 扣, 达 不 到 应 有 的 教 学 效 果 产 生 这 种 现 象 的 原 因 主 要 在 于 :1 教 师 一 次 性 把 实 验 相 关 知 识 都 讲 完, 学 生 紧 接 着 就 要 动 手 实 验, 中 间 很 少 有 消 化 和 思 考 的 时 间, 使 学 生 来 不 及 掌 握 2 由 于 实 验 项 目 安 排 的 顺 序 不 同, 使 实 验 内 容 和 理 论 课 不 能 完 全 相 结 合, 导 致 学 生 缺 乏 理 论 知 识 的 准 备, 尤 其 是 非 物 理 专 业 学 生, 课 前 没 有 理 论 基 础 使 他 们 在 实 验 时 变 得 盲 目, 更 容 易 遇 到 困 难 2 最 近 发 展 区 及 其 相 关 理 论 2.1 最 近 发 展 区 最 近 发 展 区 的 概 念 是 前 苏 联 著 名 心 理 学 家 维 果 茨 基 在 论 述 教 学 与 发 展 的 关 系 时 提 出 的, 他 将 其 定 义 为 实 际 的 发 展 水 平 与 潜 在 的 发 展 水 平 之 间 的 差 距 前 者 由 独 立 解 决 问 题 的 能 力 而 定 ; 后 者 则 是 指 在 成 人 的 指 导 下 或 是 更 有 能 力 的 同 伴 合 作 时, 能 够 解 决 问 题 的 能 力 他 强 调 教 学 不 能 仅 依 据 于 学 生 过 去 已 完 成 的 发 展 过 程, 而 应 依 据 于 现 在 仍 处 于 形 成 状 态, 刚 刚 在 发 展 的 过 程, 主 张 教 育 要 在 发 展 之 前 引 导 发 展 最 近 发 展 区 在 一 定 程 度 上 决 定 着 发 展 的 方 向 和 进 程, 只 有 适 当 难 度 的 任 务 才 能 促 进 个 体 的 学 习 和 进 步 2.2 支 架 式 教 学 支 架 的 原 意 是 建 筑 行 业 使 用 的 脚 手 架, 研 究 者 在 维 果 茨 基 的 基 础 上 提 出 了 支 架 式 教 学 这 里 的 支 架 是 指 用 来 帮 助 学 生 解 决 问 题 的 指 导 性 语 言 或 者 工 具 这 种 教 学 方 式 的 关 键 是 要 保 证 教 师 所 提 供 的 支 架 处 于 学 生 的 最 近 发 展 区 内, 只 有 这 样 的 支 架 才 有 意 义, 学 生 才 能 够 接 受 运 用 支 架 法 教 学 的 要 点 在 于 : 学 生 要 在 教 师 的 指 导 下 发 现 问 题 或 解 决 问 题, 其 次 教 师 要 逐 步 减 少 或 撤 离 支 架, 使 学 生 最 后 能 达 到 独 立 思 考 的 水 平 作 者 简 介 : 韩 璐 (1989 ), 吉 林 省 洮 南 市 人, 吉 林 大 学 物 理 学 院 2013 级 研 究 生 通 讯 作 者 : 孙 敬 姝 (1960 ), 吉 林 省 长 春 市 人, 吉 林 大 学 物 理 学 院 教 授, 博 士, 主 要 研 究 方 向 为 凝 聚 态 物 理 和 课 程 论 87
2.3 情 境 教 学 维 果 茨 基 的 思 想 体 系 是 建 构 主 义 学 习 理 论 的 重 要 基 础 之 一, 深 深 地 影 响 着 建 构 主 义 者 对 发 展 和 教 育 的 研 究 其 中 情 境 认 知 理 论 和 情 境 教 学 模 式 的 思 想 在 一 定 程 度 上 源 于 维 果 茨 基 的 理 论 情 境 认 知 理 论 主 张 任 何 学 习 都 是 处 在 一 定 的 社 会 或 实 际 背 景 下 的, 这 些 背 景 对 学 习 有 一 定 的 影 响 学 习 者 不 应 该 只 是 被 动 地 接 受 知 识, 而 应 该 是 主 动 的 学 徒 式 学 习 者 情 境 教 学 模 式 的 重 点 在 于 在 教 学 过 程 中, 教 师 要 引 导 学 生 从 观 察 者 转 化 为 参 与 者, 在 课 堂 的 情 境 互 动 中 学 习 知 识 或 技 能 3 最 近 发 展 区 理 论 在 大 学 物 理 实 验 教 学 中 的 应 用 最 近 发 展 区 理 论 对 教 学 的 影 响 主 要 体 现 在 内 容 设 计 上 教 学 内 容 设 计 也 是 教 学 设 计 的 主 体 部 分 用 最 近 发 展 区 理 论 进 行 教 学 设 计 的 关 键 是 要 在 教 学 过 程 中 保 证 课 堂 的 教 学 内 容 处 于 学 生 的 最 近 发 展 区 内 如 何 进 行 教 学 内 容 的 选 择 与 顺 序 安 排, 都 要 依 据 这 一 原 则 首 先 要 了 解 学 生 的 现 有 水 平, 进 而 与 教 学 目 标 中 学 生 应 达 到 的 水 平 作 比 较, 根 据 两 者 差 距 选 择 合 适 的 支 架, 创 设 情 境, 引 导 学 生 逐 步 掌 握, 最 后 达 到 预 期 的 教 学 效 果 本 文 以 普 通 物 理 实 验 中 透 镜 组 基 点 的 测 定 为 例, 探 讨 将 最 近 发 展 区 及 其 相 关 理 论 运 用 到 大 学 物 理 实 验 教 学 中 的 过 程 3.1 分 析 学 生 已 有 的 学 习 状 态 透 镜 组 的 基 点 是 普 通 物 理 光 学 部 分 的 内 容, 对 于 物 理 专 业 的 学 生 来 说, 已 经 在 之 前 的 光 学 课 上 学 习 过, 对 实 验 的 理 论 部 分 有 基 本 的 了 解, 只 需 要 稍 加 复 习 便 能 回 忆 起 来 非 物 理 专 业 的 学 生 没 有 学 过 光 学 课 程, 而 大 学 物 理 中 的 光 学 部 分 并 未 涉 及 透 镜 组 基 点 的 相 关 内 容, 因 此 本 实 验 的 原 理 对 他 们 来 说 是 新 知 识 3.2 将 学 习 内 容 具 体 化 透 镜 组 基 点 的 测 定 的 内 容 可 以 分 为 两 部 分, 分 别 用 焦 距 仪 和 节 点 调 节 器 两 种 工 具 来 测 定 透 镜 组 的 基 点 其 中 需 要 学 生 掌 握 的 是 透 镜 组 基 点 的 概 念 以 及 用 焦 距 仪 和 节 点 调 节 器 来 测 定 透 镜 组 基 点 的 方 法 3.3 选 择 支 架 透 镜 组 的 基 点 是 用 来 描 述 透 镜 组 的 物 象 关 系 的, 这 与 用 来 描 述 薄 透 镜 成 像 规 律 的 焦 点 光 心 等 概 念 类 似, 可 将 两 者 对 比, 向 学 生 展 示 两 者 的 相 似 关 系 与 不 同 之 处, 由 前 者 向 后 者 延 伸, 使 学 生 的 思 维 能 够 由 浅 入 深, 理 解 基 点 的 概 念 3.4 情 境 创 设 课 堂 开 始 时, 先 展 示 薄 透 镜 成 像 的 几 何 光 路 图, 带 领 学 生 复 习 几 何 光 学 中 薄 透 镜 成 像 的 有 关 规 律 和 重 要 的 基 本 概 念, 如 焦 点 焦 距 光 心 等 对 于 两 个 薄 透 镜 组 成 的 透 镜 组, 如 果 要 分 析 它 的 成 像 规 律, 需 要 用 两 次 薄 透 镜 成 像 来 得 出 结 果, 能 不 能 用 一 种 属 于 透 镜 组 整 体 的 参 数 来 表 征 它 的 性 质? 这 便 是 本 次 实 验 要 测 定 的 透 镜 组 的 基 点 3.5 学 生 独 立 探 索 经 过 教 师 在 所 创 设 的 情 境 中 一 系 列 的 引 导, 学 生 已 基 本 掌 握 实 验 的 原 理 和 过 程 学 生 自 己 动 手 实 验, 结 合 教 材 并 以 与 其 他 同 学 的 协 作 学 习 为 辅 助, 加 之 教 师 针 对 个 别 问 题 的 解 答, 完 成 实 验 内 容 在 实 验 后 总 结 和 反 思 实 验 过 程, 完 成 思 考 题 4 总 结 通 过 教 学 实 践 我 们 发 现, 合 理 地 安 排 课 程 内 容, 提 供 合 适 的 支 架 和 创 设 情 境 能 够 有 效 地 帮 助 学 生 理 解 实 验 中 的 概 念 和 原 理, 并 使 其 参 与 到 教 学 活 动 中 来, 增 强 学 生 的 学 习 兴 趣 在 大 学 物 理 实 验 课 中 应 用 最 近 发 展 区 及 其 相 关 理 论 为 指 导 进 行 教 学, 使 以 往 学 生 轻 视 理 论 部 分, 急 于 完 成 实 验 内 容 和 由 于 对 原 理 理 解 的 不 充 分 导 致 实 验 过 程 中 盲 目 操 作 的 现 象 得 到 了 很 88
大 改 善 参 考 文 献 : [1] 陈 琦 刘 儒 德. 当 代 教 育 心 理 学 ( 第 2 版 )[M] 北 京 : 北 京 师 范 大 学 出 版 社,2007:39-42 [2] 唐 卫 海, 刘 希 萍 教 育 心 理 学 [M] 天 津 : 南 开 大 学 出 版 社,2005:46-47 [3] 全 国 十 二 所 重 点 师 范 大 学 联 合 编 写 教 育 学 基 础 [M] 北 京 : 教 育 科 学 出 版 社,2002: 207-217 Application of the Zone of Proximal Development Theory in the Teaching of College Physical Experiment HAN Lu, SUN Jing-shu, YANG Ming-chao (College of Physics, Jilin University, Changchun 130012, China) Abstract: In this paper, an example of instructional design based on the zone of proximal development theory in college physical experiment is introduced. Keywords: the zone of proximal development; college physical experiment 89
大 学 物 理 课 程 与 学 生 制 作 实 践 融 合 的 培 养 模 式 探 索 黄 彦, 朱 泉 水, 龚 勇 清, 陈 凤 英 ( 南 昌 航 空 大 学 大 学 物 理 实 验 中 心, 江 西 南 昌 330063) 摘 要 : 在 一 般 工 科 院 校 大 学 物 理 基 础 课 程 的 教 学 平 台 上, 建 立 了 大 学 物 理 课 程 与 学 生 制 作 实 践 ( 演 示 仪 器 制 作 科 技 创 新 制 作 等 ) 融 合 的 培 养 模 式 培 养 模 式 将 大 学 物 理 理 论 实 验 课 程 教 与 学 中 多 方 面 相 互 融 合, 形 成 具 有 各 方 面 相 互 协 调 相 互 促 进 的 教 学 局 面, 增 强 了 学 生 对 物 理 学 习 的 兴 趣, 实 质 性 地 培 养 了 理 论 联 系 实 际 的 综 合 应 用 能 力 和 创 新 能 力 通 过 小 规 模 实 践, 取 得 了 预 期 的 效 果 关 键 词 : 大 学 物 理 ; 制 作 实 践 ; 培 养 模 式 1 介 绍 大 学 物 理 课 程 广 义 地 包 括 理 论 和 实 验 课 程, 是 工 科 高 等 学 校 重 要 的 公 共 基 础 课 程 单 独 的 理 论 教 学 更 为 理 论 化, 而 单 独 的 实 验 教 学 更 趋 技 术 性 [1] 在 大 学 物 理 理 论 课 上 进 行 随 堂 演 示 实 验 对 学 生 的 能 力 和 素 质 培 养 优 越 性 不 言 而 喻 国 内, 在 物 理 类 探 索 与 演 示 实 验 建 设 较 早 的 一 些 著 名 高 校 如 中 国 科 技 大 学 北 京 交 通 大 学 吉 林 大 学 等 随 堂 演 示 实 验 已 经 常 态 化 丰 富 的 演 示 仪 器 是 开 展 课 堂 演 示 教 学 探 索 与 演 示 实 验 教 学 的 物 质 基 础 [2] 依 靠 购 买 演 示 仪 器 设 备 并 不 是 演 示 实 验 发 展 的 最 佳 途 径 不 少 院 校 已 经 开 展 了 大 学 物 理 演 示 实 验 仪 器 和 教 具 的 自 制, 特 别 是 让 学 生 进 行 制 作 [2,3], 为 学 生 提 供 了 一 个 自 主 探 索 学 习 的 环 节 学 生 进 行 演 示 仪 器 制 作 和 物 理 类 科 技 创 新 制 作 实 践 在 物 理 基 础 课 程 教 学 指 导 委 员 会 制 定 的 教 学 基 本 要 求 中 并 没 有 硬 性 规 定 但 从 历 届 全 国 高 等 学 校 物 理 演 示 实 验 教 学 研 讨 会 上, 特 别 是 刚 过 去 的 第 十 一 届 [4], 学 生 制 作 的 演 示 仪 器 已 经 占 有 较 大 比 重 学 生 制 作 实 践 与 大 学 物 理 课 程 教 学 的 天 然 结 合 点 在 演 示 仪 器 的 自 制 项 目 上 在 教 师 的 指 导 下, 让 学 生 进 行 演 示 仪 器 的 自 制 和 相 关 科 技 创 新 制 作, 成 为 培 养 学 生 实 践 能 力 的 有 效 手 段, 弥 补 课 程 教 学 的 不 足, 同 时 又 让 大 学 物 理 实 验 形 成 了 良 性 循 环 发 展 让 大 学 物 理 课 程 教 学 与 学 生 制 作 实 践 相 融 合, 以 学 生 制 作 实 践 为 支 点, 在 不 改 变 现 有 大 学 物 理 教 学 体 系 和 管 理 体 制 的 基 础 上, 形 成 一 种 大 学 物 理 课 程 与 学 生 制 作 实 践 融 合 的 培 养 模 式, 激 发 大 学 物 理 这 门 公 共 基 础 课 程 的 内 在 活 力, 充 分 发 挥 培 养 学 生 理 论 联 系 实 际 综 合 应 用 能 力 和 活 跃 的 创 新 意 识 的 作 用 2 需 要 解 决 的 问 题 2.1 教 师 的 创 新 动 力 一 般 工 科 院 校 在 大 学 物 理 理 论 课 程 教 材 更 新 上 可 以 达 到 与 重 点 大 学 一 致 步 伐, 但 是 实 验 设 备 的 更 新 却 极 其 被 动 一 些 设 计 性 实 验 和 研 究 性 实 验 很 难 新 陈 代 谢 和 发 展, 特 别 是 在 没 有 物 理 专 业 或 与 物 理 专 业 分 开 的 大 学 物 理 基 础 教 学 部, 其 主 要 原 因 是 这 些 院 校 大 学 物 理 基 础 教 学 部 教 师 整 体 上 的 原 创 性 动 力 不 足 资 助 项 目 : 江 西 省 教 学 改 革 项 目 大 学 物 理 课 程 与 学 生 制 作 实 践 融 合 的 培 养 模 式 研 究 (JXJG-12-7-11); 江 西 省 教 学 改 革 项 目 基 于 课 堂 演 示 实 验 的 案 例 式 大 学 物 理 视 频 教 学 的 设 计 研 究 与 实 践 (JXJG-12-7-9) 作 者 简 介 : 黄 彦 (1980-), 男, 湖 北 荆 州 人, 南 昌 航 空 大 学 大 学 物 理 实 验 中 心 讲 师, 从 事 大 学 物 理 理 论 及 实 验 教 学 90
2.2 学 生 的 兴 趣 和 热 情 大 学 物 理 课 程 重 要 性 和 实 用 性 没 有 得 到 体 现, 一 般 工 科 院 校 的 学 生 对 大 学 物 理 学 习 的 热 情 不 高 在 应 用 中 获 得 学 科 的 价 值, 是 目 前 学 生 的 普 遍 的 学 科 价 值 观 大 学 物 理 课 程 只 设 置 了 实 验 实 践 环 节, 没 有 设 置 创 新 制 作 实 践 环 节, 因 此 学 生 在 课 程 学 习 过 程 中 没 有 自 主 的 情 感 注 入, 完 成 任 务 和 做 一 个 热 闹 的 看 客 成 为 一 种 普 遍 的 心 态 3 培 养 模 式 的 构 建 针 对 以 上 问 题, 构 建 了 大 学 物 理 课 程 与 学 生 制 作 实 践 融 合 的 培 养 模 式 这 个 模 式 以 教 师 指 导 学 生 制 作 实 践 为 支 持 点, 将 制 作 实 践 以 知 识 应 用 的 形 式 融 合 于 大 学 物 理 理 论 与 实 验 课 程, 提 高 大 学 物 理 课 程 教 学 水 平 和 对 学 生 能 力 素 养 培 养 水 平 3.1 模 式 的 基 本 描 述 以 大 学 物 理 课 程 平 台 为 依 托, 以 大 学 物 理 课 程 教 师 为 引 导 者, 在 平 台 提 供 场 地 条 件 和 适 当 的 启 动 经 费 支 持 下, 要 求 学 生 经 过 选 题 立 项 方 案 设 计 经 费 预 算 材 料 选 择 和 购 买 动 手 制 作 等 过 程 完 成 制 作 实 践 在 物 理 基 本 知 识 点 演 化 出 来 的 制 作 项 目, 以 物 理 演 示 仪 器 制 作 为 主 制 作 出 的 仪 器 将 用 于 理 论 课 程 教 学 ( 随 堂 演 示 ), 存 放 在 开 放 实 验 室, 为 学 生 提 供 自 由 的 自 主 实 验 以 最 新 和 趣 味 物 理 技 术 知 识 为 选 题 的 立 项 制 作 出 开 放 性 演 示 与 探 索 实 验 仪 器, 增 加 演 示 与 探 索 实 验 项 目 以 物 理 知 识 和 思 想 方 法 应 用 为 选 题 立 项 的 制 作, 因 为 具 备 一 定 的 创 新 性, 在 指 导 教 师 的 指 导 下 孵 化 成 为 三 小 ( 小 发 明, 小 创 造 小 制 作 ) 创 新 创 业 等 项 目, 同 时 获 得 相 当 的 经 费 支 持 制 做 实 践 对 学 生 培 养 具 有 一 个 过 程 : 在 初 级 阶 段, 以 课 程 基 本 知 识 和 趣 味 物 理 技 术 立 项, 仪 器 制 作 项 目 具 有 重 复 性 和 验 证 性 质, 这 一 阶 段 积 累 学 生 制 作 实 践 经 验 ; 在 高 级 阶 段, 学 生 参 加 实 验 仪 器 的 维 护 改 进 进 行 三 小 创 新 创 业 等 实 践 活 动, 甚 至 成 为 科 研 小 助 手 直 接 参 与 教 师 科 研 中 的 实 践 活 动 和 形 成 研 究 性 实 验, 这 时 具 有 创 新 性 在 这 个 过 程 中, 实 现 在 不 同 方 面 对 学 生 培 养 : 对 随 堂 演 示 实 验 仪 器 的 制 作, 课 程 理 论 教 学 中 的 理 论 解 释 和 公 式 推 导 有 了 一 个 形 象 载 体, 学 生 对 理 论 课 教 学 知 识 点 的 有 了 较 为 深 入 理 解 ; 对 演 示 与 探 索 实 验 仪 器 的 制 作, 基 本 的 物 理 知 识 和 思 维 方 法 有 了 应 用 载 体, 学 生 对 理 论 课 教 学 知 识 点 的 理 解 变 得 鲜 活, 理 解 上 产 生 了 新 的 视 角, 在 眼 界 和 思 维 上 达 到 更 高 的 层 次 ; 在 高 级 阶 段 中, 三 小 等 实 践 活 动, 学 生 将 现 有 物 理 知 识 拓 展 到 实 际 应 用 中, 这 个 过 程 需 要 学 生 不 断 地 思 考 阅 读 分 析 比 较 设 计, 在 物 理 知 识 和 思 考 方 法 得 到 强 化 的 同 时, 在 与 课 题 相 关 的 领 域 知 识 大 量 拓 展 和 积 累, 获 取 知 识 的 能 力 增 强, 思 考 方 法 思 维 层 次 进 一 步 提 高, 积 累 大 量 的 实 践 技 巧, 学 生 的 综 合 应 用 能 力 和 创 新 意 识 得 到 一 定 程 度 地 培 养 由 于 大 学 物 理 课 程 平 台 上 制 作 实 践 的 学 生 来 自 不 同 的 专 业, 对 各 学 科 思 想 和 知 识 的 交 融, 对 交 叉 创 新 是 十 分 有 利 的 教 师 在 指 导 学 生 制 作 实 践 中, 对 自 身 的 素 质 也 起 到 促 进 作 用, 有 利 于 科 研 上 原 创 性 想 法 的 产 生 在 制 作 实 践 的 团 队 中, 高 级 阶 段 的 学 生 和 初 级 阶 段 的 学 生 组 成 团 队 梯 队, 培 养 团 队 精 神 和 交 流 能 力 的 同 时, 形 成 学 生 自 行 培 养 的 良 好 态 势 大 学 物 理 课 程 平 台 的 建 设 与 学 生 制 作 实 践 形 成 良 性 稳 定 发 展 的 关 系, 见 模 式 直 观 框 架 图 1, 过 程 A: 根 据 理 论 课 程 的 知 识 点 制 作 随 堂 演 示 实 验 ; 大 量 随 堂 实 验 增 进 物 理 知 识 的 理 解 过 程 B: 收 集 最 新 或 者 趣 味 的 物 理 技 术 信 息 制 作 演 示 与 探 索 实 验 制 定 设 计 性 实 验 和 对 基 础 实 验 的 仪 器 进 行 改 进 和 维 护 ; 参 加 自 主 开 放 性 实 验 提 扩 展 知 识 面, 增 强 物 理 知 识 的 联 系 过 程 C: 参 与 教 师 的 科 研 项 目, 为 项 目 提 供 特 定 方 面 的 制 作 等 ; 感 受 科 学 研 究 和 科 学 探 索 过 程 过 程 D: 参 加 学 生 的 科 技 制 作 项 目, 如 大 学 生 三 小 创 新 创 业 项 目 等 ; 增 强 物 理 理 论 联 系 应 用 的 能 力 和 创 新 意 识 91
图 1 模 式 的 示 意 图 3.2 培 养 模 式 的 关 键 点 在 大 学 物 理 课 程 与 学 生 制 作 实 践 的 融 合 培 养 模 式 中, 体 现 在 5 个 重 要 的 融 合 : 1) 学 生 制 作 实 践 与 大 学 物 理 理 论 课 程 融 合 大 学 物 理 理 论 课 程 中 需 要 提 出 归 纳 有 意 义 的 随 堂 演 示 实 验 的 知 识 点, 从 而 确 定 学 生 制 作 随 堂 演 示 仪 器 的 具 体 项 目 首 先 是 必 要 性 : 具 体 的 随 堂 演 示 实 验 项 目 必 须 对 学 生 学 习 大 学 物 理 课 程 中 建 立 正 确 的 物 理 模 型 和 思 想 培 养 学 生 科 学 观 察 和 思 维 能 力 创 新 意 识 和 科 学 审 美 起 到 有 益 的 作 用 ; 其 次 是 合 理 性 : 随 堂 演 示 实 验 的 演 示 必 须 简 洁 明 了, 便 于 操 作 观 察 基 于 这 两 个 问 题 必 须 专 门 地 研 究 随 堂 演 示 实 验 的 演 示 方 案 和 技 术 2) 学 生 制 作 实 践 与 大 学 物 理 实 验 课 程 融 合 大 学 物 理 实 验 被 分 为 三 个 层 次, 其 中 所 占 学 时 最 多 的 为 基 础 性 实 验 和 综 合 性 实 验, 学 生 的 制 作 实 践 主 要 表 现 为 对 这 类 实 验 的 改 进 演 示 与 探 索 实 验 以 课 堂 实 物 演 示 开 放 演 示 实 验 室 演 示 实 验 走 廊 等 形 式 出 现, 学 生 的 制 作 实 践 主 要 表 现 为 对 这 类 实 验 的 开 发 改 进 和 仪 器 维 护 设 计 性 实 验 多 是 一 些 题 目 稳 定 设 计 上 灵 活 多 变 的 项 目, 被 作 为 科 技 制 作 项 目 的 基 础 和 参 考, 比 如 我 实 验 中 心 开 设 的 光 机 电 一 体 化 小 车 实 验 形 式 上 制 作 实 践 与 实 验 相 结 合, 在 教 学 上 这 样 的 结 合 使 学 生 能 深 入 领 会 物 理 实 验 的 设 计 技 巧 和 思 想 实 质 3) 大 学 物 理 课 程 平 台 内 理 论 和 实 验 课 程 融 合 学 生 在 大 学 物 理 理 论 课 的 学 习 不 断 提 出 观 察 和 体 会 物 理 现 象 的 要 求, 教 师 的 随 堂 演 示 实 验 为 学 生 的 理 论 学 习 提 供 了 形 象 和 客 观 的 理 解 模 型 学 生 制 作 实 践 活 动 产 生 的 大 量 的 随 堂 演 示 实 验 仪 器 和 学 生 科 技 创 新 制 作 产 生 的 演 示 仪 器 则 可 以 作 为 自 主 开 放 性 实 验 的 物 质 基 础, 在 理 论 课 课 余 参 加 自 主 开 放 性 实 验, 反 复 研 习 和 讨 论, 达 到 对 某 些 物 理 理 论 知 识 的 深 入 理 解 4) 学 生 制 作 实 践 与 科 技 创 新 项 目 的 融 合 参 加 制 作 实 践 的 学 生, 可 以 在 设 计 性 实 验 的 基 础 上, 或 在 制 作 实 践 作 品 的 基 础 上, 或 者 根 据 个 人 专 业 特 点 和 爱 好, 确 立 指 导 教 师, 通 过 组 团 申 请 获 得 科 技 创 新 项 目, 比 如 大 学 生 三 小 科 技 制 作, 大 学 生 创 新 创 业 项 目 等 大 学 物 理 课 程 平 台 上 进 行 的 制 作 实 践 活 动, 将 有 一 部 分 转 孵 化 为 科 技 创 新 制 作 学 生 将 接 受 具 有 一 定 难 度 项 目 的 挑 战, 能 更 好 地 将 物 理 知 识 结 合 上 自 己 的 专 业 将 它 拓 展 到 应 用 领 域, 这 样 更 能 产 生 创 新 点 和 激 发 学 生 的 创 新 热 情, 达 到 学 以 致 用 的 目 的 学 生 的 科 技 创 新 制 作 是 制 作 实 践 的 高 级 阶 段, 要 求 学 生 尽 可 能 地 进 行 这 个 方 面 的 训 练 5) 大 学 物 理 平 台 内 教 师 与 学 生 制 作 实 践 的 融 合 大 学 物 理 课 程 与 学 生 制 作 实 践 的 融 合 培 养 模 式 化 体 现 在 具 有 固 定 形 式 并 且 可 持 续 地 良 性 发 展 教 师 的 积 极 性 是 模 式 良 性 稳 定 运 行 的 关 键 之 一 教 师 具 有 选 拔 和 考 察 制 作 实 践 团 队 的 学 生 负 责 人 培 养 指 导 学 生 ( 包 括 情 感 培 养 ) 项 目 执 行 方 面 的 责 任 教 师 需 要 调 查 掌 握 不 同 专 业 学 生 的 兴 趣 和 专 业 特 长, 掌 握 和 优 化 学 生 制 作 实 践 的 节 拍, 根 据 大 学 物 理 实 验 中 心 的 需 求 和 资 源 状 况 确 定 学 生 制 作 实 践 项 目 的 92
规 模, 制 定 切 实 可 行 的 实 践 项 目 分 配 组 员 时 间 师 资 配 备 方 案, 制 定 学 生 制 作 实 践 项 目 的 资 助 执 行 自 制 仪 器 维 护 资 料 存 档 成 果 管 理 考 评 奖 励 等 规 章 制 度, 制 定 学 生 制 作 实 践 项 目 的 科 技 创 新 项 目 的 孵 化 计 划, 和 与 各 专 业 进 行 联 合 培 养 孵 化 计 划 在 制 作 实 践 活 动 持 续 发 展 后, 一 部 分 学 生 对 自 然 科 学 探 索 的 兴 趣 增 加, 愿 意 以 教 师 的 科 研 小 助 手 的 形 式 加 入 与 自 己 专 业 相 近 的 研 究 领 域 进 行 研 究 性 实 验 4 培 养 模 式 的 实 践 在 南 昌 航 空 大 学 国 家 级 大 学 物 理 实 验 教 学 示 范 中 心 ( 建 设 期 ) 的 平 台 上, 中 心 的 几 位 教 师 进 行 了 两 年 多 的 实 践 首 先, 先 期 在 大 学 物 理 课 程 中 进 行 两 个 学 期 的 随 堂 演 示 实 验 的 实 践 调 查 显 示 :95.6% 的 同 学 认 可 理 论 课 上 进 行 随 堂 演 示 实 验 ; 对 物 理 理 论 课 的 学 习 对 科 技 制 作 对 自 然 科 学 探 索 分 别 有 63.7% 48.7% 和 52.2% 的 同 学 兴 趣 有 了 非 常 强 的 增 加 这 一 调 查 结 果, 为 模 式 的 实 践 奠 定 可 行 性 基 础 其 次, 在 全 校 各 工 科 专 业 中 招 募 志 愿 在 平 台 上 进 行 制 作 实 践 的 学 生 40 人, 在 教 师 的 指 导 下 确 立 了 20 个 制 作 实 践 项 目, 其 中 第 一 批 直 接 获 得 的 学 生 科 技 创 新 项 目 7 个, 第 二 批 孵 化 学 生 科 技 创 新 项 目 13 个 ( 详 见 南 昌 航 空 大 学 公 示 的 第 七 届 第 八 届 大 学 生 科 技 创 新 制 作 项 目 立 项 表 ) 制 作 实 践 项 目 的 内 容 主 要 是 学 生 在 大 学 物 理 理 论 和 实 验 课 程 的 学 习 中 产 生 的, 大 部 分 来 自 于 探 索 与 演 示 实 验, 其 中 一 部 分 与 某 些 工 科 专 业 相 结 合, 比 如 半 导 体 温 差 发 电 半 导 体 制 冷 主 控 体 磁 悬 浮 特 斯 拉 放 电 PVDF 膜 联 合 发 电 新 型 振 动 发 电 机 Crookes 辐 射 计 光 热 机 械 能 转 化 效 率 记 忆 合 金 节 能 发 电 光 学 DNA 离 子 动 力 推 进 装 置 跳 跃 式 滑 翔 的 极 限 运 动 器 械 天 文 望 远 镜 装 备 智 能 CCD 系 统 太 阳 能 LED 植 物 生 长 灯 自 动 关 窗 装 置 无 弦 吉 他 等 学 生 来 自 电 子 科 学 与 技 术 光 电 信 息 工 程 电 子 信 息 工 程 测 试 技 术 与 仪 器 应 用 化 学 环 境 工 程 材 料 成 型 及 控 制 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 飞 行 器 动 力 工 程 飞 行 器 设 计 与 工 程 经 济 学 等 专 业 第 一 批 7 项 制 作 实 践 的 作 品 参 加 了 全 国 高 等 学 校 第 11 届 物 理 演 示 仪 器 评 比 并 获 得 了 二 三 等 奖 这 些 作 品 的 产 生, 丰 富 了 大 学 实 验 中 心 的 演 示 实 验 仪 器, 同 时 制 作 实 践 的 同 学 的 能 力 得 到 了 很 大 的 提 高 截 止 到 目 前, 这 40 个 学 生 中,2 人 获 得 全 国 大 学 生 物 理 实 验 竞 赛 二 三 等,6 人 获 得 江 西 省 大 学 生 物 理 创 新 竞 赛 一 二 三 等 奖,1 人 兼 获 国 家 奖 学 金,1 人 获 得 985 高 校 的 研 究 生 报 送 资 格 ; 公 开 发 表 项 目 相 关 的 论 文 4 篇, 受 理 发 明 专 利 1 项, 实 用 新 型 专 利 4 项 ; 调 研 中 国 科 技 大 学 学 生 社 团 格 物 致 知 社 后, 成 立 了 我 校 物 理 爱 好 者 的 学 生 社 团, 形 成 了 能 在 各 专 业 学 生 中 普 及 和 宣 传 物 理 思 想 方 法 的 学 生 团 体 第 三, 在 制 作 实 践 过 程 中, 放 开 了 让 学 生 拆 卸 现 有 实 验 仪 器 学 生 们 维 修 和 改 进 演 示 仪 器 4 台 ; 改 进 了 3 类 基 础 实 验 仪 器, 如 杨 氏 模 量 测 量 实 验 迈 克 尔 逊 干 涉 实 验 和 分 光 计 的 使 用 实 验 仪 器 ; 和 教 师 共 同 设 计 和 制 作 了 两 次 校 物 理 实 验 竞 赛 的 仪 器 第 四, 经 过 制 作 实 践, 完 成 制 作 实 践 的 学 生 中, 有 两 组 已 经 参 加 了 实 验 中 心 教 师 的 科 研 项 目 其 中 有 一 组 促 成 了 中 心 教 师 和 他 们 的 专 业 老 师 科 研 合 作, 并 接 受 联 合 指 导 他 们 的 毕 业 设 计 因 为 实 践 中 学 生 群 体 规 模 不 大, 实 践 时 间 也 仅 两 年 多, 尽 管 有 一 些 成 效, 但 是 演 示 实 验 仪 器 的 丰 富 程 度 还 不 够, 不 足 以 对 目 前 理 论 和 实 验 教 学 产 生 较 大 的 影 响 虽 然 立 项 内 容 与 大 学 物 理 理 论 课 知 识 点 直 接 融 合 有 一 定 差 距, 但 技 术 性 的 演 示 更 能 反 衬 出 物 理 原 理 的 奇 妙 [6,7] 在 实 践 中, 过 分 依 赖 教 师 的 主 观 能 动 性, 培 养 模 式 良 性 持 久 运 行 需 要 中 长 期 的 效 果 支 持 5 总 结 依 托 大 学 物 理 实 验 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 平 台, 以 教 师 指 导 学 生 制 作 实 践 项 目 为 主 要 93
支 撑 形 式, 将 学 生 制 作 实 践 融 合 到 大 学 物 理 和 物 理 实 验 课 程 中, 让 学 生 通 过 自 制 仪 器 来 理 解 物 理 的 思 想 方 法, 提 高 其 科 学 素 养, 强 化 培 养 了 学 生 科 学 世 界 观 增 强 分 析 和 解 决 问 题 的 能 力 培 养 探 索 精 神 和 创 新 意 识 通 过 制 作 实 践, 丰 富 了 大 学 物 理 课 堂 教 学 中 的 演 示 仪 器, 巧 妙 的 仪 器 设 计 和 有 趣 的 实 验 现 象 体 现 了 物 理 的 美 感, 激 发 学 生 学 习 物 理 探 知 自 然 科 学 的 兴 趣 通 过 制 作 实 践, 丰 富 了 演 示 与 探 索 实 验 的 仪 器, 形 成 了 实 验 仪 器 的 维 护 改 进 和 新 陈 代 谢 大 学 物 理 课 程 与 学 生 制 作 实 践 融 合 的 培 养 模 式, 促 成 理 论 和 实 验 课 程 在 一 定 程 度 上 贯 通 融 合, 弥 补 了 大 学 物 理 课 程 学 生 创 新 制 作 实 践 的 空 白 这 种 弹 性 灵 活 的 培 养 模 式 将 理 论 实 验 课 教 师 的 教 学 和 学 生 的 学 习 各 方 面 有 机 的 贯 穿, 使 大 学 物 理 基 础 课 教 学 从 被 动 变 为 主 动 模 式 的 实 践 也 是 一 般 工 科 院 校 大 学 物 理 基 础 教 学 主 动 向 各 专 业 学 科 相 适 应 的 有 益 尝 试 参 考 文 献 : [1] 郭 奕 玲 大 学 物 理 中 的 著 名 实 验 [M] 北 京 : 科 学 出 版 社,1994 [2] 王 玉 凤, 成 正 维, 杨 甦, 薛 菊 梅, 赵 雁 开 拓 创 新 建 设 一 流 的 物 理 演 示 与 探 索 实 验 室 [J] 中 国 大 学 教 学,2005(10):7-8 [3] 郭 力, 石 少 波 演 示 实 验 制 作 促 进 动 手 动 脑 的 大 学 物 理 探 索 式 学 习 的 改 革 尝 试 [J] 大 学 物 理,2010(3):50-52 [4] 全 国 高 等 学 校 第 11 届 物 理 演 示 实 验 教 学 研 讨 会 纪 要 ( 全 文 )[J] 物 理 实 验,2013,33(9): 48 [5] 张 睿, 王 祖 源, 王 治 国 从 案 例 出 发 在 工 科 物 理 教 学 中 对 研 究 性 教 学 开 展 探 索 [J] 中 国 大 学 教 学,2013(9):63-64 [6] 赵 在 忠, 杨 莉 敏, 沈 元 华 复 旦 大 学 的 物 理 演 示 实 验 在 创 新 中 前 进 [J] 物 理 实 验,2001(3): 26-27 [7] 李 登, 陈 涛, 万 勇 平, 黄 彦 自 启 动 太 阳 能 温 差 发 电 系 统 [J] 物 理 实 验,2013(10):44-48 Explorations of the training mode integrated college physics courses with practical fabrication Huang Yan, Zhu Quanshui, Gong Yongqing, Chen Fengying (The Centre of College Experimental Physics, Nachang hangkong University, Nanchang 330063, China) Abstract: A training mode, college physics courses integrated with practical fabrication such as demo instruments and technical innovation, is proposed based on the teaching platform of college physics of educational institutions for engineering. By integrating the teaching and learning in the processes of the theory teaching and experiments teaching, the teaching situation with mutual coordination and promotion is formed, students interests to the college physics is intensified, and their comprehensive ability and innovation capability of relating the theory to the practice are raised substantially. Expected effects have been achieved through teaching activities with a certain scale. Key words: College Physics; Fabrication Practice; Training Mode 94
物 理 实 验 网 上 选 课 系 统 常 见 的 问 题 及 解 决 方 法 徐 如 凤, 李 向 亭 ( 上 海 交 通 大 学 物 理 系, 上 海 200240) 摘 要 : 我 们 总 结 了 我 校 物 理 实 验 网 上 选 课 系 统 常 见 的 问 题 和 相 应 的 解 决 办 法, 希 望 通 过 这 篇 文 章 和 同 行 交 流, 使 我 们 的 网 上 选 课 系 统 和 相 应 的 制 度 更 完 善, 更 好 地 为 老 师 和 同 学 服 务 关 键 词 : 网 上 选 课 系 统, 教 学 管 理, 物 理 实 验 1 引 言 我 校 物 理 实 验 教 学 中 心 从 2001 年 使 用 网 上 选 课 系 统 至 今 已 有 14 年, 因 为 学 生 可 以 根 据 自 己 的 专 业 需 要, 兴 趣 和 时 间 进 行 选 课, 受 到 学 生 的 广 泛 欢 迎 第 一 学 期 我 们 开 设 16 个 实 验, 学 生 要 从 中 选 7 个 实 验, 第 二 学 期 开 设 18 个 实 验, 学 生 从 中 选 6 个 实 验 网 上 选 课 有 很 多 好 处, 但 也 存 在 一 些 问 题, 我 们 在 这 14 年 中, 从 无 到 有, 从 不 熟 悉 到 现 在 的 顺 利 使 用, 有 一 些 教 训 也 相 应 地 积 累 了 一 些 经 验, 在 这 里 我 们 总 结 一 下 网 络 选 课 系 统 的 常 见 问 题 和 我 们 的 解 决 办 法, 以 抛 砖 引 玉, 期 望 能 有 兄 弟 院 校 的 经 验 可 以 借 鉴 2 常 见 问 题 和 解 决 方 法 2.1 选 课 问 题 开 始 时 选 课 的 方 法 是 实 验 开 始 前 一 周 所 有 选 修 大 学 物 理 实 验 的 同 学 同 时 开 始 在 网 上 抢 选, 由 于 选 课 人 数 很 多, 近 3000 个 同 学 同 时 抢 选, 造 成 两 个 问 题 : 一 个 问 题 是, 有 的 同 学 选 的 时 间 段 比 较 好, 有 的 同 学 选 的 时 间 段 比 较 差 另 一 个 问 题 是, 如 果 有 同 学 同 时 选 某 个 实 验 的 最 后 一 个 位 置, 由 于 网 络 反 应 慢, 几 个 同 学 会 同 时 选 上 这 样 实 际 选 上 的 人 数 超 过 实 验 容 纳 的 人 数, 如 每 个 实 验 的 容 纳 人 数 一 般 为 16 人, 而 实 际 选 了 17 人, 第 17 个 选 进 的 是 无 效 的, 这 时 教 务 老 师 要 从 网 上 查 出 谁 是 第 17 个 选 进 的, 进 一 步 查 出 该 同 学 的 联 系 方 式, 然 后 电 话 通 知 该 同 学 所 选 的 某 个 实 验 是 无 效 的, 并 在 网 上 给 予 注 销, 这 样 给 同 学 和 教 务 老 师 都 带 来 了 很 多 麻 烦 2011 年 以 后, 我 们 改 进 选 课 方 法, 将 3000 个 同 学 分 成 两 批, 前 9 周 同 学 一 批, 后 9 周 同 学 一 批, 学 期 开 始 时 先 让 前 9 同 的 同 学 选 课, 到 期 中 时 再 让 后 9 周 同 学 选, 这 样 同 时 抢 选 的 同 学 人 数 变 成 原 来 的 一 半, 不 到 1500 人, 上 述 两 个 问 题 也 就 迎 刃 而 解 了 2.2 退 课 问 题 2011 年 以 前 学 生 网 上 退 课 的 时 间 必 须 是 提 前 3 天 才 能 在 网 上 自 己 退 课, 而 一 般 同 学 都 是 在 前 一 天 才 关 心 第 二 天 所 选 的 课, 由 于 不 少 同 学 临 时 有 事, 造 成 第 二 天 实 验 无 法 完 成, 而 这 时 已 经 过 了 网 上 自 己 退 课 的 时 间, 他 们 必 须 要 到 物 理 实 验 教 学 中 心 来 找 教 务 老 师 退 课, 这 样 给 学 生 带 来 了 不 少 的 麻 烦, 也 给 教 务 老 师 增 加 了 不 少 工 作 量, 为 了 解 决 个 问 题, 我 们 将 学 生 退 课 时 间 从 以 前 的 提 前 3 天 改 为 提 前 1 天, 这 样 大 多 数 同 学 不 用 到 实 验 中 心 来 退 课, 自 己 在 网 上 就 能 退 了, 以 前 每 天 来 教 务 老 师 这 里 退 课 的 同 学 平 均 在 15~20 人, 现 在 到 中 心 教 务 老 师 这 来 退 课 的 同 学 人 数 大 大 减 少, 既 方 便 了 同 学, 也 减 少 了 教 务 老 师 的 工 作 量 2.3 实 验 报 告 交 接 问 题 由 于 我 们 是 网 上 选 课, 并 且 中 心 老 师 大 部 分 是 兼 职 教 师 和 研 究 生 助 教, 同 学 上 完 课 后, 作 者 简 介 : 徐 如 凤 (1961 ), 江 苏 滨 海 县 人, 实 验 师 95
交 报 告 不 方 便, 为 了 实 验 报 告 准 确 方 便 交 接, 我 们 设 置 了 班 级 信 箱 和 教 师 信 箱, 给 每 个 上 课 的 老 师 和 助 教 进 行 编 号, 每 个 老 师 都 有 自 己 的 编 号 对 应 的 信 箱 和 对 应 的 图 章, 老 师 上 课 时 在 同 学 的 原 始 数 据 上 盖 章, 同 学 交 报 告 时 就 根 据 老 师 盖 的 章 交 到 对 应 的 信 箱, 老 师 从 自 己 的 信 箱 中 取 出 学 生 报 告 进 行 批 改, 批 好 后 将 报 告 再 反 还 到 学 生 对 应 的 班 级 信 箱, 这 样 形 成 有 序 稳 定 的 教 学 次 序 2.4 成 绩 评 定 问 题 由 于 每 个 实 验 有 几 个 不 同 的 老 师 在 上 课, 评 分 标 准 不 一 致, 为 了 解 决 这 个 问 题, 我 们 在 期 末 处 理 成 绩 时, 对 每 个 老 师 打 的 平 均 分 数 进 行 加 权, 这 样 得 出 来 的 学 生 成 绩 更 趣 于 合 理 性 我 们 通 过 改 进 选 课 退 课 的 方 法, 设 置 信 箱, 成 绩 加 权, 从 而 使 我 们 网 上 选 课 系 统 更 科 学, 更 完 善 3 总 结 我 们 总 结 了 我 校 物 理 实 验 网 上 选 课 系 统 常 见 的 问 题 和 相 应 的 解 决 办 法, 希 望 通 过 这 篇 文 章 和 同 行 交 流, 使 我 们 的 网 上 选 课 系 统 和 相 应 的 制 度 更 完 善, 更 好 地 为 老 师 和 同 学 服 务 The problems and Solved Method in Internet Experiments Selected System Xu Ru-feng, Li Xiang-ting (Department of Physics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract:The usual problems of Internet Experiments Selected System in Shanghai Jiaotong University was summarized. We hope exchange our experience with the same occupations to achieve the excellent serve to our professors and students. Key words: Internet Experiments Selected System; Teaching Administer; physical experiment 96
清 华 大 学 与 基 辅 大 学 实 验 教 学 对 比 董 占 民, 梁 昌 林, 陈 墨 轩, 陈 宜 保 ( 清 华 大 学 实 验 物 理 教 学 中 心 ) 根 据 中 乌 政 府 间 科 技 合 作 计 划 2011-2012 年 度 合 作 项 目 2012 年 9 月 笔 者 对 乌 克 兰 基 辅 大 学 等 进 行 了 交 流 访 问 顺 访 了 基 辅 大 学 物 理 系 教 学 实 验 室 乌 克 兰 国 立 基 辅 大 学 座 落 在 基 辅 市 东 南 部 第 聂 伯 河 畔, 始 建 于 1834 年 7 月 15 日, 迄 今 已 有 180 年 的 历 史 基 辅 大 学 是 乌 克 兰 最 著 名 的 高 等 学 府, 欧 洲 十 大 名 校 之 一, 联 合 国 教 科 文 组 织 办 学 实 力 综 合 排 名 十 六 位, 是 乌 克 兰 的 教 育 科 学 和 文 化 中 心, 已 与 世 界 上 32 个 国 家 的 52 所 大 学 建 立 了 友 好 校 际 关 系, 包 括 中 国 的 北 京 大 学 武 汉 大 学 等 清 华 大 学 是 中 国 著 名 高 校, 是 中 国 高 层 次 人 才 培 养 和 科 学 技 术 研 究 的 重 要 基 地 9 月 6 日 参 观 基 辅 大 学 物 理 系 教 学 实 验 室 : 笔 者 是 清 华 大 学 实 验 物 理 教 学 中 心 的 四 位 教 师, 都 是 从 事 实 验 教 学 工 作, 对 基 辅 大 学 的 实 验 教 学 很 感 兴 趣, 参 观 了 基 辅 大 学 物 理 系 的 各 个 层 次 的 实 验 教 学 实 验 室 1 基 辅 大 学 理 科 系 实 验 课 设 置 基 辅 大 学 是 以 文 理 为 主 的 综 合 性 大 学, 物 理 系 设 有 实 验 物 理 教 研 室, 负 责 普 通 物 理 和 实 验 课 程 该 教 研 室 有 5 名 教 授,8 名 副 教 授,8 名 以 上 研 究 人 员 和 10 名 实 验 员 在 著 名 院 士 I.S.Horban 带 领 下,1972 年 开 始 进 行 新 型 功 能 材 料 和 光 电 系 统 控 制 光 学 表 面 质 量 等 多 项 科 学 研 究 与 世 界 许 多 著 名 高 校 研 究 所 都 有 合 作 研 究 物 理 系 教 学 实 验 室 给 物 理 化 学 地 理 力 学 等 理 科 系 开 设 实 验 课, 针 对 不 同 系 所 开 设 的 实 验 内 容 和 要 求 不 相 同, 给 物 理 系 开 设 的 实 验 更 为 全 面, 其 他 系 的 课 程 内 容 则 相 对 简 单, 每 年 的 学 生 人 数 大 概 在 700 人 左 右 整 个 理 科 实 验 课 程 分 6 个 学 期, 其 内 容 安 排 为 第 1 学 期 : 化 学 ; 第 2 学 期 : 力 学 热 学 ; 第 3 学 期 : 电 工 电 子 ; 第 4 学 期 : 光 学 ; 第 5 学 期 : 原 子 物 理 ; 第 6 学 期 : 核 物 理, 其 中 第 2,3,4 学 期 相 当 于 我 们 的 普 物 实 验, 后 两 个 学 期 则 相 当 于 近 物 实 验 2 基 辅 大 学 实 验 课 上 课 形 式 基 辅 大 学 实 验 课 分 为 大 课 实 验 操 作 和 讨 论 课 三 个 环 节, 大 课 是 所 有 学 生 一 起 上, 由 教 师 讲 解 实 验 历 史 原 理 方 法 等 内 容 实 验 课 每 次 10 人, 每 套 仪 器 1-2 人 操 作, 学 生 上 课 前 登 记, 登 记 记 录 在 实 验 室 长 期 保 留, 我 们 看 到 一 个 实 验 登 记 本 是 从 1989 年 开 始 直 到 现 在 还 在 使 用, 实 验 室 只 有 实 验 员 值 班, 没 有 专 职 教 师, 时 间 比 较 自 由 讨 论 课 每 次 20 人, 由 教 师 讲 解 实 验 报 告, 同 学 们 讨 论 实 验 中 遇 到 的 问 题 每 个 学 生 上 3 个 课 时 的 大 课 做 3 个 课 时 实 验 和 参 加 2 个 课 时 的 讨 论 物 理 系 的 专 业 实 验 和 教 研 室 结 合 的 更 为 紧 密 一 些, 我 们 主 要 参 观 了 金 属 材 料 教 研 室 的 部 分 专 业 实 验, 其 主 要 特 点 是 这 些 专 业 实 验 内 容 都 和 教 师 的 科 研 相 关, 即 实 验 室 科 研 和 教 学 并 用 另 外 还 有 一 个 专 供 天 体 研 究 的 实 验 室, 大 约 可 容 纳 10 人, 供 本 科 生 研 究 生 和 访 问 学 者 做 天 文 研 究 分 析 实 验, 和 荷 德 意 等 许 多 国 家 有 学 生 交 换, 相 互 合 作 每 学 期 开 设 实 验 课 的 内 容 : 公 共 课 部 分 由 系 定, 专 业 实 验 内 容 则 由 教 研 室 定, 然 后 向 学 生 公 开, 供 学 生 选 修, 实 验 讲 义 会 放 在 图 书 馆, 每 学 期 开 学 时 学 生 可 以 去 借 阅, 上 完 课 再 还 作 者 简 介 : 董 占 民, 副 教 授, 博 士, 清 华 大 学 实 验 物 理 教 学 中 心 教 师 97
回 参 与 实 验 课 教 学 的 教 师 大 约 有 10 人, 参 与 毕 业 设 计 指 导 的 教 师 25 人, 普 通 物 理 实 验 有 实 验 员 15 人, 专 业 实 验 室 有 实 验 员 5 人, 教 师 负 责 上 课 带 实 验 带 研 究 生, 实 验 员 协 助 教 师, 不 上 课 新 实 验 建 设 由 教 师 提 出 建 设 项 目, 帮 助 并 指 导 实 验 员 完 成, 教 师 负 责 写 讲 义 3 清 华 大 学 实 验 物 理 教 学 中 心 清 华 大 学 实 验 物 理 教 学 中 心 的 普 物 近 物 实 验 室 位 于 校 园 东 区 2003 年 新 落 成 的 第 六 教 学 楼 内 其 中 普 物 实 验 室 已 经 能 够 开 出 基 础 物 理 实 验 和 部 分 综 合 近 代 物 理 实 验 约 60 个, 多 数 实 验 除 包 含 基 本 内 容 外, 还 包 含 若 干 灵 活 性 设 计 性 内 容 作 选 做 和 提 高 层 次, 在 实 验 内 容 上 有 较 强 的 综 合 性 实 验 室 专 职 教 师 2 人 和 实 验 工 作 人 员 12 人 4 清 华 大 学 普 物 实 验 上 课 形 式 普 物 实 验 分 为 理 科 和 工 科, 工 科 普 物 实 验 面 对 全 校 工 科 系, 每 年 组 织 新 上 课 的 同 学 由 专 职 教 师 讲 2 个 课 时 的 绪 论, 实 验 课, 每 班 学 生 20 人 左 右, 每 人 一 套 仪 器 独 立 操 作 由 一 名 教 师 ( 或 助 教 博 士 生 ) 负 责, 实 验 前 简 单 讲 解 实 验 要 求 等 20 分 钟 左 右, 学 生 提 前 预 习, 写 出 实 验 预 习 报 告 实 验 结 束 后 教 师 检 查 合 格 签 字 可 以 离 开 时 间 3-4 小 时 实 验 后 一 周 内 交 实 验 报 告, 由 上 课 教 师 批 改 5 对 比 基 辅 大 学 物 理 系 教 学 实 验 室 的 主 要 特 点 是 : 普 物 实 验 内 容 以 经 典 实 验 为 主, 实 验 前 有 大 课, 实 验 后 有 讨 论 课, 不 同 系 和 专 业 开 设 内 容 有 所 不 同, 专 业 实 验 和 各 教 研 室 的 科 研 结 合 比 较 紧 密 仪 器 设 备 相 对 比 较 陈 旧, 但 这 样 的 教 学 设 备 也 给 了 学 生 更 多 的 动 手 和 了 解 实 验 内 容 的 机 会 6 值 得 我 们 学 习 与 借 鉴 的 地 方 基 辅 大 学 每 个 实 验 开 始 前 先 上 大 课, 由 专 职 教 师 进 行 讲 解, 我 们 的 实 验 特 别 是 工 科 普 物 实 验, 因 学 生 多, 教 师 少, 每 名 教 师 与 2-4 名 助 教 负 责 一 个 实 验, 学 生 循 环 上 实 验, 分 为 必 做 与 选 做 实 验, 助 教 经 过 集 体 备 课 培 训, 合 格 后 开 始 上 课, 上 课 环 节 助 教 博 士 生 与 专 职 教 师 没 有 区 别, 由 于 经 验 和 时 间 问 题, 助 教 博 士 上 课 与 专 职 教 师 还 是 由 区 别 的, 难 保 教 学 质 量 的 一 致 上 课 环 节, 我 们 是 每 人 一 套 仪 器, 由 上 课 教 师 全 程 陪 同, 仪 器 比 较 新, 好 于 基 辅 大 学, 基 辅 大 学 仪 器 比 较 少, 比 较 陈 旧, 特 别 是 基 础 实 验, 甚 至 每 个 实 验 只 有 一 套 仪 器, 实 验 时 没 有 教 师,1-2 名 同 学 一 组 自 己 独 立 完 成 课 后, 我 们 由 上 课 教 师 批 改 实 验 报 告, 与 同 学 没 有 交 流, 报 告 中 的 问 题 仅 能 部 分 指 出 基 辅 大 学 值 得 我 们 学 习 与 借 鉴 的 是 有 课 后 讨 论, 由 专 职 教 师 讲 解, 对 实 验 中 的 问 题, 同 学 的 提 问, 可 以 获 得 直 接 反 馈 这 加 深 了 同 学 对 实 验 的 理 解 部 分 基 辅 大 学 实 验 照 片 98
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基 于 学 生 应 用 能 力 构 建 地 方 院 校 大 学 物 理 实 验 项 目 的 模 式 研 究 盖 双 旗 ( 梧 州 学 院 数 理 系, 广 西 梧 州 543002) 摘 要 : 针 对 地 方 性 本 科 院 校 向 应 用 技 术 和 职 业 教 育 的 转 型, 基 于 提 高 学 生 的 应 用 能 力, 提 出 了 依 托 学 生 实 验 中 发 现 问 题 设 置 设 计 性 实 验 课 题 引 入 近 现 代 物 理 拓 展 实 验 体 系 应 用 实 际 工 程 技 术 手 段 提 升 实 验 品 质 加 入 计 算 机 技 术 辅 助 提 高 学 习 价 值 等 构 建 大 学 物 理 实 验 项 目 的 模 式 教 学 实 践 结 果 表 明, 随 着 实 验 内 涵 的 拓 展 和 增 强, 实 验 品 质 和 价 值 的 提 升, 学 生 的 学 习 热 情 增 加, 尤 其 是 一 些 应 用 型 强 的 实 验 受 到 学 生 欢 迎, 师 生 双 方 的 自 主 创 新 能 力 都 有 了 明 显 的 提 高 关 键 词 : 地 方 院 校 ; 学 生 应 用 能 力 ; 大 学 物 理 实 验 ; 构 建 模 式 近 年 来, 在 借 鉴 国 外 成 功 经 验 的 基 础 上, 国 内 许 多 高 校 对 大 学 物 理 实 验 课 程 进 行 了 不 断 的 改 革 和 创 新, 其 中 一 些 做 法 得 到 了 普 遍 的 认 同, 如 建 立 逐 级 提 高 的 多 层 次 实 验 教 学 体 系, 增 加 综 合 性 和 设 计 性 实 验, 以 网 络 为 平 台 建 立 开 放 实 验 教 学 模 式 等 [1] 但 对 于 地 方 性 本 科 院 校 而 言, 由 于 经 费 人 员 场 地 等 诸 多 方 面 的 限 制, 很 多 学 校 对 大 学 物 理 实 验 项 目 基 本 没 做 太 大 的 调 整 和 改 进, 开 设 的 综 合 性 和 设 计 性 实 验 也 未 达 到 预 期 的 效 果, 学 生 的 兴 趣 和 自 主 能 力 并 未 得 到 有 效 提 高 [2] 1 几 个 认 识 前 提 1.1 地 方 性 本 科 院 校 学 生 的 学 习 目 标 认 知 地 方 性 本 科 院 校 今 后 作 为 应 用 技 术 型 职 业 教 育 型 的 前 缘 阵 地,, 首 先 要 适 应 当 前 社 会 发 展 的 需 要, 所 以 其 培 养 学 生 的 目 标 应 该 是 能 适 用 于 当 前 社 会 的 复 合 型 技 能 型 和 应 用 型 人 才 这 不 单 单 是 社 会 的 现 实 需 求, 更 是 绝 大 部 分 学 生 对 学 习 目 标 的 认 知 和 学 习 意 图 的 体 现 因 此 他 们 会 对 大 学 物 理 实 验 产 生 诸 如 理 论 陈 旧 手 段 落 后 应 用 价 值 低 与 科 技 发 展 脱 节 等 等 片 面 看 法 就 不 难 理 解 了 1.2 基 础 验 证 性 实 验 是 大 学 物 理 实 验 的 主 体 基 础 验 证 性 实 验 是 大 学 物 理 实 验 的 主 体 部 分, 其 中 的 一 些 经 典 实 验 是 应 该 坚 持 开 设 的 [3] 我 们 不 能 过 分 贬 低 这 些 基 础 验 证 性 实 验 的 作 用, 这 些 实 验 有 助 于 学 生 理 解 物 理 学 的 基 本 概 念 和 基 本 理 论 特 别 是 大 学 物 理 实 验 主 要 针 对 低 年 级 学 生 开 设, 从 认 知 规 律 出 发, 也 不 能 过 分 强 调 进 行 综 合 性 实 验 和 设 计 性 实 验 [4] 1.3 充 分 利 用 现 有 的 实 验 室 资 源 对 于 任 何 一 个 国 家 的 基 础 物 理 实 验 室 来 说, 筹 集 建 设 资 金 都 是 一 大 难 题 我 们 不 必 过 于 强 调 实 验 仪 器 的 更 新 换 代, 实 验 项 目 的 改 头 换 面, 充 分 利 用 好 学 校 现 有 物 理 实 验 室 的 资 源, 提 高 认 识, 克 服 困 难, 也 可 以 达 到 改 革 大 学 物 理 实 验 的 目 的 基 金 项 目 : 广 西 高 等 教 育 教 改 工 程 A 类 项 目 (2012JGA214); 梧 州 学 院 教 改 项 目 (Wyjg2013A009) 作 者 简 介 : 盖 双 旗 (1973 ), 男, 河 北 石 家 庄 人, 讲 师, 从 事 基 础 物 理 实 验 的 教 学 和 研 究 100
2 实 验 项 目 构 建 的 设 计 思 想 2.1 增 强 大 学 物 理 实 验 的 内 涵 现 行 大 学 物 理 实 验 基 本 上 是 验 证 某 个 物 理 学 理 论 某 个 物 理 学 定 律 的 正 确 与 否 而 学 生 总 在 潜 意 识 中 已 经 认 定 这 些 理 论 定 律 是 一 定 正 确 和 毫 无 疑 问 的, 学 生 单 纯 为 验 证 而 实 验 是 提 不 起 兴 趣, 发 挥 不 了 的 主 动 性 和 创 造 性 的 我 们 要 通 过 实 验 指 明 物 理 学 理 论 大 厦 是 怎 样 建 立 在 实 验 基 础 之 上 的, 让 学 生 真 正 懂 得 什 么 是 真 实 的 物 理 世 界, 让 学 生 认 识 到 物 理 世 界 不 是 理 论 课 中 说 的 那 么 简 单, 事 物 也 不 是 理 论 描 述 的 那 么 纯 粹 2.2 大 学 物 理 实 验 要 更 多 体 现 科 技 发 展 和 科 技 进 步 考 虑 到 有 很 多 非 物 理 专 业 的 学 生 要 做 大 学 物 理 实 验, 我 们 不 能 总 拿 一 些 十 九 世 纪 内 容 的 物 理 实 验 来 满 足 他 们, 可 以 把 一 些 具 有 近 现 代 内 容 的 物 理 实 验 引 入 到 大 学 物 理 实 验 中 [5] 可 针 对 不 同 专 业 学 生 的 专 业 特 点 选 择 相 应 的 近 现 代 物 理 实 验 项 目 予 以 引 入, 并 根 据 这 些 学 生 的 知 识 水 平 和 专 业 特 点 修 订 实 验 内 容 在 传 统 的 大 学 物 理 实 验 中, 可 以 精 选 保 留 一 部 分 经 典 的 实 验 项 目, 更 新 一 些 实 验 内 容 或 测 量 方 法 与 现 代 科 技 发 展 严 重 脱 节 的 实 验 项 目 可 以 把 相 关 的 新 技 术 新 工 艺 渗 透 到 大 学 物 理 实 验 项 目 中, 增 加 新 的 实 验 内 容, 提 升 其 实 验 档 次 [6] 这 样 大 学 物 理 实 验 与 现 实 生 活 科 学 技 术 结 合 得 更 加 紧 密, 能 够 激 发 学 生 对 物 理 实 验 的 兴 趣, 并 感 到 能 学 以 致 用 现 代 科 技 的 发 展 离 不 开 计 算 机 技 术 的 作 用, 计 算 机 应 用 能 力 已 成 为 当 代 大 学 生 的 一 种 必 备 能 力 计 算 机 的 投 入 是 构 建 大 学 物 理 实 验 项 目 的 一 个 重 要 组 成 部 分, 其 作 用 一 方 面 可 以 用 来 进 行 繁 琐 的 数 据 运 算, 提 高 实 验 效 率 ; 更 可 以 考 虑 将 传 感 器 单 片 机 计 算 机 组 合 起 来, 组 成 实 验 数 据 的 采 集 传 送 计 算 分 析 打 印 的 一 体 化 系 统 [7] 2.3 增 强 大 学 物 理 实 验 的 趣 味 性 兴 趣 是 最 好 的 老 师, 在 原 有 的 大 学 物 理 实 验 项 目 基 础 上, 可 保 留 基 本 的 实 验 原 理 不 变, 从 学 生 感 兴 趣 的 生 活 现 象 和 自 身 发 现 入 手, 通 过 改 变 实 验 器 材 实 验 结 构 实 验 内 容 实 验 要 求 等 来 重 新 设 计 实 验 项 目 这 样 实 验 就 带 有 了 一 定 的 研 究 性 质, 方 式 比 较 新 颖, 学 生 可 发 挥 的 自 由 度 较 大, 能 动 性 较 高 3 实 验 项 目 的 构 建 模 式 在 高 效 利 用 学 校 现 有 实 验 室 资 源 的 基 础 上, 通 过 师 生 交 流 合 作 创 新, 我 们 总 结 出 一 些 行 之 有 效 的 构 建 大 学 物 理 实 验 项 目 的 模 式 3.1 依 托 学 生 实 验 中 发 现 问 题 设 置 设 计 性 实 验 课 题 该 模 式 基 本 操 作 流 程 为 : 学 生 实 验 发 现 并 提 出 问 题 教 师 分 析 问 题 价 值 教 师 设 置 新 实 验 要 求 学 生 进 行 实 验 设 计 学 生 实 验 解 决 问 题 学 生 在 进 行 大 学 物 理 实 验 的 过 程 中 会 发 现 各 种 各 样 的 问 题, 教 师 可 注 意 收 集 学 生 发 现 的 具 有 普 遍 性 和 研 究 价 值 的 问 题, 以 此 为 基 础 设 置 设 计 性 实 验 课 题 让 学 生 开 展 研 究 探 索 这 种 开 展 设 计 性 实 验 的 方 式 是 在 原 有 验 证 性 实 验 的 基 础 上 进 行, 即 可 以 拓 展 学 生 对 实 验 原 理 的 认 识 和 提 高 了 实 验 仪 器 的 利 用 率 ; 又 可 以 保 证 学 生 有 充 足 的 兴 趣 进 行 科 学 探 究, 达 到 设 计 性 实 验 的 目 的, 可 谓 一 举 两 得 具 体 实 验 案 例 可 见 文 献 [8]: 关 于 气 垫 导 轨 实 验 中 光 电 计 时 系 统 误 差 研 究 实 验 的 探 索 根 据 我 们 的 实 践 经 验, 只 要 鼓 励 学 生 在 实 验 中 去 发 现 和 提 出 问 题, 每 个 验 证 性 实 验 都 可 以 开 设 出 相 应 的 设 计 性 实 验 课 题 如 对 于 力 学 基 础 实 验, 可 开 出 气 垫 导 轨 实 验 的 用 平 均 速 度 代 替 瞬 时 速 度 所 引 发 的 系 统 误 差 的 研 究 ; 杨 氏 模 量 实 验 的 微 小 伸 长 量 测 量 方 式 的 研 究 ; 转 动 惯 量 实 验 的 不 规 则 物 体 转 动 惯 量 的 测 量 研 究 等 等 [9]. 101
3.2 引 入 近 现 代 物 理 实 验 拓 展 实 验 体 系 该 模 式 基 本 操 作 流 程 为 : 学 生 专 业 特 点 分 析 教 师 选 择 实 验 项 目 教 师 修 订 实 验 内 容 学 生 进 行 实 验 收 集 学 生 反 馈 信 息 随 着 科 学 技 术 的 飞 速 发 展 和 科 技 产 品 对 人 们 生 活 品 质 的 不 断 提 升, 一 些 原 属 于 近 现 代 物 理 实 验 的 内 容 现 在 已 成 为 大 学 物 理 实 验 范 畴, 如 光 电 技 术 传 感 器 技 术 现 代 通 信 技 术 等 等 [9] 特 别 是 对 于 不 能 进 行 近 代 物 理 实 验 的 非 物 理 专 业 的 学 生 而 言, 将 近 现 代 物 理 实 验 项 目 引 入 大 学 物 理 实 验 中, 促 使 原 有 的 大 学 物 理 实 验 与 近 现 代 物 理 实 验 间 的 重 组 与 融 合, 拓 展 实 验 体 系 尤 为 必 要 以 电 子 信 息 工 程 专 业 的 学 生 为 例, 根 据 其 专 业 特 点 和 学 生 诉 求, 可 将 光 电 效 应 实 验 霍 尔 传 感 器 实 验 光 纤 通 信 实 验 磁 悬 浮 实 验 硅 光 电 池 实 验 等 有 较 强 应 用 价 值 的 近 现 代 物 理 实 验 项 目 引 入 到 他 们 的 大 学 物 理 实 验 课 程 中 值 得 指 出 的 是, 虽 然 这 些 实 验 中 的 实 验 仪 器 没 有 改 变, 但 其 实 验 内 容 和 实 验 目 的 却 根 据 电 子 信 息 工 程 专 业 学 生 的 专 业 特 点 和 知 识 能 力 水 平 加 以 了 修 订 如 光 电 效 应 实 验 用 的 还 是 原 来 的 光 电 效 应 实 验 仪, 但 在 实 验 中 去 掉 了 测 量 普 朗 克 常 数 这 部 分 实 验 内 容, 强 调 的 是 以 实 验 中 观 测 的 现 象 来 理 解 光 电 子 发 射 的 原 理, 并 注 重 测 量 光 电 管 的 伏 安 特 性 曲 线 教 学 实 践 表 明, 这 些 引 入 的 近 现 代 物 理 实 验 由 于 和 学 生 专 业 较 吻 合, 现 代 气 息 浓 厚, 又 具 有 较 强 的 应 用 性, 修 订 后 的 实 验 内 容 适 合 未 学 习 过 近 代 物 理 的 非 物 理 专 业 学 生, 因 此 比 较 受 到 学 生 的 欢 迎 3.3 应 用 实 际 工 程 技 术 手 段 提 升 实 验 品 质 该 模 式 基 本 操 作 流 程 为 : 工 程 仪 器 收 集 教 师 选 择 实 验 项 目 教 师 编 写 实 验 内 容 学 生 进 行 实 验 收 集 学 生 反 馈 信 息 学 生 对 现 行 的 大 学 物 理 实 验 一 个 很 大 的 诟 病 就 是 没 有 实 用 价 值, 虽 然 这 个 看 法 有 些 片 面, 但 我 们 却 不 能 不 重 视 其 实 很 多 常 规 的 大 学 物 理 实 验 项 目 都 和 实 际 工 程 技 术 应 用 有 着 千 丝 万 缕 的 联 系, 我 们 要 做 的 只 是 把 其 发 掘 出 来, 添 加 到 实 验 中 去, 提 升 实 验 品 质 如 把 MW8-JTR0I 便 携 式 单 点 热 流 计 引 入 到 应 用 物 理 学 专 业 的 稳 态 法 测 量 不 良 导 体 的 导 热 系 数 实 验 中, 并 相 应 增 加 了 使 用 热 流 计 测 量 墙 体 表 面 热 流 的 实 验 内 容, 主 要 是 让 学 生 练 习 使 用 热 流 计 对 建 筑 物 的 墙 体 进 行 热 流 密 度 的 测 量, 对 比 了 解 其 保 温 性 能 实 验 加 深 了 学 生 对 热 传 导 傅 立 叶 定 律 的 理 解, 让 学 生 了 解 了 实 际 工 程 测 量 的 手 段, 并 直 观 的 认 识 到 各 种 材 料 的 保 温 性 能 差 异 这 个 实 验 的 效 果 非 常 好, 学 生 参 与 积 极 性 很 高, 学 习 态 度 得 到 改 善, 纷 纷 反 映 没 想 到 大 学 物 理 实 验 可 以 和 现 代 工 程 技 术 联 系 的 这 样 紧 密 该 模 式 可 充 分 依 托 学 校 的 专 业 实 验 室 和 校 外 的 教 科 研 基 地, 逐 步 把 适 合 的 工 程 测 量 仪 器 引 入 到 相 应 的 大 学 物 理 实 验 中, 让 学 生 实 验 接 近 于 真 实 环 境, 得 到 有 价 值 的 锻 炼 3.4 加 入 计 算 机 技 术 辅 助 提 高 学 习 价 值 该 模 式 基 本 操 作 流 程 为 : 教 师 分 配 任 务 学 生 编 写 实 验 数 值 处 理 程 序 软 件 实 验 程 序 软 件 安 装 使 用 收 集 反 馈 信 息 修 改 完 善 实 验 程 序 软 件 在 基 础 物 理 实 验 教 学 上, 计 算 机 的 广 泛 使 用 正 是 我 国 和 发 达 国 家 的 最 大 差 距, 美 国 大 学 的 大 学 物 理 实 验 中 约 1/3 使 用 计 算 机 [10] 有 些 实 验 教 师 有 种 误 解, 认 为 计 算 机 技 术 投 入 大 学 物 理 实 验 会 降 低 学 生 的 分 析 处 理 解 决 问 题 的 能 力, 他 们 认 为 越 是 一 体 化 智 能 化 的 实 验 系 统 越 不 能 达 到 培 养 学 生 提 高 学 生 素 质 的 实 验 目 标 我 们 认 为, 计 算 机 只 是 一 种 辅 助 工 具, 计 算 机 投 入 实 验 能 让 实 验 进 行 的 更 加 便 利, 省 下 大 量 调 试 仪 器 采 集 数 据 计 算 处 理 的 时 间, 而 能 让 学 生 把 精 力 放 到 理 解 原 理 发 现 问 题 和 解 决 问 题 等 更 有 意 义 更 有 价 值 的 学 习 中 去 为 把 计 算 机 技 术 顺 利 引 入 到 大 学 物 理 实 验 中, 可 从 师 生 两 方 面 入 手, 对 学 生 方 面, 首 先 是 对 物 理 专 业 高 年 级 学 生 提 出 了 一 个 要 求, 即 是 让 他 们 分 组 编 写 各 个 大 学 物 理 实 验 的 数 据 计 102
算 和 处 理 程 序 软 件, 目 标 是 为 达 成 实 验 数 据 的 自 动 化 处 理 和 图 表 显 示 [11] 然 后 把 这 些 程 序 安 装 到 实 验 室 计 算 机 中, 让 做 大 学 物 理 实 验 的 学 生 操 作 使 用 并 提 出 反 馈 意 见, 加 以 修 改 后 重 复 这 一 过 程, 以 求 最 终 获 得 界 面 明 晰 操 作 简 单 结 果 准 确 的 程 序 软 件 对 教 师 方 面, 借 鉴 其 他 高 校 的 经 验, 我 们 选 取 了 几 个 有 代 表 性 的 实 验, 使 用 计 算 机 辅 助 改 进 实 验 手 段, 使 实 验 变 得 简 单 直 观 如 牛 顿 环 干 涉 实 验 中 利 用 CCD 成 像 系 统 对 其 进 行 改 进 ; 分 光 计 实 验 中 在 望 远 镜 的 目 镜 上 安 装 了 视 频 摄 像 工 具 帮 助 理 解 以 计 算 机 技 术 辅 助 构 建 实 验 一 体 化 系 统, 完 成 实 验 数 据 的 采 集 传 送 计 算 分 析 打 印, 这 是 我 们 的 最 终 目 标 4 结 语 以 上 大 学 物 理 实 验 项 目 的 构 建 方 式 实 用 有 效, 操 作 性 强, 经 过 几 年 的 教 学 实 践, 发 现 参 与 学 生 和 指 导 教 师 在 自 主 创 新 能 力 上 都 有 了 明 显 的 改 变 学 生 方 面 是 充 分 激 发 了 其 学 习 的 积 极 主 动 性 : 以 前 许 多 学 生 做 实 验 是 草 草 测 完 数 据 后 就 无 所 事 事, 现 在 这 些 重 新 构 建 后 的 实 验 项 目 让 学 生 总 能 发 现 一 些 自 己 感 兴 趣 的, 想 要 深 入 研 究 下 去 的 内 容, 课 堂 实 验 时 间 不 够 用, 就 利 用 课 外 时 间 进 行 主 动 的 学 习 和 探 讨 教 师 方 面 是 形 成 了 一 种 教 学 传 承 : 每 个 创 新 的 实 验 设 计 每 个 引 入 的 实 验 器 材 每 个 自 编 的 实 验 项 目 指 导 书 都 是 凝 聚 了 参 与 师 生 心 血 而 成, 而 不 断 更 新 和 改 进 的 自 编 校 本 实 验 教 材 更 可 体 现 出 这 种 厚 重 的 传 承 资 本 [12] 参 考 文 献 : [1] 王 慧 琴, 吴 庆 丰, 梁 晓 军, 等 以 应 用 为 导 向 的 大 学 物 理 实 验 改 革 的 探 讨 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2012,29(9): 148-149 [2] 陈 晓 莉 普 通 物 理 实 验 教 学 现 状 调 查 及 对 策 研 究 [J] 西 南 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ), 2005,30(3): 586 [3] 金 恩 培 浅 谈 美 国 加 拿 大 几 所 大 学 物 理 实 验 教 学 情 况 [J] 物 理 实 验,2002,22(1): 46 [4] 沈 元 华 美 国 大 学 物 理 实 验 教 学 考 察 报 告 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2001,20(1): 89 [5] 沈 元 华 基 础 物 理 实 验 教 学 的 与 时 俱 进 复 旦 大 学 物 理 实 验 课 程 改 革 介 绍 [J] 大 学 物 理, 2002,21(12): 43 [6] 龚 小 华 独 立 学 院 大 学 物 理 实 验 教 学 改 革 的 探 讨 [EB/OL] 2001-02 - 01, http://www.17net.net/article/edulink/11281.html [7] 柳 闻 鹃, 李 建 设, 陈 光 伟, 等 物 理 实 验 平 台 的 研 究 与 探 索 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2008, 25(12): 171 [8] 盖 双 旗 关 于 气 垫 导 轨 实 验 中 光 电 计 时 系 统 误 差 研 究 实 验 的 探 索 [J] 大 学 物 理,2011, 30(6): 26 [9] 吕 斯 骅, 段 家 怟 全 面 改 革 物 理 实 验 教 学 体 系 与 内 容, 培 养 有 坚 实 基 础 的 创 新 人 才 [J] 大 学 物 理,2003,22(1): 34 [10] 沈 元 华 访 美 归 来 谈 物 理 实 验 的 教 学 改 革 [J] 物 理 实 验,2001,21(6): 43-45 [11] 盖 双 旗, 时 伟, 陈 伟 华 大 学 物 理 实 验 的 简 化 深 化 和 拓 展 探 讨 [J] 大 学 物 理 实 验, 2012,25(4): 115 [12] 傅 昭 铭 由 台 湾 大 学 普 通 物 理 及 实 验 教 学 改 进 兼 谈 台 湾 普 通 物 理 教 学 概 况 [J] 物 理 与 工 程,2008,18(4): 8 103
The construction of the project the students ability of application on the university physics experiment GAI Shuang-qi (Department of Mathematics and Physics, Wuzhou College, Wuzhou 543002, China) Abstract: For local colleges to transition the application technology and the occupation education, improve the ability of students based on the discovery, set design experimental project, introducing the modern physics experiment system, expand the application in practical engineering technology to enhance the quality, to join the computer aided learning value to construct the university physics experiment project model based on the students in the experiment. The practical results show that, with development and enhance the experimental content, experimental quality and enhance the value of the learning enthusiasm of students, increase, especially the application of strong experimental welcomed by the students, the ability of independent innovation of both teachers and students have been obviously improved. Key words: Local colleges and universities; Application ability; University Physics Experimen; construct 104
近 代 物 理 综 合 性 实 验 开 发 及 其 提 高 学 生 综 合 能 力 云 月 厚, 那 日, 张 常 在 ( 内 蒙 古 大 学 物 理 科 学 与 技 术 学 院, 内 蒙 古 呼 和 浩 特 010021) 摘 要 : 通 过 近 代 物 理 综 合 性 实 验 课 程 开 发, 结 合 光 纤 光 学 基 础 及 光 纤 通 讯 技 术 系 列 实 验 教 学 体 会, 对 近 代 物 理 综 合 性 实 验 开 发 及 其 提 高 学 生 综 合 能 力 进 行 了 有 益 的 探 讨, 对 培 养 和 提 高 学 生 的 综 合 能 力, 造 就 复 合 型 人 才 具 有 积 极 作 用 关 键 词 : 综 合 性 实 验 ; 培 养 和 提 高 ; 综 合 能 力 1 引 言 随 着 高 新 技 术 日 新 月 异 的 发 展, 未 来 的 人 才 不 仅 要 求 其 具 备 扎 实 的 专 业 基 础 知 识 和 技 能, 更 在 于 其 创 新 意 识 和 创 造 能 力 的 发 挥 要 使 学 生 适 应 社 会 发 展 的 需 要, 综 合 性 应 用 物 理 实 验 是 一 种 有 效 的 方 法, 是 通 过 综 合 训 练 来 培 养 学 生 的 研 究 能 力 和 综 合 素 质, 主 要 是 创 新 能 力 和 研 发 能 力, 通 过 实 验 硬 件 建 设 综 合 性 教 学 方 案 的 精 心 设 计 及 组 织 实 施, 为 发 挥 学 生 自 身 主 观 能 动 性 营 造 良 好 的 环 境 充 分 调 动 学 生 的 学 习 主 动 性 积 极 性 和 创 造 性, 并 把 所 学 得 的 基 础 物 理 知 识 应 用 于 实 验 的 选 题 与 自 主 综 合 设 计 但 开 展 综 合 性 应 用 物 理 实 验, 存 在 指 导 教 师 不 足 仪 器 设 备 不 配 套 及 课 时 安 排 冲 突 等 诸 多 问 题, 而 从 近 代 物 理 实 验 课 程 中 开 发 出 综 合 性 应 用 实 验, 使 学 生 在 完 成 近 代 物 理 实 验 课 程 同 时, 有 选 择 的 进 行 综 合 性 物 理 实 验 训 练, 已 显 出 一 定 的 优 势, 利 用 现 有 仪 器 微 弱 信 号 检 测 系 列 实 验 微 波 系 列 实 验 光 纤 光 学 基 础 及 光 纤 通 讯 技 术 系 列 实 验 等 设 计 实 验 研 究 项 目, 在 一 定 的 实 验 条 件 和 范 围 内, 让 学 生 完 成 从 选 题 实 验 设 计 亲 自 动 手 操 作 到 结 果 分 析 和 论 文 撰 写 全 过 程 在 实 验 过 程 中, 使 学 到 的 基 础 理 论 知 识 与 实 践 的 感 性 认 识 更 好 地 相 结 合, 并 以 此 树 立 其 严 谨 的 科 学 研 究 作 风, 通 过 近 代 物 理 综 合 性 实 验 的 开 展, 使 学 生 接 受 一 次 较 为 完 整 的 科 学 思 维 的 训 练, 为 今 后 进 行 创 造 性 学 习 和 创 新 思 维 的 发 展 积 累 了 经 验, 培 养 学 生 进 行 科 学 研 究 的 方 法 2 注 重 综 合 性 应 用 物 理 实 验 开 发, 提 高 学 生 的 实 验 技 能 和 创 新 思 维 能 力 在 近 代 物 理 实 验 教 学 中, 已 经 对 实 验 室 现 有 CSY-10C 型 光 纤 信 息 及 通 讯 实 验 系 统 进 行 了 综 合 性 实 验 开 发, 紧 密 围 绕 近 代 科 技 发 展 中 光 纤 光 学 这 个 前 沿 学 科, 涉 及 光 纤 光 学 中 信 息 获 取 及 传 输 理 论 的 主 要 方 面, 在 近 代 物 理 综 合 性 实 验 开 发 出 了 涉 及 光 纤 光 学 基 础 实 光 纤 传 感 器 及 光 纤 通 讯 相 结 合 的 实 验 根 据 不 同 学 生 的 个 人 兴 趣, 确 立 一 个 基 础 知 识 与 应 用 技 术 相 结 合 的 综 合 题 目 为 了 充 分 调 动 学 生 的 学 习 主 动 性 积 极 性 和 创 造 性, 并 把 所 学 得 的 基 础 物 理 知 识 应 用 于 实 验 的 选 题 与 自 主 综 合 实 验, 在 光 纤 光 学 及 光 纤 通 讯 方 面, 根 据 现 有 实 验 条 件, 完 成 从 选 题 实 验 设 计 亲 自 动 手 实 验 及 结 果 分 析, 写 出 实 验 报 告 全 过 程 最 终 达 到 提 高 学 生 发 现 问 题 提 出 问 题 分 析 问 题 和 解 决 问 题 能 力 的 目 的, 丰 富 了 实 验 教 学 内 容, 拓 宽 了 学 生 的 知 识 面, 提 高 学 生 的 实 验 技 能 和 创 新 思 维 能 力 光 纤 光 学 是 光 纤 实 现 信 息 获 取 及 传 输 大 容 量 信 息 的 物 理 基 础, 开 展 光 纤 光 学 基 本 实 验 开 发 是 进 一 步 研 究 光 纤 通 讯 的 基 础, 在 开 始 综 合 实 验 选 题 前, 集 中 安 排 预 习 实 验, 先 由 教 师 指 导 下, 学 习 实 验 基 本 原 理 及 注 意 事 项, 熟 悉 实 验 仪 器 设 备, 并 进 行 光 纤 光 学 基 本 知 识 演 示 及 光 纤 光 学 基 础 实 验 研 究, 光 纤 数 值 孔 经 性 质 及 参 数 测 量 实 验 研 究 为 必 选 实 验, 因 为 光 纤 数 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (J1103214) 105
值 孔 经 是 光 纤 能 接 收 光 辐 射 角 度 范 围 的 参 数, 同 时 它 也 是 表 征 光 纤 的 光 源 光 检 测 器 及 其 它 光 纤 耦 合 时 的 耦 合 效 率 的 重 要 参 数, 通 过 本 实 验 逐 步 深 入 了 解 近 代 科 技 发 展 中 光 纤 光 学 这 个 前 沿 学 科 精 心 开 发 备 选 实 验 题 目, 引 导 学 生 自 主 选 择 各 自 感 兴 趣 的 题 目, 指 导 学 生 认 真 拟 订 实 验 方 案, 选 择 仪 器 配 置, 大 胆 改 进 实 验 方 法, 以 启 发 式 教 学 为 主, 灵 活 运 用 指 导 示 范, 及 时 解 决 实 验 中 碰 到 的 疑 难 问 题, 在 此 基 础 上 进 一 步 研 究 光 纤 通 讯 原 理 及 器 件 技 术, 注 重 创 新 意 识 和 创 新 能 力 的 培 养, 为 学 生 提 供 发 展 个 性 和 施 展 才 能 的 机 会, 培 养 学 生 的 应 用 研 究 能 力 及 综 合 素 质, 并 为 掌 握 光 纤 技 术 这 类 高 新 技 术 的 原 理 奠 定 实 物 概 念 和 建 立 应 用 技 术 基 础 本 实 验 室 光 通 讯 系 统, 是 用 λ=1.31μm 与 λ=1.55μm 的 二 种 波 长, 实 现 单 模 光 纤 的 波 分 复 用 (WDM) 光 通 讯, 从 原 理 和 技 术 上 都 是 先 进 的, 光 通 讯 经 单 模 光 纤 长 距 离 传 输 后 进 入 解 波 分 复 用 器 ( 本 实 验 仪 器 波 分 复 用 器 和 解 波 分 复 用 器 是 同 一 元 件 ), 解 波 分 复 用 器 是 将 多 路 复 用 的 光 信 号 按 波 长 分 开 分 别 送 入 光 接 收 器 中 光 接 收 器 是 将 光 信 号 变 为 电 信 号, 送 给 信 号 处 理 单 元 ( 调 制 模 块 ), 完 成 信 号 的 放 大, 滤 波 和 线 性 校 正, 最 后 进 入 信 号 接 收 电 路, 完 成 音 频 数 据 和 图 像 的 复 原, 送 给 用 户 在 教 师 指 导 下 完 成 光 纤 模 拟 通 信 实 验 开 发 音 频 电 话 及 视 频 光 通 信 实 验 设 计, 通 过 光 纤 光 学 基 础 及 光 纤 通 讯 技 术 实 验 开 发 综 合 性 实 验 研 究, 收 到 良 好 教 学 效 果 3 注 重 培 养 科 研 素 养, 形 成 适 应 现 代 教 育 观 念 的 实 验 教 学 培 养 模 式 在 光 纤 通 讯 实 验 教 学 中 发 现, 不 仅 要 求 学 生 有 基 础 理 论 知 识 学 习, 同 时 要 求 学 生 学 习 知 识 跳 跃 性 较 大 的 光 纤 基 本 特 性 以 及 光 纤 传 感 器, 完 成 这 类 实 验 的 过 程 与 解 决 实 际 科 研 问 题 具 有 较 强 的 模 拟 性, 为 激 发 他 们 进 行 创 新 实 践 的 积 极 性, 在 实 践 过 程 中 提 高 他 们 的 创 新 精 神 和 创 新 力, 必 须 研 究 具 体 的 切 实 可 行 实 验 题 目 及 实 施 方 案, 根 据 授 课 对 象, 指 导 选 择 实 验 题 目 及 授 课 方 法, 对 理 论 基 础 扎 实 的 物 理 系 数 理 基 地 专 业 学 生, 强 调 对 实 验 原 理 基 本 理 论 的 深 入 了 解, 侧 重 培 养 科 研 素 养 ; 对 其 他 专 业 的 学 生, 注 重 开 拓 思 维, 启 发 创 新 性, 加 强 本 实 验 在 社 会 生 产 及 科 研 中 实 际 应 用 方 面 的 论 述, 采 取 因 人 施 教, 在 教 学 中 深 入 浅 出, 注 重 提 高 学 生 的 实 际 动 手 能 力, 并 紧 密 结 合 实 际, 提 高 了 学 生 做 实 验 的 兴 趣 注 意 用 新 技 术 和 新 方 法 改 造 传 统 实 验, 不 断 更 新 教 学 内 容, 保 证 了 实 验 项 目 的 先 进 性 和 与 时 俱 进 的 特 点 将 光 纤 通 讯 现 代 技 术 应 用 到 近 代 物 理 综 合 性 实 验 之 中, 让 学 生 掌 握 最 新 的 科 学 技 术 成 果 学 科 交 叉 与 知 识 融 合 是 现 代 科 学 发 展 的 显 著 特 点, 在 实 验 技 术 上 也 呈 现 出 新 颖 全 面 先 进 实 用 和 相 互 渗 透 的 特 点 改 变 教 学 内 容 的 结 构 与 层 次, 合 理 和 有 效 地 引 入 先 进 的 科 学 技 术 新 方 法 和 新 概 念, 按 学 生 能 力 形 成 的 新 的 实 验 课 程 体 系, 实 现 由 验 证 性 实 验 向 设 计 性 实 验 由 单 一 性 实 验 向 综 合 性 实 验 由 单 纯 的 传 授 知 识 型 向 知 技 能 型 的 转 变, 形 成 适 应 现 代 教 育 观 念 的 实 验 教 学 的 培 养 模 式 通 过 近 代 物 理 综 合 性 实 验 开 发 及 其 提 高 学 生 综 合 能 力 培 养 研 究, 设 计 激 发 学 生 的 创 新 积 极 性 的 实 验 题 目, 使 学 生 学 会 研 究 物 理 规 律 和 分 析 实 验 现 象 的 思 想 和 方 法, 学 会 分 析 和 评 价 实 验 结 果, 达 到 激 发 学 生 强 烈 的 学 习 热 情, 变 被 动 学 习 为 主 动 学 习 的 目 的 ; 通 过 适 当 的 教 学 模 式, 并 配 套 科 学 合 理 的 教 学 方 法, 充 分 体 现 以 学 生 为 本, 培 养 学 生 探 索 精 神 科 学 思 维 实 践 能 力 创 新 能 力, 造 就 大 批 具 有 综 合 性 实 验 能 力 的 创 造 性 人 才 4 结 论 在 开 展 近 代 物 理 综 合 性 实 验 研 究 中, 开 发 系 列 性 综 合 实 验 题 目 是 前 提, 本 校 物 理 实 验 教 学 中 心 近 代 物 理 课 程 微 弱 信 号 检 测 系 列 实 验 微 波 系 列 实 验 等 均 可 以 开 发 出 适 合 的 综 合 性 实 验 题 目, 不 断 拓 展 学 生 选 题 范 围 及 知 识 面 及 时 改 进 实 验 教 学 培 养 模 式 是 核 心, 将 以 前 由 教 师 排 好 实 验 准 备 好 仪 器 学 生 来 做 实 验 的 状 态, 过 渡 到 在 教 师 指 导 下, 学 生 自 己 选 择 实 验 题 目, 由 学 生 自 己 查 阅 资 料 设 计 实 验 方 案 选 择 仪 器 独 立 完 成 实 验, 撰 写 总 结 报 告, 106
从 而 培 养 和 提 高 学 生 的 综 合 思 维 和 创 造 能 力, 为 学 生 提 供 发 展 个 性 和 施 展 才 能 的 机 会, 对 解 决 学 生 就 业 及 培 养 21 世 纪 高 素 质 复 合 型 人 才 有 积 极 作 用 参 考 文 献 : [1] 贾 英 全, 茹 宏 强, 何 凤 鸣, 等 我 校 的 综 合 性 实 验 改 革 实 践 [J] 物 理 实 验,1999,20(5): 27-29 [2] 肖 爱 萍 综 合 性 和 设 计 性 实 验 教 学 浅 谈 [J] 中 山 大 学 学 报 论 丛,2006,26(7):229-231 [3] 张 朝 晖, 吕 斯 骅 综 合 物 理 实 验 和 研 究 性 创 新 物 理 实 验 的 建 设 [J] 大 学 物 理,2009,28 (11): 48-50 [4] 江 影, 邱 淑 霞, 庞 宁 综 合 设 计 性 物 理 实 验 项 目 开 发 与 指 导 方 法 探 讨 [J] 大 学 物 理 实 验, 2012,25(6): 116-118 Modern comprehensive experiment of physical development and improve the comprehensive ability of students YUN Yue-hou, NA Ri, ZHANG Chang-zai (College of sciences and Technology, Inner Mongolian University, Huhhot 010021, China) Abstract: Through a comprehensive curriculum development in modern physics experiments, combined with fiber optics and optical fiber communication technology-based series of experiments, teaching experience, comprehensive experiment of modern physics and improve students comprehensive ability to develop a useful discussion on culture and improve student comprehensive capabilities, creating complex talent has a positive effect. Key words: Comprehensive experiment; develop and improve; comprehensive capabilities 107
对 大 学 物 理 实 验 课 评 估 方 法 的 调 查 报 告 刘 丹 ( 纽 黑 文 大 学, 美 国 ) 摘 要 : 在 大 学 物 理 实 验 课 程 中, 是 否 以 小 组 为 单 位 提 交 实 验 报 告 将 更 有 助 学 生 的 积 极 参 与? 作 为 一 名 大 学 物 理 实 验 课 的 老 师 的 你, 是 不 是 会 给 学 生 期 末 考 试 呢? 如 果 是 的 话, 期 末 考 试 占 课 程 的 比 重 会 是 多 少? 在 美 国 纽 黑 文 大 学, 四 个 物 理 实 验 班 的 64 名 同 学 共 同 完 成 了 一 份 关 于 他 们 物 理 实 验 课 程 的 调 查 问 卷 本 文 将 展 现 和 分 析 这 份 调 查 的 结 果 关 键 词 : 评 估 ; 试 验 报 告 ; 实 践 能 力 测 试 1 引 言 长 期 以 来, 大 学 物 理 实 验 是 所 有 大 学 院 校 对 理 工 科 本 科 生 所 设 置 的 一 门 必 修 课 程 它 可 以 帮 助 学 生 更 直 观 深 刻 的 理 解 课 堂 学 习 中 的 概 念 和 理 论, 培 养 他 们 的 动 手 能 力, 并 且 增 长 了 理 论 联 系 实 际 的 解 决 问 题 的 能 力 因 此 在 各 门 课 程 中, 物 理 实 验 课 的 重 要 性 不 言 而 喻 而 如 何 评 价 学 生 们 在 大 学 物 理 实 验 课 中 的 表 现, 无 疑 显 得 非 常 重 要 就 目 前 来 看, 大 学 物 理 实 验 课 程 的 评 估, 最 普 遍 的 方 法 是 基 于 参 加 实 验 课 程 的 学 生 们 的 书 面 材 料, 例 如 实 验 报 告 或 者 书 面 考 试 另 外, 课 堂 表 现 和 出 勤 也 常 常 会 作 为 分 数 计 入 成 绩 但 是, 目 前 没 有 统 一 的 课 程 评 估 标 准 为 大 学 物 理 实 验 老 师 提 供 参 考 如 何 制 定 一 套 准 确 公 平 标 准 的 大 学 物 理 实 验 课 程 的 评 分 方 法 和 评 估 标 准 是 值 得 讨 论 的 很 多 学 者 都 作 着 相 关 的 研 究 [1-3] 就 大 学 物 理 实 验 老 师 决 定 如 何 对 学 生 进 行 评 估, 本 文 将 从 调 查 分 析 学 生 对 此 看 法 方 面, 为 大 学 物 理 实 验 老 师 和 物 理 教 育 研 究 者, 提 供 一 份 制 定 这 套 评 估 系 统 的 参 考 2 调 查 结 果 及 讨 论 这 份 学 生 对 大 学 物 理 实 验 课 的 评 估 的 问 卷 调 查 具 有 一 定 的 普 遍 性 2013 年 秋 季 学 期, 期 末 考 试 前, 美 国 纽 黑 文 大 学 的 四 个 物 理 实 验 班 的 64 名 本 科 生 完 成 了 这 份 调 查 问 卷 这 些 学 生 就 读 于 不 同 的 院 系, 从 大 一 到 大 三, 每 个 年 级 都 有 问 卷 形 式 是 匿 名 制 这 些 学 生 90% 的 实 验 课 的 总 成 绩 基 于 提 交 小 组 的 实 验 报 告, 实 验 报 告 要 求 论 文 格 式 ;10% 的 总 成 绩 来 自 书 面 的 期 末 考 试 以 下 是 关 于 这 份 问 卷 的 调 查 分 析 结 果 2.1 小 组 实 验 报 告 和 个 人 实 验 报 告 作 为 一 种 评 估 依 据, 小 组 实 验 报 告 和 个 人 实 验 报 告 各 有 利 弊 大 多 数 的 大 学 物 理 实 验 操 作 是 以 小 组 为 单 位 的 相 对 于 提 交 相 同 数 据 的 个 人 实 验 报 告, 小 组 实 验 报 告 的 质 量 一 般 更 高 提 交 小 组 实 验 报 告 不 但 提 高 了 学 生 写 实 验 报 告 和 老 师 批 改 实 验 报 告 的 效 率, 而 且 这 种 报 告 形 式 还 可 以 促 进 实 验 小 组 成 员 间 的 讨 论 交 流 和 合 作 小 组 成 员 之 间 可 以 通 过 相 互 学 习, 取 长 补 短 但 是, 相 对 于 个 人 实 验 报 告 的 评 估, 小 组 实 验 报 告 对 于 参 加 小 组 的 个 人 成 绩 的 评 估 准 确 性 不 高 对 于 小 组 实 验 报 告, 每 个 小 组 成 员 会 得 到 同 样 的 成 绩 实 验 中 分 工 是 否 平 衡, 对 实 作 者 简 介 : 刘 丹 (1982 ), 女, 黑 龙 江 省 大 庆 市 人, 讲 师, 博 士, 从 事 理 论 凝 聚 态 物 理 和 物 理 教 育 108
验 的 理 解 和 掌 握 的 程 度 是 否 相 同, 这 是 很 难 从 小 组 实 验 报 告 中 体 现 出 来 的 根 据 问 卷 分 析, 结 果 是 91% 的 学 生 更 加 倾 向 于 提 交 小 组 实 验 报 告 2.2 期 末 考 试 在 采 用 小 组 实 验 报 告 的 前 提 下, 一 定 比 例 的 个 人 测 试 会 对 评 估 的 公 正 性 和 准 确 性 有 所 帮 助 这 是 很 多 实 验 课 老 师 采 用 不 同 比 重 的 期 末 考 试 的 原 因 调 查 表 明, 只 有 17% 的 学 生 希 望 有 书 面 的 期 末 考 试 作 为 物 理 实 验 课 程 的 测 评 手 段 之 一 其 中,14% 的 学 生 认 为 期 末 考 试 占 总 成 绩 的 15% 是 一 个 合 适 比 重 余 下 3% 的 学 生 则 期 望 更 高 的 比 重 额 2.3 实 验 报 告 格 式 实 验 报 告 可 采 用 提 交 数 据 为 主 的 简 洁 格 式 或 相 对 内 容 丰 富 的 论 文 格 式 论 文 格 式 的 实 验 报 告 中 简 介 理 论 介 绍 及 实 验 过 程 部 分 都 可 以 参 考 实 验 手 册, 学 生 的 发 挥 空 间 不 大 部 分 物 理 实 验 课 老 师 认 为 这 些 部 分 可 以 通 过 其 他 方 式 来 考 察, 因 此 要 求 学 生 提 交 以 数 据 为 主 的 试 验 报 告, 附 加 例 如 对 实 验 原 理 部 分 的 分 析, 来 深 层 次 考 察 学 生 对 实 验 的 理 解 [4] 根 据 调 查 报 告 显 示, 相 对 只 提 交 数 据 为 主 的 简 洁 格 式 的 试 验 报 告,36% 的 学 生 认 为 论 文 格 式 的 实 验 报 告 非 常 有 帮 助 ;44% 的 学 生 认 为 论 文 格 式 的 实 验 报 告 有 帮 助 ;20% 的 学 生 认 为 论 文 格 式 的 实 验 报 告 没 有 帮 助 2.4 小 组 实 验 中 的 职 责 分 配 大 学 物 理 实 验 课 程 中, 很 多 实 验 是 以 小 组 为 单 位 合 作 完 成 的 在 一 个 学 期 中, 小 组 成 员 轮 流 担 任 不 同 的 工 作, 比 如 数 据 测 量, 数 据 分 析 等, 是 一 门 物 理 实 验 课 在 课 程 规 划 中 对 学 生 职 责 分 配 的 目 标 而 数 据 表 明, 在 没 有 特 殊 的 监 督 手 段 下,52% 的 学 生 在 一 个 学 期 中 从 未 改 变 过 自 己 的 职 能, 比 如 一 个 学 生 可 能 因 为 比 较 擅 长 数 据 处 理, 因 此 一 个 学 期 都 在 作 数 据 处 理 的 工 作, 在 其 他 方 面 没 有 得 到 锻 炼 28% 的 学 生 在 一 半 以 上 的 实 验 中 作 着 一 直 相 同 的 工 作 2.5 实 验 小 组 的 大 小 学 校 和 班 级 的 具 体 客 观 情 况 决 定 实 验 小 组 的 大 小 在 有 选 择 的 情 况 下, 选 择 合 适 的 实 验 小 组 的 规 模, 既 可 以 增 加 同 学 间 的 互 相 学 习 和 合 作, 又 可 以 保 证 个 人 的 实 践 操 作 的 机 会 根 据 调 查,61% 的 学 生 认 为 3 人 一 组 是 最 佳 的 实 验 小 组 的 大 小 ;34% 的 学 生 认 为 4 人 一 组 是 最 佳 的 选 择 ;3% 的 学 生 认 为 2 人 一 组 是 最 佳 的 选 择 ; 只 有 2% 的 学 生 更 倾 向 于 单 独 完 成 实 验 以 上 主 要 是 对 试 验 报 告 和 书 面 考 试 评 估 手 段 的 调 查 分 析 结 果 除 了 实 验 报 告 和 书 面 考 试 要 作 为 理 论 知 识 应 知 应 会 的 考 察 点 以 外, 在 一 门 实 验 课 程 中, 实 际 操 作 动 手 能 力 的 评 估 也 应 该 占 一 定 的 比 重 目 前, 主 要 有 三 种 对 学 生 实 际 操 作 动 手 能 力 的 评 估 方 法 : 观 察 学 生 在 实 验 课 中 的 表 现, 评 估 学 生 对 提 问 的 回 答, 评 估 学 生 的 实 验 结 果 [5] 在 考 试 形 式 方 面, 其 他 的 可 行 性 方 法 包 括 同 学 之 间 的 测 评, 自 我 测 评, 实 际 操 作 测 试 和 点 分 制 的 评 估 实 际 操 作 测 试 基 于 类 似 驾 照 路 考 或 者 钢 琴 等 级 考 试 的 思 路, 即 给 定 一 个 任 务 操 作 要 求 和 相 应 的 评 分 系 统 [6][7] 点 分 制 的 评 估 依 据 一 个 一 系 列 任 务 的 列 表 和 评 分 系 统 当 学 生 每 完 成 一 项 任 务, 就 能 得 到 一 个 相 应 的 分 数, 然 后 整 个 实 验 结 束 后, 累 加 起 所 有 的 分 数 就 是 最 后 的 成 绩 3 结 论 这 份 问 卷 调 查 反 映 了 学 生 对 于 大 学 物 理 实 验 中 对 学 生 的 评 估 的 看 法 和 倾 向 性 ; 为 大 学 物 理 实 验 老 师 在 设 置 课 程 大 纲 的 评 估 部 份, 为 物 理 教 育 和 科 学 教 育 研 究 学 者 在 相 关 的 研 究 工 作 中, 提 供 一 份 参 考 109
参 考 文 献 : [1] Uri Hofstein, Avi Hofstein. Objective and continuous assessment of student performance in the physics laboratory. Science Education, 1982, 66: 581-591. [2] Grant Wiggins. A true test: Toward a more authentic and equitable assessment. Phi Delta Kappan, 1989, 70(9):703-713. [3] Richard Gott, Sandra Duggan. Problems with the Assessment of Performance in Practical Science: which way now? Cambridge Journal of Education, 2002, 32(2), 183-201. [4] Taoufik Nadji, Michael Lach, Patricia Blanton. Assessment strategies for laboratory reports. The Physics Teacher, 2003, 41: 56-57. [5] Wendy McColskey, Rita O Sullivan. How to assess student performance in science: going beyond multiple-choice tests. USA: Serve, 2000: 9. [6] Timothy F. Slater, Joseph M. Ryan. Laboratory performance assessment. The Physics Teacher, 1993, 31(5): 306-309. [7] Richard J. Shavelson, Gail P. Baxter, Jerome Pine. Performance assessment in science. Applied Measurement in Education, 1991, 4(4): 347-362. Investigation into undergraduates preference of the evaluation of physics lab work Liu Dan (University of New Haven, West Haven, CT 06511, USA) Abstract: Whether group lab report assignments can more engage undergraduate students in physics lab than individual lab report assignments? As a physics lab lecturer, do you give students a final exam in your lab sessions? If so what percentage of the final test should be given? A pool of sixty-four undergraduate students in four different lab sessions at the University of New Haven, USA completed the survey of their preference on how to evaluate students lab work. The report will present and discuss the result of this investigation. Key words: Assessment; lab report; performance test 110
关 于 大 学 物 理 实 验 层 次 化 教 学 的 探 讨 胡 清, 魏 云, 吴 晓 立 ( 西 南 交 通 大 学 物 理 实 验 中 心 ) 摘 要 : 在 大 学 物 理 实 验 教 学 中, 以 层 次 化 专 题 式 实 验 的 教 学 方 式 来 组 织 教 学 内 容 并 与 课 外 实 验 项 目 相 结 合, 在 培 养 学 生 认 真 思 考 问 题, 独 立 做 事 方 面, 进 行 了 初 步 的 探 讨 关 键 词 : 物 理 实 验 教 学 ; 层 次 化 专 题 式 ; 课 外 实 验 项 目 1 引 言 随 着 高 等 教 育 的 发 展, 教 学 规 模 也 随 之 扩 大, 针 对 实 验 类 基 础 教 学 或 教 学 改 革 所 涉 及 的 面 和 量 也 显 然 加 重 针 对 我 校 ( 工 科 院 校 ) 物 理 实 验 与 工 科 专 业 基 础 实 验, 专 业 实 验 相 衔 接 的 教 学 要 求, 使 得 学 生 在 了 解 物 理 实 验 的 教 学 特 点, 实 验 技 术 与 实 际 应 用 之 间 的 关 系, 动 手 能 力 的 培 养 等 方 面 有 所 认 识, 学 会 分 析 问 题 和 解 决 问 题 的 方 法, 以 达 到 综 合 素 质 培 养 的 教 学 目 的 由 于 物 理 实 验 具 有 涉 及 的 面 广, 仪 器 的 种 类 较 多, 包 含 的 实 验 技 术 丰 富, 推 广 应 用 的 范 围 广 泛 等 特 点 ; 而 学 生 进 入 大 学 时 多 数 实 验 基 础 较 差, 对 于 实 验 课 的 教 学 目 的 和 意 义 认 识 不 足, 对 于 实 验 课 的 教 学 方 法 还 不 太 适 应, 对 于 众 多 实 验 内 容 之 间 的 相 互 关 系 缺 乏 了 解, 对 于 实 验 与 应 用 之 间 的 联 系 也 不 清 楚, 所 以 我 们 提 出 了 采 用 层 次 化 专 题 式 实 验 的 教 学 方 式, 在 部 分 学 生 中 进 行 了 实 验 教 学 的 改 革 和 探 讨 层 次 化 专 题 式 实 验 教 学 包 括 实 验 内 容 的 选 择, 教 学 方 法 的 调 整, 仪 器 的 调 整 与 选 用, 教 材 讲 义 的 编 排 还 增 加 了 课 外 实 验 项 目 等, 总 之 在 实 验 教 学 改 革 过 程 中 逐 渐 积 累 了 一 点 经 验, 有 了 一 些 新 的 认 识 2 教 学 探 讨 2.1 层 次 化 实 验 教 学 层 次 化 实 验 是 指 从 基 础 性 实 验 开 始, 将 具 有 相 关 内 容 的 实 验 组 合 在 一 起, 从 中 提 炼 出 具 有 共 同 特 点 的 实 验 方 法, 实 验 技 术, 测 量 方 法, 与 实 际 应 用 结 合 起 来, 建 立 其 对 应 的 关 系, 达 到 学 习 与 应 用 相 结 合 的 教 学 目 的 例 如 示 波 器 的 调 整 和 使 用, 电 子 束 在 电 场 中 的 偏 转 是 两 个 基 础 物 理 实 验, 但 是 两 个 实 验 中 共 同 之 处 是 示 波 管 在 电 子 束 实 验 中 主 要 研 究 对 象 是 示 波 管 的 物 理 结 构 和 工 作 原 理, 实 验 中 要 测 量 其 相 关 参 数, 研 究 彼 此 之 间 的 关 系, 属 于 验 证 性 实 验 而 示 波 器 的 调 整 和 使 用 实 验 是 学 习 通 用 示 波 器 的 使 用 和 测 量, 属 于 应 用 性 实 验 在 讲 解 示 波 器 原 理 时, 示 波 管 是 作 为 示 波 器 的 核 心 部 件, 其 它 外 围 电 路 是 围 绕 核 心 部 件 搭 建 起 来 的 如 果 将 两 个 实 验 从 内 容 上 分 开 来 上, 彼 此 之 间 的 对 应 关 系 就 不 容 易 建 立 起 来, 还 会 丢 失 很 多 实 际 的 内 容, 学 生 也 不 能 很 好 地 掌 握 和 理 解 教 学 目 的 和 意 义, 如 果 将 其 列 为 层 次 化 实 验 教 学 就 可 以 解 决 这 些 问 题 在 电 子 束 在 电 场 中 的 偏 转 实 验 中, 实 验 目 的 是 了 解 示 波 管 的 结 构 和 工 作 原 理, 理 清 物 理 量 之 间 的 相 互 关 系, 在 电 子 枪 部 分 得 到 电 极 与 电 位 的 配 合 关 系, 辉 度 与 聚 焦 的 控 制 方 法, 以 及 如 何 改 变 电 子 运 动 的 速 度 等 ; 在 偏 转 部 分 得 到 偏 转 板 上 偏 转 电 压 与 屏 幕 上 偏 转 距 离 的 对 应 关 系, 确 定 了 线 性 偏 转 系 数, 以 上 是 该 实 验 的 教 学 内 容 如 果 在 这 台 实 验 仪 器 的 基 础 上 再 增 加 了 一 些 单 元 电 路 和 控 制 部 分, 就 可 以 将 其 改 造 成 具 有 组 装 示 波 器 功 能 的 教 学 仪 器, 该 仪 器 不 仅 保 留 了 电 子 束 在 电 场 中 的 偏 转 原 有 的 实 验 内 111
容, 而 且 还 具 备 组 装 示 波 器 的 功 能, 这 样 就 将 两 个 实 验 联 系 到 一 起 从 电 子 束 在 电 场 中 的 偏 转 规 律 的 研 究, 到 组 装 示 波 器 经 历 了 从 基 础 知 识 向 实 用 技 术 转 变 的 过 程, 使 得 知 识 结 构 也 发 生 了 变 化, 也 使 得 教 学 内 容 向 着 学 用 结 合 的 方 向 发 展 在 组 装 示 波 器 过 程 中, 每 一 步 的 操 作 其 目 的 和 意 义 都 非 常 明 确 和 直 观, 能 够 达 到 很 好 的 教 学 效 果 若 在 水 平 偏 转 板 上 施 加 一 个 线 性 连 续 变 化 的 自 动 信 号 ( 锯 齿 波 信 号 ), 使 得 光 点 的 运 动 为 匀 速 运 动 ; 在 垂 直 偏 转 板 上, 通 过 衰 减 器 将 信 号 的 幅 值 所 对 应 的 电 压 加 到 偏 转 板 上, 就 可 以 实 现 光 点 随 信 号 幅 值 变 化 规 律 的 跳 变 ; 根 据 二 维 平 面 内 波 形 合 成 的 原 理, 学 生 可 以 将 正 弦 信 号 和 锯 齿 波 信 号 分 别 送 到 对 应 的 偏 转 板 上, 屏 幕 上 就 显 示 出 合 成 的 正 弦 波 信 号 波 形, 这 就 是 示 波 器 的 波 形 合 成 的 原 理, 非 常 直 观 但 是, 由 于 正 弦 波 和 锯 齿 波 两 个 信 号 是 相 互 独 立 的, 它 们 之 间 存 在 着 相 位 的 漂 移, 使 得 显 示 出 的 波 形 不 能 稳 定, 为 解 决 这 一 问 题, 在 仪 器 上 增 加 了 同 步 控 制 器, 由 学 生 自 己 选 择 采 样 信 号 实 施 同 步 控 制, 使 得 合 成 波 形 达 到 稳 定 状 态, 由 此 可 以 根 据 示 波 器 的 频 率 关 系 f y : f n ( n 1,2, n) x n 为 整 数, 来 理 解 其 中 的 含 义 在 测 量 中 波 形 稳 定 是 测 量 的 必 要 条 件, 以 此 来 认 识 同 步 控 制 在 示 波 器 中 的 重 要 作 用 示 波 器 是 用 来 观 测 电 信 号, 测 量 还 需 再 建 立 测 量 参 数 与 电 信 号 参 数 的 对 应 关 系 在 水 平 偏 转 板 上 施 加 锯 齿 波 信 号, 可 以 将 光 点 运 动 转 变 为 匀 速 运 动, 匀 速 运 动 可 以 转 化 为 时 间 的 关 系 Time/div, 即 光 点 在 屏 幕 的 坐 标 中 水 平 方 向 每 移 动 一 格 所 用 的 时 间, 时 间 可 以 与 信 号 的 周 期 相 对 应 ; 在 垂 直 偏 转 板 上, 光 点 的 运 动 随 信 号 电 压 幅 值 的 变 化 即 Volts/div 表 示 光 点 在 垂 直 方 向 每 运 动 一 格 偏 转 板 上 所 对 应 的 电 压 关 系 若 将 这 些 关 系 进 行 严 格 的 标 定, 就 可 以 实 现 示 波 器 的 定 量 测 量 在 垂 直 偏 转 板 上 将 线 性 偏 转 系 数 与 衰 减 器 的 衰 减 倍 数 进 行 综 合 计 算 就 可 以 得 到 光 点 在 屏 幕 坐 标 中 垂 直 方 向 的 偏 转 距 离 与 偏 转 板 上 施 加 电 压 的 标 定 结 果, 即 Volts/div 同 理 在 水 平 方 向 可 根 据 线 性 偏 转 系 数 标 定 时 间 的 关 系, 即 Time/div 由 于 示 波 器 需 要 在 一 定 的 范 围 内 针 对 不 同 频 率 的 电 信 号 进 行 测 量, 所 以 需 要 一 个 可 改 变 周 期 的 锯 齿 波 发 生 器, 改 变 锯 齿 波 信 号 的 周 期 是 由 振 荡 电 路 中 的 时 间 常 数 来 决 定, 若 将 波 段 开 关 和 时 间 常 数 并 接 可 组 成 一 个 频 率 调 节 开 关, 频 率 调 节 开 关 与 锯 齿 波 振 荡 器 组 合 得 到 可 改 变 周 期 的 锯 齿 波 发 生 器 示 波 器 具 有 测 量 合 成 信 号 的 功 能, 所 以 在 信 号 的 输 入 端 增 加 了 AC DC GND 输 入 选 择 开 关, 在 组 装 示 波 器 平 台 上, 很 容 易 演 示 三 个 开 关 的 对 应 关 系, 以 此 来 筛 选 直 流 信 号, 交 流 信 号 交 直 流 合 成 信 号 可 用 标 定 好 的 仪 器 对 三 种 信 号 进 行 定 量 测 量, 由 此 还 可 向 学 生 拓 展 示 波 器 的 使 用 范 围, 示 波 器 可 作 为 电 表 来 使 用, 具 有 直 流 电 表 和 交 流 电 表 的 测 量 功 能 观 测 李 萨 如 波 形 是 示 波 器 使 用 的 一 个 特 例, 需 要 对 示 波 器 的 结 构 进 行 适 当 的 调 整, 使 其 在 示 波 器 水 平 偏 转 板 和 垂 直 偏 转 板 上 分 别 输 入 正 弦 波 信 号, 在 屏 幕 上 得 到 合 成 后 李 萨 如 波 形 在 示 波 器 的 调 整 和 使 用 实 验 中, 将 组 合 示 波 器 中 的 各 个 功 能 调 节 旋 钮 与 示 波 器 面 板 上 的 调 节 旋 钮 进 行 对 应, 再 结 合 示 波 管 的 结 构 图 和 电 路 原 理 框 图 讲 解 示 波 器 的 原 理 调 整 与 测 量, 使 得 学 生 更 容 易 理 解, 这 是 学 用 相 结 合 的 教 学 方 法, 也 是 知 识 与 应 用 的 良 好 途 径 教 学 中 一 直 强 调 学 生 使 用 仪 器 要 有 目 的 的 操 作 和 准 确 的 测 量, 以 及 灵 活 的 运 用 在 此 基 础 上 还 可 以 向 学 生 简 单 介 绍, 模 拟 示 波 器 数 字 示 波 器 虚 拟 示 波 器 (Labview), 类 别 的 区 分, 介 绍 单 踪 与 多 踪 示 波 器 结 构 上 差 别, 介 绍 时 间 关 系 与 时 基 的 运 用 等 等, 让 学 生 对 示 波 器 有 较 完 整 地 了 解 工 科 院 校 一 直 强 调 不 需 要 学 习 多 种 型 号 的 示 波 器, 只 需 掌 握 通 用 示 波 器 的 使 用, 就 可 以 达 到 使 用 多 种 示 波 器 的 学 习 目 的, 这 就 是 层 次 化 实 验 的 教 学 特 点 2.2 专 题 式 实 验 专 题 式 实 验 是 将 技 术 相 关 的 实 验 组 合 在 一 起, 强 调 的 是 仪 器 的 使 用 和 测 量 关 系 例 如 用 112
示 波 器 测 量 类 实 验 就 可 以 组 成 一 个 专 题 式 实 验, 如 示 波 器 测 超 声 波 的 声 速 实 验 示 波 器 测 量 光 速 实 验 RC 电 路 参 数 的 测 量, RLC 电 路 暂 态 特 性 的 研 究 等 等 在 不 同 的 实 验 中 对 于 示 波 器 的 使 用 是 不 同 的, 有 些 实 验 用 示 波 器 观 测 信 号 的 波 形, 有 些 实 验 用 示 波 器 合 成 信 号 的 波 形, 有 些 实 验 用 示 波 器 作 为 电 表 使 用, 除 此 之 外 还 有 一 些 其 它 使 用 上 的 差 别 不 再 叙 述 总 之 学 生 若 能 正 确 使 用 示 波 器 进 行 测 量, 是 建 立 在 对 示 波 器 学 习 扎 实 的 基 础 之 上, 这 就 要 求 层 次 化 专 题 式 实 验 教 学 上 有 良 好 配 合 ; 不 是 要 求 学 生 花 很 多 的 时 间 来 参 与 这 样 的 教 学, 而 是 多 花 一 点 时 间 来 慢 慢 梳 理 知 识 点 与 应 用 点 之 间 的 对 应 关 系, 建 立 起 较 完 整 地 认 识, 就 能 达 到 教 学 的 目 的 2.3 层 次 化 专 题 式 实 验 教 学 不 仅 可 以 在 示 波 器 类 实 验 中 运 用, 在 其 他 实 验 中 也 适 用, 如 电 学 类 实 验 光 学 类 实 验, 力 学 类 实 验 等 等, 关 键 是 在 这 些 实 验 中 寻 找 共 同 的 特 点, 哪 些 在 实 验 内 容 上 有 共 同 之 处, 哪 些 在 测 量 技 术 上 有 共 同 之 处, 将 其 组 合 到 一 起, 找 到 教 学 中 有 针 对 性 特 点, 明 确 教 学 所 要 达 到 的 目 的, 这 样 就 组 成 了 一 个 层 次 化 专 题 式 实 验 教 学 项 目 层 次 化 专 题 式 实 验 完 成 的 不 是 一 个 具 体 的 实 验 教 学 内 容, 而 是 完 成 一 个 实 验 类 或 者 测 量 类 的 教 学 内 容, 其 中 可 能 包 含 着 多 个 实 验 内 容 的 组 合 一 般 情 况 下, 单 一 实 验 中 有 独 立 的 实 验 原 理 实 验 方 法 测 量 方 法, 数 据 处 理 等 因 素, 在 多 个 实 验 中 这 些 因 素 就 会 出 现 相 互 交 叉 和 拓 展 延 伸 的 关 系, 这 也 是 科 学 与 技 术 在 发 展 过 程 中 出 现 的 必 然 规 律, 只 要 认 真 的 归 纳 总 结 就 能 找 到 共 同 的 教 学 特 点, 组 成 一 个 有 针 对 性 的 实 验 教 学 项 目, 这 样 的 教 学 模 式 对 学 生 来 讲 非 常 实 用, 可 以 花 较 少 的 时 间, 得 到 系 统 性 较 强 知 识 传 授, 达 到 事 倍 功 半 的 效 果 层 次 化 专 题 式 实 验 教 学 只 在 部 分 学 生 中 进 行 了 教 学 改 革 的 尝 试, 前 提 是 要 搭 建 一 个 开 放 式 实 验 室, 实 验 内 容 上 按 照 实 验 教 学 项 目 的 要 求 进 行 编 排, 同 时 与 面 上 的 实 验 教 学 要 相 互 配 合 参 加 层 次 化 专 题 式 实 验 教 学 的 学 生 在 完 成 面 上 实 验 教 学 的 同 时 可 以 到 开 放 式 实 验 室 来 做 实 验 开 放 式 实 验 室 有 专 门 的 老 师 进 行 辅 导, 老 师 主 要 是 按 照 专 题 实 验 的 内 容 框 架 去 引 导 学 生 来 完 成 实 验, 一 般 只 要 求 学 生 完 成 一 个 实 验 项 目 的 内 容 没 有 限 定 学 生 来 的 次 数, 也 可 以 不 来, 完 成 实 验 项 目 只 能 获 得 有 限 的 加 分, 靠 的 是 学 生 自 觉 的 学 习 态 度 和 老 师 的 引 导 作 用, 如 果 学 生 认 为 所 学 知 识 对 自 己 有 用, 才 会 主 动 学 习, 这 也 是 师 生 之 间 的 默 契 配 合 实 践 证 明 大 多 数 学 生 参 加 实 验 项 目 是 主 动, 积 极 地, 平 均 每 个 学 生 能 来 实 验 室 3-4 次, 收 获 各 不 一 样 有 些 学 生 达 到 了 实 验 项 目 的 教 学 效 果 ; 有 些 学 生 由 于 实 验 基 础 差, 通 过 开 放 实 验 进 行 了 自 我 补 充 ; 还 有 些 学 生 实 验 课 上 面 对 仪 器 会 紧 张, 在 这 里 进 行 了 自 我 锻 炼 2.4 课 外 实 验 项 目 增 加 课 外 实 验 项 目 是 对 于 层 次 化 专 题 式 实 验 教 学 的 延 伸 和 提 高 实 验 课 结 束 后, 为 还 有 学 习 物 理 实 验 需 求 的 学 生 开 设 课 外 实 验 项 目 该 项 目 有 学 校 设 备 处 专 项 经 费 的 支 持, 其 目 的 是 提 高 学 生 的 实 验 技 能 和 培 养 动 手 能 力 课 外 实 验 项 目 不 是 要 求 学 生 做 某 些 实 验, 而 是 参 加 一 个 具 体 立 项 的 实 验 题 目, 有 些 题 目 是 以 提 高 实 验 技 术 为 目 的, 如 全 息 光 学 器 件 的 制 作, 制 作 出 全 息 光 学 器 件 只 是 普 通 实 验 的 教 学 内 容, 若 要 提 高 器 件 的 技 术 指 标, 则 是 技 术 问 题 有 些 题 目 是 要 求 学 生 构 思 和 设 计 一 套 测 量 装 置, 要 求 每 个 环 节 都 独 立 完 成, 从 设 计 出 图 加 工 组 装 调 试 验 证 等 对 学 生 来 讲 是 一 次 很 好 的 锻 炼 机 会, 和 完 整 的 训 练 过 程 参 加 的 是 大 二 ( 下 ) 的 学 生, 还 处 在 基 础 课 和 专 业 课 衔 接 的 学 习 过 程 中, 若 要 完 成 这 些 工 作 需 要 付 出 很 多 的 努 力, 但 是 学 生 学 习 的 积 极 性 还 是 很 高 的 2.5 实 验 教 材 在 层 次 化 专 题 式 实 验 教 学 的 模 式 下, 针 对 大 学 物 理 实 验 教 学 大 纲 的 要 求 和 现 有 的 实 验 仪 器 条 件, 综 合 学 生 物 理 基 础 知 识 较 广 的 特 点, 在 已 有 教 学 教 材 基 础 上, 尝 试 性 地 编 写 了 层 次 化 专 题 式 实 验 系 列 教 材 讲 义, 其 目 的 是 通 过 这 样 的 实 验 教 学 模 式, 让 学 生 对 于 实 验 课 113
的 特 点 和 要 求 有 一 定 的 认 识, 在 仪 器 使 用 上 有 规 范 的 要 求 3 结 束 语 层 次 化 专 题 式 实 验 教 学 方 式 的 探 讨, 是 针 对 现 在 学 生 的 学 习 习 惯 和 教 学 中 的 一 些 实 际 情 况 进 行 的 教 学 改 革 尝 试 目 前 的 物 理 实 验 教 学 还 处 于 比 较 僵 化 的 模 式 中, 如, 规 定 的 学 时, 规 定 的 课 时, 规 定 的 学 分, 固 定 的 实 验 内 容 等 等 实 验 仪 器 的 使 用 也 有 所 改 变, 与 以 前 相 比, 通 用 仪 器 的 使 用 量 在 减 少, 各 种 各 样 的 教 学 仪 器 占 据 着 实 验 课 堂, 无 形 中 隔 断 了 物 理 实 验 与 实 际 测 量 之 间 的 途 径 ( 因 为 实 际 测 量 使 用 的 主 要 是 通 用 仪 器 ) 学 生 不 能 理 解 物 理 实 验 对 于 将 来 的 专 业 学 习 有 什 么 帮 助, 从 物 理 实 验 课 上 看, 一 种 仪 器 只 做 一 个 实 验, 这 样 的 知 识 可 能 一 生 中 也 不 会 再 次 遇 到, 因 此, 对 物 理 实 验 不 够 重 视, 学 习 上 也 不 认 真 实 际 情 况 并 非 如 此, 物 理 实 验 是 工 科 专 业 实 验 的 基 础, 有 着 密 不 可 分 的 关 系, 这 一 点 又 很 难 向 学 生 解 释 清 楚 推 出 层 次 化 专 题 式 实 验 教 学 方 式 就 是 想 理 顺 这 一 关 系, 让 学 生 理 解 物 理 实 验, 了 解 其 用 途 层 次 化 专 题 式 实 验 内 容 的 选 择 上, 尽 可 能 多 的 使 用 通 用 测 量 仪 器, 采 取 传 统 的 组 合 实 验 模 式, 做 好 物 理 实 验 众 多 的 实 验 技 术 与 实 际 测 量 的 衔 接 Abstract: This paper discussed roughly how to teach physics experiment through the topical experiment and experiment project. The major objects have a search for training students how to smart think by themselves and work independent. Key words: Physics experiment teaching method; the topical experiments; Experiment project 114
产 学 研 一 体 化 实 践 教 学 模 式 探 索 于 白 茹, 梁 小 冲, 李 伟, 李 紫 源, 朱 俊, 郝 彦 军 ( 四 川 大 学 物 理 基 础 实 验 教 学 中 心, 四 川 成 都 610064) 摘 要 : 通 过 建 立 产 学 研 一 体 化 的 实 践 教 学 模 式, 改 变 以 往 理 论 为 主 实 践 为 辅 的 传 统 教 育 模 式, 增 强 实 践 器 材 的 利 用 率, 改 变 学 生 死 板 的 思 维 方 式 增 强 学 生 的 实 践 动 手 能 力 锻 炼 学 生 的 创 新 意 识 培 养 学 生 团 队 合 作 的 意 识 关 键 词 : 产 学 研 一 体 化 ; 实 践 教 学 ; 创 新 教 育 高 校 传 统 的 教 育 方 式 存 在 诸 多 问 题, 例 如 理 论 学 习 周 与 实 践 周 比 例 严 重 失 调 ; 学 生 没 有 充 足 的 时 间 做 实 验 ; 大 学 物 理 实 验 课 都 是 在 规 定 的 时 间 完 成 ; 课 程 结 束 后 实 验 器 材 闲 置, 利 用 率 低 ; 大 部 分 学 生 都 是 按 照 实 践 教 材 和 任 课 教 师 讲 授 的 知 识 按 部 就 班 的 完 成 实 验, 学 生 很 难 有 时 间 提 出 新 的 想 法, 即 便 有 想 法 也 很 难 有 机 会 得 到 进 一 步 的 实 践 论 证 这 种 教 学 模 式 不 利 于 培 养 学 生 的 动 手 实 践 能 力, 也 很 难 培 养 社 会 真 正 需 要 的 创 新 型 人 才 产 学 研 一 体 化 实 践 教 学 模 式 可 以 很 好 的 解 决 以 上 问 题 产 学 研 一 体 化 实 践 教 学 模 式 是 由 高 校 或 研 究 机 构 通 过 与 企 业 建 立 互 利 共 赢 的 良 性 循 环 机 制, 从 而 有 效 培 养 创 新 人 才 的 教 育 模 式 产 学 研 合 作 教 育 将 生 产 科 研 中 出 现 的 新 技 术 新 成 果 及 社 会 经 济 发 展 前 沿 的 课 程 纳 入 教 学 计 划, 使 学 生 更 多 地 了 解 学 科 发 展 的 前 沿 态 势, 有 助 于 学 生 形 成 有 力 的 知 识 体 系 及 创 新 思 维 [1] 此 外, 产 学 研 一 体 化 给 予 学 生 的 更 多 的 实 践 时 间, 能 够 更 好 的 培 养 其 实 践 动 手 能 力 和 创 新 能 力, 解 决 了 本 科 生 实 践 机 会 少 实 践 成 本 高 的 问 题 因 此, 该 模 式 是 创 新 型 人 才 培 养 的 有 效 途 径 1 与 企 业 建 立 互 利 共 赢 的 良 性 循 环 体 系 时 代 的 发 展 离 不 开 科 技, 而 科 技 的 飞 跃 又 依 托 生 产 的 需 要 高 等 院 校 或 科 研 机 构 与 企 业 的 合 作 存 在 很 大 的 优 势 这 种 合 作 是 由 学 校 提 供 师 资 力 量 资 源 共 享 技 术 支 持, 企 业 提 供 资 金 支 持 实 习 支 持 就 业 支 持 形 成 的 互 利 共 赢 循 环 体 系 高 校 教 师 在 与 企 业 联 合 研 发 仪 器 时, 将 学 生 带 入 企 业 学 习, 从 仪 器 生 产 流 程 到 制 作 工 艺, 了 解 仪 器 方 案 的 设 计 和 工 程 技 的 各 个 细 节, 并 结 合 在 学 校 学 到 的 知 识, 逐 步 完 善 课 题 实 施 方 案 通 过 这 个 过 程 不 仅 能 够 使 学 生 将 课 堂 学 到 的 知 识 做 到 学 以 致 用, 并 能 够 更 加 明 确 学 习 目 标 培 养 其 学 习 的 自 主 性, 并 激 发 其 创 新 意 识 和 锻 炼 开 拓 创 新 的 能 力, 培 养 其 团 队 合 作 意 识 使 学 生 的 校 园 生 活 与 社 会 环 境 有 一 个 好 的 衔 接, 在 其 毕 业 后 更 容 易 融 入 工 作 环 境, 能 够 从 容 应 对 工 作 任 务 2 建 立 开 放 型 实 践 教 学 体 系 传 统 的 大 学 物 理 实 验 严 格 控 制 了 学 生 做 实 验 的 时 间, 而 实 际 上 学 生 需 要 的 动 手 时 间 要 远 比 课 堂 上 的 45 分 钟 还 要 多, 为 了 培 养 学 生 的 创 新 意 识 和 综 合 能 力, 需 要 全 天 二 十 四 小 时 开 放 的 实 验 室, 学 生 可 在 任 意 时 间 进 入 实 验 室 进 行 实 验 实 验 室 应 配 备 一 些 基 本 的 有 关 力 学 热 学 电 学 光 学 原 子 物 理 学 等 各 种 领 域 的 实 验 仪 器, 供 学 生 使 用, 学 生 可 以 根 据 个 人 兴 趣 选 择 器 材 进 行 实 验 目 前 物 理 实 验 中 心 有 九 十 多 个 实 验 项 目, 经 过 整 理 和 改 造 后 还 可 以 开 设 更 多 的 实 验 项 目 通 过 开 放 型 实 践 教 学 体 系 的 建 立, 增 加 学 生 动 手 实 践 的 机 会, 创 造 一 个 学 生 独 立 思 考 的 空 间, 训 练 其 自 主 学 习 的 能 力, 从 而 激 发 他 们 的 创 新 意 识 作 者 简 介 : 于 白 茹 (1982-), 女, 山 东 淄 博 人, 实 验 师, 博 士, 主 要 从 事 大 学 物 理 实 验 技 术 与 管 理 115
3 建 立 科 技 创 新 队 伍 提 升 科 技 创 新 能 力, 关 键 是 人 才 所 以 一 支 技 术 过 硬 的 科 技 创 新 团 队 起 着 至 关 重 要 的 作 用 该 团 队 需 对 物 理 实 验 仪 器 的 改 进 与 研 发 具 备 丰 富 的 经 验 科 研 应 服 务 于 社 会, 从 企 业 的 实 际 利 益 出 发, 根 据 企 业 的 需 求 设 立 科 研 项 目 这 样 既 能 够 得 到 企 业 的 资 金 支 持 和 工 程 技 术 支 持, 又 能 够 使 高 校 的 知 识 资 源 与 社 会 实 际 需 要 挂 钩, 使 知 识 能 够 真 正 为 经 济 服 务, 最 后 科 研 成 果 还 可 以 服 务 于 高 校 师 生 科 研 项 目 设 立 后, 导 师 根 据 自 身 的 学 术 领 域 选 择 项 目, 而 学 生 也 可 以 根 据 个 人 的 兴 趣 特 长 选 择 项 目 和 导 师 进 行 科 研 项 目 训 练, 这 样 就 能 够 实 现 以 科 研 项 目 为 中 心 的 师 生 的 自 由 双 向 选 择 在 科 研 训 练 的 过 程 中 能 够 使 学 生 将 课 堂 知 识 应 用 到 实 践 中, 并 能 够 改 变 以 往 教 学 为 主, 实 践 为 辅 的 教 育 模 式, 增 强 学 生 的 动 手 实 践 能 力, 为 其 将 来 步 入 社 会, 开 展 更 高 层 次 的 科 研 开 发 与 创 新 打 下 坚 实 基 础 4 结 束 语 在 开 放 型 实 践 教 学 方 面 我 们 已 经 积 累 了 一 定 的 经 验, 并 且 取 得 了 良 好 的 效 果 我 们 将 逐 步 建 立 和 完 善 产 学 研 一 体 化 实 践 教 学 体 系, 设 立 多 层 次 循 序 渐 进 的 实 验 教 学 内 容, 引 入 物 理 前 沿 领 域 的 探 索 性 实 验, 建 立 教 学 科 研 团 队 和 学 生 创 新 实 验 活 动 基 地, 激 发 学 生 的 创 新 意 识 和 培 养 他 们 的 创 新 能 力 参 考 文 献 : [1] 阮 美 飞, 郑 荣 跃, 张 佩 芬 产 学 研 一 体 化 培 养 创 新 人 才 的 理 论 与 实 践 [J] 宁 波 大 学 学 报 ( 教 育 科 学 版 ),2010,32:61-64 The exploration of the production-teaching-research combination experimental teaching mode YU Bai-ru, LIANG Xiao-chong, LI Wei, LI Zi-yuan, ZHU Jun, HAO Yan-jun (Physical Basic Experiment and Teaching Center, Sichuan University, Chengdu 610064, China) Abstract: Traditionally, theories education is priority, and practice is auxiliary. Through the establishment of production-teaching-research combination experimental teaching mode, we can change the above traditional education mode; enhance the experimental equipments utilization; change the Rigid way of thinking; strengthen students' practical ability; exercise the students' innovation consciousness and cultivate students' consciousness of team work. Key words: production-teaching-research combination; practice teaching; innovation education 116
任 务 导 向, 问 题 牵 引, 以 探 究 式 教 学 方 式, 培 养 学 生 的 创 新 思 维 我 的 一 点 教 学 体 会, 以 示 波 器 实 验 教 学 为 例 王 秀 庭, 杨 冰 ( 装 甲 兵 工 程 学 院 基 础 部, 北 京 100072) 摘 要 : 以 培 养 学 生 的 创 新 能 力 为 目 的, 以 历 史 发 展 的 脉 络 为 导 引, 给 学 生 提 出 设 计 示 波 器 的 任 务 ; 类 比 沙 漏 的 单 摆 运 动, 启 发 学 生 探 索 解 决 问 题 的 方 法 关 键 词 : 示 波 器 ; 探 究 式 教 学 ; 类 比 ; 任 务 导 向 示 波 器 在 现 代 电 学 测 量 中 是 一 种 常 用 仪 器, 就 如 同 游 标 卡 尺 在 力 学 测 量 中 的 地 位 一 样 几 乎 所 有 的 大 学 物 理 实 验 教 材 都 包 含 有 示 波 器 的 内 容, 几 乎 所 有 的 工 科 院 校 也 都 开 设 有 示 波 器 的 原 理 与 应 用 的 实 验 课 程 我 们 知 道, 示 波 器 有 模 拟 示 波 器 和 数 字 示 波 器 模 拟 示 波 器 的 原 理 与 应 用 实 验 是 一 个 经 典 物 理 实 验, 虽 然 在 现 代 测 量 中 有 数 字 示 波 器 逐 渐 取 代 模 拟 示 波 器 的 趋 势, 但 是 从 有 利 于 教 学 的 角 度, 用 模 拟 示 波 器 更 好 一 些, 因 为 其 原 理 更 清 晰 易 懂 我 们 认 为 模 拟 示 波 器 的 原 理 与 应 用 的 实 验 的 教 学 目 的, 不 应 该 只 是 教 会 学 生 理 解 示 波 器 构 造 及 其 原 理, 和 教 会 学 生 怎 样 使 用 模 拟 示 波 器, 还 要 培 养 学 生 的 创 新 性 思 维, 激 发 学 生 的 主 动 性 和 创 造 力, 因 而 我 们 采 取 了 如 下 教 学 方 式 1 开 门 见 山, 介 绍 仪 器 首 先 结 合 实 物 介 绍 本 实 验 需 要 的 仪 器 即 模 拟 双 踪 示 波 器 和 函 数 信 号 发 生 器, 使 学 生 对 本 实 验 所 用 到 的 仪 器 仪 表 有 一 个 基 本 了 解 ; 然 后 利 用 幻 灯 片 粗 略 介 绍 示 波 器 的 主 要 构 成 部 分, 让 学 生 知 道 示 波 器 包 括 两 部 分 : 显 像 管 和 控 制 显 像 管 的 工 作 电 路 使 其 对 示 波 器 的 构 成 有 一 个 初 步 印 象, 对 仪 器 有 一 个 感 性 认 识, 激 发 学 生 对 仪 器 的 工 作 原 理 的 思 考 兴 趣 输 入 信 号 垂 直 放 大 器 V/ 格 延 迟 线 高 压 电 源 低 压 电 源 至 示 波 管 V H 电 子 束 至 各 电 路 时 间 / 格 电 子 枪 V H 示 波 管 触 发 电 路 扫 描 发 生 器 水 平 放 大 器 荧 光 屏 图 3.6-1 图 通 用 1 示 波 示 器 波 方 框 器 图 的 构 成 作 者 简 介 : 王 秀 庭 (1964--), 男, 山 东 聊 城, 装 甲 兵 工 程 学 院 副 教 授, 硕 士, 主 要 从 事 电 磁 兼 容 方 面 的 研 究 117
2 提 前 铺 垫, 前 后 呼 应 示 波 器 原 理 要 用 到 大 学 物 理 理 论 课 中 关 于 运 动 电 子 在 匀 强 电 场 中 偏 转 的 内 容, 由 于 理 论 课 和 实 验 课 的 讲 授 时 间 不 一 致 和 其 它 因 素, 导 致 有 些 学 生 对 相 关 知 识 的 遗 忘 我 们 在 教 学 实 践 中, 安 排 复 习 大 学 物 理 理 论 课 中 关 于 运 动 电 子 在 匀 强 电 场 中 偏 转 运 动 的 内 容, 和 学 生 一 起 得 到 如 下 结 论 : 偏 转 位 移 Y( 或 X) 与 偏 转 电 压 U 成 正 比, 偏 转 电 场 控 制 电 子 束 在 视 屏 上 的 落 点 并 进 一 步 引 申 : 如 果 偏 转 电 压 从 最 小 线 性 增 加 到 最 大, 则 电 子 从 下 到 上 ( 从 左 到 右 ) 扫 描 这 样 就 很 顺 利 的 为 引 入 扫 描 电 压 做 好 了 准 备, 做 到 前 后 呼 应, 提 前 铺 垫 U Y(X) 图 2 电 子 的 偏 转 原 理 图 3 扫 描 电 压 3 提 出 任 务, 逐 步 推 进 下 面 的 内 容 就 是 本 次 课 的 重 点 : 示 波 器 的 原 理 用 什 么 方 式 去 引 入, 怎 样 讲 解 学 生 比 较 容 易 理 解, 并 有 培 养 其 创 造 性 思 维 的 效 用? 我 们 认 为 利 用 历 史 发 展 的 逻 辑, 设 定 让 学 生 处 于 发 明 ( 设 计 ) 一 种 测 试 仪 器 的 任 务 状 态, 提 出 任 务 和 问 题, 以 问 题 为 导 向, 对 于 调 动 学 生 的 积 极 性 主 动 性, 促 进 他 们 积 极 的 思 考 有 重 要 意 义 3.1 提 出 问 题 示 波 器 是 用 来 干 什 么 的 ( 示 波 器 的 功 用 )? 答 案 : 示 波 器 是 用 来 解 决 物 理 量 可 视 化 的 问 题, 或 者 说 显 示 某 一 物 理 量 ( 比 如 电 压 ) 随 时 间 的 变 化 3.2 形 象 类 比 接 着 以 沙 漏 的 单 摆 运 动 作 类 比, 引 出 本 次 实 验 的 难 点 ----- 时 间 的 展 开 问 题 : 如 果 一 个 沙 漏 做 单 摆 运 动, 底 下 垫 一 张 白 纸, 那 么 沙 子 的 轨 迹 是 一 个 有 限 的 线 段, 并 不 能 显 示 沙 漏 的 位 移 随 时 间 的 变 化, 只 有 在 同 时 匀 速 拉 动 白 纸 的 情 况 下, 才 能 显 示 出 沙 漏 的 位 移 随 时 间 的 变 化 进 一 步 说 明 示 波 器 的 原 理 和 它 是 类 似 的, 并 提 出 问 题 : 怎 样 保 证 每 次 显 示 的 结 果 都 一 样? 答 案 : 要 保 证 每 次 实 验 的 初 始 条 件 都 一 样 图 4 单 摆 和 显 像 管 显 示 图 形 的 比 较 118
3.3 布 置 任 务 怎 样 用 电 子 仪 器 把 沙 漏 的 运 动 显 示 出 来? 答 案 : 用 阴 极 显 像 管 要 把 沙 漏 的 运 动 显 示 出 来 需 解 决 几 个 问 题 : 1) 白 纸 不 能 无 限 长, 即 阴 极 显 像 管 显 示 的 范 围 是 有 限 的 解 决 的 方 法 : 截 取 某 一 段 反 复 显 示 ( 重 复 ) 2) 每 次 演 示 的 起 点 都 一 样, 显 示 图 像 就 表 示 为 稳 定 地 画 面 解 决 办 法 : 同 步 因 此 要 制 造 出 这 样 的 显 示 仪 器 要 解 决 以 下 几 个 问 题 : a. 可 视 性 ------- 显 像 管 b. 重 复 和 同 步 ------- 稳 定 的 波 形 ( 触 发 延 迟 ) 3.4 解 决 方 案 进 一 步 启 发 学 生 思 考 解 决 以 上 两 个 问 题 的 办 法 : 1) 将 被 测 信 号 加 到 垂 直 偏 转 板 时 同 时, 在 水 平 偏 转 板 加 一 扫 瞄 电 压 ( 锯 齿 波 ), 使 电 子 束 的 荧 光 点 在 水 平 方 向 拉 开, 解 决 重 复 和 展 开 的 问 题 2) 同 步 电 路 ( 触 发 和 延 迟 ): 在 X 和 Y 方 向 同 步 重 复 扫 描, 并 详 细 分 析 锯 齿 波 (X 方 向 ) 的 周 期 是 Y 轴 被 测 信 号 周 期 的 整 数 倍 时 图 形 是 稳 定 的 3.5 解 释 显 示 实 质 指 出 示 波 器 显 示 波 形 的 实 质 : 电 子 的 运 动 是 沿 Y 轴 方 向 的 被 测 信 号 ( 通 常 是 简 谐 运 动 ) 与 沿 X 轴 方 向 的 匀 速 运 动 的 合 成 如 果 沿 Y 轴 方 向 的 简 谐 运 动 与 沿 X 轴 方 向 的 简 谐 振 动 合 成 的 一 种 合 运 动 就 是 李 莎 如 图 4 有 简 有 繁, 合 理 取 舍 触 发 和 延 迟 电 路 都 是 为 同 步 服 务 的, 虽 然 触 发 和 延 迟 电 路 是 必 要 的, 但 是 由 于 其 原 理 已 超 出 学 生 的 知 识 范 围, 处 理 办 法 是 简 单 讲 解 其 功 能 实 现, 而 不 涉 及 具 体 电 路 分 析 5 规 范 教 学, 培 养 科 学 精 神 示 波 器 的 校 准 是 教 学 实 践 中 的 一 个 重 要 环 节, 也 是 一 个 容 易 被 忽 视 的 环 节, 很 多 学 生 不 理 解 为 什 么 要 校 准 示 波 器, 有 些 教 师 对 此 也 不 够 重 视 因 此 强 调 示 波 器 校 准 的 重 要 性 对 于 培 养 学 生 的 科 学 精 神 有 重 要 意 义 示 波 器 不 仅 是 一 个 显 示 仪 器, 更 重 要 的 它 还 是 一 种 测 量 仪 器, 利 用 示 波 器 可 以 测 量 电 压 峰 峰 值 和 周 期 等 物 理 量, 但 是 作 为 一 种 测 量 仪 器, 本 身 应 该 是 准 确 的, 因 此 使 用 示 波 器 的 第 一 步 就 是 校 准 就 如 同 用 尺 子 测 量, 尺 子 本 身 首 先 应 该 是 准 确 的 6 结 语 示 波 器 的 原 理 与 应 用 实 验 课 的 教 学 涉 及 很 多 实 践 环 节, 如 示 波 器 和 信 号 发 生 器 的 面 板 按 钮 的 使 用 面 板 上 各 旋 钮 的 意 义 和 档 位 设 置 电 压 峰 峰 值 和 周 期 测 量 的 操 作 要 点 和 注 意 事 项 等 等 都 要 一 一 交 代 清 楚 并 带 领 学 生 进 行 反 复 操 作 练 习, 很 多 老 师 都 有 很 多 好 的 处 理 办 法, 在 此 不 再 赘 述 参 考 文 献 : [1] 钱 锋, 潘 人 培 大 学 物 理 实 验 ( 第 2 版 )[M] 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社,2005 [2] 刘 伟 民, 李 媛 示 波 器 的 使 用 实 验 教 学 方 法 探 究 [J] 商 丘 师 范 学 院 学 报,2010,26(9): 134-136 [3] 屈 双 惠, 杨 志 宏, 马 志 春 简 化 讲 解 示 波 器 显 示 波 形 的 原 理 [J] 石 家 庄 学 院 学 报,2010, 119
12(3): 17-20 Application of inquiry teaching to the development of Innovative ability in oscilloscope experiment WANG Xiu-ting, YANG Bing (Department of Fundamental Courses of Academy of Armed Force Engineering, Beijing 100072, China) Abstract: In order to cultivate the innovation ability of them, in the context of historical development as the guidance, students are required to design the oscilloscope. The movement of single pendulum is contrasted to the graph forming principle of oscilloscope to inspire students to explore solutions to the problem. Key words: oscilloscope; inquiry teaching; analogy; problem-guided 120
浅 谈 大 学 物 理 实 验 教 学 的 内 涵 驱 动 建 设 魏 云, 吴 晓 立, 胡 清 ( 西 南 交 通 大 学 物 理 实 验 中 心 ) 摘 要 : 在 大 学 物 理 实 验 教 学 中, 以 层 次 化 专 题 式 实 验 的 教 学 方 式 来 组 织 教 学 内 容 并 与 课 外 项 目 相 结 合, 在 培 养 学 生 善 于 思 考 独 立 做 事 方 面, 进 行 了 初 步 的 探 讨 关 键 词 : 物 理 实 验 教 学 ; 层 次 化 专 题 式 ; 课 外 项 目 ; 教 材 建 设 1 引 言 在 高 校 教 学 规 模 扩 大 和 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 内 涵 驱 动 可 持 续 发 展 的 客 观 现 实 下, 针 对 实 验 类 教 学 或 教 改 的 内 涵 建 设, 发 挥 中 心 示 范 和 辐 射 的 作 用, 我 们 就 学 校 的 物 理 科 学 与 技 术 学 院 实 验 教 学 和 学 生 ( 光 电 技 术 专 业 与 应 用 物 理 技 术 专 业 ) 特 点 : 物 理 类 基 础 知 识 涉 及 较 广 但 实 验 教 育 仍 属 首 次 我 们 提 出 采 用 层 次 化 专 题 式 实 验 教 学 方 式, 并 在 教 学 内 容 和 教 材 讲 义 实 验 设 备 利 用 课 外 项 目 发 展 等 实 际 工 作 中 有 了 一 定 的 认 识 2 教 学 探 讨 2.1 层 次 化 实 验 教 学 层 次 化 实 验 教 学 的 主 要 目 的 是 探 讨 从 单 个 基 础 实 验 到 纵 深 层 次 化 思 考 的 培 养, 从 原 理 性 验 证 到 实 际 应 用 或 从 一 般 性 运 用 再 深 入 到 基 础 的 原 理 性 验 证 和 理 解, 加 强 知 识 点 的 贯 通 和 对 仪 器 的 系 统 认 识 例 如 对 于 仪 器 类 的 使 用 教 学, 就 采 用 从 一 般 性 运 用 再 深 入 到 基 础 的 原 理 性 验 证 和 理 解 的 层 次 化 思 考 方 式 : 在 示 波 器 的 调 整 和 使 用 实 验 后, 开 设 了 对 应 的 电 子 束 在 电 场 中 的 偏 转 和 组 装 示 波 器 并 校 准 实 验 ; 以 及 再 从 原 理 性 验 证 到 进 一 步 仪 器 的 实 际 使 用 比 较, 如 安 排 示 波 器 测 超 声 波 的 声 速 示 波 器 测 量 光 速 实 验 示 波 器 研 究 RLC 电 路 特 性 或 AC BRIDGE CIRCUIT 实 验, 这 样 对 示 波 器 信 号 源 数 字 万 用 表 指 针 万 用 表 等 仪 器 的 使 用, 特 点 的 比 较 就 有 一 个 较 系 统 的 认 识 在 电 学 测 量 技 术 类 如 平 衡 电 桥 测 电 阻 到 非 平 衡 电 桥 测 量 及 应 用 和 十 一 线 性 电 位 差 计 到 电 阻 箱 自 组 电 位 差 计 测 电 动 势, 采 用 从 原 理 性 验 证 到 实 际 的 应 用, 对 基 本 仪 器 电 阻 电 阻 箱 检 流 计 电 源 的 认 知, 对 实 验 参 数 的 设 置 及 其 依 据 对 仪 器 保 护 等 建 立 系 统 的 认 识, 养 成 依 据 理 论 做 到 心 中 有 数 而 不 是 去 猜 在 光 学 类 实 验 如 光 学 基 础 实 验 中 自 准 法 测 焦 距 的 方 法 到 分 光 计 的 调 整 与 使 用 中 自 准 法 调 望 远 镜 等, 到 分 光 计 测 量 棱 镜 折 射 率 的 最 小 偏 向 角 和 最 大 偏 向 角 方 法, 到 光 栅 光 谱 测 量, 掌 握 平 行 光 建 立 和 其 成 像 测 量 的 基 本 实 验 光 路 总 之, 针 对 学 生 的 特 点, 要 求 对 基 本 仪 器 实 验 技 能 实 验 原 理 误 差 分 析 参 数 设 置 仪 器 保 护 等 方 面 进 行 强 化 要 求 学 生 比 较 深 入 的 了 解 并 完 成 实 验 层 次 化 总 结 性 思 考 2.2 专 题 化 教 学 安 排 专 题 化 实 验 类 别 主 要 有 : 光 电 技 术 基 础 测 量 实 验 全 息 与 光 电 信 息 实 验 传 感 器 与 Labview 虚 拟 仪 器 实 验 现 代 测 量 与 单 片 机 应 用 实 验 现 代 物 理 技 术 实 验 在 仪 器 安 排 上 集 中 统 管 专 门 配 备, 实 验 室 按 类 别 每 个 实 验 两 套 仪 器 为 一 组, 每 类 共 计 八 个 实 验 十 六 台 套 仪 器 安 排 对 应 实 验 开 放 时 间 段, 主 要 特 点 是 学 生 预 习 要 求 较 高, 实 验 内 容 扩 展 自 由 度 较 大 ; 要 求 教 师 ( 仅 负 责 四 个 实 验 ) 课 堂 上 小 组 方 式 针 对 性 授 课, 加 强 课 堂 辅 导 演 示 等 ; 对 仪 器 管 理 负 荷 较 大, 教 师 对 仪 器 逐 台 检 修 的 工 作 是 必 须 的 和 及 时 的 121
2.3 实 验 教 材 的 思 考 在 内 涵 驱 动 可 持 续 发 展 和 层 次 化 专 题 式 实 验 教 学 方 式 下, 依 据 现 有 实 验 仪 器 条 件 和 教 材 基 础, 综 合 学 生 物 理 基 础 知 识 较 广 特 点, 尝 试 性 地 编 写 了 层 次 化 专 题 式 实 验 教 材 讲 义, 加 强 实 验 知 识 和 技 能 仪 器 使 用 上 的 贯 通, 强 化 内 涵 驱 动 建 设 普 通 物 理 实 验 ( 上 下 ) : 主 要 思 路 按 中 英 文 混 合 编 排, 七 个 物 理 单 位 实 验 ( 如 质 量 压 力 传 感 器 与 非 平 衡 电 桥, 长 度 杨 氏 模 量 实 验, 时 间 单 摆 设 计 性 实 验, 电 流 电 ( 流 ) 表 改 装 设 计, 温 度 不 良 导 热 体 热 导 率 测 量, 光 强 硅 光 电 池 特 性 实 验, 摩 尔 示 波 器 声 速 法 测 量 空 气 平 均 分 子 量 ) 基 础 实 验 基 础 综 合 实 验 综 合 实 验 设 计 性 实 验 等 编 排 六 十 个 实 验 光 电 技 术 基 础 测 量 实 验 : 电 位 差 计 法 测 量 二 极 管 伏 安 特 性, 半 导 体 温 度 计 设 计 制 作 与 定 标, 弱 电 流 的 放 大 与 应 用, 多 量 程 三 用 电 表 设 计 组 装, 椭 偏 仪 设 计 与 测 量 应 用, 外 差 式 光 纤 干 涉 测 量 实 验, 摩 尔 条 纹 振 动 测 量, 半 导 体 光 电 检 测 器 参 数 测 量, 电 光 效 应 与 电 光 调 制, 法 拉 第 效 应, 声 光 调 制, 远 红 外 自 动 感 知 系 统 设 计,CCD 信 号 采 集 与 处 理, 等 实 验 全 息 与 光 电 信 息 处 理 实 验 : 基 础 类 全 息 实 验 如 漫 反 射 全 息 和 相 位 物 透 射 全 息 及 拓 展 或 像 面 全 息, 二 次 曝 光 的 测 量 应 用 实 验 散 斑 法 测 量 面 内 横 向 位 移, 设 计 性 制 作 实 验 低 频 光 栅 的 制 作 并 拓 展 到 透 过 率 函 数 分 析 泰 柏 效 应 观 察 以 及 laud 效 应 演 示 光 电 信 息 处 理 主 要 有 CCD 传 感 器 阵 列 原 理 及 响 应 灵 敏 度 测 量, 光 学 信 号 空 间 滤 波 编 码 与 CCD 图 像 记 录, 光 学 位 相 滤 波 与 透 明 物 位 相 检 测, 声 光 信 息 处 理 实 验, 纹 影 法 处 理 光 学 位 相 图 象, 等 实 验 光 电 传 感 与 Labview 虚 拟 仪 器 : 半 导 体 PN 结 特 性 及 弱 电 流 测 量 分 析 PN 结 电 压 与 温 度 的 关 系 及 温 度 传 感 器 灵 敏 度 测 量, 光 敏 电 阻 及 其 变 换 电 路, 光 源 与 光 度 辐 射 度 参 数 的 测 量 实 验, 巨 磁 电 阻 效 应 : Labview 程 序 设 计 建 立 温 度 和 容 积 的 VI, 数 据 分 析 及 处 理 建 立 频 谱 分 析 的 FFT 和 数 字 滤 波, 数 据 采 集 及 硬 件 IO 功 能 实 现 数 据 采 集 与 虚 拟 信 号 发 生 器, 等 实 验 现 代 测 量 与 单 片 机 应 用 实 验 : 基 于 MSP430F6638 实 验 箱, 编 排 按 键 查 询 方 式 对 LED 灯 控 制 实 验, 按 键 中 断 方 式 对 LED 灯 控 制 实 验, 看 门 狗 定 时 器 (WDT) 实 验, RS232 串 口 实 验,ADC 与 DAC 实 验,TFT 屏 幕 显 示 实 验, 温 度 检 测 与 电 量 检 测 实 验, 步 进 电 机 控 制 实 验, 压 力 测 量 综 合 实 验, 等 实 验 现 代 物 理 技 术 实 验 ( 上 下 ) : 声 波 的 多 普 勒 效 应, 傅 里 叶 光 谱 实 验,F-P 干 涉 实 验, 塞 曼 效 应 实 验, 光 电 效 应 实 验, 法 拉 第 效 应, 声 光 调 制,laud 效 应 实 验, 椭 偏 仪 设 计 与 测 量 应 用, 相 对 论 效 应 实 验, 低 温 测 量 实 验, 气 体 激 光 器 实 验, 光 纤 测 量 与 传 输 实 验, 微 波 测 量 实 验, 传 感 器 综 合 实 验, 微 弱 电 信 号 检 测,CCD 传 感 器 阵 列 原 理 及 驱 动 实 验, 光 学 相 位 反 衬 法 图 像 处 理, 光 信 号 频 谱 与 空 间 滤 波, 全 息 技 术, 全 息 光 学 元 件 制 作 设 计, 光 纤 ( 光 栅 ) 传 感 器 实 验, 可 编 程 智 能 小 车, 等 实 验 在 与 学 生 的 座 谈 会 中, 反 映 出 的 主 要 观 点 是 实 验 加 深 了 对 原 理 的 体 会, 对 仪 器 的 认 识 对 动 手 能 力 的 培 养, 对 技 术 和 应 用 的 理 解 ; 另 一 观 点 是 实 验 对 于 分 数 是 没 有 大 的 帮 助, 百 度 一 下 就 可 解 决 这 对 于 想 把 原 创 和 创 新 素 质 溶 入 学 生 的 血 液 之 中 是 一 巨 大 的 挑 战 3 课 外 项 目 1) 在 学 校 装 备 处 的 校 级 学 生 项 目 ( 个 性 化 实 验 ) 引 导 下, 基 于 层 次 化 专 题 式 实 验 教 学, 开 放 适 合 各 年 级 基 础 的 技 术 型 应 用 实 验 在 给 出 题 目 和 任 务 书 后, 学 生 自 主 报 名 竞 争 上 岗, 以 自 行 解 决 问 题 为 主 教 师 辅 导 为 助 ; 在 一 学 年 内 考 勤 考 查 辅 导 并 达 到 学 时 要 求, 以 实 验 报 告 ( 论 文 ) 或 制 作 的 器 件 以 及 答 辩 结 束 项 目 并 网 上 公 示 2) 指 导 学 生 申 请 学 校 教 务 处 校 级 (STRP) 学 生 项 目 选 择 以 小 组 ( 五 人 ) 为 单 位 的 优 122
秀 学 生, 在 可 控 的 条 件 下, 完 成 基 于 科 学 研 究 的 较 系 统 的 应 用 型 小 项 目 : 自 己 制 备 元 件, 设 计 测 试 装 置 完 成 原 理 性 实 验 定 型 加 工 测 试 性 能 参 数 项 目 需 签 订 任 务 协 议, 一 年 期 限, 自 学 为 主, 教 师 定 期 参 与 小 组 讨 论, 考 核 进 度 和 团 队 合 作 ; 学 生 以 项 目 报 告 ( 论 文 ) 制 作 的 实 物 ( 器 件 或 仪 器 ) 以 及 答 辩 和 网 上 公 示 验 收 3) 实 验 竞 赛 每 年 举 办 校 级 物 理 实 验 竞 赛 月 活 动 俗 称 红 五 月, 学 生 参 与 区 域 全 国 性 实 验 竞 赛, 如 西 南 物 理 实 验 竞 赛 全 国 示 范 中 心 物 理 实 验 竞 赛 电 子 设 计 大 赛 等 4 结 束 语 通 过 层 次 化 专 题 式 实 验 教 学 学 习 和 课 外 项 目 锻 炼, 学 生 最 基 本 的 收 获 是 信 心 增 强, 体 会 到 从 书 本 到 做 事, 从 理 论 到 实 践 的 认 识 过 程 我 们 也 能 深 切 体 会 到 学 生 从 茫 然 到 有 序, 从 被 动 听 讲 到 能 相 互 交 流, 从 畏 难 状 态 到 信 心 建 立 的 全 过 程, 奠 定 了 一 定 的 实 验 思 维 并 建 立 起 敢 于 做 事 的 信 心 基 础 在 这 过 程 中 我 们 也 对 基 本 仪 器 实 验 技 能 误 差 分 析 参 数 设 置 仪 器 保 护 等 进 行 了 实 践 探 索, 探 讨 了 层 次 化 专 题 式 实 验 教 学 的 教 材 讲 义 内 涵 式 建 设 Abstract: This paper discussed roughly how to teach physics experiment through the topical experiments, experiment projects and their manuals of laboratory. The major objects have a search for training students how to smart think by themselves and work independent. Key words: Physics experiment teaching method; The topical experiments; Experiment project; Manuals of Laboratory 123
物 理 实 验 教 学 内 容 体 系 的 设 计 与 构 建 梁 小 冲, 朱 俊, 穆 万 军, 于 白 茹, 李 伟, 李 紫 源, 郝 彦 军 ( 四 川 大 学 物 理 科 学 与 技 术 学 院, 四 川 成 都 610064) 摘 要 : 针 对 目 前 实 验 教 学 存 在 的 问 题, 创 造 性 的 提 出 了 三 层 次 三 结 合 的 实 验 教 学 内 容 新 体 系 重 视 实 验 项 目 的 选 取, 引 入 实 验 仪 器 的 拆 分 组 装 实 际 产 品 的 制 作 作 为 教 学 内 容, 建 立 多 元 化 的 实 验 课 考 核 体 系, 构 建 自 主 合 作 讨 论 式 的 学 习 模 式 关 键 词 : 三 层 次 三 结 合 ; 考 核 体 系 ; 多 元 化 ; 自 主 ; 合 作 1 引 言 近 年 来 随 着 高 校 招 生 人 数 的 扩 大, 办 学 规 模 急 剧 扩 张, 高 等 教 育 质 量 面 临 严 峻 的 挑 战 以 质 量 求 生 存, 探 索 高 校 创 新 型 人 才 培 养 的 新 模 式 已 成 为 各 高 校 迫 切 需 要 解 决 的 问 题 大 学 物 理 实 验 是 学 生 进 行 工 程 实 践 和 科 学 研 究 的 重 要 基 础, 是 培 养 学 生 创 新 能 力 的 核 心 课 程 之 一 [1] 目 前, 我 校 大 学 物 理 基 础 实 验 开 设 的 实 验 课 程 难 易 程 度 一 样, 没 有 给 学 生 一 个 循 序 渐 近 的 学 习 过 程, 而 且 课 堂 教 学 又 片 面 强 调 传 授 知 识 实 验 内 容 安 排 过 死 因 材 施 教 不 够 留 给 学 生 独 立 思 考 的 时 间 较 少, 整 个 实 验 过 程 中, 学 生 纯 粹 只 是 一 个 接 线 工, 实 验 过 程 都 是 按 部 就 班 的 模 仿 教 师 虽 然 测 到 实 验 数 据, 但 也 不 理 解 方 法, 导 致 学 生 对 实 验 理 解 不 深 [2] 为 了 解 决 这 一 教 学 问 题, 作 者 提 出 了 三 层 次 三 结 合 的 实 验 教 学 内 容 新 体 系 本 文 研 究 的 主 要 内 容 就 是 如 何 选 择 实 验 项 目 以 及 相 应 的 教 学 方 法, 并 建 立 全 面 合 理 的 考 核 体 系 来 激 发 学 生 的 学 习 兴 趣 提 高 学 生 的 动 手 能 力 培 养 学 生 的 创 新 能 力, 希 望 能 对 物 理 实 验 的 教 学 改 革 做 些 有 益 的 探 索 该 方 案 已 经 应 用 到 四 川 大 学 物 理 实 验 与 仪 器 开 发 课 程 教 学 中, 并 且 启 到 了 很 好 的 教 学 效 果 2 实 验 教 学 改 革 顺 利 进 行 的 保 障 和 面 临 的 关 键 问 题 物 理 实 验 与 仪 器 开 发 是 四 川 大 学 物 理 实 验 教 学 中 心 开 设 的 面 对 全 校 理 工 类 学 生 的 文 化 素 质 公 选 课 该 课 程 注 重 对 学 生 动 手 能 力 与 创 新 能 力 的 培 养 每 学 期 约 向 300 名 学 生 开 课 该 课 程 实 施 了 三 层 次 三 结 合 的 实 验 教 学 内 容 新 体 系, 三 层 次 三 结 合 实 验 教 学 内 容 新 体 系 的 建 立, 必 须 要 面 对 以 下 5 个 关 键 问 题 : 1) 如 何 选 取 循 序 渐 进 且 利 于 引 发 学 生 学 习 兴 趣 的 实 验 教 学 内 容 ; 2) 如 何 根 据 实 验 内 容 选 择 实 验 项 目 仪 器 ; 3) 如 何 改 革 传 统 的 教 学 模 式, 利 用 新 的 教 学 方 法 达 到 教 学 目 标 ; 4) 如 何 做 到 因 材 施 教 适 应 学 生 的 个 性 化 发 展, 培 养 学 生 的 创 新 能 力 ; 5) 如 何 制 定 全 面 合 理 的 实 验 成 绩 考 核 标 准 ; 学 校 和 学 院 两 级 领 导 高 度 重 视 物 理 实 验 教 学 并 给 予 大 力 支 持, 具 有 配 备 较 完 备 的 实 验 室 和 足 够 数 量 的 教 学 仪 器 除 此 之 外, 该 课 程 的 建 立 还 有 以 下 几 点 保 障 措 施 : 1) 物 理 实 验 与 仪 器 开 发 是 物 理 实 验 教 学 中 心 开 设 面 向 全 校 学 生 的 文 化 素 质 公 选 课 在 教 学 内 容 教 学 模 式 与 方 法 考 核 标 准 上 有 完 全 的 自 主 权, 不 受 外 部 因 素 的 影 响 2) 该 课 程 是 在 四 川 大 学 物 理 实 验 中 心 开 设 的 综 合 设 计 与 创 新 型 物 理 实 验 与 探 索 型 物 理 实 验 的 基 础 上 进 行 了 补 充 和 扩 展, 创 新 型 与 探 索 型 这 两 门 课 已 经 成 功 运 行 了 8 个 学 期, 提 供 了 宝 贵 的 经 验 3) 教 师 队 伍 稳 定 且 师 资 力 量 雄 厚 任 课 教 师 都 是 高 学 历 且 教 学 经 验 丰 富 的 一 线 教 师 124
4) 本 教 研 组 已 经 实 施 完 成 了 一 系 列 物 理 实 验 教 学 改 革 并 取 得 了 一 些 教 学 改 革 成 果 在 科 研 学 术 论 文 专 著 和 发 明 专 利 方 面 也 取 得 了 显 著 成 果 3 物 理 实 验 教 学 改 革 的 具 体 措 施 3.1 物 理 实 验 教 学 内 容 新 体 系 的 建 立 以 能 力 培 养 为 核 心, 把 实 验 内 容 划 分 为 基 础 训 练 动 手 实 践 综 合 设 计 与 应 用 三 个 层 次 来 循 序 渐 渐 的 培 养 学 生 的 创 新 能 力 ; 实 验 教 学 与 理 论 知 识 相 结 合 实 验 教 学 与 科 学 研 究 相 结 合 实 验 教 学 与 生 活 实 践 相 结 合 即 三 层 次 三 结 合 的 实 验 教 学 内 容 体 系 : 1) 基 础 训 练 主 要 是 让 学 生 掌 握 基 础 物 理 量 的 测 量 与 计 算, 了 解 和 掌 握 实 验 仪 器 的 基 本 操 作 与 使 用 此 部 分 是 对 实 验 中 心 开 设 的 普 通 物 理 实 验 课 程 的 复 习, 与 教 材 的 基 础 知 识 紧 密 相 关 2) 动 手 实 践 类 实 验 要 求 学 生 深 入 了 解 实 验 仪 器 的 组 成 和 结 构, 清 楚 实 验 仪 器 的 各 个 功 能 是 如 何 实 现 的, 并 能 判 断 仪 器 的 基 本 故 障, 可 以 对 实 验 仪 器 进 行 简 单 的 维 修 与 维 护 学 生 既 学 到 了 技 能 又 可 以 维 修 实 验 仪 器, 真 正 做 到 了 实 验 室 与 学 生 的 双 赢 3) 设 计 应 用 部 分 要 求 学 生 可 以 根 据 物 理 实 际 问 题 自 己 设 计 实 验 方 案, 并 选 择 合 适 的 实 验 仪 器 来 完 成 实 验 目 的 ; 做 一 些 小 发 明 小 创 造 电 子 玩 具 等, 例 如 有 些 学 生 利 用 温 度 传 感 器 原 理 制 作 的 电 子 温 度 计 等 实 验 教 学 内 容 基 础 训 练 动 手 实 践 设 计 应 用 基 础 物 理 实 验 实 验 仪 器 的 组 装 与 拆 分 探 索 设 计 型 实 验 图 1 实 验 教 学 内 容 体 系 图 3.1.1 基 础 训 练 类 实 验 基 础 训 练 类 物 理 实 验 主 要 以 基 本 物 理 量 的 测 量 基 本 实 验 仪 器 的 使 用 基 本 实 验 技 能 的 训 练 和 基 本 测 量 方 法 与 误 差 分 析 为 主 要 训 练 内 容 [3] 此 部 分 实 验 采 用 问 题 讨 论 式 教 学 方 法 : 课 前 要 求 学 生 做 好 预 习, 并 写 好 预 习 报 告 册 教 师 讲 授 完 实 验 原 理, 学 生 没 有 问 题 之 后, 教 师 给 出 本 节 实 验 课 的 实 验 目 的 ; 然 后 找 一 位 同 学 根 据 自 己 预 习 的 知 识, 按 照 教 材 对 照 实 验 仪 器 为 大 家 介 绍 实 验 方 法, 并 进 行 相 关 操 作, 其 他 同 学 在 旁 观 摩, 遇 到 问 题 时 让 所 有 同 学 参 与 讨 论 尝 试 解 决 问 题 在 规 定 的 时 间 内 让 学 生 自 由 讨 论, 最 后 由 教 师 进 行 总 结 补 充 这 种 教 学 方 法, 不 仅 增 强 了 学 生 的 学 习 动 力, 还 锻 炼 了 学 生 的 语 言 表 达 能 力, 充 分 体 现 了 以 学 生 为 主 导 地 位 的 教 学 特 点 此 部 分 主 要 开 设 物 理 基 础 实 验 项 目, 实 验 仪 器 使 用 实 验 中 心 一 些 基 础 的 实 验 仪 器 3.1.2 实 践 类 实 验 在 学 生 具 备 了 一 定 基 础 之 后, 教 师 向 学 生 介 绍 实 验 仪 器 的 构 造 及 工 作 原 理 使 学 生 不 仅 懂 得 如 何 操 作 实 验 仪 器, 更 要 了 解 实 验 仪 器 的 工 作 原 理, 清 楚 仪 器 的 各 项 功 能 是 如 何 实 现 的 例 如 : 在 杨 氏 模 量 实 验 中, 需 要 调 节 望 远 镜 的 视 场 教 师 除 了 讲 解 调 节 方 法 之 外, 还 要 让 学 125
生 明 白 视 场 的 调 节 就 是 目 镜 与 物 镜 焦 距 的 调 节 ; 并 且 要 让 学 生 看 清 楚 焦 距 的 调 节 是 如 何 实 现 的 对 于 一 些 电 子 产 品, 教 师 讲 解 电 路 原 理, 并 介 绍 各 个 元 器 件 的 功 能 和 产 品 的 具 体 制 作 过 程 组 织 学 生 自 己 动 手 拆 解 组 装 实 验 仪 器 ; 教 师 提 供 一 些 电 子 产 品 的 元 器 件 和 电 路 图, 然 后 要 求 学 生 按 照 电 路 图 自 己 焊 接 简 单 的 小 产 品, 如 收 音 机 万 能 充 等 生 活 小 用 品 学 生 也 可 以 自 己 设 计 电 路 图 然 后 制 作 一 些 小 发 明 小 创 造, 真 正 做 到 实 验 教 学 与 生 活 实 践 相 结 合 3.1.3 设 计 应 用 类 实 验 设 计 应 用 类 实 验 主 要 针 对 动 手 能 力 强 基 础 好 的 学 生 让 学 生 自 愿 组 建 合 作 小 组, 每 组 3-5 人 根 据 学 生 的 实 际 情 况, 给 学 生 开 设 一 些 无 统 一 标 准 的 答 案 无 详 细 的 实 验 方 案 无 指 定 实 验 仪 器 的 三 无 类 型 的 实 验 项 目 学 生 必 须 自 己 思 考 问 题 自 己 设 计 实 验 方 案 步 骤 自 己 选 择 实 验 仪 器, 有 时 还 需 要 自 制 简 易 实 验 仪 器 来 辅 助 实 验 实 验 项 目 的 完 成 需 要 小 组 成 员 的 紧 密 合 作, 而 每 位 小 组 成 员 遇 到 的 问 题 都 需 要 自 己 去 查 阅 资 料, 自 己 去 思 考 解 决 既 锻 炼 了 学 生 的 团 队 合 作 能 力 又 增 强 了 学 生 的 学 习 和 解 决 问 题 的 能 力 3.2 建 立 多 元 的 实 验 考 核 方 法 创 设 研 讨 论 坛, 引 领 创 新 思 维 改 革 教 学 效 果 的 评 价 体 系, 建 立 全 面 的 实 验 考 核 标 准, 统 筹 考 核 实 验 过 程 和 实 验 结 果 充 分 考 虑 学 生 在 实 验 过 程 中 的 表 现, 以 学 生 的 论 文 学 生 制 作 的 电 子 产 品 等 为 主 要 考 核 内 容 不 以 实 验 报 告 单 作 为 考 核 学 生 成 绩 的 唯 一 标 准 鼓 励 学 生 撰 写 科 研 论 文 申 请 发 明 专 利 搞 一 些 小 发 明 小 创 造 等 科 研 活 动, 并 引 入 加 分 标 准 当 中 组 织 学 生 建 立 学 生 研 讨 群, 参 加 科 学 启 迪 讲 座 导 师 论 坛 等 学 术 交 流 活 动 努 力 营 造 以 学 生 为 中 心 自 主 活 动 为 基 础 的 宽 松 教 学 环 境 建 立 师 生 间 的 交 流 指 导 互 动 机 制, 引 领 学 生 的 创 新 思 维 创 设 一 种 健 康 有 序 宽 松 和 谐 开 放 高 效 激 励 上 进 有 利 于 创 新 型 人 才 脱 颖 而 出 的 育 人 环 境 4 物 理 实 验 教 学 改 革 的 意 义 目 前, 国 内 所 有 高 校 的 物 理 基 础 实 验 教 学 内 容 枯 燥, 实 验 项 目 难 易 程 度 一 样, 没 有 给 学 生 一 个 连 贯 的 循 序 渐 近 的 学 习 过 程 国 内 高 校 在 积 极 引 入 设 计 类 实 验 项 目 的 同 时 却 忽 视 了 基 础 训 练, 没 有 达 到 预 期 的 教 学 目 标 [4] 本 文 提 出 的 方 法 已 经 应 用 到 物 理 实 验 与 仪 器 开 发 课 程 中 : 做 到 高 低 搭 配 难 易 适 当 层 次 分 明, 取 得 的 教 学 效 果 比 较 明 显, 这 也 将 对 物 理 实 验 教 学 改 革 起 到 一 定 借 鉴 作 用 本 文 把 物 理 实 验 与 仪 器 开 发 课 程 与 传 统 的 大 学 物 理 实 验 课 程 在 教 学 方 法 实 验 项 目 教 学 主 体 考 核 标 准 4 个 方 面 进 行 了 比 较, 如 表 1 所 示 指 导 学 生 发 表 的 论 文 和 申 请 的 专 利 数 见 表 2 [5]. 表 1 课 程 变 化 对 比 表 比 较 内 容 原 课 程 现 课 程 教 学 方 法 实 验 项 目 教 学 主 体 考 核 标 准 说 教 式 验 证 性 教 师 单 一 讨 论 式 多 层 次 学 生 多 元 化 表 2 近 2 年 本 科 生 在 物 理 实 验 中 心 发 表 的 论 文 与 专 利 统 计 表 年 份 发 表 论 文 数 申 请 专 利 数 2012 年 2013 年 8 10 2 25 126
5 结 束 语 本 文 介 绍 了 物 理 实 验 与 仪 器 开 发 课 程 的 建 设 情 况, 详 细 阐 述 了 课 程 实 施 的 具 体 方 案 确 保 物 理 实 验 课 不 仅 锻 炼 学 生 的 基 本 实 验 技 能, 又 能 增 强 学 生 分 析 与 解 决 问 题 的 能 力 强 化 学 生 的 动 手 能 力 培 养 学 生 的 创 新 能 力 新 课 程 难 易 适 当 层 次 分 明 高 低 搭 配 适 合 大 多 数 [6]- [7] 理 工 科 学 生 参 考 文 献 : [1] 徐 文 娟, 韩 仁 学, 杨 德 生, 苑 鹏 涛, 胡 丹 基 础 实 验 一 体 化 教 学 改 革 研 究 与 实 践 [J] 2013 (8):85-87 [2] 张 红 伟, 刘 黎 四 川 大 学 拔 尖 创 新 人 才 培 养 模 式 创 新 试 验 区 - 吴 玉 章 学 院 [J] 高 等 理 科 教 育,2012(3):83-85 [3] 梁 坚, 方 诚 大 学 物 理 实 验 教 学 的 课 题 研 究 型 模 式 探 究 [J] 华 东 理 工 大 学 学 报,2012, 31(2):181-183 [4] 梁 红, 宋 国 利 改 革 实 验 教 学 模 式 - 注 重 大 学 生 创 新 能 力 的 培 养 [J] 黑 龙 江 高 教 研 究,2010 (10):177-178 [5] 陈 水 桥, 李 海 洋, 陈 洪 山, 陈 红 雨, 等 研 究 型 物 理 实 验 以 内 容 为 中 心 的 站 队 式 教 学 方 法 探 索 [J] 物 理 实 验,2012,32(11):19-22 [6] 张 萍, 宋 金 璠 基 于 培 养 学 生 创 新 能 力 的 物 理 实 验 教 学 改 革 与 实 践 [J] 实 验 室 科 学,2009 (6):7-9 [7] 隗 群 梅 改 变 物 理 实 验 教 学 方 法 培 养 高 素 质 创 新 性 人 才 [J] 大 学 物 理 实 验,2009,22(1): 107-110 Design And Construction Of Physical Experiment Teaching Content New System LIANG Xiao-chong, MU Wan-Jun, ZHU Jun, YU Bai-ru, LI Wei, LI Zi-Yuan, HAO Yan Jun (Sichuan College of Physics Science and Technology, Chengdu 610064, China) Abstract: Three layered three combine of experiment teaching content new system was introduced for current problems in experiment teaching. The select of the experimental project was paid great attention. The split and assemble of Experimental apparatus and the actual product of production were introduced as teaching content. The diversity of experiment evaluation system was established, self-regulated cooperation and discussion learning model were established Key words: Three layered three combine; Diversity of experiment evaluation; Self-regulated; Cooperation 127
以 学 生 为 主 导 的 物 理 实 验 创 新 实 践 基 地 介 绍 郑 志 远, 李 传 涛, 董 爱 国, 董 敬 敬, 高 华, 樊 振 军, 张 自 力 ( 中 国 地 质 大 学 物 理 实 验 教 学 示 范 中 心, 北 京 100083) 摘 要 : 结 合 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 物 理 实 验 教 学 示 范 中 心 在 大 学 生 创 新 实 践 基 地 建 设 过 程 中 存 在 的 学 生 积 极 性 不 高 管 理 机 制 不 完 善 与 教 学 衔 接 不 够 等 问 题, 从 环 境 建 设 内 容 设 置 运 行 模 式 等 方 面 浅 谈 了 面 向 全 校 开 放 的 大 学 生 创 新 实 践 创 新 基 地 的 实 践 经 验 关 键 词 : 实 验 课 程 ; 创 新 基 地 ; 运 行 模 式 ; 环 境 建 设 为 深 化 高 等 学 校 教 学 改 革, 创 新 教 学 理 念 培 养 模 式 和 管 理 机 制, 培 养 大 学 生 的 实 践 能 力 创 新 精 神 和 团 队 协 作 意 识, 提 高 学 校 人 才 培 养 质 量, 根 据 教 育 部 财 政 部 关 于 十 二 五 期 间 实 施 高 等 学 校 本 科 教 学 质 量 与 教 学 改 革 工 程 的 意 见 ( 教 高 2011 6 号 ) 和 北 京 市 教 育 委 员 会 关 于 开 展 北 京 高 等 学 校 校 内 创 新 实 践 基 地 建 设 的 通 知 ( 京 教 函 2011 702 号 ) 要 求,2012 年 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 物 理 实 验 教 学 示 范 中 心 经 过 学 校 答 辩 校 内 外 专 家 评 审 现 场 考 察 及 终 审 评 议, 最 终 成 为 校 内 首 批 大 学 生 创 新 实 践 基 地 2013 年 秋 顺 利 通 过 北 京 市 专 家 评 审, 成 为 中 国 地 质 大 学 首 个 北 京 市 级 的 大 学 生 生 创 新 实 践 基 地 在 创 新 基 地 建 设 过 程 中, 针 对 学 生 积 极 性 不 高 管 理 机 制 不 完 善 创 新 内 容 脱 离 教 学 等 各 种 问 题, 有 针 对 性 的 采 取 各 种 措 施, 收 到 了 良 好 的 效 果, 并 在 附 近 高 校 中 起 到 了 一 定 的 示 范 作 用 1 面 临 的 问 题 作 为 物 理 创 新 实 践 基 地, 其 目 的 在 于 进 一 步 创 新 教 学 理 念 深 化 培 养 模 式 和 管 理 机 制, 提 高 学 生 实 践 能 力 创 新 精 神 和 团 队 协 作 意 识, 为 广 大 学 生 开 展 创 新 性 实 验 物 理 实 验 学 科 竞 赛 和 社 会 实 践 等 活 动 提 供 平 台 和 环 境 而 如 何 进 一 步 发 挥 该 创 新 实 践 基 地 的 作 用, 保 证 基 地 的 良 好 运 行, 实 现 学 生 创 新 能 力 的 全 面 提 高, 是 物 理 实 践 创 新 基 地 建 设 过 程 中 面 临 的 主 要 问 题, 主 要 表 现 为 以 下 几 点 : 1) 学 生 积 极 性 不 高 由 于 学 校 没 有 设 置 与 物 理 相 关 的 本 科 专 业, 到 物 理 创 新 实 践 基 地 的 学 生 绝 大 部 分 是 承 担 了 大 学 生 创 新 性 实 验 项 目 和 实 验 室 开 放 基 金 项 目 的 学 生, 只 有 小 部 分 对 物 理 实 验 本 身 感 兴 趣 的 学 生 主 动 到 基 地 进 行 学 习 或 承 担 创 新 项 目 在 这 样 的 情 况 下, 如 何 提 高 学 生 的 兴 趣, 让 更 多 的 学 生 进 入 实 践 基 地, 进 一 步 提 高 实 践 基 地 的 使 用 效 率, 是 创 新 实 践 基 地 面 临 的 首 要 问 题 2) 管 理 和 激 励 机 制 不 完 善 开 放 是 创 新 基 地 提 高 学 生 创 新 能 力 的 重 要 途 径 之 一, 物 理 实 践 创 新 基 地 在 过 去 的 几 年 内 实 行 了 多 层 次 的 开 放 随 着 开 放 层 次 的 加 深, 到 创 新 实 践 基 地 开 展 创 新 项 目 的 学 生 变 得 越 来 越 多, 这 带 来 了 管 理 上 的 困 难 第 一, 进 行 创 新 项 目 的 学 生 大 多 数 为 本 科 二 年 级 或 三 年 级 的 学 生, 对 专 业 知 识 掌 握 不 够, 更 不 用 说 是 一 些 跨 专 业 的 知 识, 这 需 要 指 导 老 师 付 出 更 多 的 指 导, 其 工 作 量 在 一 定 程 度 上 超 过 指 导 一 个 研 究 生 的 工 作 量 这 将 面 临 着 激 励 机 制 的 问 题, 以 保 障 指 导 老 师 的 工 作 热 情 和 积 极 性 第 二, 由 于 学 生 数 量 的 增 多, 创 新 实 践 基 地 面 临 仪 器 损 坏 率 增 加 耗 材 增 加 以 及 实 验 室 的 安 全 卫 生 和 管 理 方 面 的 问 题 3) 学 生 创 新 实 践 内 容 与 实 验 教 学 衔 接 不 够 学 生 进 行 创 新 项 目 的 来 源 主 要 有 两 部 分 : 教 师 科 研 项 目 及 实 验 教 学 内 容 1 每 年 学 生 承 担 的 创 新 性 实 验 项 目 和 实 验 室 开 放 基 金 项 目 以 资 助 项 目 : 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 )2013-2014 年 度 学 科 建 设 项 目, 教 学 研 究 与 教 学 改 革 项 目 128
教 师 科 研 项 目 为 依 托, 让 学 生 承 担 科 研 项 目 内 的 小 课 题 或 直 接 参 与 到 项 目 当 中, 让 学 生 的 创 新 能 力 通 过 科 研 项 目 得 到 提 高 和 发 挥 2 与 教 学 内 容 结 合 以 实 验 中 心 开 设 的 实 验 内 容 为 依 托, 对 日 常 教 学 过 程 中 遇 到 的 问 题 进 行 立 项, 让 学 生 进 行 仪 器 改 造 制 作 或 改 造 以 解 决 实 际 问 题, 并 将 学 生 在 创 新 活 动 中 遇 到 的 问 题 反 馈 给 教 学, 根 据 一 些 反 应 普 遍 的 问 题 来 调 整 教 学 任 务 和 教 学 内 容 但 随 着 近 几 年 学 校 对 科 研 的 重 视, 创 新 项 目 的 来 源 多 数 来 自 科 研, 与 课 堂 教 学 内 容 衔 接 不 够, 学 生 创 新 项 目 取 得 的 成 果 没 有 最 大 限 度 地 应 用 到 教 学 中 去, 存 在 实 验 教 学 内 容 与 学 生 创 新 项 目 联 系 不 紧 密 的 问 题 2 措 施 为 解 决 上 述 问 题, 物 理 实 验 中 心 采 取 了 以 下 措 施 : 1) 加 大 基 地 的 宣 传 力 度 学 生 兴 趣 不 足 不 走 进 实 验 室 的 原 因 之 一 是 由 于 对 物 理 创 新 实 践 基 地 了 解 不 够, 所 以 把 新 生 开 学 的 第 一 周 作 为 宣 传 周, 把 物 理 实 验 中 心 现 有 的 条 件 环 境 取 得 的 成 绩 和 开 放 措 施 等 方 面 对 学 生 进 行 宣 传 让 学 生 了 解 基 地 现 有 的 条 件 开 放 时 间 和 各 种 制 度, 以 及 在 过 去 的 几 年 内 学 生 取 得 的 成 绩 另 外, 把 学 生 的 一 些 创 新 成 果 以 报 纸 的 形 式, 定 期 进 行 制 作 并 在 全 校 范 围 内 进 行 发 放 宣 传 2) 有 针 对 性 的 开 设 与 学 校 优 势 学 科 相 关 的 实 验 课, 以 及 与 其 他 学 院 课 程 交 叉 延 伸 的 实 验 课 进 一 步 加 大 与 地 学 能 源 材 料 等 学 校 优 势 学 科 结 合 紧 密 的 物 理 实 验, 在 实 验 内 容 上 实 现 与 学 生 现 有 的 知 识 储 备 相 联 系, 这 样, 学 生 参 与 的 积 极 性 自 然 会 提 高 3) 文 化 建 设 实 验 室 文 化 是 实 验 室 内 涵 建 设 的 重 要 组 成 部 分, 使 学 生 在 潜 移 默 化 中 接 受 情 感 熏 陶 和 人 格 塑 造 利 用 教 学 楼 楼 道 与 实 验 室 墙 壁 进 行 科 学 氛 围 的 营 造, 除 了 门 牌 指 引 牌 标 志 文 化 走 廊 宣 传 橱 窗 等 的 建 设 外, 还 对 在 项 目 完 成 过 程 中 成 绩 突 出 的 学 生 进 行 展 板 宣 传 以 此 提 高 学 生 的 学 习 兴 趣 与 欲 望, 实 现 对 学 生 的 科 学 素 质 与 人 文 素 质 的 培 养 4) 加 大 开 放 力 度 创 新 基 地 对 所 有 实 验 室 进 行 门 禁 管 理, 对 进 入 开 放 实 验 室 做 项 目 的 学 生, 基 地 管 理 员 可 以 设 置 密 码, 学 生 在 24 小 时 内 可 以 随 时 进 入 做 实 验 管 理 员 也 可 以 根 据 学 生 情 况, 按 时 段 设 定 进 入 时 间, 这 样 学 生 突 破 了 时 间 上 的 限 制, 基 地 管 理 员 无 论 是 否 在 实 验 室, 都 可 以 进 入 实 验 室 做 实 验 基 地 的 每 个 开 放 实 验 室 都 有 年 长 学 生 负 责 实 验 室 的 安 全 卫 生 记 录 及 各 个 项 目 之 间 相 互 协 调, 提 高 实 验 仪 器 的 使 用 率, 在 不 影 响 其 它 项 目 的 情 况 下 做 到 资 源 共 享 同 时 由 于 门 禁 系 统 的 运 用, 实 现 了 学 生 对 基 地 的 自 主 管 理 5) 考 核 方 式 改 革 传 统 的 笔 试 考 试 方 式 对 于 实 验 课 程 来 说 存 在 不 足, 如 何 将 操 作 融 入 考 试 当 中, 既 能 体 现 学 生 对 知 识 的 掌 握, 又 能 考 察 学 生 的 实 际 动 手 操 作 能 力, 物 理 创 新 实 践 基 地 进 行 了 以 下 几 方 面 的 尝 试 第 一, 操 作 与 笔 试 相 结 合 考 试 分 为 两 部 分, 即 操 作 加 笔 试 操 作 成 绩 占 总 成 绩 的 80%, 笔 试 成 绩 试 成 绩 占 20% 笔 试 考 察 对 理 论 的 掌 握 程 度, 而 操 作 考 察 基 本 动 手 能 力 和 操 作 实 践 能 力, 同 时 突 出 了 操 作 的 重 要 性 第 二, 仿 真 实 验 考 试 仿 真 实 验 是 将 真 实 的 实 验 过 程 放 到 一 个 软 件 中 进 行, 学 生 通 过 操 作 计 算 机 完 成 实 验 这 样 可 以 实 现 对 大 批 量 的 学 生 同 时 进 行 考 核, 不 再 受 仪 器 数 目 的 限 制, 而 且 不 用 担 心 由 于 没 有 老 师 的 指 导 而 造 成 实 验 仪 器 的 损 坏 3 特 点 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 物 理 实 践 创 新 基 地 具 有 以 下 几 个 特 点 : 1) 良 好 的 运 行 模 式 在 没 有 专 业 支 持 的 情 况 下, 让 更 多 的 学 生 进 入 实 践 基 地, 提 高 综 合 能 力 依 托 大 学 生 创 新 性 实 验 项 目 实 验 室 开 放 基 金 项 目 学 科 竞 赛 和 社 会 需 求, 充 分 激 发 大 学 生 的 创 新 热 情 和 潜 能, 实 现 以 学 生 自 主 管 理 为 主 教 师 指 导 为 辅 的 资 源 共 享 并 具 有 鲜 明 特 色 的 创 新 实 践 基 地 2) 严 谨 的 管 理 和 激 励 机 制 加 大 鼓 励 学 生 创 新 团 队 中 的 跨 年 级 跨 专 业 组 合 这 样 除 129
了 保 障 知 识 的 完 整 性 之 外, 还 能 实 现 老 生 带 新 生 的 益 处, 形 成 一 个 良 性 循 环 的 管 理 形 式 与 学 校 的 资 产 处 及 教 务 处 联 合, 将 指 导 创 新 项 目 的 工 作 量 纳 入 年 底 考 核 及 职 称 评 审 之 中, 以 保 障 指 导 老 师 的 积 极 性 此 外, 实 验 中 心 每 年 评 选 出 一 定 比 例 的 实 验 室 先 进 个 人, 进 行 劳 务 报 酬 及 精 神 鼓 励 3) 新 的 教 学 体 系 物 理 实 验 教 学 中 心 的 教 学 工 作 由 实 验 课 教 学 实 验 课 开 放 教 学 和 物 理 实 践 创 新 基 地 三 者 构 成, 三 者 之 间 是 互 为 依 托 相 互 促 进 的 关 系 在 现 有 的 基 础 上, 加 大 创 新 实 验 题 目 中 实 验 课 堂 教 学 内 容 的 研 究 通 过 实 验 室 开 放 基 金 对 日 常 教 学 过 程 中 遇 到 的 问 题 进 行 立 项, 让 学 生 进 行 仪 器 制 作 或 仪 器 改 造 以 解 决 实 际 问 题, 并 将 学 生 在 创 新 活 动 中 遇 到 的 问 题 反 馈 给 教 学, 根 据 一 些 反 应 普 遍 的 问 题 来 调 整 教 学 内 容 实 现 了 课 内 实 验 教 学 是 课 外 创 新 的 基 础, 课 外 创 新 是 课 内 教 学 实 验 的 延 伸, 实 现 课 内 和 课 外 的 融 合 4 成 效 从 2010 年 创 新 基 地 成 立 以 来, 在 各 方 面 取 得 了 很 好 的 效 果 北 京 高 校 中 的 清 华 大 学 北 京 交 通 大 学 北 京 航 天 航 空 大 学 北 京 科 大 大 学 北 京 邮 电 大 学 中 国 农 业 大 学 等 12 所 高 校 的 实 验 室 负 责 人 给 出 了 很 高 的 评 价, 并 建 立 了 良 好 的 交 流 平 台 借 助 于 物 理 实 验 竞 赛, 加 强 与 兄 弟 院 校 的 联 系, 推 动 创 新 人 才 的 培 养 承 担 的 各 项 活 动 从 最 初 的 大 学 物 理 竞 赛, 发 展 了 大 学 物 理 实 验 竞 赛 数 学 建 模 创 新 班 科 技 培 训 中 小 学 科 普 基 地 等 参 与 的 大 学 生 人 数 由 原 来 的 每 年 110 人, 增 加 到 现 在 的 每 年 650 人 并 在 北 京 市 物 理 实 验 竞 赛 中 多 次 获 一 等 奖 及 最 佳 组 织 奖 2012 年 创 新 基 地 的 一 些 经 验 受 到 辽 宁 省 物 理 学 会 和 河 北 省 物 理 学 会 的 关 注 相 信, 随 着 时 间 的 推 移, 中 国 地 质 大 学 创 新 实 践 基 地 的 创 新 理 念 将 会 受 到 全 国 更 多 高 校 的 关 注, 更 多 的 学 生 将 从 中 受 益 参 考 文 献 : [1] 郑 志 远, 蒋 芸, 薛 巍, 等 大 学 生 创 新 实 验 计 划 实 施 的 实 践 与 探 索 [J] 实 验 技 术 与 管 理, 2010,27:30-31 [2] 郑 志 远, 樊 振 军, 董 爱 国, 王 亚 芳, 高 华, 冯 娟, 张 自 力 浅 谈 学 生 创 新 能 力 提 高 的 几 种 途 径 [J] 物 理 实 验,2012,32:24-27 [3] 郑 志 远, 樊 振 军, 董 爱 国, 张 自 力, 周 惟 公 谈 学 生 创 新 能 力 提 高 的 新 途 径 - 实 验 室 开 放 基 金 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2011,30:97-99 [4] 董 爱 国, 周 惟 公, 张 自 力, 郑 志 远, 蒋 芸, 冯 娟, 樊 振 军, 高 华, 王 亚 芳 开 放 式 创 新 型 实 验 物 理 教 学 中 心 的 建 设 与 发 展 [J] 物 理 与 工 程,2012,22:21-24 130
设 计 性 研 究 性 实 验 题 目 设 置 和 分 类 指 导 之 研 究 张 映 辉 ( 大 连 海 事 大 学 物 理 系, 辽 宁 大 连 116026) 摘 要 : 本 文 站 在 提 高 学 生 科 学 素 养 培 养 创 新 型 人 才 和 增 强 国 家 科 技 竞 争 力 的 高 度, 针 对 大 学 物 理 实 验 教 学 中 普 遍 存 在 的 设 计 性 研 究 性 实 验 题 目 设 置 难, 以 及 由 此 带 来 的 教 学 难 问 题, 提 出 了 明 确 的 思 路 和 较 实 用 的 解 决 方 案, 对 于 全 面 贯 彻 教 学 基 本 要 求, 提 高 实 验 教 学 层 次 和 质 量 具 有 重 要 的 现 实 指 导 意 义 关 键 词 : 设 计 性 研 究 性 实 验 ; 题 目 设 置 ; 分 类 指 导 1 问 题 的 提 出 ( 意 义 ) 1) 物 理 实 验 是 科 学 实 验 的 先 驱, 在 实 验 思 想 实 验 方 法 实 验 手 段 等 方 面 是 各 学 科 科 学 实 验 ( 科 学 试 验 ) 的 基 础, 物 理 实 验 教 学 比 理 论 教 学 能 更 为 直 接 地 体 现 科 学 的 世 界 观 和 方 法 论 2) 新 版 理 工 科 类 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 基 本 要 求 [1] 把 设 计 性 研 究 性 实 验 作 为 理 工 科 各 专 业 大 学 物 理 实 验 教 学 的 重 要 组 成 部 分, 并 规 定 了 最 低 学 时 比 重 这 对 于 提 高 学 生 科 学 素 养, 培 养 独 立 工 作 能 力 探 索 创 新 能 力, 建 设 创 新 型 国 家 具 有 极 其 重 要 的 意 义 因 此, 探 索 设 计 性 研 究 性 实 验 教 学 的 一 般 规 律, 提 高 设 计 性 研 究 性 实 验 教 学 水 平, 是 关 系 学 生 质 量 和 国 家 科 技 竞 争 力 的 重 大 问 题, 是 每 一 个 教 师 的 重 要 职 责 3) 传 统 的 大 学 物 理 实 验 大 都 是 基 础 性 或 综 合 性 实 验 经 过 几 百 年 的 积 累, 现 成 的 基 础 性 综 合 性 实 验 题 目 众 多, 且 不 乏 经 典 设 计 性 研 究 性 实 验 要 求 学 生 通 过 自 行 设 计 用 自 主 研 究 的 方 式 进 行 实 验, 而 不 是 象 过 去 那 样, 先 由 教 师 设 计 好 了, 让 学 生 按 图 索 骥 走 一 遭 这 就 给 教 师 的 教 学 工 作 提 出 了 更 高 的 要 求, 首 先 就 是 教 学 题 目 的 设 置 ( 即 选 题 ) 问 题 4) 设 计 性 研 究 性 实 验 教 学 倡 导 学 生 通 过 自 行 设 计 用 自 主 研 究 的 方 式 进 行 实 验, 而 学 生 个 体 的 差 异 性 则 会 造 成 实 验 方 案 ( 手 段 途 径 和 方 法 ) 的 多 样 性, 这 将 给 教 师 在 教 学 ( 实 验 原 理 和 技 术 ) 指 导 上 带 来 许 多 意 想 不 到 的 问 题, 教 学 的 难 度 更 大 了 2 关 于 设 计 性 研 究 性 实 验 的 题 目 设 置 经 过 几 年 的 研 究 探 索, 我 们 感 到, 贯 彻 提 高 学 生 科 学 素 养 要 求, 指 导 学 生 进 行 设 计 性 研 究 性 实 验 的 空 间 十 分 广 阔, 题 目 设 置 的 方 法 非 常 众 多 现 仅 就 教 学 实 践 中 认 为 简 单 适 用 的 方 法 举 出 几 个 方 面 为 例 : 设 计 性 实 验 题 目 设 置 的 一 般 方 法 : 1) 探 索 新 的 实 验 方 法 ( 方 案 ) 的 设 计 性 实 验 面 对 日 新 月 异 的 新 技 术 新 仪 器 新 设 备, 我 们 完 全 可 以 对 某 些 经 典 实 验 的 路 径 选 择 进 行 重 新 考 量, 重 新 设 计 即 引 导 学 生 使 用 新 技 术 新 仪 器 新 设 备 重 新 设 计 实 验 方 案, 并 依 此 完 成 实 验 2) 更 新 现 有 仪 器 设 备 的 设 计 性 实 验 计 算 机 ( 数 字 ) 技 术 激 光 技 术 等 新 技 术 的 广 泛 应 用 大 大 提 高 了 人 类 对 于 物 质 ( 实 验 所 输 入 的 固 体 液 体 气 体 ) 能 量 ( 输 入 的 声 光 电 ) 的 控 制 能 力 和 输 出 ( 现 象 ) 的 观 测 能 力, 必 须 及 时 地 应 用 到 生 产 生 活 和 科 学 实 验 ( 试 验 ) 之 中 即 以 提 高 输 入 控 制 水 平 和 输 出 ( 现 象 结 论 ) 观 测 ( 测 量 记 录 ) 水 平 为 目 标, 基 金 项 目 : 辽 宁 省 普 通 高 等 教 育 本 科 教 学 改 革 研 究 项 目 资 助 (2012, 指 南 题 号 :3-7) 131
指 导 学 生 围 绕 提 高 实 验 的 精 确 度 进 行 设 计 性 实 验, 并 进 而 更 新 仪 器 设 备 如 学 生 王 秋 林 研 究 制 作 的 RC 充 放 电 智 能 化 实 验 仪 具 备 随 机 采 集 相 关 实 验 数 据, 实 时 动 态 显 示 RC 充 放 电 过 程, 提 高 测 量 精 度 等 功 能, 已 由 上 级 批 准 正 式 列 为 实 验 RC 串 联 电 路 充 放 电 特 性 研 究 教 学 仪 器 3) 创 制 新 的 仪 器 设 备 的 设 计 性 实 验 对 于 某 些 在 过 去 生 产 生 活 实 验 中 不 大 常 见 常 用 ( 或 仅 用 其 大 略 而 没 有 很 高 的 精 度 限 制 ), 而 在 今 后 的 生 产 生 活 科 学 试 验 中 已 ( 将 ) 普 遍 运 用 的 现 象 和 数 据 ( 或 运 用 精 度 有 较 高 要 求 ), 客 观 上 显 然 需 要 创 制 新 的 仪 器 设 备 进 行 观 测 记 录 和 控 制 类 比 前 段 所 述, 可 引 导 学 生 运 用 计 算 机 ( 数 字 ) 技 术 激 光 技 术 等 新 技 术 创 制 新 的 仪 器 设 备, 并 通 过 实 验 进 行 验 证 调 试 研 究 性 实 验 题 目 设 置 的 一 般 方 法 : 4) 截 取 法 [2], 是 指 在 现 有 的 生 产 流 程 ( 生 产 实 践 ) 科 学 试 验 或 者 正 在 进 行 研 究 探 索 的 科 研 课 题 中 适 当 截 取 一 小 段 或 一 部 分 内 容 作 为 设 计 性 研 究 性 实 验 题 目 的 选 题 方 法 也 就 是 说, 可 以 把 现 有 的 生 产 或 科 学 试 验 流 程 作 为 设 计 性 研 究 性 实 验 题 目 的 渊 源, 从 中 截 取 其 有 代 表 性 的 一 部 分 加 以 简 化 和 改 造, 使 其 成 为 设 计 性 研 究 性 实 验 题 目 如 我 们 开 设 的 玻 璃 材 料 的 设 计 与 制 备 实 验 就 取 自 于 玻 璃 生 产 流 程, 使 学 生 学 习 和 体 验 新 材 料 制 备 和 不 同 配 比 下 凝 聚 态 物 质 特 性 研 究 的 一 般 方 法 5) 跟 进 法, 是 指 将 最 新 科 研 成 果 最 新 生 产 流 程 最 新 实 验 方 法 进 行 适 当 加 工 和 简 化 作 为 设 计 性 研 究 性 实 验 题 目, 或 者 在 最 新 科 研 成 果 最 新 生 产 流 程 最 新 实 验 方 法 的 基 础 上 进 一 步 提 出 前 进 性 探 索 研 究 课 题 的 选 题 方 法 与 截 取 法 相 比 较, 跟 进 法 含 有 跟 和 进 两 层 意 思, 跟 就 是 紧 跟 前 沿 进 行 选 题, 而 进 则 可 以 站 在 前 沿 或 者 超 越 现 有 成 果 进 行 选 题 一 般 来 说, 跟 进 法 实 验 选 题 的 题 目 和 内 容 可 以 是 开 放 的 即 在 实 验 教 学 题 目 上 只 给 学 生 一 个 大 致 的 实 验 ( 试 验 ) 研 究 方 向 如 在 现 有 设 计 性 研 究 性 实 验 题 目 以 外, 利 用 开 放 实 验 平 台, 向 学 生 提 供 某 个 生 产 或 试 验 流 程 的 情 况 介 绍 科 研 项 目 成 果 或 进 展 的 资 料, 引 导 学 生 围 绕 相 关 流 程 和 具 体 解 决 方 案 进 行 设 计 性 研 究 性 实 验, 或 者 突 破 现 有 的 研 究 范 围 和 现 有 成 果 进 行 前 进 性 开 拓 性 开 创 性 ( 独 创 性 ) 的 研 究 6) 并 行 法 ( 或 者 叫 类 比 法 ), 是 将 科 研 课 题 ( 或 其 一 部 分 ) 直 接 转 化 为 设 计 性 研 究 性 实 验 题 目 [3], 或 者 将 与 科 研 课 题 生 活 难 题 以 及 生 产 实 践 中 遇 到 的 现 实 问 题 相 类 似 相 近 似 的 问 题 用 类 比 的 方 式 转 化 为 设 计 性 研 究 性 实 验 题 目 的 选 题 方 法 这 里 讲 的 并 行 在 某 种 意 义 上 可 以 是 时 间 上 的 同 步 性 ( 同 时 实 行 或 实 施 ), 也 可 以 是 内 容 或 方 法 上 的 相 似 性 类 比 性 一 种 方 法 是 指 导 学 生 直 接 参 与 本 系 老 师 承 担 的 科 研 项 目, 将 其 中 难 度 适 中 的 某 一 部 分 ( 或 几 部 分 ) 内 容 作 为 设 计 性 研 究 性 实 验 题 目 或 毕 业 设 计 ( 论 文 ) 题 目 交 给 学 生 去 探 索 和 研 究 另 一 种 方 法 是 将 生 产 生 活 中 现 实 难 题 的 解 决 直 接 确 定 为 设 计 性 研 究 性 实 验 应 该 指 出 或 说 明 的 是, 设 计 性 实 验 和 研 究 性 实 验 没 有 严 格 界 限, 设 计 性 实 验 所 设 计 的 方 案 仪 器 设 备 需 要 通 过 实 验 进 行 研 究 改 进 调 试 和 验 证 而 研 究 性 实 验 则 更 需 要 对 原 理 思 路 方 案 手 段 进 行 认 真 的 设 计 上 面 对 设 计 性 实 验 研 究 性 实 验 题 目 进 行 的 分 别 论 述 只 是 为 了 阐 述 实 验 题 目 设 置 方 法 的 便 利 窃 诸 君 自 会 明 鉴 3 关 于 设 计 性 研 究 性 实 验 的 教 学 指 导 1) 对 工 程 设 计 制 造 类 工 科 专 业 ( 如 我 校 轮 机 电 气 土 木 自 动 化 ) 的 学 生 应 着 重 提 供 处 于 前 沿 难 度 较 大 具 有 创 新 探 索 性 质 的 设 计 性 研 究 性 实 验 题 目, 重 在 引 导 学 生 开 阔 思 路 大 胆 设 想 一 是 综 合 运 用 理 论 知 识 和 各 种 仪 器 设 备 ( 包 括 计 算 机 ), 对 既 定 的 实 验 题 目 进 行 独 创 性 研 究 和 探 索, 从 而 得 到 实 验 结 果 或 结 论 ; 二 是 对 最 新 科 研 成 果 及 相 关 ( 或 相 近 ) 问 题 进 行 独 创 性 研 究 和 探 索, 从 而 导 出 新 近 得 知 的 结 论 做 法 设 备 工 序 等 ; 三 是 导 出 与 最 新 科 研 成 果 相 关 相 近 相 类 似 的 新 结 论 新 成 果 新 做 法 新 设 备 新 工 序 第 三 点 亦 132
可 作 为 指 导 学 生 毕 业 设 计 ( 论 文 ) 的 一 个 做 法 选 项 2) 对 其 他 普 通 工 科 类 ( 如 航 海 技 术, 交 通 运 输 之 外 贸 运 输 港 口 管 理 ) 的 学 生, 应 主 要 提 供 基 础 性 验 证 性 难 度 相 对 较 小 的 设 计 性 研 究 性 实 验 题 目, 重 在 进 一 步 熟 悉 和 理 解 物 理 概 念 和 规 律, 熟 悉 仪 器 的 使 用 方 法, 并 在 此 基 础 上 引 导 学 生 开 动 脑 筋 大 胆 实 践 勇 于 创 新, 提 高 知 识 的 综 合 运 用 能 力, 培 养 学 生 自 信 心 3) 对 兴 趣 浓 厚 设 计 创 新 能 力 较 强 的 学 生, 一 是 开 放 实 验 室, 给 他 们 提 供 更 多 的 研 究 机 会 ; 二 是 指 定 教 师 负 责 组 织 他 们 形 成 研 究 攻 关 小 组, 加 强 引 导 交 流 配 合 举 办 头 脑 风 暴 沙 龙, 指 导 他 们 设 计 新 方 法 新 组 合 新 程 序, 创 制 新 仪 器 新 设 备, 指 导 他 们 撰 写 论 文 帮 助 他 们 推 广 新 方 法 新 设 备 ; 三 是 积 极 组 织 本 校 物 理 实 验 技 能 大 赛, 发 现 人 才, 培 育 创 新 研 究 兴 趣 进 而 选 出 骨 干 力 量, 参 加 省 市 物 理 学 术 竞 赛 和 物 理 实 验 竞 赛, 直 接 参 与 前 沿 学 术 研 究, 感 受 探 索 创 新 氛 围, 为 国 家 和 社 会 培 养 和 输 送 基 础 扎 实 综 合 素 质 高 的 科 技 人 才 4) 对 物 理 专 业 的 学 生 ( 尤 其 是 研 究 生 ) 应 着 重 提 供 能 较 好 地 体 现 物 理 思 想 和 方 法, 有 一 定 难 度 和 创 新 性 的 设 计 性 研 究 性 实 验 题 目 重 在 引 导 学 生 在 深 刻 理 解 物 理 规 律, 熟 练 掌 握 仪 器 设 备 功 用 的 基 础 上, 积 极 运 用 物 理 科 学 发 展 中 形 成 的 各 种 先 进 的 思 想 和 方 法 进 行 独 创 性 研 究 和 探 索, 实 验 的 目 的 不 止 于 得 到 实 验 结 果 或 结 论, 而 更 在 于 学 会 运 用 物 理 思 想 和 物 理 方 法, 更 在 于 思 路 和 方 法 的 创 新 性, 更 在 于 培 养 一 种 科 学 精 神 一 种 追 求 真 理 的 习 惯, 以 及 对 物 理 科 学 的 一 种 崇 敬 信 仰 和 热 爱 参 考 文 献 : [1] 教 育 部 高 等 学 校 物 理 学 与 天 文 学 教 学 指 导 委 员 会 物 理 基 础 课 程 教 学 指 导 分 委 会 理 工 科 类 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 基 本 要 求 (2010 年 版 ) 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社,2011:15-18 [2] 张 映 辉 截 取 跟 进 并 行 -- 设 计 性 研 究 性 实 验 选 题 的 重 要 方 法 [J] 物 理 与 工 程 2013 年 增 刊 - 2013 年 全 国 高 等 学 校 物 理 基 础 课 程 教 育 学 术 研 讨 会 论 文 集 303-304, 307 [3] 张 增 明, 孙 腊 珍, 霍 剑 青, 等 创 新 研 究 型 物 理 实 验 教 学 平 台 的 建 设 与 实 践 [J] 物 理 实 验,2009,29(7): 14-17 133
人 文 社 科 背 景 下 物 理 实 验 的 课 程 架 构 和 教 学 探 究 何 春 娟, 汪 六 九, 夏 天 龙, 王 善 才 ( 中 国 人 民 大 学 理 学 院 物 理 系, 北 京 100872) 摘 要 : 从 实 验 课 程 特 点 出 发, 通 过 对 人 文 社 科 类 学 生 的 知 识 结 构 和 能 力 的 分 析, 引 进 了 文 理 的 跨 越 与 交 融 的 理 念, 建 立 了 文 科 物 理 实 验 的 多 层 次 递 进 和 同 层 次 多 元 化 为 特 点 的 的 课 程 体 系, 在 教 学 中 采 取 灵 活 多 样 包 容 性 的 评 价 方 式, 为 文 科 学 生 提 供 了 一 个 宽 松 的 学 习 和 探 索 科 学 知 识 的 实 践 平 台 关 键 词 : 知 识 结 构 ; 文 理 交 融 ; 课 程 体 系 1 实 验 课 开 设 的 背 景 现 代 社 会 是 一 个 科 技 化 程 度 越 来 越 高, 科 技 覆 盖 面 越 来 越 广 的 社 会, 为 了 适 应 社 会 对 综 合 性 创 新 型 人 才 需 要, 中 国 人 民 大 学 提 出 了 培 养 人 文 素 养 和 科 学 精 神 兼 备 的 现 代 化 人 才 的 理 念, 于 2004 年 成 立 了 理 学 院 并 先 后 成 立 了 化 学 系 物 理 系 心 理 学 系 等 专 业, 使 人 大 不 仅 成 为 具 有 强 大 的 人 文 社 科 专 业, 同 时 也 具 备 了 精 干 理 工 科 专 业 的 综 合 性 大 学 在 人 才 培 养 方 面, 人 大 一 直 努 力 践 行 道 术 结 合 文 理 交 融 中 西 会 通 知 行 合 一 的 培 养 理 念, 为 文 理 在 冲 撞 中 实 现 跨 越 和 交 融 提 供 了 一 个 良 好 的 平 台 物 理 学 作 为 科 学 最 古 老 的 源 头 之 一, 在 文 艺 复 兴 时 期 对 哲 学 宗 教 社 会 和 产 业 革 命 的 发 展 产 生 了 根 本 性 的 影 响, 今 天 物 理 学 在 科 学 技 术 发 展 中 仍 处 于 主 导 地 位, 并 且 为 自 然 和 社 会 科 学 学 科 以 及 工 程 技 术 领 域 提 供 技 术 方 法 和 概 念 基 础 [1][2], 因 而 更 适 用 文 科 学 生 对 科 技 知 识 的 学 习 人 大 物 理 系 先 后 开 设 了 诺 贝 尔 物 理 奖 和 现 代 物 理 学 物 理 与 科 技 发 展 物 理 与 人 类 文 明 科 幻 中 的 科 学 等 公 选 课, 极 大 地 契 合 了 学 校 新 的 人 才 培 养 理 念, 受 到 了 学 生 的 欢 迎 物 理 学 作 为 一 门 实 验 学 科, 实 验 课 的 开 设 是 必 不 可 少 的, 在 这 样 的 背 景 下, 我 们 分 析 了 人 文 社 科 专 业 学 生 的 知 识 结 构 和 能 力 水 平, 参 考 了 国 内 部 分 高 校 的 经 验, 结 合 我 们 的 师 资 和 实 验 室 条 件, 开 设 了 文 科 物 理 实 验 课 程 2 文 科 物 理 实 验 的 课 程 体 系 文 科 物 理 实 验 作 为 公 选 课 开 设 不 是 简 单 的 普 通 物 理 实 验 的 删 减 版, 在 对 课 程 特 点 和 生 源 特 点 分 析 的 基 础 上, 我 们 提 出 了 立 足 于 文 理 的 跨 越 与 交 融 来 对 实 验 课 进 行 定 位, 从 而 确 定 文 科 物 理 实 验 的 课 程 体 系 2.1 实 验 课 的 特 点 实 验 课 相 对 理 论 课 来 说, 弱 化 了 理 论 知 识 的 系 统 性, 注 重 知 识 结 构 的 层 次 性 和 多 元 性 针 对 不 同 的 授 课 对 象 建 立 由 低 层 到 高 层 由 基 础 到 前 沿 由 接 受 知 识 到 能 力 培 养 的 层 次 递 进 关 系, 构 建 同 层 次 之 间 多 元 关 系 ( 实 验 的 原 理 内 容 方 法 技 术 ) 的 系 统 性, 将 单 个 实 验 的 碎 片 知 识 理 性 梳 理 系 统 地 体 现 出 来 授 课 方 式 上 不 是 单 向 的 信 息 传 递, 而 是 以 教 师 为 主 导 学 生 为 主 体 的 双 向 式 多 向 式 信 息 传 递 与 交 流, 课 堂 形 式 较 理 论 课 也 更 多 样 性, 讲 授 理 论 协 同 操 作 演 示 展 示 参 观 体 验 计 算 机 仿 真 专 题 活 动 等, 在 实 验 过 程 中 能 充 分 发 挥 学 生 的 主 观 能 动 性, 最 大 限 度 地 调 动 学 作 者 简 介 : 何 春 娟 (1964-), 女, 山 西 运 城 人, 中 国 人 民 大 学 物 理 实 验 中 心 高 级 工 程 师, 主 要 从 事 物 理 实 验 教 学 和 实 验 研 究 134
生 自 主 学 习 的 积 极 性 和 主 动 性, 也 更 有 利 于 因 材 施 教 有 针 对 性 的 进 行 个 体 培 养 2.2 生 源 的 特 点 人 大 有 着 较 为 优 秀 的 生 源, 学 生 思 维 活 跃, 求 知 欲 强, 具 有 较 强 的 学 习 能 力 和 接 受 新 知 识 能 力, 但 人 文 社 科 专 业 的 背 景 ( 相 当 一 部 分 学 生 中 学 就 是 文 科 生 ) 也 导 致 学 生 知 识 结 构 不 完 善, 数 学 基 础 薄 弱, 物 理 知 识 欠 缺 甚 至 空 白 ; 能 力 发 展 不 均 衡, 实 验 动 手 能 力 不 足 等 先 天 缺 陷 ; 同 时 文 理 专 业 在 思 维 方 式 的 差 异, 又 造 成 文 科 生 理 性 思 维 和 逻 辑 思 维 能 力 较 弱 只 有 明 确 学 生 的 优 势, 找 准 学 生 的 劣 势, 才 能 通 过 实 验 课 的 设 计 扬 其 长 补 其 短 2.3 文 理 的 跨 越 与 交 融 从 学 生 的 兴 趣 出 发, 选 择 适 合 学 生 的 概 念 化 的 教 学 方 法 将 知 识 与 应 用 相 结 合, 寻 求 生 活 和 社 会 结 合 点, 达 到 融 入 专 业 的 文 理 跨 越 与 交 融 兴 趣 性 : 兴 趣, 是 最 好 的 老 师 首 先 让 学 生 对 实 验 课 有 兴 趣, 觉 得 实 验 课 好 玩 好 看 很 奇 妙 所 以 我 校 在 实 验 教 学 环 节 的 设 计 上 注 重 引 进 门, 先 看 现 象 和 应 用, 再 了 解 原 理, 再 完 成 实 验 让 学 生 看 到 题 目 后 有 很 强 的 求 知 欲 和 兴 趣, 激 发 学 生 强 烈 的 学 习 和 探 索 的 欲 望 比 如 对 理 工 科 学 生 开 设 的 固 定 均 匀 弦 振 动 的 实 验, 在 文 科 实 验 中 我 们 以 弹 拨 乐 器 的 结 构 振 动 及 调 音 原 理 固 定 均 匀 弦 振 动 的 研 究 的 形 式 开 设 ; 太 阳 能 电 池 特 性 测 量 在 文 科 实 验 中 以 新 能 源 的 介 绍 太 阳 能 电 池 的 特 性 测 量 的 形 式 开 设 等, 这 样 就 使 每 个 实 验 都 能 对 应 找 到 其 与 生 活 和 社 会 的 结 合 点 和 关 注 点 适 用 性 : 针 对 学 生 的 特 点, 在 内 容 上 降 低 数 学 和 物 理 理 论 的 要 求, 用 尽 量 少 的 数 学 公 式 进 行 概 念 化 教 学 [1][2], 同 时 以 多 种 课 堂 形 式 展 现 物 理 世 界 的 丰 富 多 彩 实 用 性 : 文 科 物 理 实 验 是 为 提 高 文 科 学 生 的 综 合 素 质 培 养 其 科 学 素 养 开 设 的, 因 此 既 要 考 虑 课 程 专 业 性 和 先 进 性, 涉 及 新 科 技 和 工 业 应 用 注 重 与 其 他 学 科 的 交 叉 渗 透, 又 要 具 有 基 础 性 和 广 泛 性, 重 视 知 识 与 应 用 相 结 合, 贴 近 生 活 便 于 观 察 比 如 现 代 物 理 实 验 功 能 晶 体 的 制 备 和 试 样 测 试 就 是 基 于 上 述 几 个 因 素 考 虑 开 设 的 [3] 2.4 文 科 实 验 的 课 程 体 系 在 综 合 以 上 几 个 条 件 考 虑 后, 我 们 确 立 了 文 科 实 验 的 课 程 架 构 和 实 验 教 学 内 容 : 1) 兴 趣 培 养 结 合 理 学 院 组 织 的 文 理 对 话 实 验 室 开 放 科 普 知 识 宣 传 活 动 主 题 周 等 活 动, 增 进 文 理 科 学 生 的 交 流, 引 导 学 生 对 物 理 实 验 课 的 关 注 和 兴 趣 2) 实 验 理 论 介 绍 常 用 仪 器 的 使 用, 讲 授 数 据 的 读 取, 误 差 的 基 本 概 念, 基 本 的 实 验 方 法 和 实 验 技 术, 介 绍 物 理 学 发 展 简 史 3) 基 础 及 应 用 拓 展 实 验 硬 币 如 何 能 漂 浮 液 体 表 面 张 力 的 测 量 ; 弹 拨 乐 器 的 结 构 振 动 及 调 音 原 理 固 定 均 匀 弦 振 动 的 研 究 ; 微 距 的 测 量 衍 射 光 强 分 布 的 研 究 ; 立 体 电 影 电 视 及 摄 影 艺 术 光 偏 振 现 象 的 研 究 ; 常 用 光 源 的 特 性 LED 伏 安 特 性 的 研 究 ; 新 能 源 的 介 绍 太 阳 能 电 池 的 特 性 测 量 ; 计 算 机 仿 真 实 验 ( 筹 建 中 ) 4) 演 示 及 体 验 实 验 常 温 磁 悬 浮 超 导 磁 悬 浮 超 导 楞 次 定 律 魔 球 光 隧 道 手 蓄 电 池 雅 各 布 天 梯 激 光 琴 加 尔 顿 板 普 氏 摆 李 沙 育 图 形 温 差 发 电 转 动 惯 量 等 等 的 构 造 和 物 理 原 理 演 示, 介 绍 其 在 方 方 面 面 的 应 用 135
5) 现 代 物 理 实 验 功 能 晶 体 制 备 : 对 自 然 界 的 岩 石 以 及 矿 物 等 材 料 做 简 要 的 介 绍, 分 类 介 绍 宝 石 学 方 面 的 知 识 讲 解 实 验 室 中 常 用 的 晶 体 制 备 方 法, 利 用 实 验 室 设 备 生 长 单 晶 试 样 ( 多 晶, 单 晶 ) 的 金 相 显 微 观 察 : 结 合 光 学 显 微 镜 金 相 显 微 镜 扫 描 电 镜 透 射 电 镜 扫 描 隧 道 显 微 镜 等 光 电 显 微 镜 的 研 究 数 据 以 及 图 像 介 绍 固 体 物 理 的 入 门 知 识 基 于 实 验 获 得 的 样 品 进 行 镶 嵌 抛 光 并 进 行 金 相 显 微 镜 观 察 6) 科 研 实 验 室 开 放 介 绍 物 理 系 前 沿 科 学 研 究, 对 物 理 系 的 样 品 制 备 平 台 高 端 谱 学 以 及 测 试 设 备 平 台 工 程 化 应 用 研 究 设 备 平 台 ( 透 明 陶 瓷 白 光 LED 研 究 ) 做 详 细 的 介 绍, 使 得 学 生 对 前 沿 科 学 研 究 有 进 一 步 的 了 解 参 观 物 理 系 凝 聚 态 物 性 研 究 实 验 室 功 能 材 料 制 备 实 验 室 微 纳 加 工 实 验 室 光 电 功 能 材 料 实 验 室 7) 文 理 跨 越 引 导 文 科 生 和 理 科 生 合 作 申 请 跨 专 业 的 创 新 实 验 项 目 3 评 价 方 式 作 为 公 选 课 应 该 在 学 习 科 学 知 识 的 同 时, 尽 量 满 足 学 生 的 兴 趣 爱 好, 发 展 学 生 的 个 性 和 特 长, 所 以 在 学 生 的 评 价 方 式 上 不 设 单 独 的 考 核 环 节, 采 取 能 体 现 不 同 专 业 特 色 和 展 示 个 人 特 长 的 灵 活 多 样 的 评 价 方 式, 除 了 实 验 理 论 和 基 础 实 验 部 分 要 求 规 范 的 实 验 报 告 外, 其 他 层 次 实 验 学 生 可 以 根 据 课 堂 内 容 选 择 不 同 的 切 入 点, 无 论 从 内 容 形 式 格 式 载 体 上 都 广 泛 开 放, 给 学 生 提 供 一 个 学 习 和 探 索 科 学 知 识 的 宽 松 的 环 境 和 开 阔 的 实 践 平 台 4 效 果 以 及 建 议 文 科 实 验 的 效 果 出 乎 意 料 的 好, 学 生 对 实 验 充 满 了 好 奇, 兴 趣 浓 厚 学 习 热 情 很 高 一 位 哲 学 专 业 的 学 生 在 他 的 论 文 科 学 与 科 学 奇 迹 中 论 述 了 科 学 本 身 是 什 么, 与 大 众 对 科 学 的 认 知 是 什 么, 这 是 很 不 同 的 两 个 问 题 ; 一 位 社 会 与 人 口 专 业 的 学 生 通 过 超 导 实 验 了 解 了 课 堂 上 并 没 有 完 全 涉 及 的 超 导 的 零 电 阻 效 应 迈 纳 斯 效 应 二 级 相 变 效 应 单 电 子 隧 道 效 应 Josephzon 效 应 等 物 理 概 念, 并 且 查 询 资 料 了 解 到 了 超 导 方 面 的 很 多 应 用 如 : 上 海 的 磁 悬 浮 列 车 甘 肃 的 高 温 超 导 输 电 电 缆 湖 南 的 高 温 超 导 限 流 器 以 及 新 疆 的 超 导 变 压 器 等 ; 一 位 外 院 的 学 生 说 : 或 许 我 一 辈 子 也 搞 不 清 超 导 的 工 作 原 理, 但 是 现 在 我 知 道 超 导 磁 悬 浮 是 怎 么 回 事 了, 对 我 来 说 不 再 神 秘 了 不 同 知 识 结 构 的 学 生 通 过 一 门 实 验 课 的 学 习 在 他 们 各 自 专 业 各 自 领 域 得 到 不 同 的 启 示, 我 想 这 或 许 已 经 达 到 了 我 们 开 设 文 科 物 理 实 验 的 初 衷 和 目 的 我 们 的 文 科 物 理 实 验 开 课 时 间 还 很 短, 开 课 内 容 课 堂 形 式 评 价 方 式 还 需 要 进 一 步 探 索 和 完 善, 以 后 还 将 增 加 计 算 机 仿 真 实 验 和 多 媒 体 教 学 的 内 容, 进 一 步 研 究 如 何 科 学 细 化 的 评 价 学 生 实 验 报 告 和 科 学 报 告 的 办 法, 以 期 确 实 提 高 本 校 学 生 的 科 学 素 养, 为 学 生 在 以 后 的 学 习 和 工 作 中 奠 定 良 好 的 基 础 参 考 文 献 : [1] 赵 峥 物 理 学 与 人 类 文 明 十 六 讲 [M] 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社,2008 [2] Art Hobson 物 理 学 的 概 念 与 文 化 素 养 [M] 秦 克 诚, 等 译 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社,2008 [3] 中 国 人 民 大 学 物 理 实 验 中 心 文 科 物 理 实 验 讲 义 [Z] 2014 136
Curricular structure and pedagogical exploration on Physics experiments in humanity and social sciences environment HE Chun-juan, WANG Liu-jiu, XIA Tian-long, WANG Shan-cai (Department of physics, Renmin University of china, Beijing 100872, China) Abstract: Based on curricular features of experimental courses, the present study analyzes knowledge structures and abilities of humanity and social sciences students, introduces the concept of bridging and fusing between arts and sciences subjects and establishes a curricular structure which is progressively multilevel and features significant diversity among the same level for Physics experimental course for humanity and social sciences students, which takes flexible and inclusive appraisal methods and offers an opportunity for a relaxing academic environment and scientific exploration endeavors for humanity and social sciences students. Key words: knowledge structures; fusing between arst and sciences; curricular systems 137
物 理 实 验 项 目 管 理 初 探 沈 学 浩, 周 红, 杨 文 明 ( 上 海 交 通 大 学 物 理 与 天 文 系, 上 海 200240) 摘 要 : 通 过 对 物 理 实 验 项 目 的 规 范 化 管 理, 建 立 实 验 项 目 档 案, 定 时 维 护 保 养, 提 高 实 验 教 学 设 备 的 利 用 率 和 完 好 率, 保 证 实 验 教 学 的 正 常 进 行 关 键 词 : 实 验 项 目 ; 规 范 化 ; 管 理 ; 档 案 1 引 言 加 强 创 新 型 实 用 型 复 合 型 人 才 的 培 养, 促 进 有 创 新 潜 力 和 志 趣 的 学 生 智 力 潜 能 的 开 发 研 究 能 力 的 培 养 动 手 实 验 技 能 的 训 练 和 心 理 素 质 的 提 高, 都 离 不 开 实 验 教 学 的 环 节 作 为 基 础 的 物 理 实 验, 尤 为 重 要 而 实 验 设 备 的 优 劣 管 理 水 平 的 高 低, 将 直 接 影 响 学 生 的 受 益 近 年 来, 由 于 211 985 项 目 的 投 入, 各 校 实 验 教 学 的 基 本 条 件 和 设 施 都 得 到 了 很 大 的 改 善, 实 验 设 备 和 实 验 项 目 都 向 创 新 型 实 用 型 复 合 型 人 才 的 培 养 倾 斜, 前 沿 性 与 先 进 性 的 现 代 化 实 验 仪 器 也 进 入 到 基 础 实 验 教 学 中, 适 合 于 各 校 实 验 教 学 体 系 的 个 性 化 自 制 实 验 设 备 也 日 新 月 异 地 投 入 到 了 相 关 的 实 验 教 学 中 有 一 个 问 题 不 可 忽 视 前 期 建 设 经 费 的 大 量 投 入, 确 实 在 短 期 内 使 整 个 实 验 教 学 体 系 规 模 更 加 翔 实 丰 满, 但 后 续 维 护 资 金 的 缺 乏 制 约 了 实 验 教 学 的 持 续 发 展, 这 是 横 桓 在 我 们 面 前 不 容 忽 视 的 现 实 如 何 游 走 于 维 护 资 金 缺 乏, 又 使 其 实 验 设 备 能 长 治 久 安, 这 就 需 要 我 们 能 好 的 管 理 机 制 对 每 个 物 理 实 验 教 学 中 心 而 言, 课 程 体 系 的 建 立, 就 意 味 着 每 学 年 将 根 据 不 同 课 程 开 出 众 多 个 实 验 项 目, 所 涉 及 的 实 验 设 备 涵 盖 力 电 光 声 热 等 各 种 仪 器, 品 种 套 数 之 多, 前 期 排 设 的 和 后 期 维 护 的 工 作 量 之 大, 非 规 范 不 能 承 受 管 理 水 平 的 高 低 将 对 教 学 质 量 和 效 益 产 生 直 接 影 响 在 实 验 室 管 理 人 员 相 对 缺 乏, 维 护 资 金 难 以 到 位 的 情 况 下, 如 何 加 强 实 验 室 仪 器 设 备 的 管 理, 保 证 现 有 的 仪 器 设 备 的 完 好, 使 其 最 大 限 度 地 发 挥 作 用, 以 正 真 提 高 实 验 教 学 的 质 量, 为 培 养 学 生 服 务 为 此, 我 们 进 行 了 有 益 的 探 索, 分 享 一 下 实 验 项 目 管 理 的 体 会 2 规 范 化 管 理 本 中 心 实 验 项 目 近 百 个, 基 本 每 天 均 有 开 课 管 理 人 员 不 到 十 人, 且 逐 年 递 减 ( 正 常 退 休 ) 为 更 好 地 加 强 实 验 室 建 设, 提 高 管 理 水 平, 更 好 地 为 教 学 服 务, 我 们 对 实 验 项 目 进 行 了 规 范 化 管 理 2.1 建 立 实 验 项 目 档 案 根 据 实 验 项 目, 建 立 实 验 仪 器 及 相 关 器 件 分 类 表, 标 明 设 备 或 器 件 名 型 号 规 格 数 量 生 产 厂 家 地 址 联 系 电 话 供 应 单 位, 以 及 相 关 的 备 注, 自 制 器 件 配 以 设 计 图 纸 以 硅 光 电 池 特 性 的 研 究 实 验 项 目 为 例 ( 见 附 表 1) 138
表 1 设 备 或 器 供 应 单 序 号 型 号 规 格 数 量 生 产 厂 家 地 址 联 系 电 话 备 注 件 名 位 自 制, 铝 型 材 抗 光 1.5m; 处 理 : 抗 上 海 欧 宇 上 海 松 江 区 九 富 物 理 实 OYU-8 021- 照 发 黑, 加 底 座, 1 导 轨 光 照 氧 化 发 黑, 厚 1 铝 制 品 有 工 业 区 盛 高 路 258 验 教 学 -3060 67691423 具 体 规 格 见 : 导 轨 度 级 别 :AA20 限 公 司 号 中 心 欧 标 3060 海 安 县 支 架 自 制, 铝 合 金 海 安 县 汇 海 安 县 双 楼 工 业 0513- 汇 虹 光 加 工 抗 光 照 发 黑, 2 线 偏 振 片 φ40mm/ 分 度 1 2 虹 光 电 仪 区 刘 圩 31 组 88793069 电 仪 器 图 纸 见 文 件 : 偏 振 器 厂 厂 光 座 上 海 火 车 站 北 站 支 架 自 制, 铝 合 金 物 理 实 透 镜 及 支 透 镜 φ60mm / 红 广 场 ( 沈 家 宅 路 55021- 加 工 抗 光 照 发 黑, 3 1 恒 茂 眼 镜 验 教 学 架 超 +6.00 单 片 号 ) 三 叶 眼 镜 批 发 51013093 图 纸 见 文 件 : 透 镜 中 心 市 场 115 号 架 以 下 内 容 忽 略 实 验 项 目 档 案 的 建 立 不 仅 是 为 现 有 管 理 者 提 供 维 修 依 据, 也 为 后 续 的 管 理 者 提 供 了 维 护 便 利 和 索 引 2.2 建 立 图 片 档 案 建 立 整 套 实 验 装 置 和 各 实 验 器 件 的 图 片 资 料, 使 管 理 者 能 方 便 地 找 出 相 关 的 仪 器 设 备 以 硅 光 电 池 实 验 为 例, 列 出 部 分 图 片, 见 图 1-5 图 1 实 验 装 置 图 图 5 导 轨 图 2 线 偏 振 片 图 3 透 镜 及 支 架 图 4 硅 光 电 池 接 收 器 实 验 中 心 的 任 何 老 师, 只 要 根 据 实 验 项 目 档 案 和 实 验 器 件 图 片 就 能 方 便 地 搭 建 出 整 套 实 验 装 置, 而 无 需 受 制 于 某 一 管 理 者 2.3 规 范 实 验 开 设 前 准 备 每 个 实 验 项 目 都 会 有 不 同 的 技 术 要 求, 要 确 保 排 出 的 实 验 项 目 能 正 常 地 工 作, 就 必 须 在 排 设 过 程 中, 根 据 教 学 要 求 和 仪 器 设 备 的 情 况, 认 真 检 测, 确 保 完 好 若 有 故 障, 必 须 及 时 排 除 所 以 根 据 每 实 验 项 目 的 特 点, 制 定 相 应 的 开 设 前 技 术 准 备 程 序, 对 规 范 实 验 项 目 的 管 理, 确 保 实 验 教 学 的 正 常 进 行 至 关 重 要 以 硅 光 电 池 实 验 为 例 进 行 说 明 开 设 前 的 技 术 准 备 : a. 改 装 稳 压 电 源, 将 其 最 大 输 出 控 制 在 6V 左 右, 目 的 在 于 防 止 硅 光 电 池 烧 毁 ; b. 导 轨 滑 块 清 洁 上 油, 并 检 查 滑 块 上 的 压 紧 弹 簧 固 定 螺 丝 是 否 正 常 同 时, 检 查 导 轨 的 底 座 支 架 是 否 松 动, 若 有 异 常, 当 即 时 解 决 ; 139
c. 检 查 照 明 光 源 及 供 电 恒 流 源 和 稳 压 源 输 出 是 否 正 常 ; d. 用 万 用 表 的 电 压 和 电 流 档 分 别 检 查 硅 光 电 池 接 收 器 的 输 出 是 否 正 常 ; e. 查 看 两 偏 振 片 透 镜 透 光 清 晰 情 况 以 及 偏 振 片 的 检 偏 起 偏 情 况 ; f. 数 字 万 用 表 的 电 流 测 量 档 200mA 量 程 的 保 险 丝 是 否 正 常 ; g. 照 度 计 安 装 于 光 具 座 上 3 维 护 在 教 学 实 验 过 程 中, 仪 器 设 备 的 利 用 率 是 非 常 的 高, 损 耗 和 故 障 在 所 难 免 如 何 将 故 障 率 降 到 最 低, 使 实 验 教 学 能 正 常 有 序 的 进 行, 让 学 生 能 正 常 完 整 地 完 成 整 个 实 验, 真 正 获 益, 就 必 须 有 相 关 的 维 护 措 施 为 此 我 们 制 定 了 几 个 维 护 的 阶 段, 以 确 保 实 验 仪 器 的 正 常 3.1 日 常 维 护 与 保 养 要 求 每 次 实 验 后, 必 须 首 先 认 真 查 看 任 课 老 师 记 录 的 仪 器 设 备 所 发 生 的 故 障 情 况, 发 现 问 题, 及 时 处 理, 切 不 可 将 故 障 带 入 下 一 轮 实 验 中 同 时, 根 据 实 验 精 度 要 求 和 仪 器 常 见 的 故 障 情 况, 制 定 记 录 表 格, 对 主 要 器 件 进 行 检 查, 做 好 相 应 的 记 录 见 附 表 2 3.2 每 周 检 查 维 护 每 周 定 期 维 护 检 查, 则 根 据 实 验 仪 器 的 使 用 情 况 实 验 环 境 进 行 针 对 行 的 维 护 3.3 每 月 检 查 维 护 每 月 定 期 维 护, 则 是 在 日 常 维 护 的 基 础 上, 对 实 验 仪 器 进 行 全 面 的 保 养 3.4 课 程 结 束 后 的 维 护 课 程 结 束 后, 对 所 有 实 验 仪 器 进 行 检 查 对 电 力 声 光 热 等 各 类 仪 器 器 件, 按 相 关 的 技 术 指 标 和 要 求 检 查, 修 复 故 障, 正 常 后 收 起 仍 以 硅 光 电 池 实 验 为 例, 能 较 为 清 晰 地 了 解 实 验 项 目 保 养 维 护 的 整 个 过 程 1) 日 常 维 护 附 表 2 日 期 : 每 日 主 要 器 件 检 查 情 况 表 状 态 序 号 1 2 检 查 维 电 压 电 流 开 机 3 日 无 护 器 件 正 纹 波 纹 波 分 钟 后 灯 信 常 > > 电 池 情 电 号 1V 5mA 况 值 稳 压 电 源 输 出 0-15V 光 源 恒 流 源 0-200mA 3 万 用 表 硅 光 电 4 池 接 收 器 5 透 镜 6 偏 振 片 光 日 光 灯 电 流 污 染 / 情 况 下 亮 度 不 下 电 流 档 无 松 动 / 处 理 压 不 足 亮 值 示 数 破 碎 140
光 源 ( 发 7 光 二 极 管 ) 照 明 光 8 源 9 照 度 计 2) 每 周 检 查 维 护 a. 万 用 表 电 压 档 标 准 测 量 ; b. 透 镜 清 洁 ; c. 检 查 导 轨 底 座, 螺 丝 固 定 旋 紧 ; d. 实 验 桌 面 整 洁 ; e. 硅 光 电 池 检 查, 观 测 表 面 是 否 有 短 路 烧 毁 情 况, 测 量 暗 电 流 开 路 电 压 和 短 路 电 路 情 况 3) 每 月 检 查 维 护 定 时 对 导 轨 滑 块 上 油 润 滑, 以 保 持 滑 块 与 导 轨 之 间 滑 动 灵 活 4) 课 程 结 束 后 的 维 护 a. 导 轨 滑 块 上 油 润 滑, 螺 丝 固 定 ; b. 透 镜 清 洁 ; c. 电 源 恒 流 源 检 查, 确 保 输 出 正 常 ; d. 所 有 元 器 件 检 查, 正 常 后 收 起 ; e. 整 个 装 置 盖 上 仪 器 布, 防 尘 4 结 语 对 实 验 项 目 建 立 详 细 的 电 子 档 案, 为 实 验 教 学 了 提 供 完 备 的 资 料, 为 实 验 技 术 人 员 的 管 理 提 供 了 很 好 的 行 动 指 南 实 验 项 目 的 规 范 化 管 理, 保 证 了 实 验 仪 器 的 完 好, 使 得 实 验 教 学 能 正 常 有 序 地 进 行 我 们 所 开 设 的 实 验 项 目, 均 建 立 了 相 应 的 实 验 项 目 管 理 规 范, 经 过 几 年 的 实 践, 效 果 明 显, 为 实 验 教 学 提 供 了 很 好 的 支 撑 Exploration of Physical Experiment Project Management SHEN Xue-hao, ZHOU Hong, YANG Wen-ming (Department of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract: By means of the physical experiment project standardization management, we set up the experimental project files, make the equipment maintained regularly, improve the utilization and perfectness rate of the experimental teaching equipment, and guarantee the normal proceeding of the experiment teaching. Key words: experimental project; standardization; management; files 141
大 学 物 理 实 验 教 学 管 理 模 式 的 探 讨 周 红, 赵 西 梅, 窦 葳, 王 锦 辉, 杨 文 明, 沈 学 浩, 叶 庆 好 ( 上 海 交 通 大 学 物 理 与 天 文 系, 上 海 200240) 摘 要 : 本 文 介 绍 了 近 5 年 来 上 海 交 大 物 理 实 验 教 学 管 理 模 式 的 演 变 过 程, 分 析 了 各 种 教 学 模 式 的 特 点 及 存 在 的 问 题, 并 对 中 心 教 学 管 理 的 发 展 前 景 进 行 了 展 望 关 键 词 : 教 学 管 理 模 式 ; 主 讲 教 师 ; 学 科 组 教 师 ; 助 教 1 引 言 大 学 物 理 实 验 课 程 是 对 高 等 学 校 学 生 进 行 科 学 实 验 基 本 训 练 的 一 门 独 立 的 必 修 基 础 课 程, 是 学 生 进 入 大 学 后 受 到 系 统 实 验 方 法 和 实 验 技 能 训 练 的 开 端, 是 工 科 类 专 业 对 学 生 进 行 科 学 实 验 训 练 的 重 要 基 础 本 课 程 以 加 强 基 础 重 视 应 用 开 拓 思 维 培 养 能 力 提 高 素 质 为 指 导 思 想, 通 过 该 课 程 的 学 习, 使 学 生 直 接 观 察 和 分 析 重 要 的 物 理 现 象, 学 习 掌 握 物 理 量 的 测 量 和 基 本 的 物 理 实 验 方 法, 加 深 对 物 理 原 理 的 理 解, 使 学 生 受 到 从 事 科 学 实 验 以 及 进 行 科 学 研 究 的 基 本 训 练 大 学 物 理 实 验 课 程 着 力 培 养 和 提 高 学 生 的 实 践 能 力 和 创 造 能 力, 使 学 生 成 长 为 适 应 二 十 一 世 纪 所 需 要 的, 具 备 基 础 扎 实 知 识 面 宽 能 力 强 素 质 高 的 人 才 2 教 学 管 理 模 式 介 绍 近 5 年 来, 随 着 上 海 交 通 大 学 物 理 与 天 文 系 的 迅 速 发 展, 作 为 基 础 教 学 单 位 的 物 理 实 验 教 学 中 心 的 教 学 管 理 模 式 也 发 生 了 较 大 形 式 的 变 化, 共 存 在 过 以 下 6 种 情 况 : 模 式 1 中 心 教 师 作 为 主 讲 教 师 与 助 教 协 同 教 学 实 验 课 程 的 建 设 是 课 程 教 学 质 量 的 基 本 保 证, 是 实 验 中 心 专 职 教 师 的 重 要 责 任 物 理 实 验 教 学 中 心 负 责 实 验 课 程 建 设 的 规 划 和 部 署, 中 心 专 职 教 师 在 课 程 负 责 人 的 主 持 下 实 施 课 程 的 建 设 实 验 课 程 建 设 的 内 容 主 要 包 括 : 现 有 教 学 实 验 项 目 内 容 的 设 计 与 改 进 实 验 仪 器 的 改 进 教 材 和 实 验 指 导 资 料 的 编 写 和 修 订 资 料 的 收 集 教 学 挂 图 和 多 媒 体 资 料 的 制 作 等 ; 新 教 学 实 验 项 目 内 容 的 设 计 实 验 仪 器 的 研 发 教 材 和 实 验 指 导 资 料 的 编 写 资 料 的 收 集 教 学 挂 图 和 多 媒 体 资 料 的 制 作 等, 实 验 教 学 方 法 的 研 究 和 交 流 讨 论, 实 验 教 学 管 理 方 法 的 研 究 和 交 流 讨 论 等 助 教 应 在 主 讲 教 师 的 指 导 下 实 施 教 学, 主 讲 教 师 对 课 程 的 教 学 质 量 负 责 作 为 课 程 的 主 讲 教 师, 备 课 阶 段 需 负 责 助 教 的 培 训 教 案 的 审 核 试 讲 的 把 关 课 程 教 学 阶 段 时, 每 次 课 由 一 位 主 讲 教 师 带 领 四 位 助 教 共 同 完 成 四 个 实 验 项 目 的 教 学, 助 教 作 为 实 验 指 导 配 合 主 讲 教 师 完 成 整 个 教 学 过 程, 同 时 主 讲 教 师 还 需 要 对 助 教 的 实 验 报 告 批 阅 质 量 进 行 把 关 学 期 结 束 阶 段, 教 师 须 确 保 实 验 成 绩 的 正 确 入 录 对 助 教 进 行 综 合 考 评 并 提 交 实 验 课 程 评 测 总 结 报 告 模 式 2 学 科 组 教 师 作 为 主 讲 教 师 与 助 教 协 同 教 学 学 科 组 教 师 为 本 系 其 它 研 究 所 的 教 师, 他 们 也 参 与 中 心 的 实 验 教 学 工 作 作 为 课 程 的 主 讲 教 师, 虽 然 不 必 参 与 中 心 的 课 程 建 设, 但 在 教 学 过 程 中 这 些 教 师 的 工 作 职 责 与 实 验 中 心 专 职 教 师 一 样, 带 领 助 教 完 成 相 应 的 教 学 任 务, 并 需 对 该 课 程 的 教 学 质 量 负 责 模 式 3 学 科 组 教 师 作 为 任 课 教 师 参 与 教 学 由 于 教 学 安 排 的 需 求, 有 少 部 分 学 科 组 教 师 作 为 任 课 教 师 参 与 教 学, 他 们 只 承 担 课 程 的 教 学 任 务, 完 成 一 定 的 教 学 工 作 量, 但 不 负 责 助 教 培 训 及 相 关 的 管 理 工 作 142
模 式 4 中 心 教 师 作 为 主 讲 教 师 参 与 教 学 中 心 教 师 作 为 课 程 的 主 讲 教 师, 负 责 教 学 的 全 部 过 程 主 讲 教 师 除 了 自 己 要 独 立 完 成 一 定 的 教 学 工 作 量, 还 需 要 负 责 助 教 的 相 关 培 训 管 理 工 作, 教 学 过 程 不 再 像 模 式 1 的 全 程 管 理, 而 是 抓 两 头 中 间 松, 即 必 须 好 象 模 式 1 一 样, 严 格 把 关 好 助 教 备 课 和 学 期 结 束 这 两 个 阶 段 的 相 关 工 作 课 程 教 学 阶 段, 由 于 主 讲 教 师 也 同 时 在 上 课, 较 难 做 到 全 程 监 管, 但 中 间 松 不 代 表 不 管, 而 是 采 取 了 抽 查 听 课 加 强 实 验 技 术 教 师 巡 查 等 措 施, 以 保 证 良 好 的 教 学 质 量 模 式 5 学 科 组 教 师 作 为 主 讲 教 师 参 与 教 学 在 实 验 教 学 的 过 程 中, 与 中 心 主 讲 教 师 的 工 作 职 责 一 样 模 式 6 助 教 参 与 教 学 在 教 学 过 程 中, 助 教 在 主 讲 教 师 的 管 理 下, 经 过 课 前 的 培 训, 独 立 完 成 实 验, 实 验 报 告 及 教 案 得 到 主 讲 教 师 的 认 可, 方 可 进 行 试 讲 试 讲 通 过 后 进 入 助 教 工 作 的 试 用 期, 试 用 期 一 般 为 2-3 周, 在 这 个 期 间, 助 教 需 独 立 完 成 整 个 教 学 过 程, 主 讲 教 师 有 责 任 进 行 听 课 及 对 作 业 批 阅 情 况 的 审 查, 经 主 讲 教 师 确 认 方 可 与 校 方 签 订 助 教 工 作 协 议 书, 正 式 上 岗 参 与 教 学 工 作 3 各 种 教 学 管 理 模 式 演 变 图 1 2010 年 度 教 学 工 作 量 统 计 图 2 2010-2011-2 学 期 教 学 工 作 量 统 计 面 向 全 校 工 科 学 生 开 设 的 大 学 物 理 实 验 课 程 由 于 学 生 数 量 较 大, 教 师 资 源 紧 张 的 关 系, 使 用 了 大 量 的 硕 博 研 究 生 助 教 为 更 好 地 掌 控 实 验 教 学 的 教 学 质 量, 由 中 心 和 学 科 组 的 教 师 担 任 主 讲 教 师, 在 2010-2011-2 学 期 以 前, 实 验 中 心 采 用 了 模 式 1 和 2 进 行 教 学 管 理, 以 2010 学 年 为 例 ( 见 图 1), 中 心 教 师 担 任 主 讲 教 师 的 比 例 高 达 71%, 当 时 已 经 有 部 分 学 科 组 的 老 师 参 与 到 中 心 的 教 学 工 作 中, 由 于 中 心 教 学 安 排 的 需 要, 参 与 的 方 式 有 所 不 同 以 模 式 1 和 2 完 成 的 教 学 工 作 量 比 例 高 达 89%, 这 些 教 学 工 作 量 需 要 同 时 由 112 位 助 教 协 助 主 讲 教 师 共 同 完 成 由 于 整 个 教 学 过 程 由 主 讲 教 师 全 程 负 责 监 管, 整 体 的 教 学 效 果 虽 然 良 好, 但 由 于 主 讲 教 师 是 与 助 教 协 同 上 课, 一 方 面 教 师 的 投 入 从 工 作 量 的 层 面 上 看 没 有 产 出, 两 一 方 面 由 于 需 要 的 大 量 的 助 教, 每 个 学 期 的 助 教 招 聘 工 作 难 度 较 大, 给 教 学 安 排 带 来 了 很 大 的 困 扰 基 于 以 上 的 原 因, 从 2011 年 度 的 2011-2012-1 学 期 开 始, 中 心 的 教 学 管 理 的 模 式 做 了 较 大 的 调 整, 试 点 采 用 了 4 和 5 的 教 学 管 理 模 式 由 于 在 课 程 教 学 阶 段 主 讲 教 师 和 助 教 各 自 独 立 完 成 教 学 任 务, 需 要 助 教 的 人 数 就 大 大 减 少 了, 以 该 学 期 为 例, 助 教 人 数 同 比 减 少 了 42% 虽 然 助 教 人 数 减 少, 但 助 教 承 担 的 教 学 工 作 量 还 是 占 了 65%( 见 图 3), 主 讲 教 师 合 计 的 工 作 量 占 了 22%(13%+9%) 在 实 验 教 学 过 程 中, 主 讲 教 师 的 管 理 相 应 的 减 弱 了, 但 由 于 加 强 了 实 验 技 术 老 师 的 巡 查, 整 体 的 教 学 质 量 也 得 到 了 广 大 学 生 的 认 可 这 样 的 教 学 管 理 模 式 已 经 沿 用 至 今 随 着 中 心 专 职 教 师 的 逐 年 退 休, 聘 用 的 助 教 人 数 也 一 直 在 增 加, 统 计 至 本 学 期, 助 教 承 担 的 教 学 工 作 量 已 经 高 达 75% 143
图 3 2011-2012-1 学 期 教 学 工 作 量 统 计 图 4 2012 年 度 教 学 工 作 量 统 计 图 5 2013 年 度 教 学 工 作 量 统 计 图 6 2013-2014-2 年 度 教 学 工 作 量 统 计 4 未 来 的 展 望 近 年 来, 任 课 教 师 的 比 例 逐 渐 较 少, 中 心 的 教 学 管 理 模 式 主 要 由 中 心 主 讲 教 师 学 科 组 主 讲 教 师 和 助 教 三 部 分 组 成 随 着 近 年 来 上 海 交 通 大 学 物 理 与 天 文 系 的 快 速 发 展, 学 科 组 年 轻 教 师 大 量 引 进 而 中 心 专 职 教 师 的 人 员 的 逐 渐 退 休, 两 种 主 讲 教 师 的 比 例 也 在 不 断 的 调 整 中, 从 2014 年 上 半 年 度 的 统 计 可 以 看 出 ( 见 图 6), 学 科 组 主 讲 教 师 的 比 例 已 经 与 中 心 主 讲 教 师 持 平 了 同 时 由 于 大 量 实 验 助 教 走 上 了 教 学 的 第 一 线, 教 学 管 理 就 需 更 加 严 格, 建 议 引 入 实 验 教 学 督 导 常 态 化 的 制 度, 加 大 第 三 方 监 管 的 力 度 同 时 研 究 生 助 教 本 身 还 有 课 业 和 科 研 任 务 的 重 担, 在 课 业 或 科 研 工 作 上 与 实 验 教 学 时 间 发 生 冲 突 时, 由 于 中 心 教 学 人 员 太 少, 也 会 造 成 一 定 的 教 学 安 排 困 难 所 以 还 是 希 望 保 持 一 支 相 对 稳 定 的 基 础 教 学 教 师 队 伍 实 验 中 心 也 希 望 在 近 几 年 探 索 的 基 础 上 摸 索 出 一 套 更 适 合 物 理 与 天 文 系 发 展 的 实 验 教 学 管 理 模 式 A discussion about the teaching management pattern of college physics experiment Zhou Hong, Zhao Ximei, Dou Wei, Wang Jinhui, Yang Wenming, Shen Xuehao, Ye Qinghao (Department of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract: This article introduces the evolutionary process of the experimental teaching management pattern of Shanghai Jiaotong University in recent 5 years. The characteristics of the teaching pattern and the corresponding problems are analyzed. Furthermore, the development prospects of the teaching management in the centre are summarized. Key words: Teaching management pattern; Chief lecturing teacher; Subject group teacher; Assistant 144
产 学 研 结 合 物 理 实 验 教 学 模 式 的 探 索 董 敬 敬 ( 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 数 理 学 院, 北 京 100083) 摘 要 : 产 学 研 一 体 化 是 将 教 学 科 学 研 究 以 及 企 业 需 求 相 融 合, 达 到 提 高 学 生 创 新 能 力 和 服 务 社 会 的 目 的 文 章 首 先 从 高 校 的 社 会 功 能 层 面 分 析 了 产 学 研 一 体 化 的 必 要 性, 然 后 就 我 国 目 前 高 等 院 校 产 学 研 现 状, 指 出 了 创 新 能 力 的 制 约 因 素, 最 后 探 讨 了 产 学 研 一 体 化 的 物 理 实 验 教 学 改 革 对 策 关 键 词 : 产 学 研 ; 物 理 实 验 ; 教 学 模 式 1 引 言 在 建 设 创 新 型 国 家 的 进 程 中, 高 等 院 校 肩 负 着 教 学 科 研 服 务 社 会 三 大 职 能, 它 们 是 相 辅 相 成 共 同 发 展 的 一 方 面, 教 学 与 科 研 相 互 促 进 共 同 发 展 : 系 统 的 学 科 教 学 有 助 于 为 科 研 定 向, 并 为 科 研 提 供 新 的 对 象 ; 科 研 也 可 以 进 一 步 丰 富 更 新 和 充 实 教 学 内 容 另 一 方 面, 教 学 科 研 与 社 会 实 践 之 间 也 是 相 互 依 存 不 可 分 离 的 : 学 生 可 以 通 过 社 会 实 践 了 解 技 术 产 品 生 产 管 理 和 市 场 的 关 系 ; 同 时 为 适 应 市 场 竞 争, 企 业 也 需 要 不 断 更 新 设 备 工 艺 和 发 展 新 技 术 [1,2] 因 此, 要 实 现 三 个 职 能 协 调 发 展, 必 须 坚 持 走 产 学 研 结 合 道 路 实 验 物 理, 作 为 大 学 生 接 触 到 的 第 一 门 实 践 课 程, 是 高 等 院 校 课 程 教 学 的 重 要 组 成 部 分 它 对 于 提 高 学 生 的 综 合 素 质, 培 养 学 生 的 创 新 精 神 和 实 践 能 力 具 有 独 特 的 不 可 替 代 的 重 要 作 用 然 而, 针 对 当 前 国 内 高 等 院 校 的 物 理 实 验 教 学 方 式 普 遍 存 在 的 与 社 会 需 求 内 容 脱 节 课 程 内 容 陈 旧 学 生 自 主 学 习 和 实 践 能 力 缺 乏 等 现 状, 探 索 出 一 种 产 学 研 有 机 结 合 的 物 理 实 验 教 学 模 式 是 提 升 高 校 科 技 创 新 能 力 和 社 会 影 响 力 的 有 效 途 径 和 方 式 2 产 学 研 现 状 及 问 题 近 年 来, 国 内 各 高 校 在 产 学 研 结 合 方 面 进 行 了 积 极 的 探 索, 尤 其 体 现 在 将 实 验 教 学 与 科 学 研 究 结 合, 以 科 研 促 教 学, 从 而 提 升 教 学 内 涵 [3,4] 例 如, 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 物 理 实 验 教 学 示 范 中 心 提 出 以 项 目 促 创 新, 以 创 新 促 教 学 的 教 学 理 念, 以 实 验 室 开 放 基 金 项 目 大 学 生 创 新 性 实 验 项 目 北 京 市 物 理 实 验 技 能 大 赛 等 活 动 平 台 为 切 入 点, 将 科 研 项 目 与 实 验 教 学 相 结 合, 课 内 和 课 外 相 融 合, 课 内 实 验 是 课 外 创 新 项 目 的 基 础, 课 外 创 新 项 目 是 课 内 实 验 的 延 伸, 努 力 打 造 成 科 研 氛 围 浓 厚 特 色 鲜 明 效 果 良 好 的 学 生 第 二 课 堂 并 且 建 立 了 一 套 合 理 的 激 励 机 制, 从 而 极 大 的 提 高 了 学 生 参 加 科 技 创 新 项 目 的 积 极 性 和 老 师 指 导 项 目 的 热 情 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 物 理 实 验 教 学 示 范 中 心 在 教 学 与 科 研 的 结 合 方 面 已 经 取 得 了 丰 硕 的 成 果, 但 是 依 然 存 在 一 些 问 题 : 诸 如, 课 内 教 学 内 容 陈 旧 授 课 方 式 缺 乏 引 导 性 科 研 项 目 参 与 度 低 等 此 外, 中 心 大 部 分 研 发 成 果 脱 离 了 社 会 和 市 场 需 求, 很 难 转 化 为 现 实 生 产 力 如 何 利 用 中 心 现 有 资 源 解 决 企 业 生 产 中 的 实 际 问 题, 建 立 校 企 联 合 发 展 模 式 [5], 真 正 的 实 现 产 学 研 结 合, 同 时 进 一 步 加 强 以 项 目 促 创 新, 以 创 新 促 教 学 的 教 学 理 念, 我 们 应 该 从 以 下 几 个 方 面 着 手, 进 行 改 革 和 创 新 作 者 简 介 : 董 敬 敬 (1985 ), 女, 山 东 聊 城 人, 博 士, 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 数 理 学 院, 讲 师, 研 究 方 向 为 纳 米 材 料 与 器 件 145
3 物 理 实 验 教 学 改 革 途 径 3.1 将 科 研 成 果 转 化 为 综 合 性 物 理 实 验 题 目, 充 实 物 理 实 验 教 学 内 涵 物 理 实 验 教 学 示 范 中 心 大 部 分 教 师 都 承 担 着 科 研 项 目, 同 时 每 年 都 会 指 导 北 京 市 物 理 实 验 竞 赛 大 学 生 科 技 创 新 项 目 以 及 实 验 室 开 放 项 目 如 果 将 教 师 的 科 研 成 果 和 学 生 的 创 新 性 实 验 成 果 转 化 为 一 批 综 合 性 的 物 理 实 验 题 目, 一 方 面 可 以 使 实 验 教 学 紧 跟 科 技 前 沿, 另 一 方 面 也 可 以 使 学 生 受 到 更 多 科 研 方 面 的 训 练 在 2013 年 的 北 京 市 物 理 实 验 竞 赛 中 就 有 很 多 非 常 优 秀 的 项 目, 例 如 : 太 阳 能 电 池 的 性 能 测 试 超 声 探 测 实 验 在 岩 石 测 速 中 的 应 用 石 墨 烯 的 物 理 性 质 研 究 等 等 如 果 将 这 些 项 目 转 化 为 一 批 综 合 性 实 验 题 目, 学 生 可 以 选 作 其 中 2~3 个, 我 认 为 一 定 可 以 激 发 学 生 的 实 验 学 习 兴 趣, 同 时 提 高 了 整 体 的 科 研 素 养 3.2 根 据 社 会 需 要, 优 化 科 研 与 物 理 实 验 教 学 内 容 针 对 大 部 分 高 等 院 校 物 理 实 验 课 程 教 学 内 容 陈 旧 脱 离 实 际 应 用 等 问 题, 为 了 提 高 成 果 的 指 向 性 和 针 对 性, 我 们 可 以 以 企 业 需 求 为 导 向, 优 化 科 研 与 物 理 实 验 教 学 内 容 首 先, 深 入 企 业, 在 充 分 调 研 基 础 上 了 解 企 业 需 求, 根 据 本 地 企 业 产 品 开 发 需 求 拟 定 产 品 研 发 的 项 目 和 内 容, 将 这 些 项 目 设 计 为 难 度 不 同 层 次 不 同 的 综 合 物 理 实 验 项 目, 并 通 过 课 内 实 验 或 课 外 科 技 活 动 实 施 之 其 次, 找 准 合 作 切 入 点, 采 取 灵 活 多 样 的 合 作 方 式 [5] 比 如 : 以 协 作 形 式 建 立 校 外 实 训 基 地, 或 者, 合 作 办 学, 一 方 面, 实 现 了 教 学 科 研 资 源 的 共 享, 更 好 的 发 挥 了 服 务 社 会 的 职 能 ; 另 一 方 面, 也 可 以 根 据 企 业 需 要 及 时 变 换 教 学 与 科 研 内 容, 真 正 的 做 到 与 时 俱 进 3.3 将 实 验 教 学 成 果 和 科 研 成 果 与 产 业 化 研 究 融 合, 实 现 产 学 研 统 一 科 学 研 究 成 果 和 实 验 教 学 成 果 的 最 终 目 的 是 产 业 化, 但 是 要 真 正 实 现 实 验 教 学 科 研 成 果 与 产 业 化 研 究 融 合, 产 学 研 统 一, 不 仅 要 根 据 企 业 需 求 决 定 科 研 方 向 与 物 理 实 验 教 学 重 点, 并 及 时 的 将 教 学 与 科 研 中 取 得 的 成 果 应 用 于 实 际 生 产 过 程 中, 从 而 使 得 实 验 成 果 在 企 业 中 的 直 接 转 化, 有 效 地 提 高 了 项 目 的 针 对 性 和 成 果 的 转 化 率 ; 还 需 要 探 索 一 套 合 理 的 监 督 机 制, 对 教 学 科 研 生 产 三 个 环 节 的 权 利 及 义 务 进 行 明 文 规 范, 保 证 三 个 环 节 的 和 谐 统 一 [6] 4 结 束 语 教 育 的 价 值 在 于 解 决 实 际 问 题 产 学 研 结 合 物 理 实 验 教 学 模 式 就 是 根 据 企 业 需 求, 确 定 实 验 教 学 及 科 学 研 究 内 容, 并 将 实 验 教 学 及 科 研 成 果 及 时 的 进 行 成 果 转 化, 指 导 企 业 生 产 积 极 探 索 产 学 研 相 结 合 的 物 理 实 验 教 学 模 式, 不 仅 有 利 于 提 高 学 生 的 创 新 能 力, 也 能 提 高 教 学 科 研 资 源 利 用 效 率, 更 好 的 发 挥 高 等 院 校 服 务 社 会 的 功 能 参 考 文 献 : [1] 王 建 伟 建 立 产 学 研 紧 密 结 合 的 高 等 理 工 实 验 与 实 践 教 学 模 式 [J] 实 验 室 技 术 与 管 理, 2008,25(9):25-27 [2] 于 世 勋 地 方 高 校 产 学 研 合 作 教 育 的 路 径 探 索 [J] 国 家 教 育 行 政 学 院 学 报,2013(1): 8-12 [3] 余 凌, 鉴 定 面 向 协 同 的 产 学 研 创 新 能 力 提 升 路 径 与 对 策 研 究 [J] 理 论 月 刊,2013(7): 104-106 [4] 冯 小 燕 基 于 产 学 研 结 合 的 地 方 高 校 专 业 实 验 室 建 设 策 略 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2009, 26(8):155-158 [5] 王 依 群 浅 析 校 企 合 作 培 养 电 子 信 息 高 技 能 人 才 的 有 效 途 径 [J] 管 理 观 察,2010(32): 108-109 [6] 孔 新 舟 专 业 实 体 化 产 学 研 合 作 模 式 探 索 [J] 职 业 技 术 教 育,2010,31(2):5-7 146
Exploration on Physics Experiment Teaching Mode of Education Combined with Research and Production DONG Jing-Jing (China University of Geosciences (Beijing), School of Science, Beijing 100083, China) Abstract: Integration of education, research and production is a mode combining the education, research and enterprise needs, to improve students ability to innovate and serve the community. This paper analyzed the necessity to combine education, research and production from the talent-development firstly; then pointed out the constraints of innovation based on the current situation of university education; finally, discussed the methods to achieve the integration of education, research and production during physics experiment teaching. Key words: education; research and production; physics experiment teaching; education mode 147
用 创 新 的 方 法 推 动 大 学 生 创 新 实 验 发 展 李 传 涛, 郑 志 远, 董 爱 国, 张 自 力 ( 中 国 地 质 大 学 物 理 实 验 教 学 示 范 中 心, 北 京 100083) 摘 要 : 国 家 大 学 生 创 新 性 实 验 计 划 是 教 育 部 为 推 动 创 新 型 人 才 培 养 工 作 而 实 施 的 一 项 重 要 改 革 举 措, 取 得 了 一 些 重 要 成 果 本 文 着 重 分 析 了 目 前 物 理 实 验 竞 赛 中 存 在 的 一 些 问 题, 并 提 出 了 相 应 的 解 决 办 法 关 键 词 : 创 新 ; 创 新 实 验 ; 创 造 性 思 维 1 前 言 国 家 大 学 生 创 新 性 实 验 计 划 是 教 育 部 为 推 动 创 新 型 人 才 培 养 工 作 而 实 施 的 一 项 重 要 改 革 举 措, 于 2007 年 进 入 正 式 实 施 通 过 开 展 实 施 计 划, 带 动 广 大 的 学 生 在 本 科 阶 段 得 到 科 学 研 究 与 发 明 创 造 的 训 练, 改 变 目 前 高 等 教 育 培 养 过 程 中 实 践 教 学 环 节 薄 弱, 动 手 能 力 不 强 的 现 状, 改 变 灌 输 式 的 教 学 方 法, 推 广 研 究 性 学 习 和 个 性 化 培 养 的 教 学 方 式, 形 成 创 新 教 育 的 氛 围, 建 设 创 新 文 化, 进 一 步 推 动 高 等 教 育 教 学 改 革, 提 高 教 学 质 量 [1] 国 家 性 大 学 生 创 新 实 验 计 划 推 出 以 来, 教 育 部 组 织 了 部 分 高 校 2010 年 开 始 举 办 了 首 届 全 国 大 学 生 物 理 实 验 竞 赛 ; 北 京 市 早 在 2007 年 也 组 织 了 首 都 高 校 的 大 学 生 物 理 实 验 竞 赛, 很 多 省 区 也 纷 纷 组 织 了 本 省 的 物 理 实 验 竞 赛, 这 些 都 极 大 的 推 动 了 学 生 的 参 赛 热 情, 提 高 了 大 学 生 的 动 手 动 脑 能 力 但 是 纵 观 来 看, 现 在 还 存 在 着 一 些 问 题 2 存 在 的 问 题 2.1 创 新 思 维 欠 缺 创 造 性 思 维 是 一 种 具 有 开 创 意 义 的 思 维 活 动, 即 开 拓 人 类 认 识 新 领 域, 开 创 人 类 认 识 新 成 果 的 思 维 活 动, 它 往 往 表 现 为 发 明 新 技 术 形 成 新 观 念, 提 出 新 方 案 和 决 策, 创 建 新 理 论 从 广 义 上 讲, 创 造 性 思 维 不 仅 表 现 为 作 出 了 完 整 的 新 发 现 和 新 发 明 的 思 维 过 程, 而 且 还 表 现 为 在 思 考 的 方 法 和 技 巧 上, 在 某 些 局 部 的 结 论 和 见 解 上 具 有 新 奇 独 到 之 处 的 思 维 活 动 从 现 在 的 大 学 生 创 新 实 验 来 看, 我 们 能 看 到 很 多 大 学 生 思 路 比 较 清 晰, 也 展 现 了 很 多 独 特 的 设 计 思 路, 出 了 一 些 优 秀 的 作 品 但 同 时 我 们 也 应 该 看 到 也 存 在 着 一 些 问 题 : 原 创 性 的 东 西 不 多, 更 多 的 是 对 一 些 细 节 的 完 善 和 修 正 相 对 来 讲, 中 国 人 更 善 于 学 习, 而 不 是 创 造 大 部 分 中 国 人 缺 乏 现 代 科 学 的 思 维 模 式, 任 何 创 新, 都 需 要 一 个 自 由 的 环 境, 需 要 有 批 判 性 思 维 [2,3] 培 养 学 生 的 创 新 性 思 维 不 是 单 独 一 个 学 科 一 个 学 校 就 能 做 到 的, 我 们 不 应 对 学 生 有 所 苛 求, 这 是 全 社 会 应 该 努 力 的 方 向 2.2 学 生 参 与 度 不 够 近 年 来, 大 学 物 理 实 验 竞 赛 在 各 地 如 火 如 荼 的 举 行, 但 也 掩 盖 不 了 繁 荣 之 下 的 尴 尬 大 学 物 理 实 验 可 以 提 高 学 生 的 动 手 能 力 和 创 新 能 力, 但 是 现 在 大 学 中 有 各 种 各 样 的 竞 赛, 例 如 由 教 育 部 主 办 的 赛 事 有 大 学 生 数 学 建 模 大 赛 大 学 生 电 子 设 计 大 赛 大 学 生 机 械 设 计 大 赛 计 算 机 仿 真 大 赛 大 学 生 结 构 设 计 大 赛 工 程 训 练 中 心 综 合 能 力 竞 赛 挑 战 杯 全 国 大 学 生 课 外 学 术 科 技 作 品 竞 赛 等, 还 有 各 协 会 举 办 的 各 种 全 国 大 学 生 竞 赛 由 此, 学 生 可 以 选 择 的 竞 赛 种 类 繁 多, 自 然 造 成 了 学 生 的 分 流 另 外, 全 国 大 学 生 物 理 实 验 竞 赛 是 教 育 部 财 政 部 开 展 的 本 科 教 学 质 量 与 教 学 改 革 工 程 资 助 竞 赛 之 一, 是 为 激 发 大 学 生 对 物 理 学 和 物 理 实 验 的 兴 趣, 提 高 大 学 生 的 创 新 意 识 知 识 148
综 合 运 用 能 力 和 实 践 能 力, 同 时 为 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 物 理 学 科 组 各 高 校 的 师 生 们 提 供 交 流 的 平 台 全 国 大 学 生 物 理 实 验 竞 赛 提 倡 重 在 参 与, 注 重 过 程, 促 进 全 国 各 高 校 大 学 生 基 础 知 识 与 综 合 素 质 培 养 的 有 机 结 合, 为 优 秀 人 才 脱 颖 而 出 创 造 良 好 的 条 件 然 而 全 国 大 学 生 物 理 实 验 竞 赛 只 是 面 对 全 国 部 分 高 校, 很 多 学 校 没 有 参 赛 权, 这 些 学 校 只 能 参 加 省 级 组 织 的 物 理 实 验 竞 赛, 对 学 生 保 研 或 评 优 时 就 不 起 作 用 或 者 分 值 少, 这 就 减 少 了 对 学 生 的 吸 引 力 2.3 实 验 题 目 选 择 学 生 创 新 性 实 验 项 目 是 本 科 学 生 个 人 或 创 新 团 队, 在 导 师 的 指 导 下, 自 主 进 行 研 究 性 学 习, 自 主 进 行 实 验 方 法 的 设 计 组 织 设 备 和 材 料 实 施 实 验 分 析 处 理 数 据 撰 写 总 结 报 告 等 工 作 物 理 实 验 竞 赛 试 题 大 致 可 以 分 为 开 放 式 和 封 闭 式 ( 现 场 命 题 式 ) 两 种. 第 一 种 方 式, 开 放 方 式, 采 取 自 选 题 目 ( 主 要 指 论 文 或 自 制 设 备 等 ) 形 式 来 完 成 某 种 问 题, 这 种 试 题 评 价 标 准 不 好 确 定, 且 竞 赛 结 果 不 一 定 全 是 参 赛 者 个 人 的 结 果 ; 主 要 问 题 还 存 在 解 决 问 题 方 式 不 创 新, 但 是 做 得 却 很 精 细 且 很 好 而 有 些 解 决 问 题 的 方 法 很 创 新, 结 果 却 不 是 很 好 第 二 种 方 式, 封 闭 式 ( 现 场 命 题 式 ), 这 种 方 式 也 有 一 定 局 限 性 : 试 题 形 式 过 于 呆 板, 无 法 体 现 大 学 生 的 创 新 能 力 的 培 养 ; 其 次, 对 保 密 要 求 和 竞 赛 环 境 要 求 较 多 等 [4] 3 解 决 办 法 3.1 创 新 实 验 模 式 在 美 国 英 国 德 国 加 拿 大 等 发 达 国 家 的 许 多 高 等 学 校 中, 实 验 室 实 习 基 地 大 部 分 都 是 开 放 性 的 实 验 实 习 内 容 多 以 学 生 自 行 设 计 制 作 测 试 为 主, 学 生 可 以 做 课 内 规 定 的 项 目, 也 可 以 做 自 己 感 兴 趣 的 内 容, 为 学 生 提 供 了 一 个 大 胆 思 维 不 受 约 束 能 充 分 发 挥 个 性 的 空 间 和 条 件, 这 也 是 为 什 么 西 方 发 达 国 家 培 养 的 入 才 创 新 能 力 强 的 原 因 之 一 事 实 证 明, 实 行 开 放 性 实 验 教 学 是 深 化 教 学 改 革 提 高 办 学 水 平 的 需 要, 是 形 势 发 展 的 必 然 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 对 此 进 行 了 一 系 列 探 索, 为 配 合 学 生 的 创 新 实 验, 物 理 实 验 教 学 中 心 专 门 有 一 个 教 室, 配 有 各 种 工 具, 学 生 可 以 进 行 各 种 制 作, 如 打 孔 焊 接 切 割 组 装 等 ; 在 这 里 学 生 可 以 按 照 自 己 的 想 法 自 主 进 行 操 作 实 习 在 此 模 式 下, 一 部 分 动 手 能 力 强 有 想 法 的 同 学 对 感 兴 趣 的 问 题 进 行 了 实 验, 取 得 了 积 极 成 果 3.2 举 办 全 国 大 学 生 物 理 实 验 竞 赛 目 前, 很 多 省 市 都 在 组 织 自 己 的 大 学 生 物 理 实 验 竞 赛, 有 的 是 由 省 市 教 育 厅 组 织, 有 的 是 依 托 学 会 组 织 虽 然 学 生 有 很 高 的 参 赛 热 情, 但 毕 竟 由 于 级 别 的 关 系, 影 响 力 没 有 完 全 发 挥 出 来 为 此, 我 们 建 议 能 够 组 织 全 国 高 校 普 遍 参 与 的 全 国 大 学 生 物 理 实 验 竞 赛, 提 高 物 理 实 验 竞 赛 的 影 响 力, 使 其 能 够 成 为 水 平 高 影 响 力 广 的 重 要 国 家 级 赛 事 之 一, 提 高 在 学 生 中 的 影 响 力 3.3 与 产 业 需 要 联 合, 更 新 竞 赛 题 目 我 们 现 在 的 物 理 实 验 竞 赛 题 目 经 过 了 组 委 会 老 师 的 精 心 准 备, 展 示 了 较 高 水 准, 学 生 也 制 作 了 较 高 水 平 的 作 品 但 如 果 能 够 与 一 些 优 秀 企 业 结 合, 让 企 业 把 一 些 需 要 解 决 的 适 合 大 学 生 知 识 水 平 的 问 题 作 为 竞 赛 题 目, 可 能 能 和 实 际 需 要 结 合 的 更 为 紧 密, 更 好 的 让 技 术 成 果 转 化 为 现 实 生 产 力 4 结 束 语 大 学 生 创 新 性 实 验 计 划 是 一 个 新 生 事 物, 在 实 施 中 还 存 在 许 多 问 题, 需 要 在 今 后 的 实 践 中 进 一 步 探 索 和 完 善 通 过 大 学 生 创 新 实 验 计 划 的 实 施, 学 生 的 创 新 能 力 参 与 科 技 活 动 的 积 极 性 都 得 到 了 提 高, 并 取 得 了 许 多 成 果 本 文 简 单 分 析 了 现 在 大 学 物 理 实 验 竞 赛 中 存 在 的 一 149
些 问 题 和 解 决 问 题 的 思 路, 从 而 探 讨 了 促 进 物 理 实 验 竞 赛 能 更 好 开 展 的 方 法 和 途 径 参 考 文 献 : [1] 郑 志 远, 蒋 云, 薛 薇, 等 大 学 生 创 新 实 验 计 划 实 施 的 实 践 及 探 索 [J] 实 验 技 术 与 管 理, 2010,27(10):30-35 [2] 余 华 东 创 新 思 维 的 关 键 是 非 逻 辑 思 维 [J] 山 西 大 学 师 范 学 院 学 报,2002,9 [3] 王 巍, 王 声 乐 创 新 思 维 能 力 的 培 养 [J] 辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报 ( 社 会 科 学 版 ),2008, 10(5):553-555 [4] 肖 文 波, 何 兴 道, 龚 勇 清, 等 大 学 物 理 实 验 竞 赛 试 题 设 计 和 考 核 方 式 的 讨 论 [J] 物 理 与 工 程,2011,20(2): 33-35 The development of college students' innovative experiment using the method of innovation LI Chuan-tao, ZHENG Zhi-yuan, DONG Ai-guo, ZHANG Zi-li (Demonstration Center of Physics Experiment, China University of Geosciences, Beijing 100083, China) Abstract: The national college students' innovative experiment plan is the ministry of education to promote the innovative talents training and implement an important reform measures, some important results were obtained. This paper analyses the problems existing in current physical experiment competition, and proposed the corresponding solution. Key words: innovation; innovative experiment; Creative thinking 150
浅 议 大 学 生 科 研 精 神 与 创 新 能 力 的 培 养 樊 振 军, 郑 志 远, 冯 娟, 董 敬 敬, 高 华, 张 自 力 ( 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 数 理 学 院 物 理 实 验 中 心, 北 京 100083) 摘 要 : 本 文 结 合 教 学 实 践 介 绍 了 现 阶 段 大 学 生 进 行 科 学 研 究 的 主 要 模 式, 以 及 大 学 生 进 行 创 新 活 动 存 在 的 主 要 问 题, 根 据 实 践 情 况 提 出 了 引 导 大 学 生 进 行 科 学 研 究 应 注 意 的 问 题 以 及 鼓 励 大 学 生 进 行 创 新 活 动 的 主 要 方 法 关 键 词 : 创 新 能 力 ; 实 践 能 力 ; 科 研 精 神 1 引 言 经 过 十 几 年 的 小 学 及 中 学 的 学 习, 我 国 的 学 生 在 升 入 大 学 后 亟 待 提 高 其 科 研 精 神 及 创 新 能 力, 不 同 于 国 外 的 个 性 化 教 育, 我 们 国 家 的 中 小 学 的 教 育 过 程 存 在 着 重 应 试 教 育, 轻 创 新 精 神 的 培 养, 一 个 儿 童 从 小 为 了 升 入 好 的 学 校 必 须 参 加 各 种 应 试 的 培 训 班, 他 们 没 有 时 间 进 行 独 立 的 观 察 与 思 考, 所 以 逐 渐 的 也 就 慢 慢 地 失 去 了 创 新 能 力 与 质 疑 的 精 神 而 对 于 升 入 大 学 的 大 学 生 来 说, 一 旦 缺 失 了 创 新 能 力 与 科 研 精 神, 那 么 他 们 大 学 毕 业 以 后 在 自 己 的 工 作 岗 位 上 就 很 难 有 所 作 为 我 们 说 国 家 的 强 盛, 需 要 科 技 的 创 新 来 支 持, 所 以 也 就 要 求 我 们 的 高 等 教 育 学 校 培 养 出 更 多 优 秀 的 具 有 创 新 能 力 及 科 研 能 力 的 大 学 毕 业 生 [1] 2 现 阶 段 大 学 开 展 科 研 工 作 的 主 要 模 式 有 以 下 四 种 2.1 校 级 大 学 生 创 新 实 验 项 目 根 据 教 育 部 办 公 厅 关 于 申 报 国 家 大 学 生 创 新 性 实 验 计 划 的 通 知 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 大 学 生 创 新 性 实 验 计 划 项 目 实 施 办 法 ( 试 行 ) 文 件 精 神, 为 了 提 高 大 学 生 创 新 能 力 和 实 践 能 力, 进 一 步 调 动 全 校 本 科 生 开 展 科 学 研 究 的 主 动 性 积 极 性 和 创 造 性, 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 每 年 开 展 一 次 大 学 生 创 新 研 究 项 目 的 申 报 项 目 分 为 一 般 与 重 点 两 类, 资 助 经 费 为 3000~10000 元, 学 生 是 项 目 的 管 理 者 与 实 施 者, 每 一 个 项 目 选 取 一 名 指 导 老 师 在 每 年 的 大 学 生 创 新 题 目 的 申 报 中, 大 学 生 创 新 实 验 项 目 分 为 北 京 市 级 与 国 家 级 两 类 重 点 创 新 项 目, 以 及 校 级 的 一 般 项 目 及 校 级 的 重 点 项 目 四 个 等 级 对 于 研 究 内 容 详 实 题 目 前 沿 的 项 目 学 校 会 推 荐 获 得 北 京 市 级 与 国 家 级 的 资 助, 资 助 经 费 比 校 内 的 项 目 要 多, 项 目 结 束 后, 由 学 校 负 责 验 收, 并 将 验 收 结 果 报 北 京 市 教 委 2.2 实 验 室 的 开 放 项 目 高 校 的 实 验 教 学 在 本 科 生 教 学 中 占 有 重 要 的 地 位, 实 验 室 为 学 生 开 展 实 验 发 挥 主 观 能 动 性 提 供 良 好 的 条 件 和 环 境, 极 大 的 调 动 了 学 生 的 积 极 性, 有 利 于 创 新 性 人 才 的 早 期 发 现 与 培 养 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 资 产 处 负 责 每 年 的 实 验 室 开 放 项 目 的 申 报 与 管 理, 原 则 上 项 目 由 教 师 提 出, 实 验 题 目 要 求 与 实 验 内 容 相 关, 使 得 从 事 开 放 项 目 的 同 学 能 在 实 验 室 进 行 项 目 的 研 究 实 验 室 的 开 放 项 目 根 据 项 目 研 究 内 容 的 情 况, 同 大 学 生 创 新 项 目 一 样 也 分 为 四 个 等 级, 即 国 家 级 北 京 市 级 校 级 一 般 及 校 级 重 点 项 目, 除 了 研 究 经 费 不 同 以 外, 每 一 个 项 目 基 金 项 目 : 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 ( 项 目 编 号 2652012054) 作 者 简 介 : 樊 振 军 (1975 ), 女, 山 东 省 临 清 市 人, 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 数 理 学 院, 副 教 授, 理 学 博 士, 主 要 研 究 方 向 为 准 晶 材 料 的 生 长 及 其 性 能 研 究 151
的 管 理 及 检 查 验 收 的 方 式 都 是 一 样 的 2.3 参 加 物 理 实 验 技 能 大 赛 从 2006 年 开 始, 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 每 年 举 办 一 次 物 理 实 验 技 能 大 赛, 大 赛 的 题 目 与 北 京 市 物 理 实 验 技 能 大 赛 的 题 目 相 同, 每 年 在 暑 假 前 公 布 竞 赛 题 目, 学 生 根 据 兴 趣 选 取 题 目 进 行 研 究, 利 用 暑 假 的 时 间 进 行 准 备 通 过 物 理 实 验 技 能 大 赛 的 形 式 每 年 也 吸 引 很 多 同 学 利 用 暑 假 进 行 科 研 工 作, 物 理 竞 赛 的 题 目 包 括 科 研 论 文 限 定 题 目 的 竞 赛 项 目 及 有 物 理 思 想 的 仪 器 制 作, 所 以 学 生 对 于 研 究 的 内 容 有 很 宽 的 选 择 范 围 2.4 以 实 验 室 为 依 托, 进 行 独 立 的 科 研 创 新 活 动 对 于 没 有 成 功 申 请 大 学 生 创 新 及 实 验 室 开 放 项 目 的 学 生, 以 学 院 为 单 位 的 实 验 实 也 是 真 正 对 科 研 感 兴 趣 的 学 生 进 行 科 研 的 地 方, 比 如 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 物 理 实 验 中 心 具 有 大 量 的 机 械 加 工 工 具 及 一 些 物 理 测 量 仪 器, 而 且 实 验 室 全 天 开 放, 所 以 有 很 多 学 生 在 实 验 室 已 经 和 正 在 开 展 自 己 感 兴 趣 的 科 研 项 目 3 大 学 生 进 行 创 新 活 动 存 在 的 主 要 问 题 以 上 是 近 几 年 我 校 大 学 生 进 行 科 研 活 动 的 主 要 模 式, 在 上 述 的 科 研 活 动 过 程 中, 大 部 分 的 同 学 都 增 强 了 科 研 意 识, 提 高 了 动 手 实 践 能 力, 在 实 验 总 结 的 撰 写 过 程 中 提 高 了 论 文 写 作 能 力 但 是 在 具 体 的 实 践 中, 也 暴 露 出 学 生 在 科 研 活 动 的 过 程 中 存 在 一 些 问 题, 主 要 表 现 为 两 个 方 面 3.1 研 究 题 目 的 提 出 基 本 都 是 由 教 师 来 完 成 我 校 学 生 的 研 究 题 目 超 过 九 成 都 是 由 教 师 提 出, 学 生 听 从 教 师 的 指 挥 进 行 一 些 工 作, 由 于 缺 乏 对 生 活 的 实 际 观 察 及 思 考, 另 外 极 少 关 注 科 研 动 态, 很 少 有 学 生 能 独 立 自 主 的 提 出 切 实 可 行 的 研 究 题 目 3.2 学 生 的 主 体 作 用 较 差 在 进 行 科 研 活 动 的 具 体 过 程 中, 有 近 一 半 的 学 生 只 能 听 从 老 师 的 指 挥 进 行 一 些 跑 腿 的 工 作, 对 于 项 目 的 实 施 没 有 自 己 的 想 法, 如 果 学 生 在 科 研 活 动 的 过 程 中 只 是 被 动 的 执 行 老 师 的 安 排, 就 达 不 到 培 养 科 技 创 新 能 力 的 目 的 4 鼓 励 学 生 创 新 活 动 的 主 要 方 法 为 了 鼓 励 学 生 积 极 的 进 行 科 学 研 究 活 动 根 据 我 们 近 几 年 的 工 作 经 验, 发 现 采 取 合 理 的 方 式 方 法 对 学 生 进 行 指 导 与 鼓 励, 可 以 极 大 地 提 高 学 生 进 行 科 研 活 动 的 积 极 性, 将 学 生 被 动 的 进 行 工 作 转 变 为 其 主 动 的 快 乐 的 进 行 科 学 创 新, 从 而 收 到 了 比 较 好 的 教 学 效 果 首 先, 广 泛 的 宣 传 是 吸 引 到 多 数 学 生 的 主 要 手 段 我 们 的 宣 传 方 式 包 括 课 堂 老 师 的 告 知, 以 及 校 园 网 站 的 通 知 公 告, 经 过 上 述 的 宣 传 物 理 实 验 中 心 一 年 学 生 的 报 名 数 大 概 为 20 组, 约 60 人 ;2013 年 夏 物 理 实 验 中 心 进 行 了 走 廊 改 造, 在 走 廊 的 两 侧 及 顶 部 的 墙 上 展 出 了 以 时 间 及 空 间 为 主 线 的 物 理 知 识, 及 物 理 知 识 在 生 活 实 际 及 军 事 工 业 等 方 面 的 应 用, 这 样 学 生 在 上 课 的 过 程 中 利 用 课 前 或 课 后 的 时 间, 可 以 学 习 到 非 常 广 泛 的 物 理 知 识, 了 解 到 物 理 在 生 活 中 的 实 际 应 用 尤 其 是 文 科 学 生 看 到 图 文 并 茂 的 生 动 直 观 的 物 理 知 识 的 介 绍 后, 很 多 同 学 也 对 物 理 的 学 习 产 生 了 兴 趣, 由 此 可 以 看 出, 适 当 的 科 研 氛 围 的 建 立 是 引 导 学 生 步 入 科 研 殿 堂 的 一 个 非 常 可 行 的 方 法 为 了 鼓 励 更 多 的 学 生 进 行 科 研 活 动, 吸 引 更 多 的 学 生 加 入 到 创 新 的 团 队 中, 利 用 学 校 社 团 的 力 量 进 行 宣 传 更 容 易 拉 近 学 生 与 科 研 的 距 离, 通 过 高 年 级 同 学 的 自 己 科 研 活 动 及 科 研 成 果 的 介 绍, 更 能 建 立 学 生 对 科 研 的 信 心 及 兴 趣 其 次, 建 立 适 当 的 奖 励 机 制 也 是 吸 引 学 生 的 有 效 方 法 相 比 较 研 究 生 大 学 生 的 课 堂 学 习 时 间 要 多 很 多, 能 进 行 科 研 活 动 的 大 块 时 间 不 多, 很 多 同 学 担 心 做 创 新 项 目 会 占 用 他 们 很 多 的 时 间, 所 以 就 不 敢 去 申 请 研 究 项 目, 走 不 出 进 行 科 研 活 动 的 第 一 步, 针 对 上 述 问 题, 我 们 152
学 校 规 定 选 修 了 创 新 实 验 题 目 的 同 学 可 以 申 请 创 新 学 分, 从 而 可 以 减 免 部 分 课 程 的 学 习 ; 物 理 实 验 中 心 规 定 对 于 选 作 中 心 创 新 题 目 的 学 生 可 以 申 请 减 免 部 分 相 关 的 物 理 实 验 题 目, 通 过 上 述 形 势 学 生 的 创 新 实 验 工 作 的 工 作 量 得 到 认 可, 也 能 减 少 他 们 进 行 创 新 活 动 的 一 些 担 忧, 许 多 同 学 在 选 题 前 怕 进 行 课 外 的 科 研 活 动 影 响 课 堂 的 学 习, 有 的 同 学 担 心 实 验 工 作 占 用 太 多 时 间, 如 果 从 学 校 层 面 肯 定 了 学 生 的 科 研 活 动, 他 们 在 进 行 课 外 的 创 新 项 目 时 就 减 少 了 很 多 的 精 神 负 担, 所 以 近 几 年 学 生 进 行 科 研 活 动 的 积 极 性 越 来 越 高 总 之, 创 新 对 于 我 国 的 教 育 来 说, 不 是 一 种 新 思 想, 但 无 疑 是 一 个 新 课 题, 它 对 宏 观 的 教 育 体 制 和 微 观 的 教 育 措 施 等 都 带 来 一 场 前 所 未 有 的 挑 战, 培 养 创 新 人 才, 需 要 创 新 教 育 高 校 建 立 科 学 的 创 新 能 力 培 养 体 系, 营 造 浓 厚 的 大 学 生 科 技 创 新 氛 围, 营 造 科 技 创 新 环 境, 对 于 培 养 适 应 经 济 社 会 发 展 的 高 级 创 新 人 才 具 有 十 分 重 要 的 现 实 意 义 参 考 文 献 : [1] 王 松 武, 刁 鸣, 于 云 峰 适 应 学 生 课 外 科 技 活 动 的 实 验 室 开 放 与 运 行 模 式 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2006,24(7):139-141 [2] 郭 伟 锋 实 验 室 环 境 下 创 新 能 力 培 养 的 协 同 观 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2009,28(10): 14-16 [3] 葛 龙 威 大 学 生 课 外 科 技 创 新 活 动 特 点 及 问 题 分 析 和 管 理 对 策 研 究 [J] 经 济 师,2006, 3:88-89 [4] 徐 洪 珍, 李 茂 兰 大 学 生 科 技 创 新 能 力 培 养 的 探 索 与 实 践 [J] 东 华 理 工 大 学 学 报 ( 社 会 科 学 版 ),2009,28(3):294-297 [5] 樊 振 军, 郝 会 颖, 赵 长 春 通 过 参 加 科 学 实 践 提 高 学 生 创 新 能 力 [J] 中 国 科 技 信 息,2008, (9):205-206 [6] 张 小 康, 王 亚 南, 刘 华 平 大 学 生 科 技 创 新 活 动 中 重 视 文 献 综 述 能 力 的 培 养 [J] 中 国 科 教 创 新 导 刊,2010(31):23 [7] 张 幼 芳 大 学 生 科 技 创 新 活 动 存 在 的 问 题 与 思 考 [J] 中 国 科 教 创 新 导 刊,2009(31):171 [8] 唐 杰, 王 跃 球, 尹 进 田 大 学 生 创 新 教 育 新 模 式 的 探 索 [J] 电 气 电 子 教 学 学 报,2009, 31(2):119-120 [9] 朱 亦 赤, 王 玲 从 研 究 生 的 视 角 谈 如 何 提 高 研 究 生 科 研 能 力 [J] 中 国 科 教 创 新 导 刊,2010 (31):168 153
拔 尖 人 才 培 养 中 综 合 物 理 实 验 教 学 改 革 实 践 与 探 索 张 俊 武, 程 向 明, 王 红 理, 高 博 ( 西 安 交 通 大 学 理 学 院, 陕 西 西 安 710049) 摘 要 : 在 理 工 科 大 学 教 育 中, 物 理 实 验 课 程 占 有 重 要 的 位 置, 尤 其 在 以 培 养 拔 尖 人 才 为 目 标 的 新 一 轮 教 育 改 革 大 潮 中, 更 具 有 很 强 的 针 对 性, 是 全 面 培 养 学 生 分 析 能 力 解 决 实 际 问 题 能 力 激 发 创 造 能 力 的 重 要 训 练 课 程 我 们 对 所 承 担 的 拔 尖 人 才 专 业 的 综 合 物 理 实 验 教 学 进 行 了 改 革 与 探 索, 经 过 几 年 的 实 施, 取 得 了 一 定 的 成 效 关 键 词 : 拔 尖 人 才 ; 物 理 实 验 ; 教 学 改 革 1 引 言 近 年 来, 随 着 我 国 高 等 教 育 事 业 的 蓬 勃 发 展, 各 高 校 纷 纷 开 设 高 层 次 本 科 专 业, 着 眼 于 拔 尖 人 才 培 养, 以 西 安 交 大 为 例, 先 后 开 设 少 年 班 钱 学 森 班 物 理 试 验 班 等 专 业, 对 于 这 些 学 生 的 课 程 设 置 和 开 设, 成 为 衡 量 我 们 教 育 改 革 能 否 成 功 的 重 要 标 志 在 理 工 科 大 学 人 才 培 养 中, 物 理 实 验 课 程 在 有 着 不 可 替 代 的 重 要 地 位, 它 可 使 学 生 巩 固 所 学 知 识 加 深 对 物 理 现 象 和 规 律 的 理 解, 同 时 又 培 养 学 生 动 手 解 决 实 际 问 题 的 技 能, 提 高 其 观 察 分 析 实 际 问 题 的 能 力, 从 而 成 为 培 养 学 生 创 造 性 的 重 要 训 练 课 程 但 是, 对 于 这 些 拔 尖 人 才 的 物 理 实 验 课 程 开 设, 尤 其 在 完 成 了 以 动 手 能 力 训 练 为 目 的 的 基 础 物 理 实 验 之 后, 为 全 面 培 养 其 观 察 分 析 解 决 实 际 问 题 的 能 力, 在 后 续 的 物 理 实 验 教 学 中, 必 须 采 取 灵 活 性 多 样 化 多 元 化 的 教 学 方 式, 激 发 学 生 的 学 习 兴 趣, 培 养 和 提 高 其 自 主 研 究 性 学 习 能 力 创 新 能 力 和 动 手 实 践 能 力 正 是 基 于 以 上 考 虑, 我 们 对 所 承 担 的 拔 尖 人 才 专 业 的 综 合 物 理 实 验 课 程 进 行 了 研 究 与 探 索, 经 过 连 续 几 届 的 摸 索 与 实 践, 在 少 年 班 钱 学 森 班 和 物 理 实 验 班 的 教 学 中 推 行, 得 到 学 生 积 极 的 响 应, 取 得 了 良 好 的 效 果 2 课 程 内 容 与 形 式 的 改 革 在 综 合 物 理 实 验 课 程 内 容 与 教 学 形 式 改 革 方 面, 我 们 结 合 本 校 本 中 心 的 特 点, 进 行 了 深 入 的 研 究 与 探 索 按 照 理 论 与 实 践 相 结 合 各 个 学 科 相 互 交 叉 的 原 则, 将 实 验 内 容 进 行 了 模 块 化 设 置, 将 其 分 为 多 个 系 列 专 题, 各 个 专 题 中 包 含 数 目 不 等 基 础 实 验 拓 展 实 验 和 研 究 性 实 验 内 容 学 生 根 据 自 己 的 兴 趣 爱 好 和 能 力 选 择 内 容, 并 以 小 组 形 式 完 成 实 验 在 每 一 个 实 验 小 组 里, 每 个 学 生 首 先 要 完 成 一 定 数 量 的 基 础 实 验, 在 此 基 础 上, 还 必 须 以 个 人 或 小 组 形 式 完 成 一 定 内 容 的 设 计 性 实 验, 根 据 要 求 设 计 出 实 验 方 案 进 行 查 阅 资 料 理 论 准 备 完 成 实 验 器 材 的 搭 建 采 集 处 理 分 析 实 验 数 据, 并 最 终 完 成 综 合 性 实 验 报 告 教 学 过 程 注 重 与 学 习 的 互 动, 激 发 他 们 的 学 习 兴 趣 ; 注 重 与 工 程 实 践 实 际 应 用 相 结 合 实 验 课 程 内 容 分 为 以 下 专 题 : 1) 计 算 机 传 感 器 专 题 : 在 学 习 了 传 感 器 理 论 和 基 础 实 验 之 后, 学 生 选 择 项 目 进 行 设 计 创 新 完 成 全 部 的 实 验 内 容 通 过 该 专 题 的 学 习, 可 以 使 学 生 学 习 传 感 器 的 理 论 及 应 用 传 感 器 的 内 部 结 构 和 外 部 特 性 以 及 接 口 电 路 ; 更 好 地 了 解 各 类 传 感 器 在 现 代 科 学 技 术 各 领 域 里 的 应 用, 学 习 怎 样 用 计 算 机 对 各 类 物 理 量 进 行 数 据 采 集 与 处 理 传 感 器 是 检 测 技 术 和 自 动 控 制 的 重 要 环 节, 目 前 已 广 泛 应 用 于 科 学 各 领 域, 通 过 该 专 题 的 学 习, 为 今 后 从 事 科 研 工 作 奠 定 一 个 良 好 的 基 础 154
2) 近 现 代 光 学 专 题 : 通 过 学 习 声 光 效 应 的 理 论 和 系 列 实 验, 可 以 了 解 各 类 声 光 器 件 的 原 理 和 应 用, 声 光 技 术 在 激 光 技 术 光 信 号 处 理 和 集 成 通 讯 等 方 面 有 着 重 要 的 应 用 ; 学 习 用 迈 克 尔 孙 干 涉 仪 测 量 光 源 波 长 及 精 细 结 构 和 微 小 长 度 和 长 度 的 微 小 变 化 等 应 用 ; 学 习 全 息 照 相 的 基 本 理 论 拍 摄 技 术, 观 察 和 分 析 全 息 图 通 过 全 息 系 列 实 验 的 学 习, 可 以 了 解 全 息 照 相 技 术 在 精 密 计 量 无 损 检 测 信 息 存 储 和 处 理 等 领 域 的 应 用, 全 息 技 术 已 经 发 展 成 为 近 代 科 学 的 一 个 新 领 域 在 教 学 实 践 探 索 过 程 中, 对 学 生 的 考 查 要 求 也 逐 步 深 化, 要 求 其 在 完 成 专 题 实 验 内 容 后, 撰 写 相 应 的 综 合 性 专 题 实 验 报 告, 对 系 列 实 验 的 目 的 原 理 过 程 和 结 果 进 行 描 述, 着 重 分 析 实 验 中 所 碰 到 的 各 种 问 题 及 应 对 措 施, 分 析 评 价 实 验 结 果, 并 大 胆 提 出 自 己 对 于 整 个 实 验 过 程 仪 器 的 改 进 设 想, 有 条 件 时 可 分 步 实 施, 并 完 成 自 己 的 设 计 性 实 验 指 导 3 教 学 改 革 效 果 与 评 价 在 实 验 课 程 中, 通 过 对 于 传 感 器 系 列 专 题 实 验 研 究, 学 生 们 学 习 了 传 感 器 理 论 传 感 器 的 内 部 结 构 和 外 部 特 性 以 及 接 口 电 路 和 基 础 实 验, 并 对 部 分 传 感 器 和 实 验 内 容 进 行 设 计 性 改 造, 提 出 了 自 己 的 实 验 方 案 对 于 光 学 专 题 共 开 设 了 声 光 效 应 迈 克 尔 孙 干 涉 仪 和 全 息 照 相 3 个 专 题 大 多 数 学 生 对 全 息 照 相 专 题 感 兴 趣, 他 们 积 极 学 习 基 本 理 论 拍 摄 技 术, 观 察 和 分 析 全 息 图 之 后, 查 找 资 料, 自 己 设 计 全 息 照 相 技 术 在 精 密 计 量 无 损 检 测 方 面 的 应 用 方 案, 反 复 试 验, 得 出 结 果 通 过 这 种 方 式 的 学 习, 大 大 地 激 发 了 学 生 的 积 极 性, 进 一 步 锻 炼 了 他 们 的 动 手 能 力, 提 高 了 他 们 在 面 对 实 际 应 用 时 分 析 解 决 问 题 的 能 力 许 多 学 生 为 通 过 反 复 的 实 验 和 努 力 解 决 了 问 题 而 感 到 兴 奋, 自 愿 延 长 实 验 时 间, 甚 至 利 用 课 外 时 间 进 行 实 验 他 们 积 极 主 动 地 完 成 了 实 验 内 容, 并 同 时 通 过 自 主 学 习 完 成 综 合 性 专 题 实 验 报 告, 内 容 充 足 详 实 分 析 精 细, 提 出 的 问 题 尖 锐 有 针 对 性, 解 决 方 案 可 行 性 很 强, 报 告 的 篇 幅 甚 至 达 五 六 十 页 可 以 看 出 来, 学 生 们 在 用 心 做 实 验 近 几 年 来, 利 用 实 验 课 程 平 台, 多 名 学 生 参 加 全 国 大 学 生 实 验 竞 赛 及 学 术 竞 赛, 取 得 了 不 错 的 成 绩 以 下 是 部 分 学 生 对 课 程 改 革 的 评 价 : 高 级 物 理 实 验 所 谓 的 高 级 在 我 看 来 一 是 实 验 仪 器 的 高 级 ( 实 验 的 先 进 性 ); 二 是 学 生 的 自 主 性, 完 全 由 学 生 自 己 选 题, 自 己 动 手 操 作 设 计 实 验 ; 另 外, 实 验 扩 宽 了 我 们 的 视 野, 学 到 了 课 本 上 学 不 到 的 东 西 这 些 给 我 留 下 最 深 刻 的 印 象 这 次 的 实 验 跟 我 们 以 前 的 实 验 不 同, 因 为 我 觉 得 这 次 我 是 真 正 的 自 己 去 完 成 我 们 学 生 自 己 的 能 力 得 到 了 充 分 的 发 挥, 真 正 得 到 了 收 获, 特 别 是 学 到 了 进 行 实 验 所 需 要 的 很 多 品 质 所 以 我 觉 得 这 次 实 验 是 最 宝 贵, 最 深 刻 的 通 过 这 次 实 验, 我 不 但 对 理 论 知 识 有 了 更 加 深 的 理 解, 对 于 实 际 的 操 作 也 有 质 的 飞 跃 经 过 这 次 实 验, 我 们 整 体 对 各 个 方 面 都 得 到 了 不 少 的 提 高, 希 望 以 后 学 校 和 系 里 能 够 开 设 更 多 类 似 的 实 验, 能 够 让 我 们 得 到 更 好 的 锻 炼 总 体 说 来, 这 次 课 程 学 习 感 到 收 获 满 满, 激 起 了 我 进 一 步 学 习 物 理 的 兴 趣 4 结 束 语 实 验 课 程 教 学 改 革 是 一 项 长 期 而 艰 巨 的 工 作, 在 实 际 的 教 学 实 践 中 我 们 深 感 到 各 种 不 足 与 待 改 进 : 实 验 专 题 数 量 偏 少 传 感 器 种 类 不 够 丰 富 指 导 教 师 理 论 知 识 有 待 进 一 步 拓 宽, 尤 其 在 面 对 层 次 较 高 的 拔 尖 学 生 时, 这 些 问 题 尤 为 突 出 在 目 前 情 况, 即 刻 解 决 这 些 问 题 并 不 现 实, 只 能 通 过 坚 持 不 懈 地 探 索 与 实 践, 不 断 地 摸 索, 寻 找 最 大 地 发 挥 现 有 资 源 优 势 的 方 法, 这 恰 恰 也 正 是 进 一 步 进 行 教 学 改 革 的 动 力 所 在, 也 是 我 们 进 行 教 育 改 革 的 目 标 之 一 155
Comprehensive physical experimental teaching reform practice and exploration for Talent training ZHANG Jun-wu, CHENG Xiang-ming, WANG Hong-li, GAO Bo (School of Science, Xi'an Jiao Tong University, Xi an 710049, China) Abstract: In the science and engineering university education, the physical experiment teaching occupies an important position, especially in the new round of education reform tide, which is as the goal to cultivation of talents, more targeted very strong. It is an important training courses to train the students' ability to analyze, stimulate solving the actual problem ability and creative ability. After several years of implementation, the reform and exploration of our comprehensive physics experiment on the top talent teaching achieved certain results. Key words: top talents; physical experiment; teaching reform 156
大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 体 系 的 研 究 与 实 践 王 铁 云 ( 长 治 学 院 电 子 信 息 与 物 理 系, 山 西 长 治 046011) 摘 要 : 根 据 理 工 科 类 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 基 本 要 求 对 实 验 教 学 质 量 的 评 价 理 念, 结 合 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 的 实 际, 对 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 的 质 量 要 素 与 评 价 标 准 进 行 了 研 究 与 探 讨, 构 建 了 客 观 有 效 和 操 作 性 较 强 的 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 体 系, 并 对 质 量 评 估 的 有 效 实 施 评 估 实 践 中 容 易 出 现 的 问 题 评 估 对 提 高 实 验 教 学 质 量 的 促 进 作 用 等 作 了 分 析 与 讨 论 关 键 词 : 大 学 物 理 实 验 ; 教 学 质 量 ; 评 估 ; 指 标 体 系 ; 评 价 标 准 1 引 言 实 验 教 学 是 高 等 学 校 教 学 工 作 的 重 要 组 成 部 分, 大 学 物 理 实 验 是 理 工 科 类 专 业 学 生 进 行 科 学 实 验 基 本 训 练 的 公 共 必 修 课 程, 是 本 科 生 接 受 系 统 实 验 方 法 和 实 验 技 能 训 练 的 开 端, 是 培 养 理 工 科 类 专 业 技 术 人 才 最 重 要 的 基 础 课 程, 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 的 优 劣 关 系 到 本 科 人 才 的 培 养 质 量 [1] 近 年 来, 随 着 教 育 部 高 等 学 校 物 理 基 础 课 程 教 学 指 导 委 员 会 对 理 工 科 类 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 基 本 要 求 ( 以 下 简 称 基 本 要 求 ) 的 出 台, 各 个 高 校 对 大 学 物 理 实 验 课 程 的 教 学 条 件 教 学 队 伍 课 程 体 系 均 进 行 了 优 化 但 是, 对 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 的 评 估 还 没 有 规 范 的 评 估 办 法, 实 验 教 学 质 量 已 成 为 学 校 领 导 和 教 学 管 理 部 门 关 注 的 问 题 本 文 就 是 依 据 基 本 要 求 对 实 验 教 学 质 量 的 评 价 理 念, 结 合 大 学 物 理 实 验 教 学 的 实 际, 吸 取 我 校 多 年 来 实 验 课 程 管 理 与 评 估 的 经 验, 对 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 体 系 进 行 研 究 与 探 讨 2 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 指 标 体 系 的 设 计 原 则 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 指 标 体 系 的 设 计, 是 对 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 进 行 有 效 评 价 与 鉴 定 的 基 础, 为 使 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 的 评 估 具 有 科 学 性 和 有 效 性, 评 估 指 标 体 系 的 设 计 须 遵 循 一 定 的 原 则 2.1 客 观 性 与 导 向 性 原 则 客 观 性 是 指 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 指 标 体 系 的 设 计 要 符 合 大 学 物 理 实 验 教 学 规 律, 指 标 体 系 具 有 合 理 性 可 靠 性 与 可 操 作 性, 通 过 客 观 地 建 立 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 指 标 体 系, 使 评 估 结 果 符 合 实 验 教 学 实 际, 能 客 观 的 体 现 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 的 目 的 是 引 导 教 师 重 视 实 验 教 学, 推 动 实 验 教 学 的 改 革, 提 高 实 验 教 学 质 量 所 以 导 向 性 作 用 既 体 现 在 指 标 体 系 各 条 目 的 选 择 和 评 估 标 准 的 制 定 上, 又 体 现 在 如 何 确 定 各 条 目 的 权 重 上, 同 时 要 求 评 估 指 标 的 内 涵 评 估 过 程 评 估 侧 重 点 都 符 合 基 本 要 求 按 照 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 指 标 体 系 对 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 所 作 出 的 基 金 项 目 : 山 西 省 高 等 学 校 教 学 改 革 重 点 项 目 新 建 本 科 院 校 理 工 科 类 非 物 理 专 业 大 学 物 理 实 验 教 学 改 革 研 究 与 实 践 ( 项 目 编 号 :J2011104); 教 育 部 高 等 学 校 教 学 研 究 项 目 基 础 物 理 实 验 课 程 教 学 评 估 研 究 与 实 践 ( 项 目 编 号 :JGY08029) 作 者 简 介 : 王 铁 云 (1956 ), 男, 山 西 晋 城 市 人, 理 学 硕 士, 教 授, 主 要 从 事 物 理 实 验 教 学 与 研 究 工 作 研 究 方 向 : 实 验 物 理 与 现 代 教 育 技 术 157
评 估, 能 够 为 大 学 物 理 实 验 教 学 改 革 和 质 量 的 进 一 步 提 高 提 供 导 向 作 用, 最 终 达 到 有 效 地 提 高 学 生 的 科 学 实 验 能 力 与 实 验 综 合 素 质 2.2 先 进 性 与 可 行 性 原 则 先 进 性 是 指 评 估 指 标 体 系 能 反 映 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 所 达 到 的 现 代 教 育 科 学 水 平, 通 过 考 察 实 验 教 师 的 教 学 思 想 教 学 理 念 教 学 内 容 教 学 方 法 和 教 学 手 段 等 方 面 的 新 颖 性 来 体 现 可 行 性 指 在 现 有 实 验 条 件 下, 从 大 学 物 理 实 验 教 学 的 实 际 出 发, 选 取 能 有 效 地 反 映 大 学 物 理 实 验 教 学 改 革 方 向 的 评 估 指 标 与 观 测 点, 能 真 实 地 反 映 实 验 教 师 的 教 学 实 际, 评 估 结 果 能 被 学 校 社 会 教 师 学 生 接 受, 可 操 作 性 强 只 有 评 估 指 标 体 系 的 先 进 性 与 可 行 性 原 则 有 机 结 合, 才 有 利 于 加 强 大 学 物 理 实 验 教 学 管 理, 充 分 调 动 大 学 物 理 实 验 教 师 积 极 投 身 教 学 参 与 实 验 教 学 改 革 的 积 极 性, 促 进 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 的 提 高 3 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 体 系 的 构 建 实 验 教 学 质 量 评 估 是 高 校 教 学 质 量 监 控 工 作 的 重 要 组 成 部 分, 建 立 适 合 于 大 学 物 理 实 验 教 学 的 质 量 评 估 标 准, 构 建 一 个 合 理 的 规 范 的 科 学 和 操 作 性 强 的 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 体 系, 不 仅 能 对 实 验 教 学 效 果 进 行 有 效 的 评 价, 而 且 能 及 时 发 现 与 解 决 实 验 教 学 过 程 中 存 在 的 问 题, 对 不 断 地 提 高 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 具 有 促 进 作 用 3.1 评 估 指 标 体 系 的 构 建 评 估 指 标 体 系 是 评 估 工 作 的 尺 度, 是 评 估 工 作 的 关 键 环 节 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 的 评 估 象 理 论 课 那 样 单 纯, 它 的 涉 及 面 较 多, 是 一 个 多 因 素 多 层 次 的 复 杂 问 题, 评 估 指 标 必 须 全 面 准 确 地 反 映 大 学 物 理 实 验 教 学 的 特 点 和 体 现 与 实 验 教 学 质 量 相 关 的 因 素 我 们 认 为 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 的 指 标 体 系 应 当 是 以 实 验 教 学 条 件 为 基 础, 以 实 验 教 学 绩 效 为 目 标, 以 实 验 教 学 过 程 管 理 为 控 制 手 段, 以 实 验 教 学 改 革 为 补 充 的 结 构 体 系 根 据 评 估 指 标 体 系 的 设 计 原 则, 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 指 标 体 系 应 包 含 实 验 教 学 文 件 实 验 教 学 条 件 实 验 教 学 过 程 实 验 教 学 改 革 实 验 教 学 效 果 等 质 量 要 素 [2] 3.2 质 量 要 素 的 内 涵 及 标 准 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 涉 及 到 多 方 面 的 内 容, 要 使 实 验 教 学 质 量 评 估 科 学 有 效 可 行, 最 主 要 的 是 确 定 评 估 指 标 体 系 中 的 要 素 主 要 观 测 点 评 价 标 准 以 及 权 重 系 数 等 而 评 价 标 准 的 内 容 也 是 多 方 面 多 层 次 的, 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 就 是 要 紧 紧 围 绕 各 质 量 要 素 相 互 之 间 的 衔 接 及 其 关 系, 以 及 质 量 要 素 所 包 含 的 内 容 建 立 量 化 指 标 与 质 量 标 准 1) 实 验 教 学 文 件 实 验 教 学 文 件 考 察 的 内 容 主 要 是 实 验 教 学 大 纲 实 验 教 材 实 验 教 案 教 学 历 及 实 验 安 排 实 验 项 目 管 理 等 资 料 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 大 纲 是 根 据 专 业 教 学 计 划 的 要 求, 课 程 在 教 学 计 划 中 的 地 位 作 用, 以 及 课 程 性 质 目 的 和 任 务 而 规 定 的 实 验 内 容 ( 项 目 ) 实 验 体 系 范 围 和 教 学 要 求 的 基 本 纲 要, 它 是 实 施 教 育 思 想 和 教 学 计 划 的 基 本 保 证, 是 进 行 实 验 教 材 建 设 实 验 教 学 和 实 验 教 学 质 量 评 估 的 重 要 依 据, 也 是 指 导 学 生 学 习 制 定 考 核 说 明 和 评 分 标 准 的 指 导 性 文 件 实 验 室 要 根 据 实 验 大 纲 准 确 规 范 地 填 写 好 实 验 项 目 卡 与 实 验 教 学 日 历, 科 学 安 排 的 大 学 物 理 实 验 课 程 的 教 学 进 度 表, 确 保 教 师 保 质 保 量 地 完 成 各 个 实 验 项 目 的 教 学 任 务 实 验 教 案 是 教 师 依 据 实 验 教 学 日 历 的 进 度 要 求, 为 完 成 教 学 大 纲 所 规 定 的 实 验 项 目 而 准 备 的 实 验 教 学 工 作 计 划, 是 教 师 以 实 验 项 目 规 定 课 时 为 单 位 编 写 的 实 施 教 学 活 动 的 具 体 方 案, 它 所 承 载 的 基 本 内 容 是 实 验 教 学 过 程 的 组 织 管 理 信 息, 是 落 实 实 验 教 学 思 想 教 学 方 法 教 学 手 段 和 考 试 方 法 的 具 体 措 施, 是 指 导 具 体 实 验 项 目 的 重 要 依 据 所 以 说, 实 验 教 学 大 纲 实 验 教 学 日 历 和 实 验 教 案 是 实 施 实 验 教 学 检 查 督 导 评 估 工 作 的 重 要 依 据 158
2) 实 验 教 学 条 件 大 学 物 理 实 验 教 学 是 在 具 备 了 一 定 的 一 起 设 备 实 验 场 所 实 验 教 学 队 伍 等 条 件 下 的 教 学 活 动 根 据 大 学 物 理 实 验 教 学 的 需 要, 实 验 室 的 面 积 通 风 照 明 安 全 设 施 等 符 合 要 求, 配 置 能 保 证 学 生 基 本 实 验 教 学 质 量 台 套 数 的 仪 器 设 备, 并 且 保 证 仪 器 设 备 的 完 好 率 和 贵 重 仪 器 设 备 的 使 用 率 等, 这 些 基 本 条 件 能 够 直 接 体 现 出 大 学 物 理 实 验 教 学 正 常 开 设 的 基 础 建 设 水 平 实 验 室 的 仪 器 设 备 等 基 础 教 学 设 施 是 实 现 应 用 型 创 新 型 人 才 培 养 目 标 的 物 质 基 础 大 学 物 理 实 验 教 学 队 伍 是 对 实 验 教 学 质 量 产 生 较 大 影 响 的 关 键 因 素 实 验 队 伍 的 学 历 职 称 年 龄 结 构 要 合 理, 人 员 构 成 要 相 对 稳 定 要 具 备 进 行 实 验 教 学 研 究 和 改 革 的 意 识 与 能 力 同 时, 大 学 物 理 实 验 教 学 的 负 责 人 要 具 备 扎 实 的 物 理 实 验 理 论 基 础 与 实 践 技 能 具 备 较 高 的 管 理 与 沟 通 能 力 ; 在 大 学 物 理 实 验 教 学 中, 实 验 场 所 与 实 验 仪 器 设 备 是 确 保 实 验 教 学 质 量 的 基 本 物 质 保 障 只 有 实 验 室 具 备 一 定 的 规 模, 配 置 的 实 验 仪 器 设 备 能 够 满 足 大 学 物 理 实 验 教 学 的 需 要, 才 能 保 证 实 验 教 学 质 量, 达 到 专 业 人 才 培 养 对 大 学 物 理 实 验 教 学 的 基 本 要 求 3) 实 验 教 学 过 程 大 学 物 理 实 验 是 观 察 与 实 验 相 结 合 思 考 与 判 断 相 结 合 个 性 与 共 性 相 结 合 的 课 程, 其 教 学 过 程 是 在 教 师 指 导 下 学 生 动 手 操 作 独 立 完 成 实 验 的 学 习 过 程 要 从 教 师 的 教 学 态 度 教 学 能 力 实 验 教 学 内 容 到 教 师 的 教 学 方 法 学 生 的 实 验 操 作 技 能 训 练 教 学 纪 律 等 方 面 来 考 察 首 先 是 实 验 教 学 内 容 的 选 取 要 做 到 经 典 与 现 代 实 验 的 结 合 综 合 与 基 础 实 验 的 结 合 设 计 与 研 究 性 实 验 的 结 合, 实 验 的 教 学 环 节 在 安 排 中 要 突 出 综 合 性 创 新 性 与 应 用 性, 符 合 基 本 要 求 的 要 求 ; 其 次 教 师 要 对 实 验 教 学 工 作 有 热 情, 能 够 严 格 遵 守 教 师 教 学 工 作 规 范, 讲 课 认 真 投 入 精 神 饱 满, 对 实 验 内 容 及 仪 器 设 备 很 熟 悉, 能 很 好 地 把 握 实 验 内 容 的 难 度 和 深 度, 能 将 理 论 课 与 实 验 课 有 机 联 系 起 来, 或 对 学 科 前 沿 课 题 给 予 适 当 介 绍 ; 第 三 是 教 师 注 重 对 学 生 实 验 操 作 的 基 本 功 与 实 验 技 能 的 训 练 思 维 方 式 和 科 学 作 风 的 培 养, 通 过 及 时 指 导 实 验, 激 发 学 生 的 求 知 欲 ; 第 四 教 师 能 客 观 地 评 价 学 生 的 实 验 操 作 数 据 采 集 解 决 实 验 中 实 际 问 题 的 能 力, 课 后 能 及 时 地 确 定 评 价 等 级, 并 且 能 及 时 认 真 公 正 地 批 阅 实 验 报 告, 在 实 验 课 纪 律 实 验 操 作 课 程 考 核 等 环 节 都 能 够 严 格 要 求 学 生 [3] 这 样 做 有 助 于 学 生 的 实 验 动 手 能 力 独 立 实 验 的 能 力 分 析 与 研 究 的 能 力 理 论 联 系 实 际 的 能 力 与 创 新 能 力 的 训 练 和 培 养 4) 实 验 教 学 改 革 大 学 物 理 实 验 教 学 改 革 研 究, 要 从 实 验 室 实 际 出 发 确 立 实 验 教 学 改 革 思 路 和 研 究 项 目, 实 验 内 容 的 更 新 实 验 教 学 形 式 与 方 法 的 改 革 是 实 验 教 学 改 革 的 重 点, 要 提 高 综 合 性 研 究 性 与 设 计 性 实 验 的 比 例, 要 突 出 创 新 应 用, 注 重 利 用 科 研 成 果 和 现 代 技 术 手 段 更 新 实 验 内 容, 使 学 生 能 够 在 实 验 中 掌 握 基 本 的 实 验 技 能 学 习 现 代 科 学 的 基 本 技 术 熟 悉 课 题 研 究 的 思 路 与 方 法, 培 养 学 生 主 动 掌 握 新 的 实 验 技 术 主 动 关 注 科 技 发 展 动 态 主 动 适 应 科 技 创 新 应 用 的 品 质, 培 养 学 生 的 创 新 精 神 创 新 意 识 与 创 新 能 力 [4] 实 验 教 师 或 其 他 实 验 教 学 人 员 要 定 期 开 展 教 学 研 究 活 动, 进 行 大 学 物 理 实 验 教 学 改 革 研 究 同 时, 实 验 教 师 首 先 要 学 习 现 代 实 验 理 论 和 技 术, 追 踪 现 代 物 理 学 的 新 进 展 新 成 果, 了 解 高 新 技 术 适 应 新 形 势 的 要 求, 总 结 实 验 教 学 改 革 的 成 果, 每 年 都 能 在 学 科 或 实 验 教 学 实 验 技 术 的 公 开 刊 物 上 发 表 教 学 改 革 研 究 论 文 5) 实 验 教 学 效 果 大 学 物 理 实 验 教 学 效 果 主 要 从 教 师 的 教 育 教 学 水 平 和 学 生 达 到 的 学 习 水 平 两 方 面 来 体 现, 它 是 实 验 教 学 质 量 评 估 的 关 键 因 素, 着 重 评 估 实 验 教 学 的 实 际 质 量 和 能 力 培 养 的 实 际 效 果 实 验 教 学 效 果 的 评 估 更 重 视 学 生 在 实 验 中 解 决 实 际 问 题 的 能 力, 依 据 解 决 实 验 问 题 的 能 力 的 教 学 效 果 评 价 观 点 [5] 注 重 在 实 验 教 学 中 创 新, 激 发 学 生 自 觉 主 动 实 验 的 学 习 热 159
情, 充 分 体 现 学 生 的 动 手 能 力, 不 仅 是 实 验 操 作 和 实 验 数 据 的 准 确 程 度, 而 更 应 该 是 现 代 实 验 技 术 技 能 和 科 技 创 新 的 综 合 能 力 3.3 评 估 指 标 体 系 结 构 表 的 设 计 在 指 标 体 系 的 结 构 设 计 中, 从 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 的 目 标 出 发, 把 目 标 分 解 成 二 级 项 目, 然 后 再 经 分 解 量 化 指 标 内 涵, 建 立 质 量 标 准, 以 达 到 可 测 性 的 要 求, 这 样 即 可 保 证 指 标 体 系 与 评 估 目 标 的 一 致 性 根 据 评 估 指 标 体 系 的 设 计 原 则 与 大 学 物 理 实 验 的 教 学 特 点 和 要 求, 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 体 系 应 包 含 评 估 要 素 ( 一 级 指 标 )5 项 主 要 观 测 点 ( 二 级 指 标 )18 个 内 涵 及 标 准 权 重 系 数 评 估 等 级 与 分 值 评 估 方 式 等 内 容 也 就 是 说, 按 照 评 估 指 标 评 价 标 准 权 重 评 价 等 级 评 估 方 式 的 顺 序 设 计 评 估 指 标 体 系 结 构 表 如 表 1 所 示 一 级 指 标 评 估 要 素 实 验 教 学 文 件 实 验 教 学 条 件 实 验 教 学 过 程 二 级 指 标 主 要 观 测 点 教 学 大 纲 实 验 教 材 实 验 教 案 实 验 教 学 日 历 实 验 项 目 管 理 实 验 队 伍 实 验 仪 器 设 备 实 验 环 境 教 学 态 度 实 验 内 容 实 验 讲 授 表 1 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 指 标 及 评 价 标 准 内 涵 及 标 准 有 按 专 业 培 养 要 求 编 写 的 实 验 教 学 大 纲, 大 纲 格 式 规 范 教 师 能 根 据 实 验 课 程 教 学 要 求 选 用 合 适 的 实 验 教 材 或 实 验 指 导 书, 或 学 校 自 编 并 出 版 的 校 本 教 材 目 的 要 求 明 确, 对 重 点 难 点 有 分 析, 熟 练 掌 握 实 验 中 所 用 仪 器 的 使 用 方 法, 有 实 测 实 验 数 据, 且 数 据 处 理 正 确 按 实 验 教 学 大 纲 填 写 好 教 学 日 历, 内 容 准 确 规 范 ; 按 规 定 分 好 实 验 小 组 数, 实 验 时 间 内 容 依 据 教 学 日 历 安 排 合 理, 并 能 严 格 执 行 准 确 规 范 填 写 好 实 验 项 目 卡, 每 个 实 验 项 目 管 理 规 范, 记 载 有 名 称, 面 向 专 业, 组 数, 主 要 设 备 名 称, 规 格 型 号, 数 量 及 材 料 损 耗 等 情 况 实 验 队 伍 的 学 历 职 称 年 龄 结 构 合 理, 人 员 构 成 相 对 稳 定, 且 具 备 进 行 实 验 教 学 研 究 和 改 革 的 意 识 与 能 力 ; 实 验 专 职 人 员 有 明 确 的 岗 位 职 责 与 分 工 细 则 ; 专 兼 职 人 员 有 具 体 的 考 核 办 法 与 定 期 考 核 材 料 有 培 养 培 训 计 划 配 置 能 保 证 学 生 基 本 实 验 教 学 仪 器 设 备 的 台 套 数, 原 则 上 一 人 一 组, 个 别 不 能 一 人 完 成 的 实 验, 以 满 足 实 验 要 求 的 最 低 人 数 为 准 ; 仪 器 设 备 的 完 好 率 和 贵 重 仪 器 设 备 的 使 用 率 在 90% 以 上 实 验 室 的 面 积 通 风 照 明 安 全 设 施 等 符 合 要 求 ; 室 内 布 局 合 理, 实 验 台 面 凳 仪 器 整 洁 卫 生 教 师 对 实 验 教 学 工 作 有 热 情, 能 够 严 格 遵 守 教 师 教 学 工 作 规 范, 讲 课 认 真 投 入 精 神 饱 满, 重 视 教 学 反 馈, 不 断 改 进 实 验 教 学 方 法 ; 对 学 生 要 求 严 格, 模 范 遵 守 实 验 室 规 章 制 度 实 验 项 目 的 选 取 经 典 与 现 代 实 验 结 合 综 合 与 基 础 实 验 结 合 设 计 与 研 究 性 实 验 结 合 ; 基 础 性 综 合 性 研 究 与 设 计 性 实 验 的 开 设 符 合 基 本 要 求 规 定 的 比 例 ; 按 照 教 学 计 划, 实 验 开 出 率 达 到 100% 讲 课 思 路 清 晰 条 理 清 楚, 熟 悉 实 验 原 理 与 仪 器 使 用 方 法, 讲 授 精 练 准 确, 仪 器 操 作 熟 练 规 范, 演 示 正 确 物 理 现 象 清 晰, 课 时 分 配 合 理, 强 调 实 验 安 全 及 注 意 事 项 0.1 0.1 0.4 权 重 评 价 等 级 A B C D 评 估 方 式 0.3 检 查 0.1 检 查 0.3 检 查 0.1 检 查 0.2 检 查 0.5 0.3 0.2 0.1 0.3 0.1 检 查 座 谈 随 堂 检 查 随 堂 检 查 听 课 座 谈 检 查 听 课 听 课 观 察 160
实 验 教 学 改 革 实 验 教 学 效 果 实 验 过 程 教 学 纪 律 教 学 改 革 研 究 成 果 学 生 实 验 技 能 实 验 报 告 质 量 学 生 满 意 程 度 教 师 能 认 真 仔 细 观 察 学 生 实 验 操 作 过 程, 并 及 时 正 确 解 答 学 生 疑 问, 指 正 学 生 的 错 误 操 作 和 实 验 过 程 中 出 现 的 问 题, 注 重 培 养 学 生 的 实 验 技 能, 培 养 学 生 发 现 问 题 分 析 问 题 与 解 决 问 题 的 能 力 教 师 没 有 无 故 缺 课 随 意 调 课 迟 到 实 验 过 程 中 随 意 离 开 实 验 室 等 现 象 ; 对 学 生 要 求 严 格, 实 验 秩 序 好, 师 生 能 遵 守 实 验 室 规 章 制 度 注 重 实 验 教 学 改 革 研 究, 有 从 实 验 室 实 际 出 发 的 实 验 教 学 改 革 立 项 课 题 ; 能 利 用 科 研 成 果 和 现 代 技 术 手 段 更 新 实 验 内 容 有 实 验 改 革 和 实 验 研 究 成 果 ; 实 验 人 员 每 年 都 能 在 学 科 或 实 验 教 学 实 验 技 术 的 公 开 刊 物 上 发 表 实 验 研 究 教 学 改 革 研 究 论 文 在 教 师 指 导 下 学 生 能 独 立 地 完 成 实 验, 且 实 验 操 作 规 范 ; 学 生 能 理 解 掌 握 其 基 本 理 论, 基 本 知 识 和 基 本 技 能 ; 学 生 实 际 操 作 能 力 符 合 培 养 要 求, 实 验 中 的 动 手 能 力 解 决 实 际 问 题 的 能 力 得 到 了 提 高 每 个 学 生 都 能 自 主 完 成 实 验 报 告, 有 详 细 地 原 始 实 验 记 录, 实 验 数 据 计 算 结 果 表 示 正 确, 实 验 结 果 分 析 符 合 科 学 规 律 问 题 讨 论 透 彻 ; 实 验 报 告 批 阅 及 时 规 范 公 正 达 到 实 验 目 的, 实 验 效 果 学 生 满 意 率 达 85% 及 以 上 0.3 0.1 0.3 0.4 听 课 观 察 0.1 检 查 0.5 检 查 座 谈 0.5 检 查 0.4 0.3 听 课 观 察 座 谈 检 查 座 谈 问 卷 调 查 问 卷 调 查 4 评 估 体 系 的 实 施 及 应 用 4.1 评 估 方 式 过 去 的 教 学 质 量 评 估, 大 都 采 用 发 放 学 生 调 查 问 卷 的 方 式, 由 学 生 无 记 名 评 价 教 师 的 教 学 情 况 由 于 学 生 是 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 的 直 接 受 益 者, 所 以 学 生 对 实 验 教 学 质 量 的 评 价 能 更 好 的 反 映 课 程 的 教 学 效 果 这 种 方 式 的 优 点 是 便 于 组 织, 收 回 问 卷 进 行 数 据 统 计, 评 价 结 果 明 显 清 晰 ; 缺 点 是 部 分 学 生 有 马 虎 应 付 态 度 或 对 某 些 教 师 的 个 人 偏 爱 感 情 用 事 以 及 其 他 因 素 会 影 响 问 卷 调 查 的 统 计 结 果, 使 评 估 出 现 偏 离 实 际 情 况 的 现 象, 影 响 了 评 估 工 作 的 可 靠 性 和 准 确 性 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 从 本 质 上 说 它 是 一 种 价 值 判 断 活 动, 价 值 判 断 的 显 著 特 点 是 客 观 性 与 主 体 性 的 高 度 统 一 评 估 专 家 的 认 知 结 构, 主 体 意 象 都 会 影 响 评 估 的 客 观 性 和 准 确 性, 所 以 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 的 评 估 就 是 选 择 不 同 的 评 估 主 体 从 不 同 角 度 对 不 同 教 师 的 同 一 门 课 程 进 行 评 估 我 们 经 过 调 研 以 及 总 结 过 去 的 经 验, 认 为 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 首 先 要 成 立 校 系 两 级 评 估 专 家 组, 然 后 分 别 采 用 实 地 查 阅 资 料 进 行 检 查 召 开 座 谈 会 组 织 听 课 及 观 察 实 验 过 程 现 场 督 导 教 学 学 生 无 记 名 问 卷 调 查 等 方 式, 对 照 指 标 体 系 有 针 对 性 地 采 用 不 同 方 式 进 行 评 估 4.2 评 估 的 实 施 1) 评 估 前 的 准 备 评 估 的 前 期, 学 校 成 立 课 程 教 学 质 量 评 估 组 选 定 评 估 专 家 是 完 全 必 要 的 但 是, 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 的 评 估 主 要 是 对 实 验 教 学 中 的 行 为 ( 实 验 教 学 过 程 ) 和 结 果 ( 实 验 教 学 效 果 ) 的 鉴 定, 评 估 的 实 施 特 别 要 重 视 行 为 人 的 作 用 所 以, 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 的 评 估, 首 要 的 问 题 是 让 全 体 实 验 教 师 都 能 够 适 应 教 学 质 量 评 估, 让 大 家 清 楚 地 认 识 到 : 开 展 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 的 评 估, 对 提 高 实 验 教 学 质 量 实 现 实 验 教 学 目 标 管 理 培 养 应 用 型 人 才 具 有 重 要 的 作 用, 也 是 解 决 重 视 理 论 教 学 轻 视 实 验 教 学 的 必 要 措 施 同 时, 还 要 让 全 体 实 验 教 师 学 习 评 估 指 标 体 系, 充 分 理 解 指 标 体 系 的 内 涵 与 评 价 标 准, 理 解 实 验 教 学 质 量 评 估 的 意 161
义, 并 在 大 学 物 理 实 验 教 学 实 践 中 落 实 评 估 指 标 的 内 涵 及 质 量 要 求 2) 评 估 的 实 施 过 程 从 大 学 物 理 实 验 教 学 教 学 质 量 评 估 指 标 体 系 五 项 一 级 指 标 所 包 含 的 内 容 可 看 出, 该 课 程 的 评 估 是 过 程 性 评 估, 也 就 是 说, 评 估 指 标 的 内 涵 涉 及 到 课 程 的 全 过 程 所 以, 大 学 物 理 实 验 教 学 教 学 质 量 的 评 估 可 分 为 期 中 期 末 两 个 阶 段 进 行 期 中 教 学 质 量 检 查 可 完 成 评 估 要 素 1 2 3 及 要 素 4 与 5 的 部 分 内 容 即 : 评 估 专 家 可 以 从 查 阅 资 料 开 始, 考 察 大 学 物 理 课 程 的 教 学 文 件 及 有 关 管 理 制 度 的 完 善 情 况 教 师 的 教 案 学 生 实 验 报 告 水 平 和 教 师 批 阅 质 量 等 ; 通 过 随 堂 听 课 观 摩 教 师 的 讲 授 操 作 演 示 指 导 答 疑 组 织 教 学 和 学 生 实 验 实 际 操 作 等 环 节, 考 察 教 师 的 教 学 态 度 方 法 水 平 效 果 和 学 生 基 础 知 识 与 实 验 技 能 的 掌 握 情 况 ; 通 过 实 验 室 实 地 考 察 与 召 开 实 验 教 学 座 谈 会, 了 解 实 验 室 的 环 境 设 施 及 实 验 室 管 理 情 况 仪 器 设 备 的 使 用 情 况 实 验 队 伍 配 备 情 况, 考 察 实 验 教 学 条 件 学 期 末 可 完 成 教 学 质 量 评 估 要 素 4 与 5 的 大 部 分 内 容 即 : 采 用 分 别 召 开 教 师 学 生 座 谈 会 和 查 阅 资 料 的 方 式, 通 过 现 场 询 问 及 问 卷 调 查, 了 解 学 生 对 教 师 教 学 水 平 的 评 价 和 对 自 己 学 习 效 果 的 估 计 了 解 教 师 的 实 验 教 学 改 革 研 究 项 目 的 进 展 与 运 行 情 况, 以 及 学 年 研 究 成 果 3) 评 估 等 级 及 量 化 在 评 估 指 标 体 系 中, 每 个 评 估 项 目 ( 观 测 点 ) 都 有 A B C D 四 个 评 价 等 级,A B C D 四 个 等 级 的 含 义 是 达 到 内 涵 标 准 的 程 度 为 : 优 良 中 差 在 评 估 实 施 过 程 中, 来 自 不 同 评 价 主 体 的 评 价 等 级 要 充 分 体 现 以 质 性 评 价 为 主 的 理 念 依 照 评 估 指 标 体 系 对 评 估 项 目 确 定 了 评 价 等 级 后, 为 了 获 得 客 观 科 学 准 确 的 评 估 结 果, 总 是 要 对 各 指 标 项 的 评 价 等 级 进 行 量 化 处 理, 最 后 形 成 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 的 定 量 结 果 或 定 性 综 合 意 见 由 于 指 标 体 系 涉 及 的 评 估 项 目 较 多, 考 虑 到 指 标 体 系 的 复 杂 性, 一 般 地, 根 据 各 指 标 项 的 权 重, 用 模 糊 数 学 理 论 建 立 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 模 糊 综 合 评 判 矩 阵 模 型, 并 应 用 于 评 估 实 践 模 糊 综 合 评 判 法 的 基 本 思 想 是 在 确 定 评 估 一 级 指 标 项 二 级 指 标 项 的 评 价 等 级 标 准 和 权 重 的 基 础 上, 运 用 模 糊 集 合 变 换 原 理, 以 隶 属 度 描 述 各 一 级 指 标 项 二 级 指 标 项 的 模 糊 界 线, 构 造 模 糊 评 判 矩 阵, 通 过 多 层 的 复 合 运 算, 最 终 确 定 评 价 对 象 所 属 的 等 级 也 就 是 经 过 建 立 评 估 指 标 集 建 立 评 价 集 确 定 各 指 标 因 素 的 权 重 建 立 评 价 矩 阵 模 糊 综 合 评 判 运 算 等 步 骤 后, 采 用 最 大 隶 属 度 原 则, 得 出 评 估 结 果 如 果 要 使 评 估 得 出 定 量 的 结 果, 可 以 将 评 价 等 级 转 换 为 百 分 制 分 数, 即 赋 予 分 值 : 取 优 =95 分 良 =85 分 中 =75 分 差 =60 分 也 可 采 取 简 单 方 法 得 出 评 估 结 果, 即 根 据 一 级 指 标 二 级 指 标 的 权 重 给 评 价 等 级 赋 予 一 定 的 分 值, 用 加 权 平 均 法 求 出 结 果 的 总 分 值 4.3 评 估 实 践 中 需 要 厘 清 的 问 题 1) 评 估 整 体 与 样 本 的 关 系 问 题 如 果 将 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 作 为 一 个 总 体 的 话, 那 么, 实 验 教 学 条 件 与 教 师 的 教 学 就 是 评 估 总 体 中 的 样 本, 评 估 该 门 课 程 的 整 体 教 学 质 量 是 建 立 在 对 实 验 教 学 条 件 与 教 师 的 实 验 教 学 质 量 评 估 的 基 础 上 所 以, 评 价 每 位 实 验 教 师 的 教 学 质 量 主 要 考 察 评 估 要 素 3 4 5, 和 要 素 1 的 部 分 内 容, 每 位 教 师 的 评 估 结 果 的 集 合 与 条 件 评 估 的 结 果 就 构 成 了 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 质 量 的 评 估 结 果 2) 学 生 评 教 与 实 际 教 学 的 差 异 问 题 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 是 检 验 大 学 物 理 实 验 教 学 效 果 的 有 效 手 段, 学 生 评 教 工 作 是 学 校 教 学 质 量 监 控 体 系 的 重 要 环 节 但 是, 学 生 对 于 实 验 教 学 与 理 论 教 学 在 感 受 程 度 上 是 有 差 异 的, 理 论 教 学 可 以 用 懂 不 懂 或 会 不 会 来 描 述, 此 来 体 现 学 生 对 教 师 的 认 同 程 度 ; 而 162
实 验 是 在 教 师 指 导 下 学 生 独 立 完 成 的 课 程, 学 生 的 感 受 是 成 功 与 失 败, 由 于 在 实 验 过 程 中 受 条 件 的 影 响, 学 生 可 能 是 一 人 一 组 或 两 人 一 组 做 实 验, 在 仪 器 的 调 节 数 据 的 采 集 学 生 间 的 配 合 等 因 素 都 会 导 致 实 验 不 完 全 成 功 或 者 失 败, 这 些 因 素 在 一 定 程 度 上 影 响 着 学 生 对 教 师 及 实 验 课 程 教 学 质 量 的 评 价 3) 评 估 与 常 规 教 学 的 关 系 问 题 作 为 一 名 实 验 教 师 来 讲, 可 能 会 认 为 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 是 为 了 制 约 监 控 教 师 的 实 验 教 学 活 动, 使 其 在 思 想 上 形 成 一 种 压 力, 而 影 响 常 规 的 实 验 教 学 因 此, 作 为 实 验 教 学 管 理 部 门 及 人 员, 一 定 要 处 理 好 评 估 与 常 规 教 学 的 关 系, 将 评 估 作 为 实 验 教 学 管 理 的 一 种 措 施 通 过 评 估 可 掌 握 实 验 教 学 各 环 节 的 动 态, 获 得 反 馈 信 息, 及 时 发 现 并 解 决 影 响 大 学 物 理 实 验 教 学 的 问 题, 从 而 更 好 地 服 务 于 实 验 教 学, 以 促 进 实 验 教 学 质 量 的 进 一 步 提 高 4) 教 学 督 导 与 质 量 评 估 的 关 系 问 题 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 是 过 程 性 评 估, 实 验 教 学 督 导 是 对 实 验 教 学 活 动 的 各 个 环 节 以 及 各 种 实 验 教 学 管 理 制 度 等 实 施 检 查 督 促 评 价 和 指 导, 通 过 随 机 听 课 观 摩 实 验 教 学 过 程 抽 查 教 师 实 验 教 学 教 案 和 学 生 实 验 报 告 参 与 实 验 考 核 召 开 实 验 教 学 座 谈 会 等, 对 实 验 教 学 实 施 全 程 监 控, 这 正 是 实 验 教 学 质 量 评 估 所 要 做 的 过 程 监 测 工 作 所 以 说, 实 验 教 学 督 导 为 质 量 评 估 提 供 了 可 靠 的 实 验 教 学 事 实 依 据 和 意 见, 对 学 校 职 能 部 门 改 进 实 验 教 学 管 理 提 高 实 验 教 学 质 量 具 有 非 常 重 要 的 作 用 5 结 语 大 学 物 理 实 验 教 学 的 管 理 实 践 证 明, 建 立 科 学 有 效 的 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估 体 系 不 仅 是 使 评 估 结 果 与 实 验 教 学 实 际 相 符 的 关 键, 而 且 也 对 实 验 教 学 目 的 起 到 重 要 的 调 控 纠 偏 作 用 开 展 大 学 物 理 实 验 教 学 质 量 评 估, 可 以 及 时 发 现 影 响 大 学 物 理 实 验 教 学 的 问 题, 促 进 学 校 加 大 实 验 室 建 设 的 投 入 力 度, 引 导 教 师 重 视 实 验 教 学, 推 动 实 验 教 学 改 革, 提 高 实 验 教 学 质 量 同 时, 也 为 学 校 实 验 教 学 质 量 检 查 课 程 评 估 制 度 的 建 立 奠 定 一 定 的 基 础 参 考 文 献 : [1] 教 育 部 高 等 学 校 物 理 学 类 专 业 教 学 指 导 分 委 员 会 高 等 学 校 物 理 学 本 科 指 导 性 专 业 规 范 [M] 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社,2010:24-25 [2] 王 铁 云 改 革 物 理 实 验 教 学 模 式, 培 养 学 生 创 新 能 力 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2007,26(8): 6-9 [3] 胡 成 华, 史 玲 娜 大 学 物 理 实 验 教 学 创 新 模 式 的 探 索 与 实 践 [J] 物 理 与 工 程,2012,22(1): 44-46 [4] 王 铁 云 基 于 基 本 要 求 的 新 建 本 科 院 校 大 学 物 理 实 验 教 学 模 式 研 究 [J] 物 理 与 工 程, 2012,22(3):13-16 [5] 王 震, 丁 永 文, 杜 木 普 通 物 理 实 验 教 学 中 的 提 出 问 题 [J] 物 理 实 验,2010,30(4): 18-21 163
Research and Application of Quality Assessment System in College Physical Experiment Teaching Wang Tie-yun (Changzhi College Electronic Information and Physics Department, Changzhi 046011, China) Abstract: Based on basic rules of college physical experiment in universities of science and engineering, the paper applies the assessment concept of experiment teaching quality into the practice of college physical experiment teaching. At the same time, quality elements and assessment standards in college physical experiment teaching have been researched and explored, and related quality assessment system has been built that is objective, effective and strongly operational. Finally, the paper analyzes and discusses the problems and effects easily occurring in the practice of effective performance and assessment of quality assessment. Key words: college physical experiment; teaching quality; assessment; index system; assessment system 164
师 范 生 探 究 性 基 础 物 理 实 验 项 目 建 设 的 思 考 与 实 践 柴 志 方, 崔 璐, 戚 小 华, 宦 强, 赵 强 ( 华 东 师 范 大 学 物 理 系, 上 海 200241) 摘 要 : 为 了 加 强 师 范 专 业 学 生 物 理 实 验 技 能 的 培 养, 华 东 师 范 大 学 物 理 实 验 教 学 中 心 对 师 范 生 探 究 性 基 础 物 理 实 验 项 目 进 行 了 再 建 设, 具 体 为 : 选 用 能 够 加 深 和 提 高 中 学 物 理 相 关 内 容 理 解 的 综 合 性 实 验 内 容, 在 编 写 讲 义 时, 采 取 基 础 加 拓 展 式 双 层 实 验 内 容 并 且 不 再 提 供 实 验 实 施 方 案 和 步 骤 这 些 调 整 促 进 了 师 范 生 探 究 性 设 计 性 能 力 的 培 养 关 键 词 : 师 范 生 ; 探 究 性 实 验 ; 实 验 内 容 ; 再 建 设 1 引 言 物 理 实 验 不 仅 是 物 理 学 研 究 的 基 础, 是 物 理 学 教 学 的 重 要 手 段 之 一, 也 是 中 学 物 理 教 学 的 重 要 内 容, 更 是 实 施 素 质 教 育 的 极 其 重 要 的 环 节 之 一 [1] 2003 年, 高 中 物 理 课 程 标 准 公 布 实 施, 为 中 学 物 理 教 学 带 来 了 新 的 理 念 新 的 要 求, 实 验 教 学 的 相 关 内 容 也 发 生 了 较 大 的 变 化 新 的 课 程 标 准 要 求 中 学 物 理 教 师 在 思 想 上 高 度 重 视 实 验 教 学, 从 方 式 方 法 上 改 进 实 验 教 学, 从 评 价 的 角 度 强 化 实 验 教 学, 对 中 学 物 理 教 师 在 实 验 方 面 提 出 了 更 高 的 要 求 [2] 这 就 要 求 师 范 院 校 在 对 师 范 生 的 培 养 上, 进 一 步 加 强 对 师 范 生 实 验 实 践 能 力 的 培 养 在 现 行 的 师 范 生 实 验 教 学 体 系 中, 探 究 性 设 计 性 基 础 物 理 实 验 用 来 培 养 师 范 生 的 实 验 实 践 能 力 然 而, 由 于 师 资 硬 件 专 业 等 多 方 面 的 原 因, 在 大 部 分 院 校 中 这 部 分 已 开 设 的 实 验 或 者 师 范 特 色 不 明 显, 或 者 对 普 通 物 理 常 规 物 理 现 象 的 探 究 缺 乏 系 统 性, 影 响 师 范 生 对 高 中 阶 段 物 理 实 验 的 深 入 理 解 针 对 这 个 问 题, 从 2011 年 开 始, 华 东 师 范 大 学 物 理 实 验 教 学 中 心 调 整 了 物 理 系 探 究 性 基 础 物 理 实 验 的 授 课 内 容 授 课 方 式 等, 以 加 强 对 师 范 生 在 相 关 领 域 实 践 能 力 的 训 练 在 此 后 的 两 年 中, 物 理 实 验 教 学 中 心 不 断 对 授 课 内 容 授 课 方 式 进 行 探 索 和 研 究, 并 取 得 了 一 定 的 效 果 本 文 主 要 详 细 阐 述 了 物 理 实 验 教 学 中 心 这 两 年 在 师 范 生 探 究 性 物 理 实 验 授 课 内 容 方 面 所 作 的 工 作 2 探 究 性 实 验 内 容 建 设 探 究 性 设 计 性 实 验 是 普 通 物 理 实 验 的 一 个 重 要 教 学 环 节, 它 一 方 面 用 来 加 深 学 生 对 普 通 物 理 有 关 知 识 的 理 解, 同 时 培 养 学 生 初 步 的 动 手 能 力 和 探 究 能 力 在 考 虑 开 设 哪 些 实 验 内 容 给 学 生 探 究 时, 第 一 个 需 要 考 虑 的 是 教 育 部 高 等 学 校 物 理 学 与 天 文 学 教 学 指 导 委 员 会 物 理 学 类 专 业 教 学 指 导 分 委 员 会 高 等 学 校 物 理 学 本 科 指 导 性 专 业 规 范 (2010 年 版 ) 和 理 工 科 类 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 基 本 要 求 (2010 年 版 ) [3], 以 及 上 海 市 高 校 基 础 物 理 实 验 课 程 教 学 规 程 (2013 年 版 ), 在 这 些 文 件 中, 总 共 建 议 了 至 少 40 个 基 础 物 理 实 验 项 目, 单 纯 从 这 40 个 项 目 的 内 容 上 来 看, 适 合 作 为 探 究 性 实 验 项 目 的 内 容 并 不 多 在 开 设 探 究 性 设 计 性 实 验 时, 需 要 对 这 些 实 验 项 目 进 行 进 一 步 的 开 发 和 整 合 对 于 师 范 生 而 言, 在 其 成 为 一 名 物 理 教 师 后, 不 仅 要 能 够 胜 任 中 学 物 理 实 验 的 常 规 教 学 任 务, 还 要 能 够 对 学 生 的 课 外 物 理 实 验 进 行 指 导 [4] 为 此, 师 范 生 应 该 掌 握 具 有 专 业 指 向 性 的 较 为 综 合 的 体 系 化 的 实 验 培 训, 通 过 探 究 性 设 计 性 实 验 训 练 后, 能 够 具 备 针 对 中 学 作 者 简 介 : 柴 志 方 (1977-), 男, 河 北 邢 台 人, 华 东 师 范 大 学 物 理 实 验 教 学 中 心, 副 教 授, 博 士, 主 要 从 事 物 理 实 验 教 学 与 研 究 工 作 165
物 理 实 验 教 学 内 容 进 行 一 定 拓 展 的 能 力 目 前, 在 师 范 类 院 校, 教 学 法 实 验 是 专 门 针 对 物 理 师 范 生 的 一 门 课 程, 该 课 程 为 师 范 生 提 供 了 一 个 深 入 研 究 中 学 物 理 实 验 的 一 个 窗 口 然 而 该 课 程 的 教 学 重 点 是 实 验 教 学 法 的 训 练, 对 于 师 范 生 的 相 关 知 识 拓 展 与 实 验 设 计 能 力 的 训 练, 则 并 不 关 注 为 此, 在 探 究 性 实 验 项 目 中 注 入 师 范 专 业 这 一 重 要 的 元 素, 是 培 养 高 质 量 物 理 师 范 生 的 关 键 表 1 师 范 生 探 究 性 实 验 内 容 实 验 一 冰 的 熔 化 热 及 相 关 热 学 实 验 探 究 实 验 二 用 示 波 器 检 测 RLC 电 路 及 判 断 电 学 黑 盒 子 实 验 三 运 动 物 体 瞬 时 速 度 的 测 量 与 探 究 实 验 四 测 量 与 分 析 非 线 性 元 件 的 伏 安 特 性 实 验 五 弦 线 上 的 驻 波 实 验 六 多 用 电 表 的 设 计 与 制 作 实 验 七 光 衍 射 现 象 的 观 察 和 测 量 实 验 八 偏 振 光 的 观 察 与 测 量 实 验 九 误 差 理 论 及 应 用 实 验 十 拓 展 性 实 验 系 列 因 此, 在 经 过 近 两 届 学 生 的 实 践 后, 目 前 暂 定 的 师 范 生 探 究 性 实 验 内 容 如 表 一 所 示 在 设 置 实 验 内 容 时, 既 考 虑 到 力 学 热 学 电 学 和 光 学 等 实 验 的 教 学 计 划, 也 考 虑 中 学 物 理 实 验 能 力 的 训 练 和 提 高, 同 时, 也 兼 顾 了 实 验 分 析 设 计 等 能 力 的 培 养 3 基 础 性 加 拓 展 性 的 双 层 实 验 内 容 对 于 表 一 中 所 列 的 实 验 项 目, 在 设 计 讲 义 的 时 候, 对 于 实 验 内 容 部 分, 它 的 设 置 不 同 于 普 通 物 理 验 证 性 实 验 内 容 的 设 置 方 法, 而 是 采 用 了 基 础 加 拓 展 的 形 式 具 体 说 来, 就 是 针 对 每 一 个 实 验, 分 别 设 置 基 本 能 容 和 拓 展 性 实 验 内 容 两 个 部 分, 基 本 内 容 有 助 于 实 验 的 学 生 了 解 基 本 物 理 原 理 熟 悉 仪 器 使 用 方 法, 是 必 做 实 验 拓 展 性 实 验 内 容 则 包 含 多 个 内 容, 需 要 实 验 的 学 生 具 有 一 定 的 发 散 思 维 的 能 力, 学 生 可 以 根 据 自 己 的 兴 趣 选 择 其 中 一 个 或 多 个 实 验 进 行 实 验 例 如, 在 设 计 偏 振 光 的 观 察 和 测 量 实 验 的 实 验 内 容 时, 设 置 了 马 吕 斯 定 律 的 验 证 圆 偏 振 光 和 椭 圆 偏 振 光 的 获 取 与 检 验 为 基 础 实 验, 通 过 该 实 验, 实 验 的 学 生 一 方 面 可 以 熟 悉 起 偏 器 检 偏 器, 另 一 方 面, 可 以 对 偏 振 光 的 概 念 有 一 个 深 入 的 掌 握 同 时, 又 设 置 了 互 补 色 的 观 察 薄 玻 璃 片 折 射 率 的 测 定 和 生 活 中 的 偏 振 现 象 观 察 为 拓 展 性 实 验 内 容 再 如, 在 光 衍 射 现 象 的 观 察 和 测 量 实 验 中, 设 置 了 单 缝 衍 射 现 象 的 观 察 及 测 量 为 基 础 型 内 容, 用 以 学 生 理 解 普 通 物 理 光 学 课 的 相 关 内 容, 设 置 了 光 盘 道 间 距 的 测 量, 漫 反 射 全 息 的 观 察, 观 察 生 活 中 的 其 它 衍 射 现 象 等 作 为 拓 展 型 内 容, 让 同 学 进 一 步 掌 握 衍 射 现 象 的 应 用 等, 具 有 一 定 的 拓 展 思 维 能 力 在 弦 线 上 的 驻 波 实 验 中, 验 证 弦 线 中 驻 波 的 波 长 和 弦 线 中 张 力 的 关 系, 验 证 弦 线 中 驻 波 的 波 长 和 振 动 频 率 的 关 系 为 基 础 性 能 容, 弦 乐 器 发 生 原 理 探 究 则 为 探 究 性 实 验 4 探 究 性 的 体 现 在 普 通 物 理 实 验 中, 主 要 是 验 证 性 实 验, 针 对 每 一 个 实 验 内 容 均 给 出 了 详 细 的 实 施 步 骤, 留 给 学 生 思 考 的 空 间 并 不 多 由 此 造 成 学 生 完 成 实 验 的 过 程 只 能 是 机 械 的 重 复 实 验 步 骤 的 过 程, 对 学 生 实 验 设 计 能 力 的 培 养 很 有 限 实 验 完 成 后, 学 生 往 往 并 不 了 解 所 采 用 实 验 步 骤 的 特 殊 性, 也 不 会 明 白 所 采 取 数 据 处 理 方 法 的 特 殊 性 以 我 校 普 通 物 理 实 验 的 霍 尔 效 应 及 通 电 螺 线 管 磁 场 分 布 的 测 定 实 验 为 例 作 为 一 个 验 证 性 实 验, 它 的 教 学 目 的 一 方 面 让 学 生 了 解 霍 尔 效 应, 另 一 方 面 则 让 学 生 了 解 通 电 螺 线 管 内 部 磁 场 分 布 的 规 律 学 生 做 完 实 验 后, 往 往 也 只 是 了 解 了 这 两 个 方 面, 对 于 这 个 实 验 的 设 计 思 想, 则 是 并 不 了 解, 因 而 也 难 以 培 养 其 实 验 设 计 能 力 166
实 际 上, 在 实 验 设 计 方 面, 霍 尔 效 应 及 通 电 螺 线 管 磁 场 分 布 的 测 定 实 验 有 着 很 多 方 面 可 以 供 学 生 学 习, 例 如, 为 什 么 在 螺 线 管 内 部 每 一 个 测 量 点, 均 要 电 流 正 反 向 测 量 一 次 霍 尔 电 压? 为 什 么 要 采 用 单 刀 双 掷 开 关? 实 验 内 容 的 设 计 上, 为 什 么 要 先 测 量 霍 尔 元 件 得 灵 敏 度, 再 测 量 通 电 螺 线 管 得 磁 场 分 布 等 等, 这 些 问 题, 都 会 被 学 生 忽 略 掉 而 对 于 如 果 补 偿 电 压 的 旋 钮 故 障 了, 是 否 还 可 以 通 过 施 加 补 偿 电 压 的 方 法 去 掉 剩 余 电 压 的 影 响 这 一 类 问 题, 学 生 更 不 会 去 考 虑, 学 生 在 实 验 中 一 旦 发 现 补 偿 电 压 旋 钮 无 法 调 零, 一 般 会 立 即 要 求 教 师 调 换 仪 器 如 果 将 以 上 问 题 设 计 成 思 考 题, 以 思 考 题 的 形 式 让 学 生 了 解 实 验 设 计 意 图, 我 们 发 现 它 的 效 果 也 并 不 明 显 针 对 上 述 情 况, 我 们 在 编 写 探 究 性 实 验 讲 义 的 时 候, 对 于 每 一 个 实 验, 仅 给 出 实 验 目 的, 并 对 原 理 进 行 简 单 的 介 绍, 再 给 出 实 验 内 容, 实 验 讲 义 中 不 安 排 实 验 实 施 方 案 和 步 骤 对 于 实 验 具 体 的 实 施 步 骤, 由 学 生 在 实 验 的 时 候 自 己 设 计 实 践 再 设 计 仍 以 偏 振 光 的 观 察 与 测 量 为 例, 在 编 写 讲 义 时, 对 于 采 用 偏 振 光 来 测 量 玻 璃 折 射 率 这 部 分 内 容, 我 们 仅 简 单 的 叙 述 了 实 验 原 理, 如 : 当 自 然 光 以 布 鲁 斯 特 角 入 射 平 面 玻 璃 的 表 面 时, 折 射 角 与 入 射 角 之 和 为 90 度, 反 射 光 为 完 全 偏 振 光 ( 线 偏 振 光 ) 同 时, 由 折 射 定 律 可 求 得 平 面 玻 璃 的 折 射 率 因 此 学 生 在 测 量 玻 璃 折 射 率 时, 学 生 需 要 考 虑 怎 么 样 使 用 所 给 定 的 实 验 仪 器, 产 生 一 个 什 么 样 的 入 射 光, 如 何 检 测 出 射 光, 应 该 观 察 到 什 么 样 的 现 象 实 验 过 程 中 每 一 步 的 现 象 学 生 都 没 有 经 历 过, 是 未 知 的, 因 而 学 生 需 要 反 复 探 索 实 践, 才 能 得 到 合 理 的 方 案 和 正 确 的 结 果 5 运 行 效 果 在 具 体 的 建 设 与 实 践 过 程 中, 我 们 发 现, 一 个 在 以 往 看 起 来 非 常 简 单 的 实 验 内 容, 在 取 消 了 实 验 步 骤 后, 则 对 学 生 变 得 非 常 的 难, 学 生 往 往 不 知 道 怎 么 下 手 以 验 证 马 吕 斯 定 律 为 例, 在 有 实 验 步 骤 的 时 候, 实 验 非 常 简 单, 一 般 学 生 都 能 够 用 20~30 分 钟 的 时 间 操 作 起 偏 器 检 偏 器 和 功 率 计 获 得 正 确 的 实 验 结 果 然 而, 当 去 掉 实 验 步 骤 后, 学 生 首 先 不 清 楚 公 式 I I cos 2 0 中 的 θ 如 何 确 定, 不 懂 得 利 用 P1 P2( 见 图 1) 的 消 光 位 置 确 定 θ=90 的 位 置 其 次, 不 清 楚 I 0 怎 么 确 定, 在 确 定 I 0 的 时 候, 往 往 会 忽 略 掉 P2 表 面 反 射 光 这 两 个 似 乎 很 简 单 的 问 题, 往 往 需 要 同 学 讨 论 很 久, 思 考 很 久 因 而, 学 生 完 成 实 验, 通 常 要 花 费 60 分 钟 甚 至 更 多 然 而, 在 这 样 的 实 验 过 程 中, 学 生 不 是 处 于 被 动 获 得 知 识 的 地 位, 可 以 说 他 亲 身 经 历 了 实 验 的 过 程 和 探 索, 经 过 了 主 动 积 极 的 思 考, 这 样 掌 握 的 知 识 是 非 常 牢 固 和 深 刻 的 在 一 个 学 期 的 探 究 性 实 验 实 践 过 程 中, 我 们 发 现, 学 期 初, 学 生 对 于 所 操 作 的 实 验 畏 难 没 有 头 绪, 而 到 学 期 末, 明 显 学 生 的 思 路 和 方 法 开 阔 了 许 多, 完 成 实 验 的 时 间 得 以 缩 短, 质 量 也 得 以 提 高 I 0 I P1 P2 图 1 马 吕 斯 定 律 的 验 证 光 路 167
6 总 结 由 于 师 范 专 业 的 特 殊 性, 我 们 针 对 现 行 的 师 范 生 基 础 物 理 探 究 性 实 验 项 目 进 行 了 调 整 和 建 设, 使 其 内 容 更 具 有 师 范 生 特 色, 有 助 于 师 范 类 相 关 专 业 知 识 的 拓 展 和 培 养 在 实 验 内 容 上, 则 采 取 了 基 础 加 探 究 型 的 双 层 实 验 内 容 体 系, 并 且 与 普 通 物 理 实 验 相 比, 在 讲 义 中 不 再 叙 述 具 体 的 实 验 实 施 步 骤 这 些 调 整 使 得 实 验 内 容 的 探 究 性 增 加, 学 生 获 得 知 识 的 方 式 也 由 被 动 转 化 为 主 动 我 们 的 工 作 有 助 于 强 化 师 范 生 物 理 实 验 的 设 计 能 力, 为 其 以 后 担 任 中 学 物 理 教 师 打 下 基 础 参 考 文 献 : [1] 马 葭 生, 宦 强, 等 大 学 物 理 实 验 [M] 华 东 师 范 大 学 出 版 社,1998 [2] 走 进 新 课 程 丛 书 编 委 会, 物 理 课 程 标 准 研 制 组 走 进 新 课 程 丛 书 : 普 通 高 中 物 理 课 程 标 准 ( 实 验 ) 解 读 [M] 湖 北 教 育 出 版 社,2004 [3] 教 育 部 高 等 学 校 物 理 学 与 天 文 学 教 学 指 导 委 员 会. 理 工 科 类 大 学 物 理 实 验 课 程 教 学 基 本 要 求 [M] 高 等 教 育 出 版 社,2011 [4] 张 德 启, 李 新 乡, 陶 洪, 等 物 理 实 验 教 学 研 究 [M] 科 学 出 版 社,2005 The Thinking and Practice of exploring experimental project construction for normal school students Chai Zhi-fang, Cui Lu, Qi Xiao-hua, Huan Qiang, Zhao Qiang (Department of Physics, East China Normal University, Shanghai 200241, China) Abstract: To strength the normal students teaching ability training of physical experiments, the project exploring experiments is reconstructed. Three measures are carried out. The first is that the experimental projects are related to physical knowledge in middle school, and can deepen the understanding of the physical knowledge in middle school. The second is that two-level experimental content, the basic and expanding, is designed. The third is that the experimental procedure is not provided. These actions promote the Cultivation of inquiry, design ability for normal students. Key words: Normal students; Exploring experiments; Experimental content; Reconstruction 168
观 国 际 知 名 赛 事 对 中 学 生 实 验 能 力 培 养 的 作 用 15 届 亚 洲 物 理 奥 林 匹 克 竞 赛 观 察 员 心 得 刘 丽 飒, 张 春 玲, 宋 峰, 李 川 勇 ( 南 开 大 学 物 理 科 学 学 院, 天 津 300071) 摘 要 : 对 比 了 两 类 著 名 的 中 学 生 物 理 赛 事 : 国 际 奥 林 匹 克 物 理 竞 赛 ( 或 亚 洲 物 理 奥 林 匹 克 竞 赛 ) 和 国 际 青 年 物 理 学 家 锦 标 赛 对 中 学 生 实 验 能 力 要 求 上 的 异 同 综 合 两 类 竞 赛 对 学 生 实 验 能 力 培 养 方 面 各 有 千 秋, 建 议 师 生 备 赛 时 在 实 验 方 面 相 互 借 鉴 关 键 字 : 物 理 竞 赛 ; 物 理 实 验 ; 能 力 培 养 1 引 言 国 际 奥 林 匹 克 物 理 竞 赛 ( 或 亚 洲 物 理 奥 林 匹 克 竞 赛 ) 和 国 际 青 年 物 理 学 家 锦 标 赛 是 目 前 两 类 著 名 的 中 学 生 物 理 赛 事 国 际 奥 林 匹 克 物 理 竞 赛 ( 或 亚 洲 物 理 奥 林 匹 克 竞 赛 ) 有 独 立 的 实 验 考 试, 国 际 青 年 物 理 学 家 锦 标 赛 要 求 学 生 在 进 行 的 竞 赛 报 告 中 涵 盖 自 己 的 实 验 内 容 本 文 简 单 介 绍 这 两 类 知 名 赛 事, 分 析 了 国 际 奥 林 匹 克 物 理 竞 赛 ( 或 亚 洲 物 理 奥 林 匹 克 竞 赛 ) 对 中 学 生 实 验 能 力 的 要 求 着 重 比 较 了 两 类 赛 事 对 学 生 实 验 能 力 培 养 方 面 的 异 同 2 国 际 奥 林 匹 克 物 理 竞 赛 与 亚 洲 物 理 奥 林 匹 克 竞 赛 简 介 国 际 奥 林 匹 克 物 理 竞 赛 的 英 文 名 称 是 International Physics Olympiad, 简 称 IPHO. 它 的 宗 旨 是 通 过 组 织 国 际 中 学 生 物 理 竞 赛 来 促 进 学 校 物 理 教 育 方 面 国 际 交 流 的 发 展, 以 强 调 物 理 学 在 一 切 科 学 技 术 和 青 年 的 普 通 教 育 中 日 益 增 长 的 重 要 性. 此 项 竞 赛 于 1967 年 在 波 兰 华 沙 首 次 举 办, 起 初 仅 东 欧 5 国 参 加, 后 扩 展 到 包 括 苏 联 在 内 的 8 个 国 家. 自 1972 年 开 始, 有 非 东 欧 国 家 参 加, 以 后 逐 渐 扩 大. 经 过 30 多 年 的 成 功 举 办, 国 际 声 望 越 来 越 高, 它 的 作 用 已 被 联 合 国 科 教 文 组 织 和 欧 洲 物 理 学 会 所 肯 定 [1] 自 1967 年 第 一 届 中 学 生 国 际 奥 林 匹 克 物 理 竞 赛 ( 简 称 国 际 奥 赛 ) 至 今, 除 3 年 之 外, 每 年 举 办 一 次, 至 今 年 已 举 办 了 44 届 亚 洲 物 理 奥 林 匹 克 竞 赛 (APhO) 源 于 IPhO, 每 年 举 行 一 次, 是 目 前 亚 洲 最 为 重 要 的 物 理 比 赛 在 1999 年 IPhO 期 间, 由 印 尼 领 队 Yohanes 连 同 IPhO 主 席 WGorzkowski 教 授, 共 同 着 手 筹 备,2000 年 4 月 第 一 届 APhO 在 印 尼 成 功 举 办 至 今 已 有 15 届 历 史 APhO 的 宗 旨 是 : 通 过 组 织 国 际 性 中 学 生 物 理 竞 赛, 宣 传 物 理 学 科 的 重 要 性, 推 动 亚 洲 各 国 在 物 理 学 教 育 方 面 的 交 流 与 合 作, 增 进 亚 洲 各 国 青 少 年 间 的 联 系 与 理 解, 激 励 有 才 华 的 青 少 年 脱 颖 而 出 APhO 作 为 物 理 学 领 域 重 要 的 国 家 赛 事, 为 亚 洲 各 国 和 地 区 的 青 少 年 表 现 本 民 族 的 聪 明 才 智 提 供 了 交 流 和 竞 争 的 舞 台, 因 而 受 到 各 国 政 府 的 高 度 重 视 每 年 全 国 中 学 生 物 理 竞 赛 都 通 过 几 十 万 名 中 学 生 物 理 爱 好 者 的 层 层 淘 汰 和 选 拔, 为 国 际 物 理 奥 林 匹 克 竞 赛 亚 洲 中 学 生 物 理 竞 赛 选 出 参 赛 选 手, 这 些 选 手 在 国 际 性 比 赛 中 都 取 得 了 很 好 的 成 绩 至 今 承 接 过 APHO 国 家 队 辅 导 任 务 的 高 校 有 复 旦 大 学 南 京 大 学 北 京 大 学 以 及 南 开 大 学 中 国 队 除 2001 年 和 2003 年 因 故 未 能 参 赛 外, 在 历 届 APHO 中 成 绩 均 十 分 优 异 尤 其 是 2008 年 北 京 大 学 担 任 国 家 队 培 训 以 来, 更 是 创 造 了 连 续 五 年 所 有 队 员 全 部 金 基 金 项 目 : 国 家 基 础 科 学 人 才 培 养 基 金 (J1103208,J1210027) 作 者 简 介 : 刘 丽 飒 (1978-) 女, 河 北 秦 皇 岛 人, 南 开 大 学 物 理 科 学 学 院 副 教 授, 博 士, 从 事 基 础 物 理 光 学 实 验 教 学 169
牌 的 记 录 受 中 国 科 学 技 术 协 会 和 中 国 物 理 学 会 委 托, 南 开 大 学 物 理 科 学 学 院 和 天 津 市 物 理 学 会 自 2012 年 起, 承 担 中 国 物 理 奥 林 匹 克 队 培 训 及 带 队 参 赛 任 务 在 2013 年 的 第 十 四 届 亚 洲 物 理 奥 林 匹 克 竞 赛 和 第 四 十 四 届 国 际 物 理 奥 林 匹 克 竞 赛 中,13 名 参 赛 选 手 全 部 获 得 金 牌 为 了 积 极 备 战 第 15 届 亚 洲 物 理 奥 林 匹 克 竞 赛, 物 理 科 学 学 院 自 2013 年 11 月 起 对 培 训 队 成 员 进 行 了 严 格 规 范 高 强 度 的 培 训 和 选 拔 本 人 有 幸 作 为 观 察 员 全 程 参 与 了 今 年 5 月 11 日 至 19 日 在 新 加 坡 举 行 这 次 赛 事 本 届 竞 赛 共 有 27 个 国 家,174 名 选 手 参 加, 竞 赛 设 金 牌 15 枚 8 名 中 国 参 赛 选 手 均 获 得 金 牌, 新 加 坡 获 得 3 块 金 牌, 越 南 中 华 台 北 泰 国 俄 罗 斯 各 1 块 金 牌 此 外 中 国 参 赛 队 员 还 获 得 总 分 第 一 实 验 第 一 理 论 解 题 最 佳 创 意 奖 最 佳 男 生 奖 3 亚 洲 物 理 奥 林 匹 克 竞 赛 对 中 学 生 实 验 能 力 的 要 求 作 为 长 期 从 事 实 验 基 础 教 学 的 老 师, 就 赛 事 对 学 生 的 实 验 能 力 培 养 给 予 了 特 别 的 关 注 通 过 这 两 年 对 国 家 集 训 队 的 培 训, 和 对 历 年 实 验 考 题 的 分 析, 发 现 在 实 验 能 力 要 求 方 面, APHO 具 有 以 下 特 点 : a. 仪 器 开 放, 要 求 学 生 按 图 自 行 组 装 由 于 实 验 装 置 要 在 有 限 的 经 费 内 解 决 ( 一 套 实 验 装 置 100 美 元 左 右 ), 竞 赛 通 常 用 简 单 的 元 件 可 以 却 近 似 取 代 精 密 仪 器 的 作 用 实 验 装 置 的 设 计 十 分 巧 妙, 值 得 老 师 和 学 生 们 学 习 b. 要 求 学 生 自 行 设 计 实 验 的 测 量 范 围 间 隔 次 数 等, 或 对 实 验 方 案 进 行 选 取 比 如 在 今 年 的 APHO 实 验 题 的 第 三 部 分 需 要 自 行 确 定 配 置 盐 溶 液 的 浓 度 范 围, 以 及 浓 度 间 隔 在 第 二 部 分 要 求 在 两 个 透 镜 中 选 取 一 个 来 完 成 实 验 c. 注 重 探 索 物 理 趋 势, 尽 可 能 提 高 实 验 准 确 度 由 于 测 量 装 置 的 简 易 性, 要 测 得 可 靠 的 物 理 结 果, 除 了 依 赖 题 目 已 经 限 定 好 的 实 验 方 案 外, 学 生 要 取 得 准 确 的 实 验 结 果, 必 须 实 验 考 虑 在 操 作 中 要 避 免 的 引 起 误 差 的 主 要 因 素 4 国 际 青 年 物 理 学 家 锦 标 赛 简 介 国 际 青 年 物 理 学 家 竞 赛 简 称 IYPT(International Young Physicists Tournament), 由 前 苏 联 在 1987 年 发 起, 每 年 举 办 一 届, 目 前 已 经 进 行 了 27 届 IYPT 由 大 学 组 织 实 施 中 学 生 参 与, 是 一 项 以 团 队 对 抗 为 形 式 的 物 理 竞 赛 它 以 培 养 参 赛 者 的 创 新 意 识 创 新 能 力 协 作 精 神 和 实 践 能 力 为 根 本 理 念 [2] 比 赛 过 程 中 正 方 队 员 要 进 行 报 告, 按 照 评 分 规 则 要 求 报 告 中 应 涵 盖 所 进 行 的 实 验 研 究, 并 对 正 方 实 验 和 理 论 分 析 的 吻 合 程 度 有 分 数 考 量 5 两 赛 事 对 学 生 实 验 能 力 要 求 的 异 同 两 种 赛 事 在 对 学 生 实 验 能 力 上 的 要 求 有 所 不 同, 主 要 体 现 在 以 下 几 个 方 面 : a. 不 同 于 APHO 或 IPHO 实 验 装 置 给 定,IYPT 的 仪 器 由 学 生 全 自 组, 实 验 方 案 全 自 拟 IYPT 虽 然 是 以 报 告 的 形 式 进 行 最 后 的 研 究 成 果 展 示, 但 在 此 之 前 学 生 必 须 亲 手 实 验 观 察 现 象, 分 析 实 验 原 理, 并 依 原 理 分 析 确 定 要 测 量 的 参 数, 自 行 购 置 和 组 装 实 验 器 材, 进 行 实 验 探 索 而 APHO 或 IPHO 的 题 目 尽 管 部 分 理 论 细 节 需 要 学 生 推 导, 或 部 分 实 验 现 象 需 要 探 寻, 但 实 验 原 理 框 架 基 本 已 经 给 定, 无 需 学 生 探 讨 和 证 明 b. 在 实 验 与 理 论 的 关 系 方 面,APHO 或 IPHO 侧 重 于 用 已 有 的 理 论 指 导 实 验 获 得 最 准 确 的 实 验 结 果, 而 IYPT 注 重 用 实 验 去 检 测 学 生 的 理 论 猜 想 c. APHO 或 IPHO 经 常 出 现 黑 盒 子 装 置, 而 IYPT 由 于 仪 器 由 学 生 全 自 组, 不 能 进 行 相 关 探 索 APHO 或 IPHO 为 加 强 对 学 生 实 际 应 用 物 理 知 识 的 能 力, 黑 盒 子 问 题 逐 年 增 多, 要 求 学 生 利 用 实 验 观 测 的 结 果, 揭 开 黑 盒 子 中 的 具 体 结 构 已 出 现 的 题 目 有 光 学 黑 盒 子 电 学 170
黑 盒 子, 黑 盒 子 内 物 体 的 表 面 未 知 形 貌 检 测 等 d. APHO 或 IPHO 限 定 了 学 生 实 验 必 须 沿 着 题 目 给 定 的 思 路 进 行, 并 最 终 给 出 标 准 答 案 而 IYPT 在 实 验 上 不 对 方 法 进 行 任 何 限 定, 也 无 任 何 官 方 标 准 解 答, 学 生 通 过 实 践 和 赛 程 中 的 思 辨, 探 索 真 理, 着 重 考 量 学 生 的 物 理 思 辨 能 力 e. APHO 或 IPHO 的 题 目 经 常 来 源 于 研 究 热 点 或 前 言 问 题, 大 大 开 拓 了 学 生 视 野 而 IYPT 的 问 题 经 常 来 自 实 际 生 活, 更 容 易 激 发 学 生 的 实 验 兴 趣 这 两 年 APHO 或 IPHO 的 题 目 经 常 与 IYPT 的 类 似, 我 们 甚 至 可 以 在 APHO 或 IPHO 的 实 验 装 置 中 找 到 IYPT 的 题 目 的 最 佳 实 验 装 置 和 方 案 比 如 2013 年 APHO 的 实 验 题 目 [3] : 风 能 及 测 量 实 验 中 乒 乓 球 风 速 计 : 通 过 一 个 乒 乓 球 摆 来 设 计 了 一 个 测 量 风 速 的 实 验 利 用 计 算 机 风 扇 的 产 生 风 洞 以 及 恒 温 风 速 仪 与 恒 流 风 速 仪 等 实 验 装 置, 都 对 当 年 IYPT 题 目 中 的 第 五 题 ( 悬 浮 空 中 : 一 个 乒 乓 球, 可 以 被 向 上 的 气 流 所 支 撑 气 流 的 方 向 可 以 倾 斜, 然 而 它 仍 然 可 以 支 撑 球 探 究 气 流 倾 斜 的 影 响, 并 优 化 该 系 统, 得 出 在 保 持 球 处 于 稳 定 状 态 的 情 况 下, 气 流 倾 斜 的 最 大 角 度 ) 的 实 验 设 计 有 很 大 启 发 2012 年 IPHO 的 测 水 的 磁 导 率 实 验 [4], 给 出 测 量 凹 液 面 形 状 的 简 易 装 置 和 方 法,2012 年 APHO 给 出 了 测 量 表 面 摩 擦 系 数 的 精 巧 装 置 6 结 语 APHO 和 IPHO 的 实 验 设 计 经 过 出 题 试 做 各 国 专 家 讨 论 和 改 进 等 很 多 环 节, 在 物 理 思 维 上 清 晰, 实 验 设 计 思 路 上 合 理 并 通 常 是 最 优 化 的, 较 一 般 实 验 题 目 严 谨 所 以 两 个 竞 赛 的 题 目 互 相 借 鉴 更 有 利 于 学 生 实 验 能 力 的 提 高 建 议 IYPT 的 学 生 将 近 几 年 APHO 和 IPHO 的 实 验 题 目 作 为 优 秀 的 实 验 设 计 范 例 来 学 习 而 准 备 APHO 和 IPHO 的 学 生 如 果 能 向 准 备 IYPT 的 学 生 一 样, 去 分 析 实 验 的 整 体 设 计 方 案, 摸 清 实 验 各 步 骤 内 在 的 逻 辑 关 系, 则 有 利 于 学 生 快 速 解 题 参 考 文 献 : [1] 叶 沿 林 全 国 中 学 生 物 理 竞 赛 与 国 际 奥 林 匹 克 物 理 竞 赛 [J] 物 理,2012,41(8):519-523 [2] http://www.iypt.org/home [3] http://apho.phy.ntnu.edu.tw/ [4] http://ipho.phy.ntnu.edu.tw/ Effect on the Students Ability in the Experiment of Two Kinds of International Physical Competitions -- The observer s insight of the 15 th Asian Physics Olympiad LIU Li-sa, ZHANG Chun-ling, SONG Feng, LI Cuan-yong (School of Physics, Nankai University, Tianjin 300071, China) Abstract: The paper compared the two kinds of famous physical competitions for the middle school students: the International Physics Olympiad (or The Asian Physics Olympiad) physicists and the International Young Physicists Tournament; they are some similarities and differences in the students' experimental ability requirements. The two kinds of competitions focused on the different aspects of the students' experimental ability training. When preparing for one kind of the two competitions, teachers and students can learn from the other problem in the experimental aspects. Key words: physics competition; physical experiment; ability training 171
信 息 化 时 代 PI 教 学 法 创 新 教 育 研 究 姜 东 光, 申 人 升, 李 建 东, 周 玲 ( 大 连 理 工 大 学 物 理 与 光 电 工 程 学 院, 辽 宁 大 连 116024) 摘 要 : 将 创 新 教 育 与 互 联 网 思 维 密 切 结 合, 与 PI 教 学 法 无 领 导 小 组 讨 论 等 教 学 手 段 紧 密 联 系, 是 非 常 必 要 的 竞 赛 是 体 现 学 生 综 合 素 质 能 力 的 平 台, 更 是 创 新 教 育 的 一 种 导 引 力 量 通 过 创 新 实 践 班 教 育, 参 加 全 国 性 物 理 类 竞 赛, 摸 索 出 一 套 切 实 可 行 的 创 新 教 育 模 式, 在 实 践 中 取 得 显 著 效 果 这 一 研 究 成 果 对 于 物 理 创 新 教 育 的 发 展, 具 有 一 定 的 参 考 价 值 关 键 词 : 物 理 竞 赛 ; 导 引 ; 创 新 教 育 ; 实 践 ; 在 当 前 的 信 息 化 时 代, 创 新 教 育 必 然 打 上 互 联 网 思 维 和 互 联 网 生 活 方 式 的 印 记 创 新 教 育 是 指 对 人 的 创 新 精 神 创 新 能 力 和 创 新 素 质 的 培 养 与 教 育 高 等 院 校 在 创 新 人 才 培 养 中 承 担 着 不 可 替 代 的 责 任 近 年 来, 我 国 教 育 部 财 政 部 先 后 支 持 实 施 了 985 工 程 211 工 程 高 等 学 校 本 科 教 学 质 量 与 教 学 改 革 工 程 项 目 很 多 高 校 均 大 力 进 行 创 新 教 育 的 研 究 与 实 践 [1-6] 大 连 理 工 大 学 在 培 养 创 新 人 才 方 面 坚 持 育 人 为 本, 始 终 把 培 养 具 有 健 全 人 格 的 高 素 质 创 新 型 人 才 作 为 学 校 的 根 本 任 务, 在 人 才 培 养 中 坚 持 德 育 为 先 能 力 为 重 全 面 发 展 的 人 才 培 养 理 念 ; 坚 持 育 人 以 学 生 为 本, 发 挥 学 生 在 教 学 中 的 主 体 地 位, 尊 重 并 发 挥 教 师 在 教 书 育 人 中 的 主 导 作 用 ; 努 力 把 学 生 培 养 成 为 社 会 主 义 核 心 价 值 体 系 和 先 进 思 想 文 化 的 捍 卫 者 和 引 领 者, 成 为 国 家 政 治 经 济 科 技 文 化 等 领 域 的 开 拓 者 和 领 导 者 在 学 校 和 学 院 多 方 政 策 的 激 励 与 支 持 下, 我 院 创 新 班 教 育 已 经 实 行 了 6 年 有 余 虽 然 学 校 整 体 创 新 班 教 育 取 得 很 大 成 功, 并 在 全 国 范 围 内 引 起 广 泛 关 注 但 是 由 于 物 理 与 光 电 类 创 新 教 育 的 独 特 性, 不 能 照 搬 机 电 类 或 软 件 类 等 创 新 班 成 功 的 经 验, 而 需 充 分 考 虑 物 理 学 科 的 基 础 性 与 探 究 性 相 结 合 日 常 教 学 与 创 新 教 育 相 结 合, 探 索 一 套 切 实 可 行 的 创 新 教 育 模 式 竞 赛 是 一 个 展 示 的 平 台, 更 是 一 种 导 引 的 力 量 我 们 通 过 教 学 内 容 和 教 学 方 法 的 创 新, 以 物 理 竞 赛 为 导 引 机 制 多 角 度 地 培 养 创 新 人 才 该 模 式 不 仅 调 动 了 学 生 们 的 主 观 能 动 性, 培 养 了 其 思 维 动 手 判 断 表 达 以 及 合 作 能 力, 还 调 动 青 年 教 师 的 教 学 热 情 与 自 身 修 养 的 提 升 该 项 研 究 成 果 对 我 校 创 新 教 育 的 发 展 具 有 很 好 的 参 考 价 值 1 教 学 内 容 与 教 学 方 法 的 创 新 1.1 教 学 内 容 的 创 新 创 新 班 的 课 程 有 别 于 日 常 班 级, 课 程 安 排 要 有 创 新, 所 以 我 们 根 据 教 师 团 队 的 构 成 和 各 自 学 科 优 势, 结 合 物 理 与 光 电 工 程 学 院 的 科 研 和 教 学 资 源, 为 创 新 班 学 员 安 排 了 如 下 课 程 : 1 物 理 学 创 新 案 例 2 物 理 技 术 创 新 案 例 3 物 理 实 验 基 本 技 术 4 物 理 与 光 电 子 专 题 5 物 理 研 究 与 光 电 综 合 设 计 以 物 理 学 创 新 案 例 为 例, 说 明 教 学 内 容 的 优 化 1) 有 的 放 矢, 以 点 带 面 针 对 日 常 物 理 学 习 中 遗 留 的 普 遍 困 惑, 以 点 带 面 有 针 对 性 地 提 高 学 生 对 物 理 学 的 整 体 理 解, 从 而 显 著 提 高 其 科 学 素 养 提 高 学 生 探 究 的 兴 趣, 体 会 物 理 学 之 美 资 助 项 目 : 大 连 理 工 大 学 教 学 改 革 基 金 (MS201281) 资 助 课 题 作 者 简 介 : 姜 东 光 (1955-), 男, 江 苏 赣 榆 人, 大 连 理 工 大 学 教 授, 主 要 从 事 理 论 物 理 研 究 和 基 础 物 理 教 学 172
2) 以 故 事 为 教 学 内 容 以 历 史 故 事 为 教 学 开 端, 学 习 和 理 解 生 活 中 重 大 物 理 学 进 展 的 背 景, 如 经 典 力 学 电 磁 学 相 对 论 热 力 学 统 计 和 量 子 力 学 等 发 展 历 程, 以 人 物 传 记 的 形 式, 介 绍 上 述 研 究 领 域 中 重 要 物 理 学 家 在 解 决 问 题 时 的 思 路 灵 感 获 得 以 及 实 验 方 法 掌 握 量 子 物 理 所 代 表 现 代 科 学 的 研 究 方 法, 以 及 在 当 代 创 新 研 究 工 作 中 的 意 义 1.2 教 学 方 法 的 创 新 创 新 班 的 教 学 有 课 堂 教 学, 但 更 多 的 是 开 放 讨 论 式 的 自 主 性 的 分 工 合 作 式 的 教 学 教 学 方 法 的 创 新 体 现 在 : 教 师 的 讲 授 只 是 一 个 引 子, 教 师 的 角 色 更 象 是 一 位 朋 友 一 个 问 题 提 出 者 一 个 主 持 人 在 不 经 意 之 间, 把 教 学 理 念 教 学 经 验 和 重 大 的 物 理 思 想, 科 学 思 维 的 规 则 和 习 惯 传 授 给 学 生, 起 到 了 举 一 反 三 画 龙 点 睛 的 效 果 设 置 设 计 性 和 研 究 性 课 题 其 中, 对 于 设 计 性 课 题, 要 求 学 生 自 行 查 阅 资 料 自 行 写 出 实 验 的 基 本 步 骤 并 列 出 注 意 事 项, 经 与 教 师 讨 论 补 充 后 自 主 进 行 实 验 ; 对 于 研 究 性 课 题, 要 求 学 生 自 主 寻 找 实 验 测 试 材 料, 自 主 设 计 实 验 方 案 和 测 试 范 围 此 外 还 要 求 学 生 自 行 制 作 PPT 讲 稿 经 教 师 考 核 小 组 主 持 的 答 辩, 充 分 讨 论 后 才 能 够 完 成 多 年 的 实 践 结 果 表 明, 通 过 教 学 内 容 和 教 学 方 法 的 创 新, 不 仅 能 够 充 分 尊 重 学 生 的 个 性 化 差 异, 满 足 学 生 对 于 知 识 的 不 同 需 求, 还 能 切 实 地 激 发 学 生 对 于 物 理 学 的 热 情 培 养 其 主 观 能 动 性 以 及 创 造 性 思 维 能 力, 为 学 生 参 加 物 理 竞 赛 并 取 得 理 想 的 成 绩, 打 下 了 扎 实 的 基 础, 铺 平 了 道 路 2 物 理 竞 赛 导 引 的 创 新 机 制 竞 赛 是 综 合 体 现 学 生 教 育 培 养 成 果 的 一 种 形 式, 是 丰 富 独 特 的 课 程 安 排 与 组 织 有 力 的 教 学 活 动 的 延 伸, 更 是 检 验 日 常 教 学 和 创 新 教 育 能 否 激 发 学 生 的 主 观 能 动 性 主 动 创 造 思 维 以 及 学 生 的 创 新 能 力 一 个 平 台 与 常 规 物 理 教 学 相 比 较, 在 竞 赛 机 制 的 导 引 下, 可 以 在 较 短 时 间 内 激 励 学 生 进 行 具 体 的 创 新 实 践, 并 在 此 过 程 中 培 养 学 生 的 创 新 能 力 更 为 重 要 的 是, 物 理 竞 赛 的 类 别 和 形 式 各 不 相 同, 其 在 普 适 能 力 要 求 的 基 础 上 往 往 对 某 几 项 能 力 的 要 求 更 为 突 出, 因 此 其 对 学 生 具 体 创 新 能 力 的 锻 炼 更 为 有 效 和 更 具 针 对 性 另 外, 物 理 竞 赛 的 名 次 排 序 也 是 对 学 生 起 到 正 面 激 励 作 用 近 几 年, 我 们 有 选 择 性 地 积 极 参 加 了 全 国 以 及 省 市 级 物 理 类 竞 赛, 并 取 得 了 丰 硕 的 成 果, 在 学 生 中 反 响 强 烈 特 别 是 2010 年 我 们 组 织 参 加 了 全 国 大 学 生 物 理 实 验 竞 赛 ;2011 年 和 2012 年, 组 织 参 加 了 两 届 全 国 大 学 生 物 理 学 术 竞 赛 ( 简 称 CUPT) 这 两 项 赛 事 对 于 拓 展 创 新 教 学 提 升 学 生 创 新 能 力 具 有 十 分 重 要 的 意 义 2.1 物 理 实 验 竞 赛 对 大 学 生 基 础 知 识 和 实 验 技 能 的 创 新 能 力 导 引 1) 赛 制 简 介 全 国 大 学 生 物 理 实 验 竞 赛 是 大 学 生 学 科 竞 赛, 该 项 赛 事 由 教 育 部 高 教 司 ( 高 教 司 函 2010 13 号 ) 批 准 高 等 学 校 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 联 席 会 主 办, 全 国 高 校 实 验 物 理 教 学 研 究 会 协 办 其 宗 旨 是 激 发 大 学 生 对 物 理 实 验 的 兴 趣 与 潜 能, 培 养 大 学 生 的 创 新 实 践 能 力, 促 进 高 等 学 校 物 理 实 验 教 学 的 改 革 试 题 内 容 涵 盖 了 基 础 物 理 实 验 和 近 代 物 理 实 验 中 所 有 的 大 学 物 理 实 验 内 容, 但 命 题 却 与 学 生 们 所 做 过 的 实 验 完 全 不 同, 某 些 题 目 甚 至 是 教 学 科 研 的 探 索 性 题 目 2) 创 新 能 力 的 导 引 该 项 竞 赛 对 于 学 生 创 新 能 力 的 导 引 主 要 体 现 为 : a. 基 础 知 识 的 创 新 导 引 根 据 赛 制 要 求, 学 生 不 仅 要 熟 悉 所 考 察 的 知 识 点, 而 且 要 对 知 识 点 有 一 定 深 度 的 理 解 常 规 的 物 理 教 学 往 往 注 重 知 识 点 的 介 绍, 但 是 对 于 竞 赛 准 备 而 言 更 为 重 要 的 是 在 理 解 该 知 识 点 的 基 础 上, 掌 握 如 何 利 用 其 获 得 某 种 未 知 参 量 的 信 息, 这 就 激 励 学 生 不 仅 要 知 其 然 更 要 知 其 所 以 然 以 点 带 面, 举 一 反 三, 将 简 单 的 物 理 问 题 提 升 到 高 层 次 的 物 理 核 心 上, 让 学 生 学 会 如 何 用 物 理 的 思 维 方 式 去 思 考 b. 实 验 技 能 的 创 新 导 引 虽 然 辅 助 实 验 器 材 是 常 规 物 理 教 学 过 程 中 使 用 过 的, 但 是 学 生 173
所 要 解 决 的 问 题 都 是 全 新 的, 这 就 需 要 学 生 们 具 有 良 好 的 应 变 处 理 能 力, 即 要 求 他 们 具 有 敏 锐 的 判 断 能 力 和 快 速 的 建 模 能 力, 在 短 短 几 个 小 时 内 利 用 现 有 的 实 验 手 段 得 到 相 应 的 实 验 结 果, 并 对 数 据 进 行 合 理 的 分 析 和 准 确 的 处 理, 最 终 给 出 一 个 完 整 的 实 验 报 告 在 创 新 班 中 设 置 了 设 计 性 与 研 究 性 课 题, 通 过 实 践 创 新 实 现 学 生 实 验 技 能 的 创 新 导 引, 切 实 地 培 养 了 学 生 创 新 的 实 践 能 力 通 过 参 加 全 国 大 学 生 物 理 实 验 竞 赛, 我 们 深 刻 认 识 到 该 项 赛 事 所 导 引 的 创 新 能 力 培 养, 对 学 生 在 知 识 深 度 掌 握 和 问 题 应 变 处 理 能 力 方 面 具 有 明 显 的 激 励 作 用 这 种 以 物 理 实 验 竞 赛 为 导 引 的 模 式, 可 以 突 出 培 养 学 生 的 知 识 积 累 和 问 题 解 决 能 力 2.2 物 理 学 术 竞 赛 对 大 学 生 思 维 拓 展 语 言 表 达 以 及 协 同 创 新 能 力 的 导 引 1) 赛 制 简 介 全 国 大 学 生 物 理 学 术 竞 赛 简 称 CUPT, 是 我 国 借 鉴 国 际 青 年 物 理 学 家 竞 赛 (IYPT) 的 模 式 创 办 的 在 全 国 高 校 本 科 学 生 中 开 展 的 学 生 团 体 学 术 赛 事 以 团 队 合 作 的 形 式 研 究 实 际 物 理 问 题, 以 辩 论 的 形 式 进 行 比 赛 旨 在 提 高 学 生 综 合 运 用 所 学 知 识 分 析 解 决 实 际 物 理 问 题 的 能 力, 培 养 学 生 的 开 放 思 维 能 力, 交 流 表 达 能 力 和 协 同 创 新 能 力, 同 时 注 重 加 强 青 年 学 生 之 间 的 友 谊 竞 赛 题 目 大 都 来 自 生 活 中 最 为 普 遍 的 物 理 现 象, 没 有 确 定 的 研 究 范 围, 学 生 需 要 综 合 考 虑 相 关 因 素, 创 新 地 进 行 相 关 实 验, 探 究 影 响 因 素 和 形 成 原 因 2) 创 新 能 力 的 导 引 该 项 竞 赛 对 于 学 生 创 新 能 力 的 导 引 主 要 体 现 为 : a. 思 维 拓 展 的 导 引 该 项 赛 事 的 题 目 源 于 生 活, 多 数 为 广 为 人 知 的 普 遍 现 象 但 是 其 中 可 变 因 素 多, 各 因 素 之 间 还 存 在 联 系, 使 得 命 题 极 具 开 放 性, 即 没 有 统 一 而 明 确 的 答 案 这 就 要 求 学 生 拓 展 思 维, 利 用 已 有 的 知 识 采 用 新 办 法 来 创 造 性 的 解 决 问 题 我 们 多 次 组 织 教 师 与 学 生 集 体 讨 论, 剖 析 题 目 的 核 心 与 关 键, 使 学 生 逐 渐 养 成 观 察 探 索 和 想 象 思 维 的 习 惯, 引 导 其 思 维 创 新 性 拓 展 b. 语 言 表 达 的 导 引 该 项 赛 事 的 比 赛 形 式 为 辩 论, 所 以 准 确 而 简 洁 的 语 言 表 达 至 关 重 要 这 需 要 不 仅 仅 培 养 学 生 的 语 言 表 达 的 准 确 性, 同 时 还 要 培 养 其 敏 锐 的 洞 察 力 精 简 的 总 结 能 力 以 及 良 好 的 竞 赛 面 貌 通 过 多 次 自 由 辩 论 和 实 战 模 拟, 引 导 学 生 的 科 学 素 养 以 及 良 好 的 语 言 表 达 能 力 的 形 成, 锻 炼 良 好 的 心 理 素 质 c. 协 同 创 新 的 导 引 该 项 赛 事 以 团 队 合 作 形 式 来 研 究 具 体 的 物 理 问 题, 个 人 能 力 的 突 出 表 现 不 能 代 表 团 队 的 情 况, 只 有 协 同 作 战 才 能 取 得 胜 利, 在 此 协 同 创 新 被 体 现 得 淋 漓 尽 致 通 过 参 加 全 国 大 学 生 物 理 学 术 竞 赛, 我 们 深 刻 体 会 到 该 项 赛 事 所 导 引 的 创 新 能 力 培 养, 对 学 生 在 思 维 拓 展 语 言 表 达 和 协 同 创 新 能 力 方 面 具 有 明 显 的 激 励 作 用 特 别 是 经 过 物 理 竞 赛 后 的 学 生, 在 以 后 的 学 习 和 工 作 中 均 有 突 出 的 表 现 3 总 结 在 我 校 着 力 提 高 人 才 培 养 质 量, 着 力 提 升 创 新 能 力 的 总 体 要 求 下, 探 索 具 有 大 工 特 色 的 人 才 培 养 新 模 式 我 院 创 新 班 以 创 新 培 养 模 式 改 革 教 学 模 式 完 善 管 理 模 式 为 工 作 重 点, 通 过 对 创 新 班 教 学 内 容 和 教 学 方 法 的 创 新, 探 索 出 以 物 理 竞 赛 为 导 引 的 创 新 教 育 模 式 该 模 式 切 实 地 提 升 大 学 生 的 科 学 文 化 素 养, 扎 实 系 统 的 知 识 结 构 能 力 突 出 的 创 新 实 践 敏 锐 可 观 的 批 判 思 维 准 确 生 动 的 表 达 能 力, 使 学 生 的 知 识 能 力 和 素 质 得 到 全 方 位 的 锻 炼 参 考 文 献 : [1] 赵 尚 松 近 年 来 创 新 教 育 研 究 综 述 [J] 巢 湖 学 院 学 报,2005,16(6):150-154 [2] 杨 天 怡, 胡 新 平, 严 薇, 袁 云 松 创 新 教 育 与 实 践 教 学 创 新 [J] 中 国 高 等 教 育,2005, (23):28-30 [3] 马 廷 奇 产 学 研 合 作 与 创 新 人 才 培 养 [J] 中 国 高 等 教 育,2011,(6):44-46 174
[4] 李 洪 亮, 李 永 平, 董 岩 地 方 本 科 院 校 大 学 生 创 新 教 育 的 实 践 与 探 索 [J] 运 城 学 院 学 报, 2012,30(1):85-88 [5] 张 树 国 高 等 院 校 大 学 生 创 新 教 育 研 究 与 实 践 初 探 [J] 华 中 师 范 大 学 学 报 ( 人 文 社 会 科 学 版 ),2012,(1):168-170 [6] 张 友 琴, 王 萍, 朱 昌 平, 朱 晖 以 大 学 生 创 新 性 实 验 计 划 为 契 机 培 养 创 新 型 人 才 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2011,28(7):167-170,212 175
近 代 物 理 实 验 课 开 展 研 究 性 实 验 的 探 索 与 实 践 钱 建 强, 张 高 龙, 郝 维 昌, 崔 益 民, 蔡 微, 李 华 ( 北 京 航 空 航 天 大 学 物 理 实 验 教 学 中 心, 北 京 100191) 摘 要 : 根 据 实 验 室 现 有 条 件 和 资 源, 在 近 代 物 理 实 验 课 中 进 行 了 研 究 性 实 验 教 学 改 革, 通 过 开 展 自 主 扩 展 实 验 初 步 实 验 研 究 课 题 型 研 究 实 验 自 主 设 计 实 验 等 方 面 的 建 设, 建 立 起 初 级 和 高 级 2 个 层 次 研 究 型 实 验 和 设 计 型 实 验 2 种 模 式 的 促 进 复 合 拔 尖 人 才 培 养 的 研 究 性 教 学 体 系 同 时, 加 强 实 验 室 开 放 性 建 设, 注 重 教 学 研 究 和 教 学 方 法 与 国 际 接 轨, 取 得 了 预 期 的 效 果 关 键 词 : 研 究 性 实 验 ; 创 新 能 力 ; 拔 尖 人 才 培 养 1 前 言 如 何 激 发 学 生 的 创 新 欲 望, 培 养 学 生 科 学 的 思 维 方 法 和 创 新 能 力 是 目 前 每 一 位 实 验 教 师 无 法 回 避 的 问 题 研 究 性 学 习 模 式 的 引 入, 为 解 决 这 一 问 题 提 供 了 一 条 有 效 的 途 径 研 究 性 学 习 模 式 是 以 探 索 和 研 究 为 基 础 的 学 习 模 式, 它 始 终 把 培 养 学 生 的 独 立 思 考 独 立 分 析 独 立 判 断 的 研 究 能 力 和 创 新 能 力 放 在 首 位, 注 重 学 生 的 知 识 能 力 素 质 全 面 发 展 [1,2] 近 代 物 理 实 验 是 物 理 类 高 年 级 学 生 的 一 门 重 要 基 础 课, 涉 及 的 物 理 知 识 面 广, 综 合 性 和 技 术 性 强 在 近 代 物 理 实 验 中, 加 强 研 究 性 实 验 建 设, 对 培 养 大 学 生 的 实 践 能 力 和 创 新 能 力 有 着 不 可 替 代 的 作 用, 是 大 学 生 实 践 教 学 中 的 重 要 环 节 研 究 性 实 验 不 同 于 基 本 实 验, 要 根 据 学 生 的 具 体 情 况 而 定, 近 几 年, 我 们 根 据 自 己 近 代 物 理 实 验 室 的 特 点, 通 过 开 展 自 主 扩 展 实 验 初 步 实 验 研 究 课 题 型 研 究 性 实 验 自 主 设 计 型 实 验 等 方 面 的 建 设, 建 立 起 初 级 和 高 级 2 个 层 次 研 究 型 实 验 和 设 计 型 实 验 2 种 模 式 的 研 究 性 教 学 体 系 同 时, 为 了 保 证 研 究 性 教 学 体 系 的 顺 利 实 施, 加 强 了 近 代 物 理 实 验 室 的 开 放 性 建 设, 并 注 重 教 学 研 究 和 教 学 方 法 与 国 际 接 轨, 拓 展 学 生 学 术 视 野, 促 进 拔 尖 人 才 培 养 2 分 层 次 多 模 式 研 究 性 实 验 建 设 为 了 使 不 同 能 力 和 特 点 的 学 生 都 能 得 到 科 研 素 质 和 科 研 创 新 能 力 的 培 养 锻 炼, 研 究 探 索 适 合 不 同 层 次 学 生 的 研 究 性 实 验 内 容, 确 立 相 应 的 研 究 性 实 验 题 目 为 适 应 学 生 的 兴 趣 和 将 来 的 职 业 规 划, 将 研 究 性 实 验 分 为 研 究 型 实 验 和 设 计 型 实 验 2 种 模 式 为 适 合 不 同 层 次 学 生 的 需 要, 将 研 究 性 实 验 分 为 初 级 和 高 级 2 个 层 次 要 求 同 学 在 完 成 一 定 数 量 基 本 实 验 的 基 础 上, 对 部 分 实 验 内 容 进 行 扩 展 或 者 对 实 验 内 容 进 行 深 入 研 究 ; 鼓 励 优 秀 拔 尖 同 学 选 做 研 究 型 实 验 和 自 主 设 计 型 实 验, 鼓 励 他 们 参 与 教 师 的 科 研 课 题 研 究, 申 请 全 国 大 创 项 目 和 SRTP 项 目, 并 尽 可 能 把 成 果 转 化 为 实 验 教 学 内 容 和 教 学 设 备 根 据 选 做 的 题 目, 鼓 励 学 生 参 加 全 国 的 挑 战 杯 和 学 校 的 冯 如 杯 比 赛 我 们 结 合 实 验 室 的 条 件 和 学 生 的 学 习 能 力 与 特 点, 将 研 究 性 实 验 分 为 初 级 和 高 级 2 个 层 次 研 究 型 实 验 和 设 计 型 实 验 2 种 模 式, 具 体 为 自 主 扩 展 实 验 初 步 实 验 研 究 课 题 型 研 究 实 验 自 主 设 计 实 验 等 4 种 方 式 2.1 根 据 现 有 条 件, 开 展 自 主 扩 展 实 验 在 实 验 室 现 有 条 件 下, 让 学 生 利 用 实 验 室 的 仪 器 设 备, 在 现 有 基 本 实 验 的 基 础 上, 通 过 查 阅 资 料 调 研, 自 己 设 计 实 验 方 案, 增 配 一 些 简 单 器 材, 自 主 扩 展 开 发 新 的 实 验 内 容 近 资 助 项 目 : 北 京 航 空 航 天 大 学 重 点 教 改 项 目 176
代 物 理 实 验 中, 有 不 少 可 以 扩 展 实 验 内 容 的 基 本 实 验, 如 : 光 磁 共 振 单 色 仪 拉 曼 光 谱 锁 相 放 大 检 测 放 射 性 实 验 等 其 中 单 色 仪 实 验, 通 过 增 配 简 单 器 件, 可 以 扩 展 进 行 辐 射 温 度 测 量 比 色 测 温 浓 度 测 量 透 过 率 测 量 等 实 验 内 容 在 做 光 磁 共 振 实 验 时, 张 仕 超 等 3 名 同 学 对 紫 外 光 探 测 产 生 了 兴 趣, 随 后 在 任 课 老 师 的 指 导 下 扩 展 实 验 内 容, 研 制 了 小 型 紫 外 线 指 数 探 测 仪, 参 加 当 年 北 航 冯 如 杯 比 赛 获 三 等 奖 孟 显 奎 同 学 利 用 实 验 室 已 有 的 60 Co 放 射 源 和 NaI 闪 烁 谱 仪, 采 购 加 工 了 一 些 铅 铜 铁 和 铝 吸 收 片 后, 扩 展 射 线 吸 收 实 验, 完 成 实 验 设 计, 得 到 了 很 好 的 实 验 结 果, 论 文 发 表 在 大 学 物 理 实 验 上 [3] 2.2 依 据 现 有 仪 器, 开 展 初 步 实 验 研 究 近 代 物 理 实 验 室 的 扫 描 隧 道 显 微 镜 原 子 力 显 微 镜, 拉 曼 光 谱 仪, 分 光 光 度 计, 锁 相 检 测 放 大 器 等 设 备 仪 器, 比 较 适 合 学 生 开 展 初 步 实 验 研 究 学 生 依 据 现 有 的 实 验 仪 器, 根 据 感 兴 趣 的 内 容, 在 教 师 指 导 下, 可 自 主 开 展 一 些 实 验 研 究 同 时, 我 们 依 据 近 代 物 理 实 验 室 现 有 的 仪 器 设 备, 给 出 了 20 多 个 研 究 性 实 验 题 目, 学 生 可 自 己 选 择 感 兴 趣 的 研 究 题 目, 在 任 课 教 师 指 导 下, 进 行 研 究 性 实 验 如 验 证 计 数 率 与 距 离 平 方 反 比 实 验 γ 射 线 的 屏 蔽 和 测 厚 利 用 双 光 栅 莫 尔 条 纹 进 行 转 角 及 位 移 测 量 研 究 水 样 品 中 三 氯 化 铁 浓 度 对 共 振 信 号 的 影 响 研 究 在 多 晶 金 属 箔 和 粉 末 样 品 上 进 行 X 射 线 衍 射 分 析 研 究 用 C-V 法 如 何 测 量 非 突 变 p-n 结 的 杂 质 浓 度 的 分 布 等 研 究 型 实 验 内 容 通 过 这 些 锻 炼, 培 养 学 生 的 创 新 意 识 和 初 步 的 科 学 研 究 能 力 郭 晨 雷 同 学 的 论 文 验 证 辐 射 强 度 与 距 离 平 方 反 比 率 的 实 验, 发 表 在 大 学 物 理 实 验 [4] 赵 宇 贾 越 辉 同 学 的 论 文 ph 对 TiO2 光 催 化 降 解 罗 丹 明 B 的 影 响 发 表 在 大 学 化 学 [5] 2.3 通 过 课 题 型 实 验, 促 进 拔 尖 人 才 培 养 教 师 通 过 将 现 代 科 学 的 热 点 领 域 自 己 的 科 研 课 题 与 近 代 物 理 实 验 相 结 合, 给 出 课 题 型 的 研 究 型 实 验 题 目, 让 成 绩 突 出 的 学 生 选 作, 扩 展 加 深 近 代 物 理 实 验 内 容, 让 学 生 了 解 探 索 一 些 最 新 的 科 学 前 沿 与 进 展 尝 试 将 近 代 物 理 实 验 室 建 成 高 年 级 大 学 生 进 行 大 创 项 目 和 SRTP 以 及 课 外 研 究 的 主 要 实 验 场 所 要 求 同 学 根 据 近 代 物 理 实 验 知 识 和 技 能, 结 合 实 验 室 的 仪 器 设 备 以 及 老 师 的 科 研 课 题, 在 任 课 教 师 的 指 导 下 申 报 大 创 项 目 和 SRTP 项 目, 对 相 关 物 理 内 容 和 实 验 方 法 进 行 深 层 次 的 探 索 和 研 究 采 用 这 种 方 式 促 进 拔 尖 人 才 培 养 几 年 来, 本 科 学 生 积 极 申 报 参 与 各 项 科 研 创 新 项 目, 共 获 得 国 家 级 大 创 项 目 和 SRTP 项 目 10 项 校 级 SRTP 资 助 项 目 20 多 项 李 小 凤 蒋 莎 茹 同 学 在 开 展 国 家 级 SRTP 项 目 期 间, 在 物 理 类 核 心 期 刊 大 学 物 理 上 发 表 2 篇 论 文 [6,7], 并 参 与 发 表 1 篇 SCI 论 文 张 远 鹏 郭 晨 雷 等 同 学, 选 做 了 任 课 老 师 结 合 自 己 的 科 研 课 题 给 出 的 研 究 性 实 验 题 目, 由 于 工 作 出 色, 实 验 结 果 整 理 成 论 文 后, 发 表 在 SCI 收 录 学 术 期 刊 上, 开 创 了 物 理 学 院 以 本 科 生 为 第 一 作 者 发 表 SCI 论 文 的 先 例 [8,9] 2.4 开 展 自 主 设 计 实 验, 促 进 复 合 人 才 培 养 这 种 方 式 属 于 高 级 研 究 性 实 验 模 式, 目 的 在 于 促 进 复 合 人 才 培 养, 对 学 生 的 综 合 素 质 多 学 科 知 识 水 平 实 验 能 力 要 求 很 高 主 要 是 要 求 学 生 根 据 自 己 所 学 的 理 论 知 识 和 实 验 技 能, 提 出 自 己 的 观 点, 和 任 课 教 师 进 行 讨 论, 自 主 设 计 新 的 实 验, 完 成 实 验 装 置 研 制 也 可 以 此 申 报 国 家 及 北 京 市 级 SRTP 项 目 张 亚 星 同 学 学 习 了 原 子 核 物 理 课 程 后, 在 近 代 物 理 实 验 课 上 用 磁 谱 仪 测 量 原 子 核 衰 变 的 粒 子 时, 提 出 了 此 装 置 是 否 可 以 开 展 原 子 核 衰 变 的 研 究 实 验 在 老 师 的 帮 助 下 自 己 设 计 了 实 验, 得 出 了 原 子 核 的 自 旋 和 宇 称, 实 验 数 据 和 理 论 结 果 符 合 得 很 好, 论 文 发 表 在 大 学 物 理 杂 志 上 该 同 学 后 来 被 美 国 石 溪 分 校 的 核 物 理 专 业 录 取 王 玮 彬 同 学 掌 握 了 闪 烁 探 测 器 的 基 本 工 作 原 理 后, 利 用 核 辐 射 实 验 室 已 有 的 塑 料 闪 烁 体 和 光 电 倍 增 管, 制 作 核 辐 射 探 测 器, 获 得 冯 如 杯 二 等 奖, 成 果 发 表 在 大 学 物 理 和 大 学 物 理 实 验 上, 该 同 学 已 被 保 送 到 177
清 华 大 学 直 接 攻 读 博 士 3 实 验 室 开 放 建 设 及 教 学 方 法 的 国 际 化 实 验 室 开 放 是 研 究 性 实 验 教 学 实 施 的 基 础 和 前 提, 研 究 了 实 验 室 开 放 的 程 度 和 范 围, 建 立 了 相 关 的 规 章 制 度, 保 证 开 放 性 的 切 实 可 行 以 及 可 持 续 性 目 前 近 代 物 理 实 验 室 面 向 全 校 学 生 开 放, 各 年 级 学 生 均 可 在 此 开 展 SRTP 项 目 冯 如 杯 项 目 的 研 发, 也 可 以 进 行 科 学 研 究 探 索, 孵 化 学 生 的 创 新 灵 感 和 火 花 近 代 物 理 实 验 室 邀 请 千 人 计 划 学 者 谷 畑 勇 夫 教 授 定 期 开 展 核 物 理 实 验 课 教 学 活 动, 指 导 学 生 的 研 究 性 实 验 并 与 日 本 大 阪 大 学 合 作 开 展 了 开 放 日 活 动, 中 日 教 师 共 同 探 讨 近 代 物 理 实 验 教 学 方 法 和 教 学 思 想, 加 深 双 方 的 合 作 与 学 生 的 交 流, 为 学 生 开 辟 国 际 交 流 的 平 台 与 渠 道, 提 高 学 生 研 究 性 实 验 的 水 平 和 国 际 化 视 野 实 验 室 也 安 排 本 科 生 前 往 日 本 大 阪 大 学 日 本 理 化 学 研 究 所 等 进 行 学 习, 通 过 交 往, 提 高 学 生 知 识 运 用 能 力 国 际 化 交 流 能 力, 促 进 拔 尖 人 才 培 养 4 结 论 我 们 的 研 究 性 教 学 改 革 及 成 果 受 到 了 国 内 外 同 行 的 关 注, 先 后 接 待 了 巴 基 斯 坦 科 学 教 育 委 员 会 官 员 诺 贝 尔 物 理 奖 获 得 者 谢 尔 登 格 拉 肖 教 授 日 本 谷 畑 勇 夫 教 授 的 参 观, 他 们 对 北 航 近 代 物 理 实 验 室 的 建 设 和 教 学 模 式 给 予 了 较 高 评 价 通 过 在 近 几 届 学 生 中 开 展 分 层 次 多 模 式 研 究 性 实 验 探 索 实 践, 本 科 学 生 获 得 国 家 级 大 创 项 目 和 SRTP 项 目 资 助 10 项, 以 本 科 学 生 为 主 发 表 SCI 论 文 7 篇, 在 大 学 物 理 物 理 实 验 等 中 文 核 心 期 刊 上 发 表 教 学 研 究 论 文 20 余 篇,5 人 次 获 得 北 京 市 大 学 生 物 理 实 验 竞 赛 一 等 奖 参 考 文 献 : [1] Maestre J W, Gerace R Defresne, W Leonard. Turning passive lectures into interactive learning environments with a classroom communication system [J]. AAPT Announcer, 1994,24(4): 63. [2] Brunstein R, L Lederman. Interactive lectures: keeping students Involved in a lecture course [J]. AAPT Announcer, 1995, 25(2): 80. [3] 裴 朝, 张 高 龙, 孟 显 奎 伽 马 射 线 吸 收 系 数 测 量 方 法 的 研 究 [J] 大 学 物 理 实 验,2010, 23(4):20-23 [4] 郭 晨 雷, 任 赫, 陶 韬, 等 验 证 辐 射 强 度 与 距 离 平 方 反 比 率 的 实 验 [J] 大 学 物 理 实 验, 2011,24(1):35-37 [5] 赵 宇, 贾 越 辉, 李 阳, 郝 维 昌,, 钱 建 强 ph 对 TiO2 光 催 化 降 解 罗 丹 明 B 的 影 响 [J] 大 学 化 学,2011,26(5):54-56 [6] 李 小 凤, 蒋 沙 汝, 钱 建 强, 等 幅 度 调 制 原 子 力 显 微 镜 仿 真 平 台 [J] 大 学 物 理,2011, 30(7):51-55 [7] 蒋 沙 汝, 李 小 凤, 李 英 姿, 钱 建 强, 李 渊 基 于 压 电 陶 瓷 迟 滞 特 性 模 型 的 原 子 力 显 微 镜 仿 真 平 台 研 究 [J] 大 学 物 理,2012,31(1):58-61 [8] Guo Chenlei, Zhang Gaolong, I. Tanihata, et al. Simulation of 12C+12C elastic scattering at high energy by using the Monte Carlo method [J], Chin. Phys. C, 2012, 3(36): 205-209 [9] Zhang Y, Liu W, Wang R. From ZnS nanoparticles, nanobelts, to nanotetrapods: the ethylenediamine modulated anisotropic growth of ZnS nanostructures [J]. Nanoscale, 2012, 4(7): 2394-2399. 178
医 学 类 专 业 物 理 实 验 课 程 分 层 次 教 学 效 果 的 调 研 与 探 讨 冀 敏, 苏 卫 锋, 姚 红 英, 岑 剡, 张 新 夷, 马 世 红, 孙 利 军 ( 复 旦 大 学 物 理 系, 复 旦 大 学 上 海 医 学 院, 上 海 200433) 摘 要 : 为 探 讨 医 学 类 专 业 物 理 实 验 课 分 层 次 教 学 的 可 行 性 和 教 学 效 果, 作 者 针 对 本 校 09 10 11 12 年 级 的 180 名 临 床 医 学 生 进 行 了 问 卷 调 查, 并 对 回 收 的 问 卷 分 试 验 组 和 对 照 组 进 行 统 计 学 处 理 结 果 表 明 :1 试 验 组 和 对 照 组 关 于 我 校 物 理 实 验 分 层 次 教 学 的 可 行 性 认 识 无 显 著 差 异 ;2 试 验 组 和 对 照 组 关 于 物 理 实 验 分 层 次 教 学 的 教 学 效 果 无 显 著 差 异 结 论 : 物 理 实 验 课 程 分 层 次 教 学 模 式 适 用 于 我 校 的 临 床 医 学 专 业 关 键 词 : 医 学 类 专 业 ; 物 理 实 验 ; 分 层 次 教 学 ; 医 学 物 理 实 验 1 引 言 我 校 从 09 年 开 始, 针 对 临 床 医 学 八 年 制 五 年 制 中 的 部 分 学 生 进 行 了 物 理 实 验 的 分 层 次 教 学 改 革 的 试 验, 即 把 临 床 医 学 专 业 的 物 理 实 验 课 程 分 为 两 个 教 学 层 次, 即 基 础 物 理 实 验 和 医 学 物 理 实 验 两 个 教 学 层 次 现 行 教 学 中, 基 础 物 理 实 验 为 必 修 课, 医 学 物 理 实 验 为 专 业 选 修 课 基 础 物 理 实 验 的 教 学 内 容 同 理 工 科, 共 开 设 包 括 力 学 热 学 电 磁 学 光 学 近 代 物 理 等 方 面 的 实 验 18 个 医 学 物 理 实 验 的 教 学 内 容 分 四 个 模 块, 共 开 设 9 个 必 做 和 6 个 选 做 实 验, 四 个 模 块 分 别 为 : 生 理 物 理 量 产 生 与 测 量 ; 医 学 影 像 物 理 基 础 与 实 验 ; 生 物 材 料 物 理 参 数 测 量 ; 设 计 性 研 究 性 医 学 物 理 实 验 [1] 经 过 4 年 的 教 学 实 践, 学 生 对 分 层 次 教 学 模 式 是 否 认 同 对 两 个 教 学 层 次 的 教 学 内 容 与 方 法 以 及 对 后 续 医 学 课 程 的 帮 助 情 况 对 学 生 动 手 能 力 和 交 叉 创 新 思 维 的 培 养 效 果 如 何? 为 探 讨 这 些 问 题, 我 们 进 行 了 问 卷 调 查 和 研 究 分 析 2 研 究 对 象 研 究 对 象 分 试 验 组 和 对 照 组 两 组 对 象 均 为 我 校 09-12 级 的 临 床 医 学 专 业 学 生, 其 中 试 验 组 为 参 与 分 层 次 教 学 的 学 生 共 80 名, 回 收 问 卷 72 份 对 照 组 为 没 有 参 与 分 层 次 教 学 的 学 生 共 80 名, 回 收 问 卷 65 份 3 研 究 内 容 和 方 法 针 对 医 学 类 专 业 物 理 实 验 分 层 次 教 学 的 可 行 性 研 究, 调 查 问 卷 设 定 了 三 个 问 题, 即 课 程 性 质 所 适 用 专 业 基 础 物 理 实 验 和 医 学 物 理 实 验 的 教 学 内 容 的 科 学 性 ; 针 对 分 层 次 教 学 的 教 学 效 果 研 究 设 定 了 两 个 问 题, 即 对 后 续 医 学 课 程 学 习 的 帮 助 程 度 对 提 高 动 手 能 力 和 交 叉 创 新 能 力 的 影 响 所 有 问 卷 后 面 都 附 有 医 学 物 理 实 验 的 教 学 内 容 问 卷 随 机 发 放, 纸 质 发 放 140 份, 网 络 发 放 40 份 回 收 137 份, 其 中 试 验 组 72 份, 对 照 组 65 份 对 回 收 的 问 卷 进 行 统 计 学 处 理, 根 据 统 计 结 果 分 析 物 理 实 验 分 层 次 教 学 的 可 行 性 和 教 学 效 果 4 研 究 结 果 4.1 反 映 分 层 次 教 学 可 行 性 的 三 个 问 题 的 统 计 结 果 反 映 分 层 次 教 学 可 行 性 的 三 个 问 题 的 统 计 结 果 见 表 1 1 适 合 分 层 次 教 学 的 专 业 为 临 床 医 学 的 ( 五 年 制 和 八 年 制 ): 试 验 组 为 63 人, 对 照 组 为 53 人 ;2 认 为 当 前 分 层 次 教 学 内 容 合 适 的 : 试 验 组 为 65 人, 对 照 组 为 52 人 ;3 关 于 课 程 性 质, 认 为 医 学 物 理 实 验 为 专 业 选 修 课 比 较 合 理 的 : 试 验 组 为 68 人, 对 照 组 为 56 人 以 上 数 据 经 统 计 学 处 理,P>0.05, 说 明 179
两 组 学 生 无 显 著 差 异 可 以 推 知, 学 生 无 论 是 否 参 与 分 层 次 教 学 的 教 学 试 验, 绝 大 多 数 学 生 是 支 持 临 床 医 学 专 业 的 物 理 实 验 进 行 分 层 次 教 学 的, 因 此 可 以 得 出 结 论, 物 理 实 验 分 层 次 教 学 模 式 适 合 临 床 医 学 专 业, 分 层 次 教 学 模 式 教 学 内 容 课 程 性 质 是 切 实 可 行 的 表 1 分 层 次 教 学 可 行 性 统 计 结 果 调 查 结 果 问 题 试 验 组 ( 参 与 人 数 :72 人 ) 对 照 组 ( 参 与 人 数 :65 人 ) 人 数 百 分 比 人 数 百 分 比 1 适 合 分 层 次 教 学 的 专 业 为 临 床 医 学 ( 五 年 制 和 八 年 制 ) 63 88% 53 82% 2 认 为 当 前 分 层 次 教 学 内 容 合 适 65 90% 52 80% 3 关 于 课 程 性 质, 认 为 医 学 物 理 实 验 为 专 业 选 修 课 比 较 合 理 68 94% 56 86% P>0.05, 说 明 两 组 的 认 识 无 显 著 差 异 表 2 分 层 次 教 学 效 果 统 计 结 果 调 查 结 果 问 题 试 验 组 ( 参 与 人 数 :72 人 ) 对 照 组 ( 参 与 人 数 :65 人 ) 人 数 百 分 比 人 数 百 分 比 1 关 于 分 层 次 教 学 对 后 续 课 程 的 帮 助 : 认 为 对 生 理 学 诊 断 学 医 学 影 像 学 基 础 医 学 实 验 有 帮 66 92% 58 88% 助 2 关 于 分 层 次 教 学 对 学 生 能 力 的 培 养 : 认 为 能 进 一 步 提 高 动 手 能 力 物 理 知 识 运 用 能 力 交 叉 创 57 81% 52 80% 新 能 力 P>0.05, 说 明 两 组 的 认 识 无 显 著 差 异 图 1 分 层 次 教 学 可 行 性 统 计 结 果 图 2 分 层 次 教 学 效 果 统 计 结 果 4.2 能 反 映 分 层 次 教 学 效 果 的 两 项 内 容 的 统 计 结 果 能 反 映 分 层 次 教 学 效 果 的 两 项 内 容 的 统 计 结 果 见 表 2 1 关 于 分 层 次 教 学 对 后 续 课 程 的 帮 助 : 认 为 对 生 理 学 诊 断 学 医 学 影 像 学 基 础 医 学 实 验 有 帮 助 的, 试 验 组 为 66 人, 对 照 组 为 57 人 ;2 关 于 分 层 次 教 学 对 学 生 能 力 的 培 养 : 认 为 能 进 一 步 提 高 动 手 能 力 物 理 知 识 运 用 能 力 交 叉 创 新 能 力 的, 试 验 组 为 58 人, 对 照 组 为 52 人 ; 以 上 数 据 经 统 计 学 处 理, 180
P>0.05, 说 明 两 组 的 认 识 无 显 著 差 异 由 此 推 知, 物 理 实 验 分 层 次 教 学 对 后 续 相 关 医 学 课 程 有 帮 助, 能 进 一 步 提 高 医 学 生 的 动 手 能 力 物 理 知 识 运 用 能 力 交 叉 创 新 能 力 5 研 究 结 论 研 究 表 明, 物 理 实 验 分 层 次 教 学 是 适 用 于 临 床 医 学 专 业 的, 分 层 次 教 学 模 式 教 学 内 容 课 程 性 质 是 切 实 可 行 的 ; 分 层 次 教 学 的 教 学 效 果 是 显 著 的, 令 人 满 意 的, 达 到 了 研 究 的 预 期 目 的 6 讨 论 6.1 医 学 类 专 业 物 理 实 验 分 层 次 教 学 的 必 要 性 由 研 究 结 果 可 以 看 出, 无 论 试 验 组 还 是 对 照 组, 他 们 对 医 学 类 专 业 物 理 实 验 分 层 次 教 学 模 式 的 可 行 性 认 识 基 本 一 致 这 是 因 为, 二 十 世 纪 以 来, 特 别 是 进 入 二 十 一 世 纪 前 后 二 十 年, 医 学 科 技 的 飞 速 发 展 令 人 目 不 暇 接, 而 这 些 高 科 技 的 诊 疗 技 术 无 一 例 不 是 伴 随 着 物 理 学 理 论 和 物 理 学 新 技 术 的 出 现 而 诞 生,X 射 线 被 发 现 后, 即 刻 出 现 了 放 射 诊 断 技 术, 使 人 们 的 五 脏 六 腑 变 得 透 明 起 来, 一 百 年 来, 这 门 技 术 不 断 发 展, 特 别 是 计 算 机 技 术 与 X 射 线 探 测 技 术 及 治 疗 技 术 的 结 合, 不 仅 能 即 时 看 到 体 内 脏 器 捉 住 肿 瘤, 而 且 能 像 刀 一 样, 准 确 地 把 肿 瘤 割 掉 此 类 例 子 举 不 胜 举, 又 如, 超 声 诊 疗 技 术 核 物 理 诊 疗 技 术 核 磁 共 振 成 像 技 术 物 理 康 复 治 疗 等 等, 已 占 医 疗 手 段 的 半 壁 江 山 疑 难 疾 病 的 诊 断 和 治 疗 目 前 已 依 赖 于 相 关 的 物 理 诊 疗 技 术, 人 们 已 经 习 惯 了 接 受 物 理 诊 断 和 物 理 治 疗 手 段 [2] 医 学 专 业 的 教 科 书 中, 物 理 学 方 法 技 术 手 段 已 渗 透 其 中, 在 中 学 生 的 科 技 读 物 中, 物 理 学 在 医 学 中 应 用 的 内 容 也 常 有 介 绍, 也 常 见 各 种 媒 体 对 新 医 疗 技 术 的 报 道 因 此, 当 代 医 学 生 对 比 较 系 统 地 学 习 和 掌 握 与 诊 疗 技 术 相 关 的 物 理 实 验 即 医 学 物 理 实 验 是 具 有 充 分 认 识 的 把 临 床 医 学 专 业 的 物 理 实 验 分 为 基 础 物 理 实 验 和 医 学 物 理 实 验 两 个 教 学 层 次 后, 弥 补 了 教 学 内 容 缺 少 学 科 交 叉 知 识 和 医 学 应 用 部 分 的 不 足 通 过 两 门 实 验 课 的 学 习, 医 学 生 不 仅 打 好 物 理 学 技 术 基 础, 而 且 比 较 系 统 地 学 习 了 常 用 物 理 诊 疗 技 术 和 方 法 6.2 物 理 实 验 分 层 次 教 学 内 容 的 科 学 性 对 两 个 层 次 教 学 内 容 的 设 计, 一 方 面 考 虑 了 现 代 医 疗 和 医 学 研 究 手 段 所 涉 及 的 常 见 物 理 量 的 测 量 方 法 和 技 术 手 段, 如 传 感 器 原 理 和 技 术 数 据 采 集 技 术 显 示 技 术 等, 即 把 相 关 内 容 溶 入 物 理 实 验 教 学 之 中 ; 另 一 方 面, 在 医 学 物 理 实 验 的 设 计 上, 充 分 体 现 医 学 应 用 的 特 点, 实 验 模 块 的 划 分 参 考 临 床 物 理 诊 断 和 物 理 治 疗 的 分 类, 把 人 体 自 身 物 理 量 的 产 生 和 测 量 作 为 一 个 模 块, 把 各 种 物 理 量 作 用 于 人 体 根 据 采 集 物 理 量 及 分 析 相 互 作 用 信 息 进 行 疾 病 诊 断 的 作 为 一 个 模 块, 通 过 这 样 归 类, 学 生 很 自 然 的 就 掌 握 了 应 用 于 临 床 的 两 大 类 诊 断 仪 器 的 特 点 和 测 量 方 法, 因 此 受 到 参 与 问 卷 的 学 生 的 好 评 和 认 可 6.3 分 层 次 教 学 对 学 习 后 续 课 程 的 帮 助 研 究 结 果 表 明, 关 于 分 层 次 教 学 对 学 习 后 续 课 程 的 帮 助 问 题, 试 验 组 与 对 照 组 无 显 著 差 异, 试 验 组 多 数 学 生 认 为, 医 学 物 理 实 验 这 一 教 学 层 次 对 他 们 后 续 的 生 理 学 医 学 影 像 [3] 学 诊 断 学 有 较 大 帮 助 作 者 分 析, 学 生 的 认 识 是 符 合 客 观 实 际 的 首 先, 在 生 理 学 [4] 的 十 二 章 内 容 中, 有 七 章 内 容 涉 及 物 理 学 或 医 学 物 理 学 ; 在 医 学 影 像 学 的 十 章 内 容 中, 每 章 内 容 都 涉 及 医 学 物 理 学 知 识 ; 在 诊 断 学 中, 物 理 诊 断 方 法 几 乎 占 到 了 一 半 此 外, 我 们 在 课 程 内 容 设 计 上 充 分 考 虑 了 以 上 三 门 课 程 所 必 需 的 医 学 物 理 基 础 知 识 因 此, 参 与 物 理 实 验 的 分 层 次 教 学 的 试 验 组 同 学 在 学 习 上 会 有 深 刻 体 会 试 验 组 同 学 虽 无 参 与 医 学 物 理 教 学, 但 根 据 发 放 的 教 学 内 容 材 料 不 难 判 断 对 后 续 课 程 的 帮 助 程 度 因 此, 增 加 医 学 物 理 实 验 这 一 层 次 的 教 学, 能 帮 助 学 生 理 解 某 些 重 要 概 念 掌 握 物 理 技 术 手 段 在 医 学 学 科 中 的 应 用, 有 助 于 打 好 扎 实 的 医 学 基 础 教 学 效 果 是 显 而 易 见 的 181
6.4 学 科 交 叉 的 教 学 内 容 对 培 养 学 生 创 新 能 力 的 帮 助 关 于 分 层 次 教 学 能 进 一 步 提 高 交 叉 创 新 能 力 的 问 题, 试 验 组 与 对 照 组 无 显 著 差 异 这 是 因 为, 试 验 组 同 学 参 与 了 第 二 层 次 的 教 学, 而 对 照 组 同 学 虽 无 参 与, 但 医 学 物 理 实 验 室 的 定 期 开 放 吸 引 了 不 少 临 床 医 学 的 同 学 前 来 参 观 和 观 摩 实 验 演 示 第 二 层 次 实 验 在 设 计 上 突 出 了 物 理 与 医 学 实 际 相 结 合 的 方 法 和 思 路, 在 教 学 上 重 视 引 导 学 生 寻 找 学 科 交 叉 创 新 的 结 合 点, 特 别 是 所 开 设 的 自 主 创 新 实 验 项 目 更 是 对 医 学 生 的 交 叉 创 新 能 力 的 培 养 提 供 了 正 能 量 医 学 物 理 实 验 为 学 生 搭 建 了 一 个 把 物 理 学 及 其 技 术 应 用 于 医 学 诊 断 和 治 疗 的 学 习 平 台, 学 生 的 创 新 成 果 是 这 个 问 题 的 最 好 解 释 2009 年 以 来, 学 生 自 主 研 究 和 参 与 研 究 的 医 学 物 理 项 目 有 9 [5] 项, 如 周 晨 同 学 参 与 X 射 线 透 视 及 CT 成 像 物 理 实 验 的 教 学 开 发, 黄 青 等 同 学 参 与 了 肺 呼 吸 物 理 模 型 测 量 肺 顺 应 性 的 教 学 实 验 开 发 [6], 袁 翔 同 学 关 于 听 阈 曲 线 测 试 的 教 学 软 件 获 得 国 家 专 利, 艾 平 等 同 学 基 于 移 动 终 端 的 听 阈 测 试 软 件 获 全 国 大 学 生 挑 战 杯 科 技 创 新 三 等 奖, 姜 畅 等 同 学 的 血 液 循 环 实 验 模 型 研 制 获 校 级 优 秀 项 目, 7 结 束 语 临 床 医 学 专 业 物 理 实 验 分 层 次 教 学 模 式 的 进 一 步 构 想 : 根 据 对 学 生 的 调 研 结 果 和 结 论 以 及 此 前 对 临 床 医 生 的 相 关 调 研 结 果, 可 知 我 校 针 对 临 床 医 学 专 业 进 行 的 物 理 实 验 分 层 次 教 学 的 研 究 和 探 索 是 符 合 当 代 医 学 教 学 改 革 需 要 的, 教 学 模 式 有 一 定 推 广 应 用 价 值 我 校 虽 然 在 [7] 医 学 生 物 理 实 验 分 层 次 教 学 方 面 经 过 了 多 年 的 探 索, 但 在 实 验 室 建 设 和 教 材 建 设 方 面 还 需 要 进 一 步 完 善, 有 些 问 题 还 需 要 进 一 步 探 讨 参 考 文 献 : [1] 冀 敏, 张 新 夷, 苏 卫 锋, 等 医 学 类 专 业 物 理 实 验 分 层 次 教 学 的 探 索 与 实 践 [A] 第 12 届 物 理 实 验 教 学 研 讨 会 论 文 集 ( 上 册 )[C],2012:213~216 [2] 王 磊, 冀 敏 医 学 物 理 学 [M] 北 京 : 人 民 卫 生 出 版 社,2013:1~3 [3] 朱 大 年 生 理 学 [M] 北 京 : 人 民 卫 生 出 版 社,2008:9~329 [4] 白 人 驹, 徐 克 医 学 影 像 学 [M] 北 京 : 人 民 卫 生 出 版 社,2013:3~350 [5] 苏 卫 锋, 冀 敏 X 射 线 透 视 及 CT 成 像 物 理 实 验 的 教 学 开 发 与 探 讨 [J] 物 理 实 验,2012 ( 增 刊 ): 57 59 [6] 冀 敏, 苏 卫 锋, 李 爱 萍, 等 肺 呼 吸 物 理 模 型 测 量 肺 顺 应 性 的 教 学 实 验 [J] 物 理 实 验, 2014,34(1): 22~24 [7] 陆 申 龙, 马 世 红, 冀 敏 医 学 类 物 理 实 验 课 教 学 改 革 的 探 索 与 实 践 [J] 物 理 实 验,2005, 25(12): 20~22 Research and discussion on the level-differentiated teaching effects of physics experiment for students majoring in medicine Ji Min, Su Wei-feng, Yao Hong-ying, Cen Yan, Zhang Xin-yi, Ma Shi-hong, Sun Li-jun (Physics Department, Fudan University, 200433; Medical College, Fudan University, 200433) Abstracts: In order investigate the feasibility and teaching effect of physics experiment for medical students, 180 medical students from grade 2009, 2010, 2011 and 2012 were investigated by questionnaire, and the obtained data were analyzed statistically. The results show that the level-differentiated teaching in physics experiment course is applicable to clinical medicine. Key words: medical specialty; physics experiment; level-differentiated teaching; medical physics experiment 182
物 理 实 验 教 学 内 容 方 法 和 手 段 的 深 化 改 革 秦 颖, 周 玲, 姜 东 光, 李 建 东 ( 大 连 理 工 大 学 物 理 与 光 电 工 程 学 院, 辽 宁 大 连 116024) 摘 要 : 本 文 介 绍 了 本 校 物 理 实 验 教 学 内 容 方 法 和 手 段 深 化 改 革 的 具 体 措 施 和 目 标, 通 过 营 造 适 合 信 息 时 代 特 点 的 物 理 实 验 学 习 环 境, 采 用 多 形 式 个 性 化 人 才 培 养 模 式, 培 养 学 生 的 自 主 学 习 能 力 实 践 能 力 和 创 新 能 力 关 键 词 : 物 理 实 验 ; 自 主 学 习 ; 信 息 化 ; 创 新 1 引 言 通 过 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 的 建 设, 大 连 理 工 大 学 物 理 实 验 中 心 对 大 学 物 理 实 验 课 程 体 系 实 验 项 目 的 设 置 教 学 内 容 教 学 方 法 和 方 式 考 核 方 式 教 学 手 段 等 进 行 了 一 系 列 的 综 合 改 革 [1-3] 以 培 养 基 础 扎 实 适 应 性 强, 具 有 实 践 能 力 竞 争 能 力 和 创 新 能 力 的 优 秀 人 才 为 目 标, 建 立 了 分 层 次 立 体 化 的 实 验 教 学 体 系, 解 决 了 多 层 次 学 生 对 教 学 资 源 的 多 层 次 需 求 的 问 题 ; 采 用 开 放 自 主 研 究 的 教 学 模 式, 培 养 学 生 的 创 新 意 识 和 创 新 能 力 [4-7] 实 践 教 学 体 系 是 提 升 学 生 能 力 的 主 要 载 体, 它 涉 及 到 实 践 教 学 内 容 教 学 方 法 和 手 段 等 方 方 面 面 的 内 容 为 了 适 应 21 世 纪 教 育 研 究 的 信 息 时 代 特 点, 需 要 将 信 息 技 术 与 理 工 科 基 础 物 理 实 验 课 程 有 机 地 整 合, 充 分 优 化 和 整 合 实 验 教 学 中 心 的 实 验 教 学 资 源, 拓 展 教 学 的 时 间 和 空 间, 为 学 生 提 供 自 主 学 习 和 师 生 交 流 的 平 台 ; 加 强 现 代 化 教 学 信 息 管 理, 以 满 足 学 生 个 性 化 教 育 和 全 面 提 高 学 生 科 学 实 验 素 质 的 需 要, 从 而 达 到 培 养 学 生 创 新 精 神 与 实 践 能 力 的 目 标, 使 物 理 实 验 教 学 质 量 大 幅 度 提 高, 为 学 生 的 可 持 续 发 展 打 下 坚 实 的 基 础 2 打 造 现 代 化 可 自 主 实 验 化 适 合 信 息 时 代 特 点 的 物 理 实 验 学 习 环 境 对 大 学 物 理 实 验 项 目 进 行 系 统 性 调 整, 配 合 新 仪 器 的 购 进, 整 合 和 优 化 物 理 实 验 资 源, 充 分 发 挥 仪 器 潜 在 的 价 值 建 设 信 息 化 现 代 化 可 供 多 数 学 生 自 主 实 验 的 研 究 室, 让 动 手 能 力 差 的 学 生 从 认 识 实 验 仪 器 开 始, 直 到 熟 练 使 用 仪 器, 培 养 学 生 的 动 手 能 力 和 自 信 心 ; 构 建 面 向 优 秀 学 生 的 自 主 实 验 平 台, 将 综 合 性 设 计 性 和 开 放 性 融 为 一 体, 以 科 研 小 课 题 的 形 式 来 进 行 实 验, 培 养 学 生 的 自 主 研 学 能 力 为 此, 我 们 需 要 打 造 现 代 化 可 自 主 实 验 化 适 合 信 息 时 代 特 点 的 物 理 实 验 学 习 环 境, 激 发 实 验 技 能 稍 差 同 学 的 实 验 兴 趣, 同 时 让 已 经 具 备 较 好 实 验 知 识 的 同 学 能 够 在 此 环 境 中 有 所 发 现, 有 所 创 新 扩 展 其 实 验 内 涵, 增 加 实 验 仪 器 的 套 数, 配 合 教 学 录 像 片, 为 全 校 学 生 提 供 自 主 学 习 和 面 向 个 性 化 教 育 的 实 验 研 究 室, 延 长 开 放 时 间, 扩 大 开 放 空 间, 满 足 不 同 层 次 的 学 生 对 教 学 资 源 多 层 次 需 求 的 问 题, 为 学 生 的 创 新 能 力 培 养 提 供 基 础 保 障 3 构 建 多 种 教 学 形 式 相 结 合 的 创 新 研 究 教 学 平 台 3.1 培 养 学 生 实 验 兴 趣 的 自 主 学 习 教 学 平 台 随 着 教 学 内 容 的 更 新 和 网 络 化 的 教 学 及 管 理 模 式 的 建 立, 培 养 动 手 能 力 差 的 学 生 的 实 验 兴 趣, 通 过 自 主 开 放 和 网 络 化 的 教 学 方 式, 营 造 自 主 学 习 的 氛 围, 培 养 他 们 独 立 动 手 完 成 物 作 者 简 介 : 秦 颖 (1964-), 女, 吉 林 白 山 人, 大 连 理 工 大 学 物 理 与 光 电 工 程 学 院 副 教 授, 博 士, 从 事 物 理 实 验 教 学 与 凝 聚 态 物 理 研 究 183
理 实 验 的 信 心, 变 被 动 的 学 习 方 式 为 主 动 探 究 的 学 习 方 式, 为 众 多 学 生 的 课 外 自 主 研 学 提 供 场 所 自 主 训 练 实 验 室, 以 常 规 工 具 使 用 常 用 实 验 方 法 训 练 为 主, 实 验 项 目 大 多 是 过 去 淘 汰 的 实 验, 报 废 又 可 惜, 留 给 高 中 没 有 受 过 训 练 或 基 础 比 较 差 的 同 学 自 主 练 习 这 类 实 验 包 括 单 摆 实 验 长 度 综 合 测 量 伏 安 法 测 电 阻 电 表 的 改 装 与 校 准 固 体 密 度 的 测 量 等 十 几 种 实 验, 学 生 可 以 随 时 到 实 验 室 进 行 自 主 训 练 3.2 培 养 学 生 创 新 意 识 的 实 验 教 学 平 台 选 择 有 利 于 培 养 学 生 实 验 动 手 的 实 验, 扩 展 其 实 验 内 涵, 为 全 校 学 生 的 自 主 学 习 和 面 向 个 性 化 教 育 提 供 必 要 的 条 件 安 装 门 禁 系 统, 延 长 开 放 时 间, 实 验 内 容 从 易 到 难, 满 足 不 同 层 次 的 学 生 对 教 学 资 源 多 层 次 需 求 的 问 题, 为 学 生 的 创 新 能 力 培 养 提 供 基 础 保 障 这 类 实 验 在 物 理 基 础 知 识 实 验 基 本 原 理 上, 学 生 稍 加 努 力 完 全 可 以 掌 握, 但 又 能 巧 妙 地 将 设 计 性 研 究 性 综 合 性 的 教 学 内 容 有 机 融 合 在 一 起, 为 全 校 理 工 科 学 生 提 供 开 放 性 自 主 研 究 学 习 的 实 践 环 境 用 超 声 光 栅 测 定 液 体 中 声 速 的 专 题 研 究 实 验 室 : 近 年 来, 随 着 激 光 技 术 的 发 展, 声 光 相 互 作 用 又 重 新 引 起 人 们 的 注 意, 超 声 光 栅 已 成 为 控 制 光 的 强 度 传 播 方 向 等 的 实 用 方 法 之 一, 并 得 到 日 益 广 泛 的 应 用 这 个 实 验 原 理 涉 及 声 学 和 光 学, 又 有 实 际 应 用, 实 验 操 作 调 节 复 杂, 有 利 于 培 养 学 生 的 动 手 能 力 利 用 现 代 化 的 教 学 手 段, 改 变 授 课 方 式, 请 优 秀 的 教 师 将 仪 器 的 调 节 要 求 和 注 意 事 项 以 及 操 作 讲 解 事 先 录 制 好, 学 生 可 以 根 据 需 要 随 时 观 看 录 像 来 学 习, 学 生 有 问 题 可 以 和 教 师 讨 论, 这 样 可 以 节 省 人 力, 给 学 生 更 多 自 主 训 练 的 空 间 分 光 计 调 节 与 使 用 系 列 自 主 研 究 实 验 室 : 分 光 计 的 调 整 思 想 方 法 和 技 巧 在 光 学 实 验 中 具 有 一 定 的 代 表 性, 但 是 这 一 实 验 难 度 较 大, 学 生 通 过 一 次 实 验 较 难 掌 握, 为 了 学 生 更 好 地 掌 握 分 光 计 的 调 节 和 使 用, 我 们 希 望 增 加 课 时 让 学 生 在 测 量 了 介 质 折 射 率 的 基 础 上, 再 利 用 分 光 计 测 量 光 栅 常 数, 这 既 强 化 了 学 生 对 分 光 计 的 掌 握 同 时 也 拓 展 了 知 识 面 为 了 进 一 步 挖 掘 仪 器 的 潜 力, 拓 展 学 生 的 知 识 面, 我 们 又 将 近 代 物 理 实 验 内 容 氢 原 子 光 谱 及 里 德 堡 常 数 的 测 量 加 入 该 系 列 实 验, 只 需 加 一 个 氢 灯 就 扩 展 了 实 验 的 研 究 内 容, 大 大 节 省 了 实 验 教 学 资 源 我 们 选 择 最 优 秀 的 教 师 为 学 生 讲 第 一 课 分 光 计 的 构 造 与 调 节, 学 生 在 熟 练 了 仪 器 使 用 的 基 础 上, 可 以 随 时 自 主 进 入 实 验 室 完 成 其 它 的 系 列 实 验 研 究 这 不 仅 节 省 了 优 质 教 师 资 源, 而 且 充 分 利 用 仪 器 的 使 用 率, 节 省 教 学 资 源 创 新 实 验 教 学 平 台 的 建 设, 为 全 校 理 工 科 学 生 提 供 开 放 性 研 究 性 学 习 的 实 践 环 境 鼓 励 学 生 把 学 习 与 研 究 结 合 起 来, 培 养 学 生 的 科 学 思 维 和 创 新 意 识, 使 学 生 掌 握 实 验 研 究 的 基 本 方 法, 提 高 学 生 综 合 运 用 知 识 的 能 力 3.3 培 养 学 生 研 学 兴 趣 的 实 验 教 学 平 台 课 题 实 验 进 一 步 凝 炼 了 实 验 的 教 学 内 容, 不 断 地 研 究 设 计 新 的 课 题 实 验, 将 原 有 部 分 适 合 于 大 面 积 学 生 的 课 题 实 验 项 目 下 放 到 基 础 实 验 必 修 课 的 小 课 题 中, 开 放 给 全 体 学 生 自 由 选 做 这 些 实 验 大 多 来 自 中 心 的 研 究 性 设 计 性 的 实 验 题 目 ( 几 十 个 项 目 ), 学 生 比 较 感 兴 趣 的 包 括 X 射 线 测 试 仪 及 材 料 性 能 研 究, 光 学 相 干 层 析 实 验 研 究, 半 导 体 致 冷 及 佩 尔 捷 效 应 研 究, 液 晶 制 作 与 电 光 效 应 实 验 研 究 等 课 题 实 验 不 断 引 入 先 进 的 实 验 技 术 和 实 验 方 法, 注 重 培 养 学 生 从 事 科 学 研 究 工 作 的 素 养 学 生 可 自 带 课 题 或 选 择 课 程 提 供 的 科 研 小 课 题, 在 时 间 空 间 全 面 开 放 的 实 验 室 环 境 中 ( 必 要 时 可 以 提 供 资 金 用 于 学 生 设 计 实 验 所 必 须 的 设 备 添 置 ), 对 课 题 进 行 较 为 深 入 的 研 究, 期 末 撰 写 课 题 研 究 论 文 并 以 小 组 为 单 位 进 行 答 辩, 也 培 养 了 学 生 团 队 协 作 的 精 神 课 题 实 验 给 学 生 提 供 了 开 放 自 主 的 研 学 环 境, 锻 炼 了 学 生 选 题 研 究 分 析 探 索 创 新 总 结 归 纳 及 论 文 的 撰 写 和 宣 讲 能 力, 并 且 通 过 适 时 组 织 多 种 形 式 的 讨 论 课, 对 学 生 的 研 学 给 以 切 实 引 导, 培 养 了 学 生 的 研 学 兴 趣 184
4 多 形 式 的 个 性 化 人 才 培 养 模 式 提 升 学 生 的 创 新 能 力 4.1 自 主 开 放 性 实 验 班, 培 养 学 生 创 新 能 力 招 收 动 手 能 力 强 并 且 有 创 新 意 愿 的 学 生, 自 主 选 择 实 验 题 目, 自 愿 组 成 实 验 小 组, 通 过 调 研 小 组 设 计 讨 论 实 验 方 案, 指 导 教 师 启 发 和 学 生 组 内 讨 论 相 结 合 的 研 究 创 新 学 习 模 式, 最 后 以 小 组 为 单 位 进 行 答 辩 真 正 实 现 以 教 为 中 心 的 教 学 模 式 向 以 突 出 教 师 主 导 作 用 和 学 生 主 体 作 用 的 双 主 教 学 模 式 的 转 变, 教 师 的 任 务 而 更 重 要 的 是 引 导 学 生 如 何 学 习 利 用 各 种 学 习 资 源, 变 封 闭 的 被 动 的 接 受 式 的 学 习 方 式 为 开 放 的 主 动 的 探 究 式 的 学 习 方 式 通 过 这 样 的 环 节 培 养 学 生 的 创 新 能 力 与 他 人 沟 通 与 合 作 的 交 流 能 力 和 社 会 适 应 能 力 4.2 物 理 实 验 强 化 班, 为 拔 尖 人 才 的 培 养 打 基 础 招 收 学 习 成 绩 优 秀 对 物 理 实 验 充 满 好 奇 心 的 学 生, 选 择 优 秀 的 教 师, 安 排 一 些 综 合 性 研 究 性 的 实 验 题 目, 每 次 实 验 课 指 定 学 生 来 讲 解 相 关 实 验 原 理 提 出 实 验 方 案, 其 他 学 生 提 出 问 题, 互 相 讨 论, 优 秀 的 教 师 参 与 点 评 和 指 导 的 实 验 教 学 模 式 这 种 教 学 模 式, 活 跃 了 课 堂, 开 阔 了 学 生 的 思 路, 真 正 体 现 了 学 生 的 主 体 学 习 地 位, 教 师 是 学 生 学 习 的 促 进 者, 实 现 了 高 层 次 学 生 的 个 性 化 培 养, 有 利 于 培 养 学 生 独 立 思 考, 发 现 问 题 和 解 决 问 题 的 能 力, 培 养 学 生 良 好 的 信 息 素 养, 为 精 英 人 才 的 培 养 打 下 坚 实 基 础 在 这 样 的 训 练 过 程 中, 大 大 学 生 提 升 了 学 生 独 立 解 决 问 题 的 能 力, 包 括 对 选 题 的 理 解, 到 具 体 的 需 要 哪 些 实 验 器 材, 如 何 实 现 所 设 计 的 实 验 方 案 等, 学 生 倾 其 所 能, 努 力 做 到 最 好, 学 生 觉 得 这 样 的 训 练 培 养 了 他 们 的 综 合 能 力, 收 获 非 常 大, 积 极 性 很 高 经 过 跟 踪 调 查, 这 些 学 生 在 今 后 的 各 项 竞 赛 中 都 是 主 力 军, 也 都 取 得 了 可 喜 的 成 绩 4.3 选 择 优 秀 的 学 生, 培 养 学 生 从 事 科 学 研 究 的 基 本 能 力 在 实 验 教 学 过 程 中 发 现 优 秀 的 学 生, 教 师 进 一 步 引 导 学 生 从 事 更 深 层 次 的 研 究, 教 师 可 以 把 教 学 中 发 现 和 需 要 解 决 的 问 题 交 给 学 生, 也 可 以 作 为 大 学 生 创 新 训 练 项 目 的 题 目 学 生 通 过 调 研 和 深 入 研 究, 拓 展 实 验 内 涵, 进 一 步 发 掘 学 生 自 主 学 习 和 研 究 的 潜 能, 要 求 教 师 在 平 时 实 验 的 指 导 过 程 中 注 重 对 学 生 的 启 发 和 引 导, 鼓 励 学 生 撰 写 研 究 论 文, 并 对 学 生 的 论 文 撰 写 给 予 指 导, 切 实 提 高 学 生 从 事 科 学 研 究 所 必 需 的 总 结 归 纳 以 及 撰 写 和 宣 读 论 文 的 能 力 这 种 教 学 模 式 不 仅 使 学 生 在 实 验 探 究 的 过 程 中 获 得 知 识, 获 得 继 续 学 习 的 能 力 和 解 决 问 题 的 策 略, 而 且 有 利 于 培 养 学 生 从 事 科 学 研 究 的 基 本 能 力 5 结 束 语 以 学 校 促 进 实 验 室 信 息 化 建 设 经 费 的 投 入 为 契 机, 构 建 课 内 实 验 与 课 外 创 新 相 结 合 的 大 学 生 实 践 教 学 与 自 主 研 学 的 学 习 平 台, 进 一 步 实 现 实 验 教 学 内 容 的 呈 现 方 式 学 生 的 学 习 方 式 教 师 的 教 学 方 式 和 师 生 互 动 方 式 的 变 革 通 过 多 种 形 式 多 种 渠 道 相 结 合 的 研 究 创 新 平 台 建 设, 将 大 面 积 学 生 的 自 主 研 学 延 伸 到 了 课 堂 内 外 实 验 室 内 外 图 书 馆 和 科 研 实 验 室, 以 适 应 不 同 学 生 的 需 求 让 学 生 真 正 成 为 学 习 的 主 体, 教 师 的 任 务 不 仅 是 教 学 生 学 习 知 识, 而 更 重 要 的 是 引 导 学 生 如 何 学 习 利 用 各 种 学 习 资 源, 变 封 闭 被 动 接 受 式 的 学 习 方 式 为 开 放 主 动 探 究 式 的 学 习 方 式 ; 注 重 高 层 次 学 生 的 多 形 式 个 性 化 培 养 ; 为 学 生 创 造 一 个 适 合 信 息 时 代 特 点 的 实 验 学 习 环 境, 实 现 课 前 课 堂 课 后 三 位 一 体 的 自 主 学 习 和 面 向 个 性 化 教 育 的 教 学 人 才 培 养 新 模 式 建 设 信 息 化 现 代 化 可 供 全 校 本 科 生 自 主 实 验 的 研 究 室, 进 一 步 延 长 开 放 时 间, 扩 大 开 放 空 间, 为 学 生 的 自 主 实 验 研 究 提 供 方 便 参 考 文 献 : [1] 周 玲, 姜 东 光 深 化 实 验 教 学 改 革 打 造 特 色 鲜 明 的 实 验 教 学 中 心 [M] 实 验 室 研 究 与 探 索 [J],2013,32(8): 114-116 185
[2] 秦 颖, 余 虹, 姜 东 光 依 托 物 理 实 验, 探 索 大 学 生 创 新 能 力 的 培 养 模 式 [J] 大 连 理 工 大 学 学 报 ( 社 会 科 学 版 ), 2012,33:21-22 [3] 秦 颖, 王 艳 辉, 李 建 东, 姜 东 光, 周 玲 物 理 实 验 教 学 方 法 的 研 究 与 实 践 [J] 物 理 与 工 程,2013( 增 刊 )238-239 [4] 姜 东 光, 申 人 升, 李 建 东 基 于 物 理 竞 赛 的 创 新 教 育 研 究 与 实 践 [J] 大 连 理 工 大 学 学 报, 社 会 科 学 版,2012,33:79-81 [5] 张 瑞 斌, 秦 颖, 李 敬 安, 黄 晓 明, 赖 优 用 于 指 导 交 流 电 桥 实 验 调 零 的 矢 量 数 学 模 型 [J] 物 理 实 验,2010,30(6):42-45 [6] 张 天 洋, 王 艳 辉, 邹 德 滨, 曲 光 伟 空 气 阻 力 对 复 摆 振 动 周 期 的 影 响 [J] 物 理 实 验,2008, 28(11):42-45 [7] 曲 光 伟, 王 艳 辉, 邹 德 滨, 张 天 洋 复 摆 运 动 状 态 的 研 究 [J] 物 理 与 工 程,2009,19(5): 13-15 Reform on teaching contents, methods, and facilities of physical experiments QIN Ying, ZHOU Ling, JIANG Dong-guang, LI Jian-dong (School of Physics and Optoelectronic Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China) Abstract: The present paper introduces the concrete measures and objectives for of the physical experiment teaching contents, methods, and facilities of our university. The learning environment of the physical experiments is enforced to meet the information technology progress of the present day. The capabilities of self-learning, practice and creativity are cultivated by adopting multi-form individual modes. Key words: physical experiments; self-learning; information technologies; creativity 186
构 建 物 理 实 验 创 新 实 践 平 台 的 探 索 李 晔, 王 翠 香, 李 磊, 苗 征 ( 空 军 工 程 大 学 理 学 院, 陕 西 西 安 710051) 摘 要 : 在 近 十 年 基 础 实 验 教 学 改 革 中, 就 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设, 从 培 养 目 标 顶 层 设 计 激 励 机 制 基 础 设 施 建 设 教 学 引 导 组 织 训 练 等 方 面 进 行 了 积 极 的 探 索 与 实 践 关 键 词 : 创 新 实 践 ; 人 才 培 养 ; 平 台 建 设 把 人 才 建 设 摆 在 优 先 发 展 的 战 略 位 置, 搞 好 顶 层 设 计, 创 新 培 养 模 式, 拓 宽 培 养 渠 道, 打 造 新 型 人 才 方 阵, 加 快 高 素 质 信 息 化 战 斗 力 生 成, 是 院 校 教 育 所 肩 负 的 使 命 责 任 紧 紧 围 绕 军 事 精 英 人 才 培 养, 实 施 教 育 训 练 综 合 改 革, 是 我 院 实 现 强 教 梦 强 学 梦 强 院 梦 的 重 要 举 措 以 基 础 教 育 训 练 综 合 改 革 为 契 机, 以 构 建 军 事 精 英 人 才 培 养 体 系 为 统 领, 结 合 基 础 实 验 教 学 培 养 目 标, 大 力 开 展 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设, 是 践 行 科 学 发 展 理 念 丰 富 实 践 教 学 模 式 内 涵 推 进 基 础 教 学 体 系 建 设 促 进 教 育 方 法 手 段 更 新 充 实 实 验 教 学 内 容 的 重 要 步 骤 ; 是 促 进 学 生 基 本 实 践 能 力 科 研 能 力 创 新 能 力 应 用 能 力 思 维 能 力 等 有 效 提 升 的 切 入 点 和 突 破 口 ; 是 优 化 开 放 式 管 理 自 主 式 实 践 实 验 教 学 模 式 强 化 动 手 实 践 训 练 实 效 培 育 探 索 创 新 精 神 实 现 知 识 学 习 转 化 与 应 用 的 良 好 途 径 进 行 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 的 探 索 与 实 践, 有 利 于 推 动 军 队 院 校 基 础 教 育 与 时 俱 进, 向 多 元 化 特 色 化 正 规 化 科 学 发 展, 为 创 建 一 流 大 学 追 赶 985 院 校 教 学 水 平 提 供 理 论 支 撑 1 深 入 探 索 创 新 实 践 平 台 建 设 体 系 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 是 一 项 系 统 工 程 教 育 训 练 综 合 改 革 为 完 善 学 生 创 新 实 践 平 台 体 系 建 设 提 供 了 良 好 契 机, 对 强 化 平 台 建 设 力 度 规 范 平 台 组 织 管 理 模 式 优 化 创 新 实 践 过 程 扩 大 平 台 建 设 规 模 等, 起 到 积 极 的 推 动 作 用 1.1 校 院 政 策 的 稳 定 支 持 校 院 政 策 的 稳 定 支 持 是 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 的 坚 强 后 盾, 在 大 学 新 版 人 才 培 养 方 案 和 学 院 教 学 实 施 计 划 课 程 标 准 等 政 策 性 文 件 中, 提 出 了 对 学 生 创 新 实 践 能 力 培 养 要 求, 并 在 教 学 实 践 中 作 出 了 具 体 规 定 和 规 划 理 学 院 在 2004 年 开 展 教 学 改 革 项 目 研 究, 我 中 心 三 级 实 验 教 学 学 生 创 新 实 践 探 索 项 目 获 得 良 好 评 价 并 受 到 学 院 各 级 领 导 的 重 视 近 十 年 来, 有 学 院 的 关 心 支 持 和 相 关 政 策 扶 持, 学 生 创 新 实 践 活 动 持 续 稳 步 开 展, 创 新 实 践 平 台 逐 步 建 立 完 善, 学 生 创 新 实 践 训 练 取 得 了 明 显 的 成 效 在 不 断 的 实 践 探 索 中, 我 们 也 看 到, 大 学 物 理 实 验 教 学 面 向 刚 跨 入 校 门 的 初 学 者, 其 理 论 水 平 实 践 基 础 思 维 能 力 较 为 薄 弱 [1] 大 学 物 理 实 验 课 程 是 学 生 进 行 实 践 动 手 能 力 训 练 的 起 始 点, 创 新 实 践 平 台 对 学 生 进 行 科 学 研 究 的 启 迪 和 训 练, 近 乎 从 零 做 起 可 以 说, 对 上 物 理 实 验 课 的 学 生 进 行 创 新 实 践 训 练 是 人 才 培 养 的 育 苗 期, 需 要 精 心 呵 护 培 育 和 相 应 科 目 的 启 蒙 训 练, 一 是 在 学 生 中 广 泛 开 展 实 践 研 究 探 索, 使 学 生 明 确 科 学 研 究 的 基 本 思 路 方 法 研 究 过 程 要 求 具 体 实 施 步 骤, 并 进 行 相 应 难 度 的 课 题 研 究 实 践, 实 现 科 学 研 究 实 践 的 零 突 破 二 是 校 院 教 学 主 管 部 门 持 续 加 大 政 策 扶 持 力 度, 抓 大 放 小, 营 造 宽 松 和 谐 的 培 训 氛 围 和 环 境 三 是 对 教 研 部 室 学 生 营 提 出 具 体 要 求, 敦 促 教 学 生 创 新 实 践 训 练 计 划 的 落 实 和 顺 利 实 施 四 要 为 参 训 学 生 提 供 时 间 和 作 者 简 介 : 李 晔 (1962-), 男, 陕 西 西 安 人, 硕 士, 空 军 工 程 大 学 理 学 院 高 级 实 验 师, 主 要 从 事 大 学 物 理 实 验 教 学 管 理 与 改 革 研 究 187
空 间 支 持, 开 辟 绿 色 通 道, 确 保 参 训 学 生 课 余 时 间 能 够 参 加 创 新 课 题 研 究, 必 要 时 允 许 外 出 加 班 加 点 追 赶 进 度 等 五 是 在 学 生 研 究 过 程 中 要 高 标 准 严 要 求, 真 抓 实 干, 在 成 果 审 核 及 考 核 方 面, 除 抄 袭 照 搬 套 件 组 装 等 要 坚 决 否 定 外, 对 于 学 生 真 实 的 自 主 研 究 研 制 的 成 果, 不 论 简 单 复 杂, 材 料 贵 贱, 外 观 拙 陋, 只 要 有 创 新 点 闪 光 点, 能 解 决 实 际 问 题, 就 应 鼓 励 支 持, 并 最 大 限 度 地 认 可 在 教 学 主 管 部 门 的 支 持 下, 理 化 中 心 成 立 了 三 小 活 动 课 题 组, 负 责 学 生 创 新 实 践 活 动 的 信 息 发 布 报 名 登 记 造 册 中 期 检 查 成 果 初 审 工 具 耗 材 提 供 结 题 汇 报 组 织 等 系 列 工 作, 建 立 中 心 与 学 生 队 辅 导 教 员 与 队 干 部 的 信 息 沟 通 渠 道, 确 保 对 学 生 的 安 全 管 理, 加 强 双 师 型 教 员 队 伍 建 设, 辅 导 学 生 实 践 研 究 全 过 程, 组 织 成 果 答 辩, 由 高 职 教 员 组 成 评 审 组, 严 把 研 究 成 果 评 审 关, 形 成 了 较 完 整 的 学 生 创 新 实 践 训 练 平 台 体 系 1.2 激 励 机 制 的 有 力 支 撑 建 立 健 全 有 效 的 激 励 机 制 是 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 的 可 靠 保 证, 是 推 动 创 新 实 践 训 练 可 持 续 发 展 的 强 大 动 力, 是 不 断 提 升 创 新 实 践 平 台 质 量 效 益 的 直 接 保 障, 是 调 动 教 学 生 全 员 积 极 参 与 的 重 要 手 段 1.2.1 实 践 过 程 保 障 机 制 构 建 学 生 创 新 实 践 平 台 的 目 的 是 让 广 大 学 生 接 受 创 新 实 践 训 练, 提 高 实 验 探 索 与 研 究 创 新 能 力 创 新 实 践 注 重 过 程 训 练, 以 学 生 为 主 体, 自 愿 参 加 自 组 研 究 团 队 自 选 ( 拟 ) 课 题 自 行 设 计 研 究 ( 研 制 ), 自 主 完 成 课 题 创 新 研 究 任 务 学 生 创 新 实 践 过 程 必 须 有 完 善 的 实 践 训 练 保 障 机 制, 一 是 建 立 平 台 导 师 制, 定 人 定 组 定 课 题 定 目 标, 定 期 ( 不 定 期 ) 进 行 指 导 辅 导 问 题 讨 论 思 想 交 流 思 路 引 导 等, 解 决 实 践 过 程 中 遇 到 的 难 题 指 引 学 生 钻 研 的 思 路 发 展 方 向 二 是 提 供 必 要 的 加 工 制 作 工 具 设 备 试 验 器 材 耗 材 原 材 料 参 考 资 料 ( 书 刊 或 自 主 查 询 ) 实 践 场 地, 并 有 充 足 的 经 费 支 持 三 是 建 立 检 查 督 促 机 制, 参 照 正 常 的 科 研 模 式, 实 行 课 题 申 报 审 批 中 期 检 查 结 题 审 核 评 价 等 规 范 要 求, 进 行 正 规 化 建 设 1.2.2 研 究 成 果 评 审 机 制 构 建 学 生 创 新 实 践 平 台 的 目 标 是 追 求 训 练 成 效 的 最 大 化, 一 是 学 生 参 与 量 的 最 大 化, 二 是 研 究 成 果 的 先 进 性 实 用 性 应 用 推 广 价 值 的 最 大 化, 三 是 研 究 成 果 的 创 新 点 闪 光 点 军 校 特 色 的 最 大 化, 四 是 学 生 自 主 研 制 研 究 占 成 果 总 体 比 重 的 最 大 化, 五 是 学 生 挖 掘 智 慧 潜 能 拓 展 知 识 技 能 的 最 大 化 等 研 究 成 果 能 真 正 体 现 学 生 的 聪 明 才 智 和 训 练 成 效, 应 予 以 肯 定 认 可 和 支 持 建 立 成 果 评 审 机 制, 从 初 审, 中 期 终 审, 评 定 评 价 都 要 规 范 客 观 实 事 求 是, 以 鼓 励 为 主, 增 强 学 生 信 心, 并 在 每 个 环 节 给 出 意 见 建 议, 结 题 组 织 答 辩, 评 定 等 级, 颁 发 奖 状 证 书 等, 并 从 中 选 拔 优 秀 成 果 推 荐 参 加 校 级 军 队 ( 省 部 级 ) 国 家 级 各 类 大 学 生 科 技 竞 赛 激 励 学 生 用 最 好 的 发 挥, 最 巧 妙 的 设 计, 最 新 的 设 想 和 创 意, 最 大 的 兴 趣 和 动 力, 最 强 烈 的 愿 望 和 自 信 将 创 新 实 践 训 练 的 成 效 提 升 到 所 能 达 到 的 极 致 水 平 1.2.3 奖 励 荣 誉 激 励 机 制 创 新 实 践 训 练 平 台 建 设 为 学 生 发 挥 个 人 和 团 队 特 长 优 势 展 示 技 术 技 能 体 现 聪 明 才 智 提 供 了 时 机 和 舞 台, 有 效 推 进 学 生 个 性 特 点 爱 好 能 力 的 进 一 步 发 展, 增 强 技 不 压 身 技 高 一 筹 科 研 带 头 人 的 荣 誉 感 和 自 豪 感 针 对 学 生 创 新 实 践 成 果 建 立 相 应 的 评 比 和 等 级 奖 励 机 制, 以 文 件 通 报 表 彰 标 志 ( 物 ) 流 动 红 旗 奖 状 奖 杯 奖 品 荣 誉 证 书 等 形 式 在 不 同 ( 较 低 ) 层 次 均 有 所 体 现, 辅 以 网 上 公 示 获 奖 信 息, 示 范 成 果 展 示, 选 拔 精 品 项 目 强 化 训 练 并 重 奖, 推 荐 成 绩 突 出 技 能 全 面 的 师 生 交 流 经 验 评 功 授 奖 等 措 施, 进 一 步 增 强 荣 誉 激 励 力 度, 有 效 激 发 教 学 生 参 与 实 践 训 练 重 视 自 身 能 力 提 升 拓 展 和 优 化 知 识 结 构 致 力 于 创 新 突 破 的 积 极 性 和 主 动 性 可 以 想 见, 集 体 及 个 人 荣 誉 感 必 将 激 发 出 教 学 生 团 结 向 上 争 先 创 优 共 同 奋 进 的 巨 大 精 神 力 量 和 攻 坚 克 难 敢 为 人 先 争 创 一 流 的 拼 搏 志 气 勇 气 才 气 188
1.3 规 范 严 谨 的 组 织 形 式 严 谨 有 序 的 组 织 形 式 是 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 组 训 的 模 式 规 范 学 生 创 新 实 践 训 练 的 组 织 与 实 施 是 以 实 验 中 心 课 题 组 为 核 心, 以 辅 导 教 员 为 主 导, 周 密 拟 定 组 织 程 序, 严 格 落 实 实 施 计 划, 营 造 宽 松 和 谐 的 科 研 氛 围, 在 实 践 进 程 的 各 个 环 节, 适 时 发 布 活 动 信 息, 宏 观 掌 控 训 练 动 态 一 是 把 握 宽 进 严 出 优 胜 劣 汰 的 原 则, 高 参 与 量, 低 淘 汰 率, 践 行 开 放 自 主, 重 在 过 程 锻 炼, 全 员 自 主 参 与, 共 享 平 台, 共 同 提 高, 则 整 体 能 力 水 平 才 能 得 到 有 效 提 升, 另 外, 也 为 选 拔 人 才 和 精 品 项 目 创 造 了 有 效 空 间 二 是 把 握 实 事 求 是 的 组 织 规 范, 学 生 创 新 实 践 过 程 均 在 课 外 进 行, 要 严 格 教 员 指 导 学 生 探 索 实 践 的 角 色 定 位, 防 止 和 杜 绝 教 员 大 包 大 揽 现 象, 确 保 学 生 ( 团 队 ) 研 究 的 相 对 独 立 性 和 研 究 成 果 的 真 实 性, 真 正 让 学 生 在 创 新 实 践 中 得 到 锻 炼 和 提 高 三 是 把 握 发 布 的 研 究 课 题 难 度 适 中, 创 新 实 践 研 究 课 题 紧 密 围 绕 实 验 仪 器 设 备 为 主 线 全 面 展 开, 兼 顾 部 队 军 事 学 习 工 作 生 活 训 练 等 各 方 面 相 关 内 容, 给 出 的 研 究 课 题 要 适 合 相 应 层 次 的 学 生 进 行 探 索 实 践, 同 时, 追 求 课 题 新 颖 ( 杜 绝 照 搬 抄 袭 ) 针 对 性 强, 切 合 实 际 便 于 成 果 转 化 四 是 强 化 教 员 辅 导 指 导 力 度, 学 生 创 新 实 践 训 练 实 行 导 师 制, 自 主 选 聘 辅 导 教 员, 共 同 确 定 ( 或 拟 定 ) 研 究 课 题, 充 分 发 挥 教 学 生 知 识 能 力 特 长 优 势, 周 密 规 划 创 新 实 践 研 究 实 施 步 骤, 讨 论 制 定 确 实 可 行 的 研 究 方 案 五 是 严 格 把 握 审 核 尺 度 和 量 化 标 准, 把 握 高 标 准 严 要 求 练 才 干 出 精 品 的 原 则, 根 据 学 生 知 识 能 力 水 平 确 定 审 核 最 低 尺 度, 以 学 生 理 论 联 系 实 际 解 决 实 际 问 题 的 方 法 和 力 度 技 术 水 平 发 挥 程 度 动 手 创 新 实 践 权 重, 确 定 量 化 标 准, 实 事 求 是 反 映 学 生 的 实 际 水 平 六 是 把 握 创 新 实 践 平 台 共 享 原 则, 不 设 立 部 室 专 业 课 程 等 区 分 和 界 限, 相 关 研 究 性 课 程 研 究 性 实 验 如 研 讨 课 选 修 课 讲 座 课 及 动 手 制 作 类 课 程 等 均 可 纳 入 学 生 创 新 实 践 平 台 训 练 范 畴 1.4 理 念 超 前 的 基 础 设 施 基 础 设 施 建 设 是 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 的 强 有 力 支 撑, 要 将 创 新 实 践 教 学 这 一 块 做 大 做 强, 必 须 具 备 功 能 完 善 的 训 练 基 础 设 施 环 境 和 条 件 支 撑 目 前 学 院 计 划 建 设 的 学 生 创 新 实 践 工 程 训 练 中 心, 为 创 新 平 台 建 设 展 现 出 美 好 前 景, 有 效 推 动 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 走 向 规 模 化 规 范 化 正 规 化, 为 后 续 工 作 的 开 展 奠 定 了 基 础 训 练 中 心 定 位 为 学 生 创 新 实 践 公 共 平 台, 突 破 了 部 室 中 心 学 生 队 等 各 单 位 壁 垒, 为 强 强 协 作 合 作 攻 关 提 升 创 新 实 践 成 果 的 层 次 和 水 平 创 造 了 条 件 同 时, 有 效 解 决 了 学 生 实 践 过 程 中 的 实 际 困 难 如 工 具 耗 材 材 料 加 工 制 版 装 配 测 试 资 料 查 询 等 学 生 创 新 实 践 工 程 训 练 中 心 建 设 规 划, 构 筑 了 我 院 大 平 台 大 协 作 大 规 模 的 综 合 化 集 成 化 基 地 型 学 生 创 新 探 索 与 实 践 训 练 的 发 展 蓝 图, 必 将 成 为 复 合 型 创 新 型 部 队 建 设 人 才 培 养 的 孵 化 器, 形 成 理 学 院 学 生 创 新 能 力 培 养 的 军 中 硅 谷 2 积 极 推 进 创 新 实 践 平 台 建 设 发 展 创 新 实 践 平 台 建 设 是 基 础 实 验 教 学 改 革 教 学 模 式 转 变 教 学 观 念 改 进 教 学 手 段 提 高 教 学 质 量 效 益 的 重 要 措 施, 是 传 统 实 验 教 学 模 式 向 课 题 型 研 究 型 问 题 式 等 现 代 教 育 方 式 转 变 的 有 效 途 径 [2] 大 学 物 理 实 验 中 心 一 直 致 力 于 学 生 创 新 实 践 能 力 训 练, 倾 心 打 造 学 生 创 新 实 践 平 台, 将 创 新 实 践 理 念 渗 透 到 课 堂 内 外 教 材 和 指 导 书 编 写 教 学 实 践 活 动 课 程 内 容 拓 展 等 各 个 方 面, 推 动 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 向 多 元 化 实 效 化 发 展 2.1 课 堂 教 学 引 导 平 台 实 验 课 堂 教 学 必 须 严 格 按 照 教 学 计 划 要 求 完 成 教 学 任 务, 同 时 也 为 学 生 进 行 创 新 实 践 训 练 铺 平 了 道 路 通 过 学 习 实 验 原 理 方 法 步 骤 和 实 验 仪 器 设 备 的 调 节 使 用, 学 生 对 仪 器 结 构 功 能 性 能 等 有 了 较 全 面 的 了 解 但 是, 任 何 实 验 仪 器 的 设 计 并 非 十 全 十 美, 在 性 能 指 标 结 构 设 计 操 作 方 法 调 节 方 式 现 象 观 察 数 据 测 读 等 操 作 的 各 个 方 面 多 少 都 存 在 着 一 些 不 足 和 缺 陷, 只 要 教 学 生 善 于 观 察, 反 复 操 作, 就 不 难 发 现 装 置 存 在 的 问 题, 尤 其 是 189
任 课 教 员 体 会 深 刻 那 么, 对 发 现 的 问 题 进 行 研 究, 实 施 改 进, 就 是 创 新 实 践 的 经 典 做 法 教 员 在 课 堂 教 学 中 提 出 存 在 的 问 题 及 解 决 问 题 的 基 本 思 路, 均 会 得 到 学 生 的 积 极 响 应, 并 对 仪 器 改 进 产 生 极 大 的 兴 趣 将 实 验 仪 器 存 在 的 诸 多 问 题 作 为 学 生 创 新 实 践 研 究 课 题, 是 利 室 利 民 ( 学 生 ) 的 双 赢 举 措 其 研 究 成 果 也 能 及 时 转 化 为 教 学 应 用, 既 提 高 了 仪 器 品 质 性 能 又 锻 炼 了 学 生 创 新 实 践 能 力 将 创 新 实 践 训 练 融 入 实 验 课 堂 内 外, 围 绕 仪 器 性 能 优 化 和 功 能 完 善, 仪 器 的 拓 展 应 用, 新 装 置 及 辅 助 装 置 的 研 制 等, 开 展 创 新 实 践 研 究 与 训 练, 是 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 的 重 要 组 成 部 分 2.2 教 材 启 发 引 导 平 台 教 材 是 学 生 上 课 必 备 课 前 必 读 课 堂 必 用 课 后 必 导 的 学 习 材 料, 尤 其 是 实 验 教 材, 一 直 沿 用 传 统 教 材 编 写 模 式, 在 课 后 学 生 创 新 实 践 引 导 这 一 块 仍 然 是 空 白 要 充 分 发 挥 教 材 引 导 作 用, 在 每 一 项 实 验 最 后, 开 辟 学 生 创 新 实 践 内 容 栏 目, 指 出 该 实 验 在 装 置 操 作 测 量 等 实 践 过 程 中 存 在 的 诸 多 具 体 问 题 ( 已 发 现 的 ), 提 出 改 进 设 想, 拟 定 研 究 课 题, 是 学 生 课 外 实 践 探 索 的 重 要 课 题 来 源 [3] 另 外, 实 验 教 材 类 型 单 一, 内 容 受 限, 相 关 知 识 介 绍 偏 少, 不 利 于 学 生 开 拓 视 野 扩 展 思 路 培 养 发 散 思 维 能 力, 应 根 据 教 学 和 实 践 研 究 需 要, 有 计 划 有 步 骤 地 编 写 与 实 验 教 学 相 关 联 的 参 考 教 材, 并 逐 步 形 成 系 列 化, 丰 富 教 材 指 导 体 系 理 化 中 心 计 划 在 五 年 内 陆 续 编 写 出 版 物 理 实 验 仪 器 设 备 介 绍 及 调 节 指 导 大 学 物 理 实 验 思 考 题 经 典 分 析 大 学 物 理 实 验 研 究 课 题 指 导 大 学 物 理 实 验 创 新 实 践 工 程 训 练 物 理 演 示 实 验 操 作 指 导 物 理 虚 拟 实 验 操 作 手 册 物 理 研 究 性 实 验 等 七 部 教 学 指 导 书 此 外, 补 充 编 撰 和 完 成 物 理 实 验 视 频 教 学 大 学 物 理 实 验 设 备 仪 器 库 大 学 物 理 实 验 微 课 物 理 实 验 数 据 处 理 软 件 等 四 部 网 络 教 材 建 设, 使 物 理 实 验 中 心 实 验 教 材 体 系 完 整 内 容 健 全, 促 进 大 学 物 理 实 验 教 学 实 现 学 生 自 主 学 习 自 主 操 作 自 主 研 究 创 新 的 开 放 式 研 究 型 教 学 模 式 的 全 面 实 施 2.3 实 践 活 动 训 练 平 台 结 合 国 家 军 队 各 级 大 学 生 科 技 作 品 竞 赛, 广 泛 开 展 学 生 创 新 实 践 活 动, 有 目 的 有 目 标 有 步 骤 地 进 行 组 织 训 练, 只 要 坚 持 不 懈 地 努 力, 久 而 久 之 就 一 定 会 取 得 意 想 不 到 的 效 果 [4] 我 中 心 每 学 年 坚 持 开 展 学 生 创 新 实 践 工 程 训 练 ( 三 小 活 动 ), 是 起 步 较 早 的 教 学 单 位, 目 前 已 施 训 八 届, 取 得 明 显 成 效 学 生 科 技 作 品 在 国 家 级 军 队 级 西 北 地 区 大 学 学 院 等 各 类 竞 赛 中 取 得 多 项 等 级 奖 励, 发 表 数 十 篇 研 究 论 文, 为 我 校 争 得 了 荣 誉 在 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 与 训 练 中, 我 们 深 刻 体 会 到, 学 生 创 新 实 践 训 练 应 包 罗 万 象 不 拘 一 格, 尤 其 是 军 队 院 校 更 应 体 现 部 队 特 色, 学 生 研 究 课 题 不 仅 来 源 于 实 验 室, 更 应 深 入 部 队 解 决 实 际 困 难 黄 长 强 说, 部 队 的 困 难, 就 是 我 们 的 研 究 课 题 可 以 看 到, 部 队 才 真 正 是 学 生 创 新 实 践 的 大 平 台, 武 器 装 备 需 要 高 端 技 术, 但 是 官 兵 的 生 活 学 习 工 作 训 练, 也 需 要 技 术 力 量 的 协 助 和 支 持, 其 中 蕴 藏 着 无 尽 的 有 价 值 可 研 究 课 题, 需 要 我 们 去 发 现 去 探 究 去 实 践 学 院 组 织 学 生 下 部 队 锻 炼 这 一 新 举 措, 搭 建 起 学 院 与 部 队 之 间 的 桥 梁, 为 了 解 部 队 体 验 并 认 知 部 队 探 索 挖 掘 研 究 项 目 创 造 了 条 件, 为 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 开 辟 了 新 途 径 根 据 院 校 自 身 条 件, 更 多 地 组 织 学 生 技 能 竞 赛, 除 军 事 技 能 外, 诸 如 学 生 焊 接 大 赛 全 息 图 制 作 大 赛 机 器 人 制 作 大 赛 单 片 机 编 程 大 赛 等, 也 不 失 为 学 生 动 手 实 践 能 力 提 升 的 重 要 手 段 物 理 实 验 中 心 在 今 后 的 实 验 教 学 中, 将 不 定 期 组 织 学 生 在 仪 器 调 节 数 据 处 理 全 息 摄 影 仪 器 维 修 新 实 验 内 容 开 发 虚 拟 实 验 项 目 研 制 等 方 面 进 行 类 似 竞 赛 形 式 的 评 比 和 选 拔, 评 比 结 果 与 课 程 考 核 成 绩 挂 钩, 对 成 绩 优 秀 者, 结 合 学 生 创 新 实 践 训 练 ( 三 小 活 动 ) 汇 报 总 结, 一 并 纳 入 学 生 物 理 实 验 课 免 试 的 奖 励 范 畴, 从 而 拓 宽 学 生 动 手 实 践 能 力 的 考 核 检 验 层 面, 丰 富 实 验 考 核 方 式, 创 新 考 核 方 法, 扩 展 考 核 途 径 实 现 实 验 考 核 手 段 的 多 元 化, 其 目 的 仍 然 是 鼓 励 特 长 发 挥, 突 出 个 性 发 展, 促 进 创 新 实 践 能 力 有 效 提 升, 这 是 物 理 实 验 教 学 充 实 学 生 创 新 实 践 能 力 平 台 内 容 建 设 的 新 思 考 新 尝 试 190
2.4 课 程 开 发 拓 展 平 台 大 学 物 理 实 验 中 心 开 展 学 生 创 新 实 践 训 练 主 要 集 中 在 实 物 实 验 方 面, 近 几 年 在 虚 拟 实 验 研 制 开 发 方 面 也 有 所 涉 及, 处 于 研 究 起 步 阶 段 但 作 为 物 理 实 验 四 位 一 体 教 学 体 系 中 另 外 两 大 支 柱 物 理 演 示 实 验 室 和 物 理 研 究 实 验 室, 学 生 创 新 实 践 研 究 仍 少 有 触 及 物 理 演 示 实 验 要 纳 入 物 理 实 验 必 做 内 容, 对 演 示 实 验 仪 器 设 备 的 开 发 改 进 也 将 成 为 学 生 创 新 实 践 训 练 的 目 标 和 方 向, 如 何 将 演 示 实 验 进 课 堂 ( 物 理 理 论 课 堂 ), 演 示 实 验 仪 器 的 小 型 化 改 造, 演 示 物 理 现 象 明 显 化 的 装 置 开 发, 新 物 理 演 示 仪 器 研 制 等, 都 可 以 列 入 学 生 创 新 实 践 训 练 范 畴 物 理 研 究 实 验 室 是 物 理 经 典 实 验 和 物 理 现 代 技 术 应 用 实 验 的 重 要 教 学 基 地, 是 物 理 实 验 教 学 的 高 级 层 次, 是 教 学 生 进 行 物 理 研 究 和 专 业 领 域 研 究 拓 展 的 重 要 物 质 基 础 应 选 拔 物 理 基 础 好 学 习 兴 趣 浓 厚 物 理 知 识 丰 富 动 手 实 践 能 力 较 强 的 本 科 学 生 或 研 究 生 学 生, 在 教 员 指 导 下 进 行 物 理 研 究 性 实 验 的 操 作 学 习 精 密 测 试 应 用 拓 展 技 术 更 新 等 实 践 研 究 与 训 练, 实 践 结 果 以 研 究 报 告 的 形 式 提 交, 作 为 课 程 考 核 成 绩 评 定 的 重 要 依 据 课 程 的 开 发 与 拓 展 研 究, 是 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 走 向 深 入 的 必 由 之 路, 是 由 初 级 水 平 向 高 级 水 平 提 升 的 阶 梯, 是 推 进 平 台 建 设 可 持 续 发 展 的 重 要 途 径 3 充 分 认 清 创 新 实 践 平 台 建 设 困 难 随 着 基 础 实 验 教 学 改 革 的 不 断 深 入, 学 生 创 新 实 践 工 程 训 练 成 为 理 化 实 验 中 心 改 革 创 新 教 学 模 式 的 突 破 口, 创 新 实 践 平 台 建 设 成 为 提 高 学 生 综 合 实 践 能 力 的 新 的 生 长 点 [5] 在 学 生 创 新 实 践 训 练 蓬 勃 开 展 平 台 建 设 逐 步 推 进 的 发 展 进 程 中, 新 情 况 新 问 题 相 继 出 现, 给 创 新 实 践 平 台 建 设 带 来 诸 多 困 难, 需 要 保 持 清 醒 头 脑, 认 清 形 式, 分 析 研 究, 抓 住 问 题 实 质, 研 究 解 决 办 法 3.1 双 师 型 教 员 队 伍 培 育 教 师 导 师 双 师 型 教 员 队 伍 培 育 是 理 化 中 心 一 直 倡 导 并 着 重 进 行 的 教 员 队 伍 建 设 工 程, 对 教 员 教 学 科 研 能 力 提 出 更 高 的 要 求 学 生 创 新 实 践 训 练 平 台 建 设 的 实 施 实 行 导 师 制, 要 求 教 员 在 某 些 领 域 具 备 较 深 入 的 研 究 较 全 面 的 知 识 较 熟 练 的 技 能 技 术 较 敏 锐 的 洞 察 新 事 物 能 力, 较 扎 实 的 动 手 实 践 基 础, 要 能 够 洞 悉 领 域 发 展 前 沿, 及 时 抓 住 发 展 时 机, 瞄 准 奋 斗 目 标, 走 在 发 展 前 列, 从 而 起 到 示 范 引 领 作 用 尤 其 是 新 市 场 新 领 域, 更 容 易 抢 夺 先 机, 占 领 市 场 目 前, 实 验 室 教 员 的 科 技 指 导 能 力 偏 弱, 分 析 原 因 : 一 是 自 身 没 有 较 明 确 的 研 究 方 向 和 目 标 定 位, 二 是 缺 乏 对 新 事 物 的 敏 感 性 和 洞 察 力, 三 是 浮 躁 不 踏 实, 对 科 技 研 究 和 创 新 缺 乏 自 信 从 而 造 成 对 任 何 事 物 的 迟 疑 怀 疑 态 度 和 无 信 心 随 大 流 的 被 动 处 境 这 种 状 态 既 是 机 会 放 到 跟 前 也 抓 不 住, 对 集 体 单 位 个 人 的 成 长 与 发 展 都 是 损 失 对 教 员 培 育 的 关 键 是 自 信 心 的 培 育, 尤 其 是 实 验 课 教 员, 其 思 想 深 处 对 自 身 定 位 存 在 幻 想, 不 安 心 造 成 了 不 作 为 不 积 极 难 以 沉 下 心 来 做 研 究 因 此, 首 先 要 加 强 思 想 教 育, 不 论 是 现 役 教 员 还 是 非 现 役 教 员, 都 要 端 正 态 度, 发 挥 内 动 力, 明 确 奋 斗 目 标, 加 快 自 身 素 质 和 能 力 水 平 的 提 高 二 是 为 教 员 发 展 创 造 良 好 环 境 和 条 件 支 持, 鼓 励 进 修 践 学 调 研 交 流 参 赛 短 期 下 部 队 锻 炼 等, 增 强 归 属 感 责 任 感 三 是 表 彰 重 奖 成 绩 优 秀 者 的 同 时, 也 要 父 荫 幕 后 默 默 奉 献 而 成 绩 良 好 者, 树 立 典 型 更 要 凝 聚 一 个 有 战 斗 力 的 团 队, 共 同 奋 发 图 强, 为 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 健 康 稳 定 的 发 展 打 下 了 坚 实 的 基 础 3.2 激 励 与 奖 罚 制 度 落 实 落 实 激 励 与 奖 罚 制 度 是 推 动 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 加 速 发 展 的 重 要 措 施, 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 从 建 设 初 期 的 教 改 尝 试 试 点 教 学, 发 展 为 学 院 教 育 训 练 综 合 改 革 计 划 在 建 项 目 和 理 论 研 究 重 点 课 题 之 一, 培 训 目 标 从 各 教 研 室 内 部 教 法 改 革 改 进 从 而 加 强 能 力 培 养 发 展 成 为 备 战 国 家 教 育 部 军 队 省 市 大 学 等 各 类 各 等 级 大 学 生 科 技 作 品 大 赛, 在 创 新 实 践 平 台 上 锻 造 出 除 四 级 英 语 数 学 建 模 之 外 又 一 匹 杀 出 重 围 的 黑 马, 彰 显 我 院 人 才 培 养 水 准, 缔 造 191
学 生 创 新 实 践 传 奇, 着 实 是 一 项 令 人 备 受 鼓 舞 和 振 奋 之 举 要 下 大 功 夫, 加 强 扶 持 力 度, 付 出 更 多 精 力, 优 化 激 励 奖 惩 机 制, 建 议 学 院 或 大 学 设 立 学 生 创 新 实 践 基 金 制 度, 针 对 国 家 军 队 等 不 同 级 别 和 各 类 各 等 级 获 奖 情 况, 制 定 相 应 基 金 资 助, 并 以 制 度 的 形 式 确 定 下 来, 做 到 规 定 明 确, 奖 罚 分 明, 申 报 自 主, 组 织 严 密, 层 层 审 查, 严 防 失 泄 密, 同 时, 能 够 吸 引 并 鼓 励 更 多 优 秀 教 学 生 积 极 参 与 创 新 实 践 训 练, 引 导 学 生 早 进 课 题 早 进 实 验 室 早 进 团 队 有 效 培 养 学 生 创 新 实 践 能 力, 推 动 我 院 学 生 创 新 实 践 工 程 训 练 做 大 做 强, 促 进 创 新 实 践 平 台 建 设 正 规 化 制 度 化 可 持 续 健 康 稳 定 发 展 3.3 军 事 特 色 课 题 研 究 军 委 邓 副 主 席 讲 过, 军 队 要 发 展, 军 校 是 源 头 军 队 大 学 及 军 校 大 学 生 肩 负 部 队 建 设 使 命, 了 解 部 队 研 究 部 队 建 设 部 队 是 军 校 教 学 生 的 责 任, 也 是 军 校 特 色 使 然 建 立 军 校 教 学 生 与 部 队 的 不 间 断 联 系, 定 期 进 行 短 期 践 学, 在 部 队 这 样 一 个 大 平 台 上, 发 现 问 题 并 力 所 能 及 地 解 决 问 题, 既 有 利 于 部 队 建 设, 又 锻 炼 了 教 学 生 科 技 实 践 能 力, 同 时 也 突 出 了 基 础 实 验 教 学 军 事 特 色, 是 急 待 开 发 可 以 开 发 互 利 双 赢 的 创 新 实 践 平 台 建 设 应 建 立 学 院 与 基 层 连 队 横 向 联 系 及 互 助 交 流 机 制, 研 究 部 队 困 难, 解 决 部 队 存 在 的 实 际 问 题 教 员 和 地 方 入 校 的 大 学 生, 多 数 对 部 队 不 了 解, 应 轮 流 在 每 学 期 用 一 至 二 个 月 时 间 组 织 部 分 教 学 员 下 部 队 践 学, 体 验 部 队 生 活, 探 索 研 究 课 题 这 也 是 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 的 又 一 条 新 思 路, 是 积 极 的 可 行 的 创 新 实 践 训 练 有 效 途 径 之 一 4 结 语 注 重 学 生 创 新 实 践 平 台 建 设 体 现 了 我 院 教 育 改 革 新 动 向, 彰 显 了 基 础 实 验 教 学 开 放 搞 活 崇 尚 创 新 的 新 气 象 新 思 路, 推 动 学 生 创 新 思 维 能 力 创 新 实 践 能 力 的 综 合 发 展, 铸 就 学 生 创 新 精 神 探 索 勇 气 和 实 事 求 是 敢 打 敢 拼 的 军 魂 士 气 在 学 生 基 本 素 质 和 能 力 培 育 中, 创 新 实 践 平 台 建 设 融 入 了 科 学 发 展 理 念, 特 色 鲜 明, 意 识 超 前, 目 标 前 景 广 阔 [6] ; 创 新 实 践 平 台 建 设 植 入 了 创 新 研 究 思 想, 不 论 身 在 何 处, 研 究 不 懈, 创 新 不 止, 加 速 成 才 训 练 ; 创 新 实 践 平 台 建 设 树 立 了 探 索 创 新 精 神, 直 面 改 革, 历 经 挫 折, 缔 造 领 域 传 奇 ; 创 新 实 践 平 台 建 设 体 现 了 军 事 院 校 特 色, 拓 展 领 域, 脚 踏 实 地, 解 决 部 队 困 难 ; 创 新 实 践 平 台 建 设 成 就 了 人 才 培 育 的 沃 土, 构 筑 能 力 培 养 的 摇 篮, 打 造 素 质 训 练 的 基 地 参 考 文 献 : [1] 王 斌 科, 李 晔 狠 抓 课 程 体 系 建 设, 促 进 学 员 综 合 素 质 有 效 提 升 [J] 空 军 工 程 大 学 学 报, 2009(12):38-39 [2] 夏 有 为 实 验 为 本 探 索 未 知 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2013,32(8): 1~3 [3] 王 斌 科, 李 晔 大 学 物 理 实 验 [M] 西 安 : 西 北 大 学 出 版 社,2013 [4] 徐 格 宁 构 建 地 方 高 校 实 验 教 学 大 平 台 的 探 索 与 实 践 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2010(5): 2-3 [5] 宋 国 李, 等 开 放 式 实 验 教 学 模 式 的 研 究 与 实 践 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2010(2):91-93 [6] 宋 娟, 张 家 盛, 黄 琴 开 放 式 实 验 教 学 与 学 生 创 新 能 力 培 养 [J] 科 技 资 讯, 2009(33): 149-150 Exploration on the construction of the innovative practice platform about physical experiment Abstract: During recent 10 years basic experiment teaching, As to the construction of the students innovative practice platform, Have a positive exploration and practice on the aspects of training destination, Top design, excitation mechanism, infrastructure construction, teaching-orientation, Organizational training. Key words: innovative practice; talent training; platform construction 192
物 理 实 验 室 管 理 的 经 验 和 体 会 吴 庚 柱 ( 武 汉 大 学, 湖 北 武 汉 430072) 摘 要 : 在 物 理 实 验 教 学 中 保 持 实 验 仪 器 状 态 良 好 是 物 理 实 验 课 顺 利 进 行 的 基 本 条 件 如 何 减 少 仪 器 故 障 和 消 除 已 出 现 的 仪 器 故 障, 本 文 介 绍 了 一 些 这 方 面 的 经 验 和 办 法 关 键 词 : 物 理 实 验 ; 仪 器 损 坏 ; 故 障 排 除 在 物 理 实 验 教 学 中 实 验 仪 器 的 损 坏 是 实 验 室 管 理 中 经 常 遇 到 的 问 题, 保 持 实 验 室 仪 器 状 态 良 好 是 实 验 技 术 人 员 的 主 要 工 作 笔 者 对 在 实 验 室 管 理 中 的 一 些 经 验 和 体 会 做 点 介 绍 与 同 仁 交 流 要 保 持 实 验 仪 器 状 态 良 好 有 两 方 面 的 工 作 要 做 好, 一 是 要 预 防 仪 器 损 坏, 二 是 出 现 问 题 后 的 维 修 在 预 防 仪 器 损 坏 方 面 有 许 多 工 作 可 做 其 一 实 验 技 术 人 员 要 做 好 与 实 验 教 师 的 沟 通 和 交 流, 合 适 的 沟 通 和 交 流, 会 提 高 仪 器 使 用 效 率 减 少 仪 器 损 坏 当 然 这 也 要 求 实 验 技 术 人 员 对 实 验 内 容 和 实 验 仪 器 性 能 和 特 点 非 常 了 解 实 验 教 师 也 应 提 高 保 护 仪 器 的 认 识, 提 高 预 防 仪 器 损 坏 的 经 验 和 能 力, 教 师 的 能 力 提 高 了 学 生 正 确 使 用 仪 器 的 素 质 也 会 提 高, 这 即 提 高 了 教 学 质 量 也 会 减 少 仪 器 损 坏 其 二 通 过 改 进 实 验 条 件 来 减 少 仪 器 损 坏 率 例 如 直 流 电 桥 实 验 可 把 直 流 稳 压 电 源 输 出 电 流 限 定 在 0.6 安 内, 就 可 保 护 在 学 生 出 错 短 路 的 情 况 下 电 阻 箱 不 会 烧 坏 示 波 器 的 使 用 实 验 中, 把 待 测 量 交 流 信 号 峰 峰 电 压 值 由 30 伏 降 为 3 伏, 可 减 少 示 波 器 损 坏 的 概 率 或 改 变 实 验 器 件 参 数 如 交 流 电 桥 实 验 中, 将 待 测 电 感 值 由 10mL 改 为 33mL, 则 经 常 损 坏 的 电 感 变 为 很 少 损 坏 在 维 修 方 面 的 内 容 也 很 多 这 里 介 绍 笔 者 体 会 较 深 的 几 点 第 一 点 实 验 装 置 是 一 个 整 体 因 此 出 现 故 障 现 象 后 要 整 体 考 虑 如 光 的 偏 振 实 验, 光 电 流 放 大 器 显 示 数 值 不 稳, 并 不 是 光 电 流 放 大 器 出 问 题 了, 而 是 氦 氖 激 光 器 老 化 输 出 不 稳 造 成 的, 更 换 光 源 为 寿 命 长 的 发 光 二 极 管 就 能 解 决 这 个 问 题 又 如 光 电 效 应 实 验 中, 测 量 仪 显 示 光 电 流 不 稳, 而 往 往 是 光 电 管 老 化 造 成 的 再 如 超 声 光 栅 实 验 中, 超 声 光 栅 仪 输 出 突 然 没 了, 这 很 可 能 是 液 槽 里 的 水 长 时 间 没 更 换 造 成, 这 时 若 更 换 超 声 光 栅 仪 则 会 损 坏 更 多 仪 器 第 二 点 使 用 精 密 电 子 清 洁 剂 修 理 电 子 仪 器 往 往 事 半 功 倍, 如 信 号 源 输 出 交 变 信 号 波 形 跳 动 电 压 不 稳, 用 该 清 洁 剂 喷 射 电 压 调 节 电 位 器, 一 下 就 好 了 又 如 电 阻 箱 阻 值 不 准, 用 清 洁 剂 喷 射 切 换 开 关 进 行 清 洗, 立 时 就 好 了 第 三 点 长 春 第 五 光 学 仪 器 厂 的 WSM-200 迈 克 尔 逊 干 涉 仪 有 的 会 出 现 条 纹 晃 动 不 稳 的 故 障 检 查 了 所 有 的 紧 固 螺 丝 都 没 消 除 故 障 最 后 怀 疑 安 装 反 射 镜 的 悬 臂 梁 过 于 单 薄 用 合 适 的 螺 钉 旋 入 悬 臂 梁 的 间 隙 中, 以 加 强 悬 臂 梁 的 刚 度, 则 故 障 消 除 说 明 悬 臂 梁 刚 度 不 够 导 致 与 外 界 的 干 扰 发 生 共 振, 引 起 故 障 旋 入 两 颗 螺 钉 后 反 射 镜 的 微 调 的 灵 敏 度 虽 有 降 低 但 对 使 用 影 响 不 大 建 议 该 厂 今 后 生 产 的 迈 克 尔 逊 干 涉 仪 增 加 悬 臂 梁 的 尺 寸, 以 提 高 它 的 刚 度, 这 就 提 高 了 产 品 质 量 参 考 文 献 : [1] 李 长 真 大 学 物 理 实 验 教 程 [M] 科 学 出 版 社,2009 作 者 简 介 : 吴 庚 柱 (1960-), 男, 武 汉 大 学 物 理 科 学 与 技 术 学 院 实 验 教 学 中 心 工 程 师 193
电 工 技 术 实 验 和 学 生 能 力 的 培 养 郭 超 修, 杨 彦 婷 ( 华 东 师 范 大 学 物 理 系, 上 海 200241) 摘 要 : 电 工 技 术 实 验 是 一 门 重 要 的 专 业 基 础 课, 注 重 理 论 联 系 实 际, 不 仅 仅 丰 富 了 学 生 知 识 储 备 和 实 践 操 作 技 能, 同 时 培 养 了 学 生 分 析 问 题 解 决 问 题 和 理 论 联 系 实 际 等 科 学 探 究 能 力, 对 其 将 来 学 习 工 作 中 遇 到 的 电 路 设 计 和 实 际 生 活 中 的 电 路 问 题 等 都 有 着 启 发 和 帮 助 作 用 关 键 词 : 电 工 技 术 实 验 ; 师 范 生 ; 实 验 教 学 1 引 言 电 工 技 术 及 实 验 是 一 门 重 要 的 专 业 基 础 课, 实 验 是 本 课 程 的 一 个 重 要 实 践 性 教 学 环 节, 主 要 的 任 务 是 将 电 工 技 术 中 的 电 路 理 论 基 本 电 工 测 量 仪 器 仪 表 和 常 用 的 电 气 设 备 元 件 等 应 用 到 实 验 操 作 中, 通 过 实 验 操 作 培 养 学 生 连 接 电 路 电 工 测 量 故 障 排 除 等 实 验 技 巧 ; 掌 握 常 用 电 工 仪 器 仪 表 的 基 本 原 理 及 使 用 方 法 ; 学 习 数 据 的 采 集 和 处 理 各 种 现 象 的 观 察 和 分 析 等 这 些 基 本 实 验 技 能 的 训 练, 培 养 其 应 用 基 本 理 论 分 析 问 题 解 决 问 题 的 探 究 能 力 和 严 谨 的 科 学 态 度, 使 学 生 的 专 业 理 论 水 平 和 基 本 的 实 验 技 能 得 到 提 高 2 基 本 电 工 测 试 技 能 电 工 技 术 实 验 不 仅 仅 只 是 通 过 实 验 验 证 理 论 原 理, 还 需 要 使 用 基 本 的 电 工 仪 器 仪 表 测 量 分 析 一 些 实 验 现 象 这 些 基 本 的 电 工 测 试 技 能 是 以 熟 练 使 用 电 工 仪 器 仪 表 为 基 础 的 实 验 中 涉 及 到 有 中 学 实 验 用 过 的 电 流 表 电 压 表 多 用 表 和 电 压 源, 也 有 以 前 没 接 触 过 的 电 流 源 和 功 率 表 等 对 于 已 经 用 过 的 仪 表, 学 生 不 仅 仅 是 要 会 用, 还 要 加 深 对 其 原 理 的 理 解 例 如 在 戴 维 南 定 理 实 验 中 有 一 道 思 考 题, 电 压 表 电 流 表 前 后 位 置 对 换, 对 电 压 表 电 流 表 的 读 数 有 无 影 响? 这 道 思 考 题 主 要 考 察 电 表 的 内 接 和 外 接 对 实 验 结 果 的 影 响, 在 中 学 的 教 学 中 老 师 告 知 同 学 内 接 和 外 接 对 实 验 结 果 会 是 不 同 的 但 是 这 里 结 果 并 不 是 如 此, 这 是 因 为 我 们 这 里 使 用 的 是 数 字 电 压 表 和 数 字 电 流 表, 其 内 阻 是 理 想 情 况, 因 此 电 表 的 位 置 不 影 响 其 测 量 结 果 也 就 是 告 诉 学 生, 任 何 事 情 都 以 事 实 为 依 据, 不 能 想 当 然 地 下 结 论 而 对 于 以 前 没 有 接 触 过 的 仪 器, 就 得 需 要 掌 握 其 原 理 和 使 用 方 法 例 如 功 率 表 这 种 多 线 圈 仪 表, 使 用 方 法 和 其 他 的 单 线 圈 仪 表 有 很 大 区 别, 学 生 要 理 解 它 的 工 作 原 理 才 能 灵 活 地 使 用 其 进 行 测 量 电 路 的 有 功 功 率 和 无 功 功 率 只 能 用 功 率 表 测 量 得 到 学 生 熟 练 掌 握 功 率 表 的 原 理 及 使 用 方 法 后, 能 设 计 出 多 个 实 验, 例 如 证 明 功 率 三 角 形 关 系 的 实 验 3 分 析 问 题 解 决 问 题 的 能 力 电 工 技 术 实 验 的 接 线 都 较 为 复 杂, 实 验 过 程 中 会 出 现 各 种 各 样 的 问 题, 比 如 电 路 不 能 正 常 运 行 实 验 现 象 和 数 据 不 正 确 等, 这 时 学 生 就 需 要 利 用 已 有 的 知 识 一 一 解 决 问 题 照 明 电 路 的 安 装 是 学 生 接 触 的 第 一 个 交 流 电 实 验, 很 多 时 候 学 生 接 好 电 路 后, 日 光 灯 不 能 正 常 工 作, 作 者 简 介 : 郭 超 修 (1987-), 女, 广 西 北 海 人, 华 东 师 范 大 学 物 理 系 助 理 工 程 师, 硕 士, 主 要 从 事 物 理 实 验 教 学 工 作 194
此 时 学 生 要 通 过 小 组 讨 论 组 间 讨 论 和 多 用 表 测 量 等 手 段 一 一 排 除 故 障 一 开 始 学 生 可 能 没 有 思 路, 此 时 教 师 要 进 行 适 当 的 引 导, 让 学 生 掌 握 其 技 巧 经 过 一 个 学 期 的 实 验 技 能 锻 炼, 学 生 基 本 已 经 掌 握 了 线 路 故 障 排 查 技 巧, 在 最 后 一 个 常 用 继 电 接 触 器 控 制 电 路 实 验 中 有 明 显 的 表 现, 虽 然 这 个 实 验 线 路 非 常 复 杂, 但 是 学 生 可 以 自 行 判 断 并 解 决 问 题 所 在 4 对 中 学 物 理 实 验 的 改 进 能 力 对 于 即 将 走 上 教 育 岗 位 的 物 理 师 范 生 来 说, 可 以 把 电 工 技 术 实 验 和 中 学 物 理 实 验 有 机 结 合, 将 中 学 教 材 中 一 些 实 验 现 象 不 明 显 的 电 学 实 验 在 原 有 基 础 上 做 一 些 改 进, 譬 如 将 一 些 器 材 进 行 替 代 ( 如 自 感 现 象 实 验 中 用 传 感 器 来 代 替 传 统 的 小 灯 泡 等 [1] ), 或 者 换 一 种 设 计 方 案, 改 善 一 些 原 来 在 中 学 多 年 的 传 统 实 验, 增 加 电 学 实 验 的 测 量 手 段, 让 实 验 现 象 更 明 显 更 有 说 服 力, 更 好 地 帮 助 学 生 理 解 某 些 物 理 原 理 ; 或 者 设 计 一 些 教 材 中 并 未 提 出 的 简 单 有 创 新 的 电 学 小 实 验, 作 为 学 生 兴 趣 知 识 及 能 力 的 拓 展 ; 若 教 学 中 需 要 讲 解 一 些 抽 象 的 电 学 概 念 或 日 常 生 活 中 的 一 些 电 学 物 理 现 象, 对 学 生 思 维 能 力 要 求 较 高, 师 范 生 可 以 设 计 开 发 一 些 有 创 意 的 电 学 实 验, 使 电 学 实 验 内 容 变 得 丰 富 多 彩 与 并 且 与 生 活 实 际 结 合, 从 而 增 强 学 生 对 物 理 学 习 兴 趣, 探 究 欲 望 得 到 增 强 ; 除 了 电 学 实 验 外, 利 用 非 电 量 的 电 测 法 还 可 以 对 温 度 速 度 位 移 力 等 非 电 量 进 行 微 小 测 量 ( 例 如 用 传 感 器 来 验 证 牛 顿 第 三 定 律 ) 5 理 论 联 系 实 际 的 能 力 电 工 技 术 实 验 是 一 门 与 实 际 生 活 非 常 紧 密 的 课 程, 学 生 不 仅 要 学 习 基 本 的 电 工 仪 器 仪 表 的 使 用, 还 需 要 学 习 变 压 器 电 动 机 电 度 表 等 生 活 中 常 见 的 元 器 件 的 使 用 和 常 用 继 电 器 控 制 电 路 这 些 实 验 内 容 丰 富 了 学 生 的 知 识 技 能 储 备, 培 养 了 学 生 理 论 联 系 实 际 的 探 究 能 力, [2] 对 学 生 在 今 后 学 习 工 作 中 对 电 路 进 行 设 计 或 改 进 ( 如 电 动 机 的 延 时 控 制 电 路 和 家 用 电 冰 [3] 箱 电 气 控 制 电 路 等 ) 打 下 了 坚 实 的 基 础 这 几 年 的 物 理 教 材 非 常 重 视 物 理 知 识 在 生 活 中 的 应 用, 例 如 新 人 教 版 物 理 九 年 级 中 家 庭 电 路 这 一 节, 这 就 要 求 师 范 生 熟 练 掌 握 理 论 知 识 并 灵 活 应 用 才 能 很 好 地 对 学 生 进 行 讲 解 此 外 它 也 对 学 生 理 解 一 些 探 究 性 试 题 起 到 帮 助 的 作 用, 比 如 2009 年 理 科 综 合 能 力 测 试 物 理 部 分 ( 宁 夏 卷 ) 高 考 题 23 以 风 力 发 电 为 路 灯 提 供 电 能 为 背 景 信 息 考 查 学 生 运 用 知 识 解 决 实 际 问 题 的 能 力 如 果 熟 悉 电 磁 开 关 即 交 流 接 触 器 在 日 常 生 活 中 的 简 单 应 用, 向 学 生 分 析 这 道 试 题 根 本 不 在 话 下 6 结 语 电 工 技 术 实 验 作 为 一 门 专 业 基 础 课, 重 视 学 生 在 发 现 提 出 问 题 设 计 实 验 动 手 实 践 等 方 面 探 究 能 力 的 培 养, 是 培 养 学 生 科 学 探 究 实 验 能 力 的 一 条 重 要 途 径 学 生 通 过 本 课 程 的 学 习, 理 解 电 工 技 术 课 程 中 的 基 本 原 理 和 掌 握 常 用 仪 表 仪 器 的 使 用, 学 会 分 析 和 设 计 简 单 应 用 电 路, 联 系 生 产 生 活 对 于 物 理 师 范 生, 将 电 工 技 术 实 验 与 师 范 生 教 学 技 能 有 机 结 合, 有 利 于 培 养 师 范 生 的 探 究 实 验 教 学 能 力, 以 更 好 地 适 应 今 后 新 课 改 对 教 师 的 要 求 参 考 文 献 : [1] 汤 跃 明, 谢 紫 娟, 张 文 杰 传 感 器 技 术 在 中 学 物 理 实 验 教 学 中 的 应 用 [J] 中 国 电 化 教 育, 2006(11):53-55 [2] 秦 曾 煌 电 工 学 上 册 电 工 技 术 ( 第 六 版 )[M] 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社,2004 [3] 舒 信 隆, 景 培 书 教 师 教 育 技 能 实 训 指 导 手 册 ( 物 理 卷 )[M] 上 海 : 华 东 师 范 大 学 出 版 社,2010:194-209 195
Electrician Technology Experiment with the Cultivation of Students' Capability GUO Chao-xiu, YANG Yan-ting (Department of Physics, East China Normal University, Shanghai 200241, China) Abstract: The Electrician technology experiment is an important compulsory course, and it focuses on linking teaching theories with practice. The Electrician technology experiment is not only laying stress on enriching students knowledge reserve and practical operation skills, but also fostering the students scientific inquiry capacity to analyze and solve problems. Meanwhile, it would bring great help and enlightenment when encountering the circuit problems about circuit design and real situations. Key words: Electrician technology experiment; normal university students; experiments teaching 196
大 学 物 理 设 计 性 实 验 的 作 用 不 可 小 觑 曾 乐 贵 ( 装 甲 兵 工 程 学 院 基 础 部, 北 京 100072) 摘 要 : 针 对 大 学 物 理 设 计 性 实 验 的 特 点, 突 出 强 调 了 大 学 物 理 设 计 性 实 验 的 重 要 作 用 关 键 词 : 大 学 物 理 ; 设 计 性 实 验 ; 实 验 作 用 1 引 言 物 理 学 是 研 究 物 质 结 构 物 质 运 动 以 及 物 质 间 相 互 作 用 规 律 的 科 学, 物 理 实 验 是 物 理 学 探 索 这 些 规 律 的 唯 一 途 径 物 理 实 验 是 物 理 学 的 基 础, 它 在 物 理 理 论 的 形 成 建 立 以 及 发 展 中 都 起 着 非 常 重 要 的 作 用 物 理 实 验 是 有 目 的 地 运 用 科 学 仪 器, 人 为 地 控 制 创 造 或 纯 化 某 种 自 然 过 程, 使 之 按 预 期 的 进 程 发 展, 同 时 在 尽 可 能 减 少 干 扰 的 情 况 下 进 行 定 性 的 或 定 量 的 观 测, 以 探 求 该 自 然 过 程 变 化 规 律 的 一 种 科 学 活 动 [1] 一 个 优 秀 的 技 术 人 才, 除 了 要 具 有 厚 实 的 理 论 知 识 外, 还 必 须 具 有 良 好 的 科 学 实 验 能 力 大 学 物 理 实 验 课 程 是 大 学 生 进 行 科 学 实 验 的 开 端, 对 于 培 养 大 学 生 的 科 学 实 验 能 力 有 着 其 它 课 程 无 可 替 代 的 作 用 学 生 通 过 做 大 学 物 理 实 验, 不 仅 能 够 获 得 物 理 实 验 理 论 方 法 和 技 能 方 面 的 基 本 训 练, 而 且 能 激 发 学 生 的 探 索 精 神 和 创 造 性 思 维, 提 高 学 生 的 实 践 能 力 和 综 合 素 养 做 传 统 物 理 实 验, 学 生 通 常 是 依 据 教 材 上 的 实 验 方 法 和 步 骤 来 完 成 实 验, 这 种 模 式 对 学 生 掌 握 实 验 方 法 验 证 实 验 结 果 和 加 深 对 理 论 的 理 解 有 较 好 的 效 果, 然 而, 对 于 培 养 学 生 动 手 实 践 能 力 独 立 思 考 能 力 创 造 性 思 维 能 力 和 勇 于 探 索 精 神 的 效 果 较 差 大 学 物 理 设 计 性 实 验, 改 变 了 传 统 的 实 验 模 式, 能 有 效 弥 补 传 统 实 验 的 不 足, 更 加 突 出 物 理 实 验 教 学 的 重 要 作 用 2 何 为 大 学 物 理 设 计 性 实 验 大 学 物 理 设 计 性 实 验, 是 指 根 据 给 定 的 实 验 要 求 和 实 验 仪 器 条 件, 由 学 生 自 己 设 计 实 验 方 案 完 成 实 验 操 作 和 数 据 处 理 的 实 践 活 动 大 学 物 理 设 计 性 实 验 介 于 基 础 实 验 和 科 学 研 究 实 验 之 间, 它 是 一 种 类 似 科 研 的 实 验 训 练 具 体 地 说, 它 是 学 生 在 教 师 的 指 引 下, 针 对 给 定 的 实 验 题 目 或 实 验 要 求, 查 阅 相 关 文 献 资 料, 建 立 物 理 模 型, 提 出 实 验 原 理, 选 择 最 佳 实 验 方 案, 确 定 测 量 条 件, 制 定 实 验 步 骤, 观 察 和 记 录 实 验 现 象 和 数 据, 思 考 并 研 究 实 验 过 程 中 出 现 的 种 种 问 题, 注 重 对 实 验 结 果 进 行 分 析 和 研 究, 提 出 注 意 事 项, 直 至 完 成 实 验 [2] 通 过 做 大 学 物 理 设 计 性 实 验, 学 生 最 大 限 度 地 发 挥 了 学 习 主 动 性, 学 生 分 析 归 纳 判 断 创 新 等 多 种 能 力 得 到 了 充 分 的 锻 炼 尽 管 大 学 物 理 设 计 性 实 验 一 般 要 花 费 较 多 的 时 间 和 精 力, 而 且 往 往 要 经 历 一 些 失 败, 但 对 于 培 养 学 生 独 立 从 事 科 学 研 究 工 作 的 能 力, 特 别 是 创 新 能 力 来 说 是 必 不 可 少 的 3 大 学 物 理 设 计 性 实 验 的 重 要 作 用 与 学 生 被 动 做 传 统 物 理 实 验 不 一 样, 大 学 物 理 设 计 性 实 验 靠 学 生 主 动 完 成, 学 生 的 观 察 能 力 文 献 查 阅 能 力 分 析 和 解 决 问 题 的 能 力 和 创 造 能 力 等 都 能 得 到 较 好 的 训 练 它 对 学 生 综 合 能 力 的 培 养 有 着 不 可 低 估 的 重 要 作 用 作 者 简 介 : 曾 乐 贵 (1978 年 出 生 ), 男, 湖 南 邵 阳 县 人, 讲 师, 硕 士, 研 究 方 向 为 大 学 物 理 实 验 教 学 197
3.1 大 学 物 理 设 计 性 实 验 能 锻 炼 和 提 高 学 生 查 阅 文 献 资 料 的 能 力 做 科 学 研 究, 必 须 具 备 较 好 的 查 阅 文 献 资 料 的 能 力 做 传 统 实 验 时, 学 生 基 本 上 不 需 要 查 阅 文 献 资 料, 只 需 按 照 书 本 上 的 步 骤 完 成 实 验 与 此 不 同, 大 学 物 理 设 计 性 实 验 需 要 学 生 自 己 设 计 完 成, 学 生 不 可 避 免 地 会 遇 到 各 种 问 题, 这 就 需 要 通 过 网 络 或 图 书 馆 查 阅 相 关 文 献 资 料, 解 决 遇 到 的 问 题 因 此, 学 生 查 阅 文 献 资 料 的 过 程 就 是 一 种 较 好 的 实 践 锻 炼, 通 过 锻 炼, 学 生 查 阅 文 献 资 料 的 能 力 会 得 到 了 较 大 的 提 高 3.2 大 学 物 理 设 计 性 实 验 能 充 分 调 动 学 生 学 习 主 动 性 完 成 大 学 物 理 设 计 性 实 验, 进 行 认 真 调 研, 查 阅 有 关 文 献 资 料, 设 计 实 验 方 案 并 论 证 其 可 行 性, 分 析 实 验 设 计 缺 陷, 解 决 实 验 技 术 难 题, 操 作 仪 器 设 备 进 行 测 量, 这 些 工 作 一 个 都 不 能 少 经 过 这 个 过 程, 能 激 发 学 生 做 实 验 的 兴 趣, 能 充 分 调 动 学 生 学 习 主 动 性, 学 生 不 再 是 简 单 被 动 地 重 现 书 本 上 的 实 验, 真 正 实 现 从 被 动 学 习 到 主 动 学 习 的 转 换 3.3 大 学 物 理 设 计 性 实 验 能 加 强 学 生 的 动 手 能 力 大 学 物 理 设 计 性 实 验 处 处 需 要 学 生 自 己 动 手, 如 准 备 实 验 仪 器 设 备 和 材 料, 协 调 安 排 实 验 时 间, 设 计 实 验 方 案, 独 立 操 作 仪 器 设 备 进 行 测 试 等 等 在 实 验 过 程 中 有 时 甚 至 需 要 反 复 做 实 验, 才 能 成 功 完 成 实 验 因 此, 从 动 手 准 备 和 安 排 实 验 到 熟 练 使 用 各 种 仪 器 设 备 完 成 测 试, 都 需 要 自 己 动 手, 从 而 能 大 大 提 高 每 个 学 生 的 动 手 能 力 3.4 大 学 物 理 设 计 性 实 验 能 提 升 学 生 分 析 和 解 决 问 题 的 能 力 学 生 在 完 成 大 学 物 理 设 计 性 实 验 的 过 程 中 经 常 会 遇 到 各 种 各 样 的 问 题, 例 如 测 量 长 度 可 用 米 尺 游 标 卡 尺 螺 旋 测 微 器 等, 学 生 需 要 根 据 实 验 要 求 和 测 量 精 度, 选 择 合 适 的 刚 好 符 合 要 求 的 实 验 仪 器 此 外, 学 生 需 要 自 己 观 察 记 录 结 果 和 分 析 处 理 结 果 来 完 成 大 学 物 理 设 计 性 实 验, 特 别 地, 在 实 验 结 果 不 理 想 时 需 要 自 己 分 析 原 因 并 修 改 实 验 方 案, 重 新 做 实 验 才 能 完 成 实 验 经 过 这 样 一 个 过 程, 能 提 升 学 生 分 析 和 解 决 问 题 的 能 力 3.5 大 学 物 理 设 计 性 实 验 能 提 高 学 生 的 合 作 意 识 有 些 大 学 物 理 设 计 性 实 验 需 要 以 小 组 形 式 完 成, 此 时 需 要 小 组 成 员 共 同 努 力, 设 计 实 验 方 案 并 完 成 实 验 在 这 个 过 程 中, 只 有 团 队 成 员 团 结 协 作 相 互 支 持 和 密 切 配 合, 才 能 成 功 地 完 成 实 验, 因 此, 这 个 过 程 强 化 了 学 生 的 团 队 意 识, 提 高 了 学 生 的 合 作 意 识 3.6 大 学 物 理 设 计 性 实 验 能 提 升 学 生 的 创 新 能 力 在 撰 写 大 学 物 理 设 计 性 实 验 的 方 案 时, 实 验 的 某 些 环 节 通 常 需 要 体 现 出 巧 妙 的 物 理 思 想 和 实 验 技 巧, 尽 可 能 引 用 现 代 科 技 中 得 到 广 泛 应 用 的 测 试 技 术 和 仪 器, 甚 至 可 以 引 入 微 机 数 据 采 集 系 统 等 现 代 化 测 试 手 段, 以 及 物 理 学 与 其 它 学 科 相 互 交 叉 的 新 测 量 技 术 和 数 据 处 理 方 法 在 设 计 和 完 成 实 验 的 过 程 中, 学 生 的 创 新 意 识 得 到 了 较 好 的 触 动, 创 造 性 思 维 得 到 了 较 好 的 锻 炼, 创 造 性 成 果 得 到 了 较 好 的 体 现 因 此, 大 学 物 理 设 计 性 实 验 能 提 升 学 生 的 创 新 能 力 4 结 束 语 大 学 物 理 设 计 性 实 验 对 于 培 养 学 生 创 新 意 识 创 造 性 思 维, 以 及 独 立 思 考 能 力 分 析 和 解 决 问 题 的 能 力 合 作 能 力 和 创 新 能 力 有 着 重 要 的 作 用, 是 培 养 学 生 科 学 素 养 的 最 有 效 途 径 之 一 随 着 大 学 物 理 设 计 性 实 验 教 学 的 不 断 发 展, 它 会 越 来 越 科 学 合 理, 所 以, 它 在 人 才 培 养 中 会 发 挥 越 来 越 重 要 的 作 用 参 考 文 献 : [1] 刘 清 华 从 哲 学 的 角 度 看 实 验 在 物 理 学 发 展 中 的 作 用 [J] 廊 坊 师 范 学 院 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),2010(10):57-58 [2] 余 兰 山, 吴 成 霞, 黎 鑫 论 设 计 性 物 理 实 验 教 学 体 系 的 构 建 [J] 中 国 校 外 教 育 ( 下 旬 刊 ), 198
2007(9):65-66 Designing Experiments of University Physics Is Very Important Zeng le-gui (Department of Fundamental Courses, The Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China) Abstract: According to the characteristics of college physics designing experiments, highlighted the important role of the designing experiments of college physics. Key words: University Physics; designing experiments; role of the experiment 199
物 理 实 验 教 学 培 养 学 生 创 新 能 力 的 探 究 以 转 动 惯 量 实 验 为 例 张 锐 波 ( 浙 江 大 学 城 市 学 院 信 电 分 院, 浙 江 杭 州 310015) 摘 要 : 本 文 重 点 论 述 了 在 转 动 惯 量 实 验 教 学 环 节 中, 如 何 向 学 生 灌 输 实 验 设 计 思 想 原 理 逻 辑 推 理 操 作 技 巧 与 训 练 以 及 提 高 实 验 测 量 精 度 减 小 测 量 误 差, 依 此 培 养 学 生 创 新 思 维 创 新 意 识 创 新 精 神 和 创 造 发 明 能 力, 仅 此 抛 砖 引 玉 与 读 者 共 勉 关 键 词 : 转 动 惯 量 ; 培 养 ; 创 新 人 才 ; 物 理 实 验 思 想 ; 精 度 ; 能 力 转 动 惯 量 实 验 是 一 个 非 常 普 通 的 基 础 性 实 验, 但 是, 只 要 仔 细 琢 磨 研 究 及 纵 向 延 伸 与 横 向 拓 宽, 不 断 地 挖 掘 剖 析 其 内 涵, 教 学 的 着 眼 点 从 不 同 层 面 切 入, 有 利 于 激 发 学 生 兴 趣, 学 生 的 创 新 能 力 就 会 自 然 而 然 地 提 高 1 培 养 学 生 物 理 实 验 思 想 转 动 惯 量 这 个 实 验, 首 先 应 该 向 学 生 讲 解 实 验 系 统 设 计 思 想, 从 勾 画 转 动 系 统 受 力 分 析 图 切 入, 如 图 (1) 所 示 在 此 基 础 上, 理 解 该 实 验 系 统 动 力 矩 和 阻 力 矩 的 产 生 机 理, 以 及 平 动 与 转 动 部 分 的 相 互 联 系, 导 出 转 动 惯 量 测 量 表 达 式 依 据 牛 顿 第 二 定 律 与 转 动 定 律, 采 用 隔 离 法 列 方 程 组 mg T 1 ma (1) rt2 M J (2) M J (3) T1 T 2 (4) 采 用 该 种 教 学 方 法 非 常 凑 效, 验 证 了 物 理 实 验 不 只 是 仅 仅 通 过 动 手, 机 械 地 操 作 攫 取 数 据, 还 需 要 加 深 对 基 本 概 念 理 解 和 掌 握, 诸 如 列 方 程 时 必 须 根 据 相 关 物 理 量 的 矢 量 方 向, 来 确 定 正 负 号 这 样 做, 有 利 于 促 使 学 生 自 主 分 析 判 断 和 解 决 实 际 问 题 的 能 力 图 1 为 转 动 惯 量 实 验 受 力 分 析 图 2 提 升 学 生 实 验 测 量 精 度 测 量 园 环 园 盘 转 动 惯 量 的 测 量 和 验 证 平 行 轴 定 理 为 转 动 惯 量 实 验 的 主 要 内 容, 多 数 同 学 所 测 数 据 与 理 论 值 比 较 其 百 分 误 差 均 低 于 10%, 少 数 同 学 误 差 较 大, 大 于 10%, 甚 至 极 个 别 同 学 超 过 20%, 究 其 原 因 可 归 纳 为 如 下 资 助 课 题 : 浙 江 大 学 城 市 学 院 重 点 实 验 室 资 助 作 者 简 介 : 张 锐 波 (1959-), 男, 山 西 芮 城, 副 教 授, 研 究 方 向 : 大 学 物 理 实 验 技 术 创 新 设 计 与 教 学 方 法 研 究 200
2.1 转 动 轴 倾 斜 引 起 的 误 差 实 验 转 动 仪 底 座 为 三 支 点 装 置, 由 于 没 有 调 平 标 志 ( 玻 璃 水 泡 ), 学 生 无 法 判 断 底 座 是 否 水 平, 即 转 轴 是 否 铅 直, 如 此 会 产 生 与 轮 轴 垂 直 的 水 平 分 力, 挤 压 转 动 抽, 使 之 磨 檫 力 增 大, 造 成 转 动 不 均 匀, 从 而 会 产 生 相 应 测 量 误 差 为 了 避 免 由 此 而 产 生 的 测 量 误 差, 对 学 生 产 生 误 差 较 大 仪 器 借 用 水 平 尺 对 底 座 进 行 调 平, 起 到 非 常 好 的 效 果, 测 量 精 度 有 了 明 显 提 高 2.2 系 统 误 差 分 析 众 所 周 知, 物 理 实 验 教 课 书 中, 系 统 误 差 有 四 种 类 型, 本 实 验 产 生 系 统 误 差 有 两 种 情 况, 现 就 其 逐 一 剖 析 1) 理 论 方 法 误 差 根 据 (1) 至 (4) 式, 推 得 转 动 惯 量 计 算 公 式 J m( g a) r, 将 转 轮 半 径 r 与 角 加 速 度 β 代 入 平 动 与 转 动 联 系 式 得 a r g, 于 是 采 用 公 式 J mgr 物 体 转 动 惯 量, 此 处 忽 略 了 a, 这 样 的 一 个 误 差 应 该 属 于 理 论 方 法 误 差 2) 仪 器 误 差 若 转 动 惯 量 测 量 装 置 转 动 轴 与 几 何 主 轴 不 重 合, 围 绕 旋 转 主 轴 的 转 动 惯 量 就 会 大 于 围 绕 其 几 何 主 轴 转 动 惯 量, 教 学 过 程 中, 老 师 一 定 要 让 学 生 明 白 该 差 值 的 存 在, 理 论 上 讲 该 误 差 可 采 用 平 行 轴 定 理 纠 正, 这 样 一 个 分 析 过 程 非 常 有 利 于 塑 造 学 生 创 造 思 维 2.3 传 动 滑 轮 带 来 的 误 差 分 析 教 师 向 学 生 灌 输 物 理 实 验 误 差 的 产 生 原 因 与 消 除 误 差 的 方 法, 最 大 限 度 提 高 实 验 精 度 1) 通 过 传 动 轮 A 为 系 统 施 加 外 力, 若 调 整 不 好 就 会 产 生 误 差 实 验 时 传 动 轮 (A) 槽 底 应 与 绕 线 轮 B 水 平, 而 且 应 该 顺 着 槽 的 方 向, 否 则, 将 会 产 生 向 上 或 向 下 分 力, 以 及 较 大 摩 擦 力, 使 之, 施 加 在 系 统 上 的 力 矩 小 于 外 力 矩 尽 管 这 样 一 个 结 果 对 实 验 结 果 产 生 误 差 影 响 不 大 而 被 忽 略 不 计, 但 是, 应 该 向 学 生 们 讲 清 楚, 有 利 于 启 迪 学 生 考 虑 问 题 的 全 面 性 2) 传 动 轮 (A) 本 身 的 转 动, 除 轮 轴 处 产 生 摩 擦 外, 传 动 轮 的 质 量 和 半 径 也 会 对 实 验 结 果 带 来 误 差, 如 图 (1) 隔 离 出 传 动 轮 (A), 依 转 动 定 律 列 方 程 ( T M J (5) 1 T2 ) r0 0 0 M J 0 0 (6) 设 传 动 轮 (A) 质 量 m 0 集 中 于 半 径 r 0 圆 环 上, 由 (5) ( 6) 式 得 2 J 0 m0r0 T 1 T 2 ( 0 0 ) ( 0 0 ) m0r0 ( 0 0 ) (7) r r 0 0 0 和 0 为 转 动 系 统 有 外 力 时 角 加 速 度 与 没 有 外 力 的 角 减 加 速 度,(7) 式 中 m 0 0 r 0 0 0 0 0, 因 而 T 1 T 2 ; 若 要 使 T 1 T 2, 就 必 须 要 求 m 0 和 r 0 非 常 小, 计 算 被 测 转 动 惯 量 所 带 来 的 误 差 才 能 被 忽 略 当 然, 产 生 系 统 误 差 的 原 因 还 有 挡 光 与 信 息 传 输 所 产 生 的 误 差, 在 此 就 不 一 一 刨 析 了, 可 以 留 给 学 生 自 己 去 思 考, 效 果 更 佳 具 体 可 采 用 启 发 式 或 提 问 式 来 开 展 教 学, 该 教 学 环 节 尤 为 重 要 201
3 培 养 学 生 发 现 分 析 解 决 问 题 的 能 力 3.1 培 养 学 生 分 析 判 断 能 力 从 学 生 实 验 所 得 转 动 惯 量 与 理 论 值 不 符, 一 位 同 学 测 量 结 果 的 百 分 误 差 竟 然 高 达 56.79%, 竟 然 这 样 一 个 结 果 交 给 了 老 师 在 老 师 的 指 导 下, 这 位 学 生 经 过 认 真 分 析 检 查, 才 发 现 角 减 加 速 度 是 按 正 值 带 入 公 式 计 算, 从 而 得 出 大 相 径 庭 的 结 果 ( 粗 大 误 差 ) 3.2 培 养 学 生 类 比 分 析 问 题 能 力 转 动 观 测 测 量 实 验 绘 制 转 动 系 统 受 力 分 析 图 非 常 重 要, 实 验 原 理 似 于 验 证 牛 顿 第 二 定 律 实 验 思 路, 只 要 将 平 动 滑 块 换 成 转 动 系 统 即 可 平 动 是 指 系 统 的 合 外 力, 转 动 是 指 系 统 的 合 外 力 距 ; 平 动 是 平 动 系 统 加 速 度, 转 动 是 指 系 统 的 角 加 速 度 ; 平 动 是 指 物 质 质 量, 转 动 是 指 转 动 系 统 的 转 动 惯 量 同 时, 所 列 数 学 表 达 式 也 存 在 着 对 应 关 系 ; 等 等 诸 如 此 类 问 题, 在 教 学 的 过 程 中, 老 师 一 定 要 善 于 纵 向 联 系 与 横 向 比 较, 来 帮 助 学 生 融 会 贯 通 因 为 在 实 际 科 研 中, 研 究 人 员 的 灵 感 和 顿 悟 多 数 都 来 源 于 类 比 4 培 养 学 生 创 新 与 创 造 力 4.1 培 养 学 生 创 造 性 思 维 转 动 惯 量 实 验 对 相 关 参 数 的 测 量 是 采 用 带 有 光 电 门 的 毫 秒 计 系 统, 该 环 节 老 师 不 仅 要 向 学 生 讲 解 操 作 过 程 和 测 量 方 法, 还 应 该 向 学 生 讲 解 毫 秒 计 的 工 作 原 理 比 如, 攫 取 数 据 是 通 过 挡 光 来 实 现 的, 转 动 系 统 转 过 π 挡 光 一 次 在 有 外 力 时, 每 转 过 2π 和 8π 分 别 记 录 时 间 t1 和 t 2, 该 数 据 分 别 是 3 减 1 与 9 减 1, 为 什 么 不 是 2 减 0 和 8 减 0; 而 在 没 有 外 力 时, 攫 取 对 应 2π 和 8π 的 时 间 t 1 t 2, 分 别 为 23 减 21 与 29 减 21 这 样 一 些 问 题, 一 定 要 启 发 学 生 去 思 考, 以 此 来 启 迪 学 生 智 慧 和 激 发 学 生 创 造 力 而 角 加 速 度 和 角 减 加 速 度 数 据 攫 取 则 是 依 据 角 加 速 度 公 式 1 t 0 t 2 (8) 在 分 别 取 2 和 8 时, 时 间 分 别 取 有 外 力 的 t 1 和 t 2, 与 没 有 外 力 的 t 1 和 t 2, 分 别 列 方 程, 就 可 分 别 解 出 有 外 力 和 没 有 外 力 挡 光 杆 挡 光 2 和 8 对 应 的 角 加 速 度 和 角 减 加 速 2 度 再 比 如 毫 秒 计 为 什 么 要 设 置 成 0129, 以 及 为 什 么 挡 光 9~21 次 间 作 用 在 系 统 上 的 外 力 必 须 消 失 ; 等 等 看 似 简 单 的 问 题, 若 留 给 学 生 思 考, 一 定 会 获 得 一 个 并 不 简 单 的 效 果 如 此 组 织 教 学, 非 常 有 利 于 开 阔 学 生 视 野, 进 而 启 发 学 生 智 慧 与 创 造 思 维 的 形 成 4.2 针 对 具 体 问 题 培 养 学 生 创 造 力 依 据 厂 家 设 计 思 想, 这 个 实 验 只 能 测 圆 盘 圆 环 转 动 惯 量 与 验 证 平 行 轴 定 理, 如 何 拓 展 该 实 验 内 容, 提 升 学 生 创 造 能 力 一 次 实 验 教 学 中, 我 把 : 如 何 测 量 任 意 形 状 物 体 的 转 动 惯 量? 的 题 目 作 为 课 外 作 业 留 给 学 生 一 个 学 生 提 出 了 确 定 质 心 主 轴 和 固 接 物 体 方 案, 实 践 证 明 效 果 非 常 之 好 这 样 做 非 常 有 利 于 培 养 学 生 分 析 解 决 实 际 问 题 的 能 力 202
5 结 论 看 似 一 个 很 简 单 实 验, 却 蕴 含 着 激 发 学 生 的 创 新 思 维 和 创 造 力 的 诸 多 知 识 点, 这 就 要 求 我 们 老 师 要 不 断 地 挖 掘 与 汇 聚 培 养 学 生 创 新 思 维 的 教 学 方 案 和 教 学 理 念 物 理 实 验 教 师 要 时 时 刻 刻 用 创 新 的 教 学 方 法, 不 断 启 迪 学 生 的 聪 明 才 智, 激 发 学 生 的 创 新 意 识 与 创 新 思 维, 千 方 百 计 地 为 学 生 提 供 创 新 机 会 和 环 节, 挖 掘 学 生 创 造 潜 力 创 新 需 要 从 一 点 一 滴 作 起, 看 似 一 个 简 单 的 问 题 也 会 激 发 学 生 的 创 造 火 花 其 实, 一 位 功 名 卓 著 的 科 学 家, 同 样 需 要 一 点 一 滴 的 积 累, 才 能 最 终 实 现 创 造 发 明 与 巨 大 成 就 所 以 说, 大 学 物 理 实 验 教 学 环 节 非 常 重 要, 每 一 个 实 验 都 会 有 培 养 学 生 能 力 的 诸 多 闪 光 点, 老 师 在 讲 解 必 须 的 实 验 内 容 外, 还 应 该 讲 述 一 些 提 升 与 拓 展 内 容, 提 供 给 学 生 的 应 该 是 研 究 和 探 讨 Physics experiment teaching to cultivate students' innovation ability Taking the rotational inertia experiment as an example ZHANG Rui-bo (College of city, Zhejiang University, Hangzhou 310015, China) Abstract: This paper focuses on the moment of inertia in the experimental teaching, how to impart the thought, the design principle of logical reasoning, skills training and improve the measurement accuracy, decrease the measurement error, so as to culture the students' of innovative thinking, innovative consciousness, innovative spirit and creative ability, this will only encourage with the reader. Key words: rotational inertia experiment; culture, innovative talents; thought of physical experiment; precision, capability 203
运 用 专 题 教 学 法 组 织 大 学 物 理 实 验 课 堂 教 学 倪 晨, 方 恺, 汤 纯, 何 雨 华, 陆 萍 ( 同 济 大 学 物 理 科 学 与 工 程 学 院, 上 海 200092) 摘 要 : 针 对 卓 越 计 划 和 拔 尖 人 才 的 培 养 目 标, 本 文 从 大 学 物 理 实 验 教 学 的 基 本 要 求 出 发, 结 合 专 题 教 学 的 特 点 与 目 标 教 学 过 程 与 方 法 等 方 面, 提 出 将 专 题 教 学 方 法 运 用 于 课 堂 教 学 组 织 和 内 容 设 计 关 键 词 : 物 理 实 验 ; 专 题 教 学 法 ; 人 才 培 养 大 学 物 理 实 验 课 程 是 面 向 全 校 理 工 类 专 业 学 生 开 设 的 公 共 必 修 课 程, 如 何 把 握 好 物 理 实 验 教 学 内 容 以 及 教 学 方 法 和 手 段, 以 提 高 学 生 的 动 手 操 作 能 力 以 及 实 验 方 法 与 技 能, 一 直 以 来 都 是 该 课 程 教 学 改 革 的 核 心 和 重 点 教 育 部 在 关 于 卓 越 计 划 和 拔 尖 人 才 培 养 指 导 意 见 中 指 出, 应 大 力 改 革 课 程 体 系 和 教 学 形 式 以 强 化 工 程 实 践 能 力 工 程 设 计 能 力 与 工 程 创 新 能 力 为 核 心, 重 构 课 程 体 系 和 教 学 内 容 [1] 伴 随 着 网 络 技 术 的 快 速 发 展, 如 翻 转 课 堂 (Flipped Classroom) 慕 课 (MOOCs) 微 课 程 (Microlecture) 主 动 学 习 (Active Learning) 等 一 些 形 式 新 颖 的 教 学 模 式 和 方 法 正 逐 渐 改 变 着 我 们 的 课 堂 教 学 形 式 在 此 背 景 下, 需 要 有 效 的 教 学 方 法 和 手 段, 对 课 堂 教 学 进 行 重 新 组 织 和 安 排, 符 合 创 新 人 才 和 拔 尖 人 才 的 培 养 需 要, 是 大 学 物 理 实 验 课 程 在 转 型 升 级 中 面 临 的 首 要 问 题 笔 者 在 我 校 生 命 与 海 洋 联 合 培 养 基 地 试 验 班 的 实 验 教 学 中 发 现, 专 题 教 学 法 不 失 为 是 一 种 有 效 的 手 段, 可 以 将 实 验 教 学 中 的 原 本 略 显 松 散 的 结 构 通 过 专 题 的 形 式 组 合 起 来, 形 成 相 对 完 整 的 知 识 结 构 单 元 可 较 好 地 解 决 因 实 验 内 容 不 连 贯 而 导 致 学 生 难 以 理 解 实 验 的 理 论 和 方 法 等 问 题 1 专 题 教 学 法 [2] 专 题 教 学 法 指 将 过 去 以 知 识 体 系 相 关 为 依 据 的 教 学 模 式 转 变 为 以 内 容 对 象 相 关 为 依 据 的 教 学 方 式 专 题 式 教 学 法 从 上 世 界 80 年 代 开 始 已 有 研 究, 在 欧 美 比 较 流 行, 并 在 如 文 史 生 物 医 学 等 各 种 学 科 中 得 到 广 泛 的 应 用 [3-5] 专 题 教 学 法 根 据 教 学 大 纲 的 基 本 要 求, 按 照 课 程 内 容 的 内 在 思 想 和 逻 辑 关 系 对 教 学 内 容 进 行 整 合 提 炼 概 括 和 充 实, 形 成 既 有 先 后 连 接 又 相 对 独 立 的 系 列 专 题, 并 围 绕 着 专 题 确 定 的 教 学 方 案, 相 对 集 中 深 入 的 进 行 教 学 由 此 可 见, 专 题 教 学 法 具 有 较 为 自 由 的 思 维 和 设 计 方 式, 课 堂 教 学 围 绕 该 专 题 展 开, 具 有 较 强 的 针 对 性 和 实 践 性, 适 合 在 实 验 的 课 堂 教 学 内 容 进 行 组 织 和 安 排 大 学 物 理 实 验 课 程 的 一 般 过 程 是 : 先 由 教 师 讲 解 实 验 理 论 知 识 或 学 生 自 学 完 成 实 验 的 预 习 工 作, 明 确 实 验 原 理 和 内 容, 制 定 操 作 步 骤 进 入 实 验 室 通 过 实 验 操 作 完 成 测 量 并 正 确 记 录 实 验 数 据 然 后 进 行 分 析 和 讨 论, 完 成 实 验 报 告 其 中, 教 师 讲 解 实 验 理 论 知 识 和 学 生 操 作 过 程 属 课 堂 教 学 由 于 每 个 实 验 项 目 相 对 独 立, 且 实 验 的 原 理 中 包 含 相 关 的 物 理 理 论 测 量 和 数 据 处 理 的 方 法, 还 有 仪 器 的 设 计 原 理 和 使 用 方 法 等, 知 识 点 多 且 综 合 因 此 学 生 仅 通 过 完 成 几 个 有 限 的 实 验 项 目 很 难 掌 握 实 验 的 设 计 思 想 和 分 析 方 法, 缺 乏 解 决 问 题 的 能 力 这 就 使 得 教 学 效 果 大 打 折 扣, 阻 碍 了 创 新 能 力 的 培 养 和 学 生 个 性 的 发 展 专 题 教 学 法 的 目 标 则 更 注 重 培 养 学 生 发 现 解 决 实 际 问 题 的 能 力 及 创 新 思 维 与 创 新 精 神 的 培 养 课 堂 中 围 绕 专 题 进 行 讨 论, 引 导 学 生 在 实 验 中 发 现 问 题, 尝 试 使 用 新 的 实 验 方 法 解 决 问 题, 验 证 实 验 结 果 的 正 确 性 教 学 内 容 紧 扣 主 题, 教 学 全 过 程 贯 穿 科 学 创 造 式 的 学 习 和 锻 炼, 激 发 学 习 的 积 极 性 204
2 教 学 过 程 与 方 法 专 题 教 学 法 不 是 简 单 地 将 原 有 的 教 学 内 容 组 织 和 划 分 需 要 根 据 大 学 物 理 课 程 教 学 的 培 养 目 标, 以 专 题 作 为 主 线 和 载 体, 贯 穿 于 课 程 之 中 往 往 需 要 对 实 验 项 目 作 重 新 设 计 教 学 形 式 上 可 分 为 理 论 知 识 型 和 实 验 综 合 型 两 类 理 论 知 识 型 专 题 适 合 实 验 理 论 课 堂 的 讲 解 设 计 专 题 时, 先 应 开 展 实 验 项 目 知 识 点 的 梳 理 和 改 进, 以 2~4 个 实 验 项 目 作 为 1 个 单 元, 每 个 重 点 强 调 1~2 个 知 识 点, 知 识 点 内 容 包 括 是 实 验 方 法 数 据 处 理 方 法 等 方 面 如 杨 氏 弹 性 模 量 的 测 定 实 验, 基 础 知 识 点 包 括 : 胡 克 定 律 杨 氏 弹 性 模 量 光 杠 杆 镜 尺 放 大 法 望 远 镜 调 整 方 法 与 原 理 逐 差 法 科 学 绘 图 要 求 与 训 练 长 度 测 量 工 具 训 练 又 如 气 体 比 热 容 比 C P /C V 的 测 定 实 验, 包 括 : 简 谐 振 动 与 绝 热 方 程 周 期 及 气 压 的 测 定 方 法 质 量 称 衡 累 积 放 大 法 长 度 测 量 工 具 训 练 等, 找 到 其 实 验 理 论 或 方 法 的 共 同 点, 建 立 专 题, 这 样 学 生 就 会 从 实 验 中 加 深 对 相 关 知 识 的 理 解, 并 运 用 到 后 续 的 实 验 中 去 例 如, 我 们 设 置 了 放 大 法 实 验 专 题, 请 同 学 们 通 过 网 络 查 找 资 料, 观 看 中 国 大 学 视 频 公 开 课 (i -Course) 网 站 上 的 实 验 课 程, 找 出 所 有 使 用 放 大 法 的 实 验 项 目, 在 课 堂 上 组 织 讨 论 交 流 然 后 再 完 成 上 述 例 子 中 的 两 个 实 验 项 目, 学 生 就 能 理 解 相 关 的 实 验 思 想 和 方 法, 并 能 针 对 不 同 的 测 量 对 象 设 计 出 相 对 应 的 实 验 又 如 在 不 确 定 度 实 验 专 题 中, 我 们 提 出 如 何 判 别 实 验 结 果 是 否 正 确? 这 一 问 题, 提 供 三 个 答 案 供 学 生 进 行 辨 析 :1 与 理 论 值 相 符 ;2 多 次 测 量 结 果 一 致 ;3 不 确 定 度 较 小 学 生 通 过 不 同 的 实 验 例 子 进 行 辩 论 后, 不 仅 对 不 确 定 度 的 科 学 意 义 有 了 深 刻 的 理 解, 也 掌 握 了 实 验 结 果 正 确 与 否 的 评 判 方 法 并 在 实 验 后 开 始 注 重 进 行 数 据 分 析 与 实 验 讨 论 实 验 综 合 型 专 题 是 为 培 养 理 工 科 类 学 生 的 工 程 意 识 工 程 技 能 工 程 设 计 所 设 计 的 系 列 实 验 内 容, 通 过 这 一 较 为 系 统 的 专 题 实 验 学 习, 既 能 让 学 生 对 实 验 原 理 实 验 方 法 与 手 段 掌 握 透 彻, 还 能 培 养 学 生 独 立 思 考 解 决 实 际 问 题 的 能 力, 进 一 步 激 发 学 生 对 实 验 的 浓 厚 兴 趣, 真 正 通 过 实 验 去 研 究 并 理 解 物 理 规 律 每 个 实 验 项 目 都 需 要 明 确 其 培 养 目 的 以 及 知 识 内 容 结 构, 并 确 保 各 项 目 之 间 的 关 联 程 度 以 及 实 验 难 度 梯 度 在 资 源 充 足 的 前 提 下, 还 可 以 考 虑 增 加 设 计 性 与 开 放 性 实 验 内 容, 锻 炼 和 检 验 学 生 综 合 运 用 所 学 知 识 的 能 力 例 如 我 们 设 计 了 硅 光 电 池 特 性 的 研 究 实 验 项 目 作 为 一 个 专 题 性 实 验 项 目, 项 目 围 绕 硅 光 电 池 这 一 新 能 源 材 料, 设 计 了 一 系 列 的 实 验 项 目 内 容 :1 硅 光 电 池 照 度 特 性 实 验 : 学 习 半 导 体 PN 结 特 性 ; 掌 握 光 伏 效 应 基 本 原 理 ; 掌 握 模 拟 电 表 与 数 字 电 表 的 使 用 ; 了 解 光 照 度 与 光 电 流 变 化 关 系 2 光 的 偏 振 特 性 实 验 : 了 解 偏 振 光 的 性 质 和 规 律 ; 验 证 马 吕 斯 定 律 ; 掌 握 硅 光 电 池 作 为 光 探 测 器 的 使 用 方 法 3 硅 光 电 池 输 出 特 性 实 验 : 了 解 硅 光 电 池 的 输 出 特 性 ; 掌 握 最 大 功 率 最 佳 负 载 电 阻 及 填 充 因 子 FF 的 测 量 方 法 4 硅 光 电 池 光 谱 响 应 特 性 实 验 : 了 解 光 探 测 器 的 光 谱 响 应 测 量 原 理 ; 掌 握 利 用 光 谱 仪 测 量 光 谱 响 应 的 实 验 方 法 ; 测 量 硅 光 电 池 的 相 对 灵 敏 度 5 调 光 电 路 设 计 实 验 : 了 解 PN 结 偏 置 特 性 ; 研 究 硅 光 电 池 反 向 偏 置 状 态 的 伏 安 特 性 ; 设 计 发 光 LED 的 光 强 随 光 照 变 化 而 同 步 改 变 的 调 光 电 路 6 运 用 Labview 进 行 硅 光 电 池 特 性 的 研 究 : 了 解 虚 拟 仪 器 的 编 程 和 设 计 原 理 ; 掌 握 计 算 机 实 时 测 量 的 实 验 方 法 通 过 学 生 完 成 后 的 问 卷 调 查 反 馈 信 息 来 看, 学 生 普 遍 反 映 对 硅 光 电 池 有 了 较 为 全 面 的 了 解, 学 会 了 相 关 特 性 的 测 试 方 法, 尤 其 是 了 解 了 硅 光 电 池 基 本 特 性 后 进 行 的 调 光 电 路 设 计, 学 生 感 觉 既 有 趣, 又 觉 得 学 有 所 用, 很 有 收 获 可 以 看 出, 经 过 专 题 实 验 的 教 学 设 计, 可 以 让 学 生 更 为 全 面 地 了 解 某 一 物 理 原 理 或 材 料 特 性, 通 过 开 展 不 同 类 型 的 实 验, 掌 握 不 同 的 实 验 方 法 和 技 能, 并 最 终 具 有 综 合 应 用 创 新 设 计 的 能 力 起 到 了 较 好 的 实 验 教 学 效 果 3 结 束 语 实 践 证 明, 专 题 教 学 法 可 以 行 之 有 效 地 将 物 理 实 验 中 的 教 学 内 容 有 机 地 组 合 在 一 起, 突 205
出 教 学 目 标 和 重 点 课 堂 教 学 中, 教 师 可 灵 活 运 用 各 类 教 学 方 法 和 手 段 对 专 题 进 行 探 究, 充 分 调 动 学 生 对 实 验 学 习 的 兴 趣, 是 提 升 学 生 创 新 能 力 的 途 径 之 一 我 们 虽 然 在 实 验 教 学 工 作 中 对 此 进 行 了 一 些 有 益 的 探 索, 同 时 也 发 现 这 种 教 学 模 式 在 实 施 时 还 有 一 些 具 体 困 难, 如 设 备 不 足 课 时 不 足 师 资 不 足 等 诸 多 因 素 因 此, 在 课 时 分 配 人 员 分 配 设 备 分 配 等 方 面 需 要 制 定 更 为 详 细 及 周 全 的 计 划 与 安 排, 及 时 总 结 教 学 经 验, 以 期 能 确 保 其 教 学 常 态 化, 真 正 实 现 个 性 化 分 层 次 教 学 参 考 文 献 : [1] 教 育 部 教 育 部 关 于 实 施 卓 越 工 程 师 教 育 培 养 计 划 的 若 干 意 见 教 高 [2011]1 号 [EB/OL] http://www.moe.edu.cn,2011-1-8 [2] 郝 宗 珍 专 题 教 学 法 : 一 种 有 效 的 教 学 方 法 [J] 广 东 经 济 管 理 学 院 学 报,1999(4) [3] Kevin J. McDermott, Andrew Nafalski, Ozdemir Gol. Project based Teaching in Engineering Programs [J]. 37th Annual Frontiers in Education Conference, 2007(3). [4] 王 慧 专 题 式 教 学 在 课 程 教 学 中 的 应 用 探 讨 [J] 高 等 理 科 教 育,2007(6) [5] 郝 中 骐, 刘 莉 开 放 式 专 题 教 学 法 在 高 校 理 工 教 学 中 的 应 用 [J] 宜 春 学 院 学 报,2009(6): 187-188 Application of Thematic Teaching Methods in College Physics Experiment Course Ni chen, Fang Kai, Tang chun, He Yu-Hua, Lu Ping (School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China) Abstract: Aiming at the outstanding talents training, According to the basic requirements of the college physics experiment course teaching, Combined with the characteristics and objectives of thematic teaching methods, to organize and design classroom teaching. Key Words: physics experiment course; thematic teaching methods; talent training 206
特 色 物 理 实 验 类 选 修 课 程 对 培 养 卓 越 工 程 技 术 人 才 的 初 步 实 践 以 中 国 石 油 大 学 ( 北 京 ) 物 理 技 术 与 实 践 课 程 教 学 实 践 为 个 案 杨 振 清, 吴 冲, 张 国 林, 林 春 丹, 张 万 松 ( 中 国 石 油 大 学 ( 北 京 ) 理 学 院, 北 京 102249) 摘 要 : 新 时 期 国 家 重 大 能 源 战 略 对 卓 越 工 程 技 术 人 才 有 了 更 高 的 要 求, 对 高 校 人 才 培 养 观 念 方 法 和 模 式 提 出 了 新 的 挑 战 如 何 培 养 优 秀 的 石 油 石 化 类 工 程 技 术 人 才 是 摆 在 石 油 行 业 特 色 高 等 院 校 面 前 的 首 要 问 题 之 一 本 文 结 合 我 校 物 理 技 术 与 实 践 课 程 教 学 的 实 践 情 况, 探 讨 了 该 课 程 在 培 养 具 有 石 油 石 化 特 色 的 优 秀 工 程 技 术 人 才 中 的 模 式 和 重 要 作 用 关 键 词 : 物 理 技 术 与 实 践 ; 石 油 石 化 领 域 ; 工 程 技 术 人 才 ; 中 国 石 油 大 学 ( 北 京 ) 地 处 中 国 首 都, 是 一 所 石 油 特 色 鲜 明, 以 工 为 主, 理 工 管 文 多 学 科 协 调 发 展 的 全 国 重 点 大 学, 是 我 国 石 油 石 化 工 业 高 层 次 人 才 培 养 的 主 要 基 地, 是 211 工 程 重 点 建 设 和 国 家 985 工 程 优 势 学 科 创 新 平 台 建 设 的 高 校 之 一 [1] 21 世 纪 以 来, 随 着 世 界 政 治 经 济 文 化 发 展 的 国 际 化 和 全 球 化, 以 及 我 国 改 革 开 放 的 不 断 深 入, 石 油 类 能 源 消 耗 不 断 增 加, 石 油 战 略 的 国 际 化 已 是 大 势 所 趋 我 校 专 业 人 才 的 培 养 始 终 服 务 于 国 家 重 大 能 源 战 略 需 求 在 新 形 势 下 如 何 培 养 优 秀 的 工 程 技 术 人 才 是 摆 在 石 油 行 业 特 色 高 等 院 校 面 前 的 首 要 问 题 之 一 工 科 大 学 物 理 涉 及 力 热 电 磁 光 近 现 代 物 理 等 知 识, 所 讲 授 的 基 本 概 念 基 本 理 论 基 本 方 法 是 构 成 学 生 科 学 素 养 的 重 要 组 成 部 分 [2] 工 科 物 理 实 验 的 构 思 方 法 和 技 术 极 广 泛 地 渗 透 到 了 各 个 自 然 科 学 学 科 和 工 程 技 术 领 域 它 们 与 非 物 理 学 科 自 身 的 实 验 技 术 互 相 结 合, 互 相 推 动, 促 进 了 各 学 科 的 完 善 与 进 步 在 石 油 和 地 质 工 程 领 域 中 许 多 技 术 手 段, 如 地 震 探 矿 声 波 测 井 光 谱 法 分 析 物 质 的 化 学 成 分 晶 体 管 的 设 计 制 造 乃 至 电 路 性 能 的 测 试 岩 石 孔 隙 度 和 渗 透 率 的 研 究 原 油 或 油 品 流 动 性 质 的 研 究 等 等, 实 际 上 都 是 物 理 实 验 在 专 业 领 域 中 的 实 际 应 用 [3] 正 是 把 物 理 学 及 其 实 验 方 法 运 用 于 专 业, 才 使 其 得 到 了 迅 速 的 发 展 为 了 探 索 人 才 培 养 模 式 的 多 样 化, 为 国 家 培 养 基 础 理 论 扎 实 创 新 能 力 强 的 拔 尖 石 油 石 化 工 程 人 才, 为 了 更 好 地 发 挥 基 础 物 理 在 石 油 石 化 人 才 培 养 中 的 作 用, 深 化 物 理 课 程 体 系 改 革,2008 年 依 托 我 校 的 北 京 市 科 普 基 地 和 翱 翔 计 划 基 地 实 验 开 设 了 全 校 公 共 选 修 课 程 物 理 技 术 与 实 践 笔 者 及 课 题 组 成 员 对 本 课 程 从 以 下 几 个 方 面 进 行 了 的 初 步 探 索 和 实 践 1 积 极 开 展 创 新 教 育 体 系 的 探 索 全 校 21 理 工 专 业 中, 其 中 有 15 个 专 业 的 本 科 生 必 修 大 学 物 理 和 大 学 物 理 实 验 课 程 理 工 专 业 所 开 设 的 专 业 基 础 课 程 中 与 石 油 石 化 特 色 专 业 相 关 的 物 理 课 程 门 数 及 学 分 所 占 比 例 分 别 为 66.94% 和 45% [4] 特 色 专 业 的 专 业 基 础 课 与 物 理 课 程 可 谓 是 密 切 相 关, 但 是 如 何 利 用 物 理 原 理 和 知 识 与 工 程 技 术 专 业 相 结 合, 如 何 发 挥 物 理 课 程 在 培 养 优 秀 工 程 技 术 人 才 中 重 要 作 用 等 问 题 是 当 前 基 础 物 理 课 程 教 学 和 石 油 特 色 教 育 共 同 关 心 的 话 题 1.1 转 变 教 学 观 念, 设 置 全 新 课 程 体 系 针 对 物 理 理 论 课 重 理 论 知 识 的 课 堂 教 学, 物 理 实 验 偏 重 实 验 室 操 作 的 特 点, 开 设 全 校 公 共 选 修 课 物 理 技 术 与 实 践 该 课 程 既 要 避 免 大 学 物 理 理 论 内 容 和 物 理 实 验 内 容 的 重 复, 207
又 要 兼 顾 和 石 油 石 化 工 程 技 术 领 域 相 结 合 根 据 这 个 原 则, 我 们 设 置 新 的 课 程 体 系, 具 体 包 括 编 写 教 学 大 纲, 精 选 课 程 内 容 ( 重 点 选 择 与 特 色 专 业 相 结 合 的 专 题 ), 编 写 授 课 讲 义 和 制 作 视 频 课 件 等 突 出 从 源 头 上 积 极 培 养 本 科 生 创 新 意 识 和 创 新 能 力 的 新 思 路 新 方 法 和 新 途 径 根 据 本 科 生 的 知 识 结 构 和 认 知 水 平 并 结 合 本 校 的 专 业 特 色, 在 原 有 的 教 学 实 验 室 创 新 实 验 室 和 科 普 基 地 的 基 础 上 选 择 专 题 内 容, 在 授 课 形 式 上 采 用 小 班 上 课, 选 课 人 数 控 制 在 每 班 50 人 授 课 顺 序 上 打 乱 大 学 物 理 理 论 课 中 力 热 电 振 动 波 动 光 及 近 代 的 顺 序, 以 专 题 形 式 进 行, 例 如 伯 努 利 原 理 专 题, 物 体 的 重 心 与 平 衡 专 题, 光 学 成 像 与 探 测 专 题 等 理 论 和 实 验 同 时 进 行, 第 一 节 课 是 专 题 内 容 的 理 论 学 习, 第 二 节 课 为 专 题 内 容 实 验 演 示 和 问 题 讨 论 及 思 考 1.2 革 新 教 学 方 法, 推 进 直 观 教 学 教 学 过 程 中 采 用 问 答 的 方 式 开 启 学 生 的 积 极 性 以 及 启 发 他 们 的 思 考 让 学 生 带 着 问 题 去 学 习, 正 所 谓 无 问 不 成 学, 问 则 疑, 疑 则 学 现 在 的 本 科 生 偏 爱 自 由 想 象 和 思 考, 所 以 教 学 以 宽 松 交 流 探 讨 的 形 式 进 行, 启 发 式 的 兴 趣 教 学 方 法 使 学 生 的 学 习 心 态 变 被 动 为 主 动, 大 大 提 高 了 教 学 质 量 突 出 直 观 教 学, 提 高 学 生 学 习 效 率 教 育 心 理 学 认 为, 让 人 识 别 一 种 东 西, 所 运 用 的 方 式 不 同, 所 需 要 的 时 间 也 不 同, 用 语 言 描 述 比 用 观 看 实 物 或 图 形 要 多 用 一 倍 以 上 的 时 间, 这 就 提 示 我 们 在 课 堂 上 突 出 直 观 教 学 的 重 要 性 把 抽 象 的 物 理 名 词 通 过 演 示 实 验 上 升 到 形 的 认 识 和 理 解, 启 发 学 生 思 考, 诱 导 丰 富 的 形 象 思 维 特 别 提 醒 学 生 注 意 观 察 每 一 个 现 象, 并 要 透 过 现 象 悟 出 其 中 的 物 理 规 律 及 其 在 生 活 中 和 工 程 中 的 应 用 ; 防 止 被 副 现 象 所 迷 惑 而 忽 视 重 要 内 容 另 外, 将 部 分 科 学 和 工 程 技 术 前 沿 研 究 领 域 的 成 果 或 难 题 转 化 为 教 学 的 专 题 内 容 ( 或 专 题 讨 论 内 容 ), 将 创 新 教 育 理 念 和 围 绕 问 题 组 织 教 学 的 方 法 贯 穿 于 本 课 程 的 教 学 全 过 程 2 课 程 论 文 推 动 研 究 型 教 学 我 校 是 石 油 特 色 鲜 明 的 工 科 综 合 性 大 学 到 目 前 为 止, 学 校 已 拥 有 地 质 工 程 石 油 工 程 油 气 储 运 工 程 化 学 工 程 与 工 艺 等 7 个 教 育 部 特 色 专 业 建 设 点 物 理 技 术 与 实 践 选 修 课 的 学 生 来 源 也 主 要 是 特 色 专 业 的 学 生 因 此, 在 课 程 论 文 的 题 目 选 择 上, 积 极 引 导 学 生 结 合 自 己 的 专 业 爱 好 和 知 识 背 景, 从 工 程 领 域 中 基 础 问 题 社 会 的 重 大 问 题 甚 至 是 工 程 技 术 难 点 问 题 或 者 前 沿 问 题 中 选 择 例 如 对 于 我 们 石 油 石 化 行 业 类 的 学 生, 可 以 启 发 他 们 从 常 规 能 源 环 境 等 重 大 问 题 或 者 光 纤 测 井 等 先 进 技 术 难 题 选 择 适 合 自 己 的 题 目 课 程 论 文 不 以 发 表 为 目 标, 但 整 个 内 容 和 格 式 都 以 发 表 为 标 准 尽 管 单 个 学 生 所 能 做 的 都 只 是 一 个 大 问 题 中 很 微 小 的 一 部 分 学 生 在 自 己 的 完 成 课 程 论 文 的 过 程 中 加 深 对 工 程 技 术 领 域 及 社 会 重 大 问 题 的 认 识, 这 不 仅 是 培 养 优 秀 工 程 技 术 人 才 的 好 方 式, 更 是 一 种 人 文 情 怀 的 培 育 课 程 论 文 论 文 题 目 的 确 定 一 般 需 要 三 个 步 骤 : 首 先 是 学 生 根 据 自 己 的 专 业 背 景 爱 好 及 特 点 发 现 感 兴 趣 的 现 象 或 问 题 其 次, 就 发 现 的 现 象 或 问 题 进 行 自 己 的 思 考, 必 要 时 与 授 课 教 师 及 专 业 教 师 交 谈, 抽 象 出 物 理 机 制 关 键 词 及 物 理 内 涵 确 定 初 始 化 题 目 最 后, 查 找 文 献 确 保 题 目 的 合 情 合 理 在 做 课 程 论 文 的 过 程 中, 强 调 对 文 献 引 用 的 规 范 题 目 完 成 后 进 行 课 程 论 文 答 辩, 对 课 程 论 文 进 行 评 判, 对 存 在 的 问 题 及 时 予 以 纠 正, 对 质 量 高 的 课 程 论 文 推 荐 投 稿 在 学 生 课 程 论 文 的 整 个 过 程 中, 加 深 学 生 对 物 理 本 质 的 了 解, 加 强 了 物 理 基 础 课 程 工 程 技 术 领 域 人 才 培 养 的 作 用 学 生 的 科 研 意 识 和 科 研 能 力 得 到 了 初 步 训 练, 是 培 养 优 秀 的 研 究 型 工 程 技 术 人 才 的 一 个 良 好 的 开 端 3 演 示 型 实 验 仪 器 的 制 作 对 培 养 优 秀 工 程 技 术 人 才 的 作 用 物 理 技 术 与 实 践 课 程 另 外 一 个 重 要 的 实 践 环 节 是 在 教 师 的 指 导 下 进 行 演 示 型 实 验 仪 器 的 制 作, 开 发 石 油 石 化 工 程 领 域 中 物 理 演 示 仪 器 或 者 自 己 感 兴 趣 的 物 理 实 验 演 示 仪 器 例 208
如 : 石 油 类 的 石 油 炼 制 模 型 石 油 开 采 磕 头 机 模 型 光 纤 测 井 演 示 仪 等 ; 非 石 油 类 的 激 光 窃 听 器 超 声 测 距 演 示 仪 太 阳 能 电 池 伯 努 利 板 演 示 试 验 仪 等 学 生 对 仪 器 的 制 作 结 合 学 校 的 大 学 生 科 技 创 新 项 目 进 行 每 五 个 学 生 为 一 组, 各 有 分 工 我 校 物 理 系 的 北 京 市 科 普 基 地 和 翱 翔 计 划 基 地 实 验 室 为 实 验 研 制 平 台, 校 团 委 和 物 理 教 学 示 范 中 心 共 同 承 担 仪 器 的 研 制 经 费 学 生 自 己 选 择 实 验 题 目, 亲 自 动 手 设 计 或 改 进 演 示 实 验 仪 器, 制 作 各 类 物 理 演 示 实 验 仪 器 加 深 了 对 物 理 原 理 的 理 解, 加 强 对 工 程 技 术 领 域 的 认 识, 激 发 了 学 生 创 新 欲 望, 锻 炼 了 学 生 的 动 手 能 力, 加 强 实 践 环 节, 把 对 学 生 创 新 意 识 和 创 新 实 践 能 力 的 培 养 融 入 到 课 程 的 教 学 过 程 之 中 学 生 们 研 制 出 多 种 优 秀 的 实 验 仪 器 和 装 置, 优 秀 的 作 品 在 北 京 市 大 学 生 挑 战 杯 北 京 市 翱 翔 计 划 北 京 市 物 理 实 验 竞 赛 中 多 次 获 奖 其 中, 学 生 研 究 制 作 的 电 动 激 光 李 萨 如 图 形 演 示 仪 和 伯 努 利 综 合 演 示 仪 等, 受 邀 参 加 了 第 十 二 届 中 国 北 京 国 际 科 技 产 业 博 览 会 首 都 青 年 学 生 科 技 创 新 作 品 展, 作 品 创 意 新 颖 实 用 性 强, 给 参 观 的 人 们 留 下 了 深 刻 印 象, 中 国 教 育 网 还 对 此 进 行 了 报 道 [5-6] 4 结 论 物 理 技 术 与 实 践 课 程 是 石 油 石 化 类 特 色 专 业 一 门 很 必 要 的 基 础 课 程, 该 课 程 与 石 油 工 程 技 术 专 业 的 课 程 有 机 结 合, 相 互 交 叉 与 渗 透, 突 出 特 色 教 学 和 实 践, 构 建 良 好 的 创 新 实 践 平 台, 是 培 养 石 油 石 化 领 域 的 优 秀 的 工 程 技 术 人 才 的 有 效 途 径 我 们 的 改 革 和 实 践 还 处 于 探 索 阶 段, 还 存 在 许 多 困 难 和 问 题, 有 待 于 进 一 步 的 深 入 研 究 参 考 文 献 : [1] 中 国 石 油 大 学 ( 北 京 ) 本 科 生 招 生 网 http://jwc.cup.edu.cn/pulic/zsb/index.html/ [2] 杨 振 清, 冯 金 波, 卢 贵 武, 王 芳. 大 学 物 理 ( 下 册 )[M] 山 东 : 中 国 石 油 大 学 出 版 社, 2010:170-171 [3] 孙 为, 唐 军 杰, 王 爱 军, 张 国 林 大 学 物 理 实 验 [M] 山 东 : 中 国 石 油 大 学 出 版 社,2007: 1-4 [4] 钟 寿 仙, 张 鹏, 张 万 松, 卢 贵 武, 赵 坤 基 础 物 理 课 程 对 石 油 专 业 类 人 才 培 养 初 探 与 实 践 [J] 内 蒙 古 师 范 大 学 学 报 ( 教 育 科 学 版 ),2011,24(5): 66-68 [5] 中 国 石 油 大 学 ( 北 京 ) 新 闻 网 http://web.cup.edu.cn/news/jjxy/25832.htm [6] 中 国 教 育 与 科 研 计 算 机 网 http://www.edu.cn/xin_wen_gong_gao_1114/20090521/ t20090521_379806.shtml 209
基 于 数 据 挖 掘 技 术 在 高 校 教 学 实 践 中 的 应 用 姜 芸 ( 西 安 交 通 大 学 理 学 院, 陕 西 西 安 710049) 摘 要 : 数 据 挖 掘 的 本 质 就 是 从 已 有 的 信 息 中 发 现 模 式 和 规 律 本 文 阐 述 了 经 典 的 决 策 树 ID3 算 法, 并 将 该 算 法 应 用 到 高 校 大 学 物 理 实 验 课 程 学 生 成 绩 评 定 中, 进 行 数 据 挖 掘 的 实 例 分 析, 从 中 提 取 有 价 值 的 信 息, 并 对 得 到 的 结 果 进 行 分 析, 得 出 了 影 响 学 生 成 绩 的 一 些 原 因, 为 提 高 高 校 教 学 管 理 水 平 提 供 了 科 学 依 据 关 键 词 : 数 据 挖 掘 ; 决 策 树 ;ID3 算 法 ; 物 理 实 验 ; 改 进 与 探 索 1 引 言 当 今 社 会, 人 们 利 用 高 速 发 展 的 信 息 技 术 而 产 生 和 收 集 了 大 量 的 数 据, 在 给 我 们 的 生 活 提 供 很 大 方 便 的 同 时, 也 带 来 了 一 些 数 据 问 题, 由 于 积 累 的 数 据 不 断 增 多, 在 对 数 据 进 行 挖 掘 的 过 程 中 对 所 隐 藏 的 数 据 知 识 知 道 的 方 法 又 比 较 少, 使 得 数 据 囤 积 量 大 爆 炸, 尽 管 数 据 库 在 技 术 上 不 断 成 熟, 可 是 人 们 却 没 有 充 分 的 发 挥 与 利 用 数 据 库 里 蕴 含 的 丰 富 的 知 识 和 信 息 由 于 现 代 社 会 里 数 据 库 的 量, 在 以 几 何 状 态 不 断 的 增 长 着, 要 在 数 据 的 汪 洋 中 对 信 息 去 粗 存 精 去 伪 存 真, 靠 传 统 方 法 是 不 够 的, 要 想 高 效 地 管 理 组 织 这 些 数 据 并 对 其 进 行 分 析 和 应 用 并 非 是 一 件 易 事, 这 就 要 求 计 算 机 系 统 能 够 提 供 更 高 层 次 的 数 据 分 析, 而 数 据 挖 掘 则 是 最 有 效 的 方 法 数 据 挖 掘 (Data Mining) 则 是 知 识 发 现 (KDD) 的 核 心 部 分, 它 指 的 是 从 数 据 集 合 中 自 动 抽 取 隐 藏 在 数 据 中 的 那 些 有 用 信 息 的 非 平 凡 过 程, 这 些 信 息 的 表 现 形 式 为 : 规 则 概 念 规 律 及 模 式 等 数 据 挖 掘 融 合 了 数 据 库 人 工 智 能 机 器 学 习 统 计 学 高 性 能 计 算 模 式 识 别 神 经 网 络 数 据 可 视 化 信 息 检 索 和 空 间 数 据 分 析 等 多 个 领 域 的 理 论 和 技 术 进 入 21 世 纪, 数 据 挖 掘 已 经 成 为 一 门 比 较 成 熟 的 交 叉 学 科, 并 且 数 据 挖 掘 技 术 也 伴 随 着 信 息 技 术 的 发 展 日 益 成 熟 起 来 2 数 据 挖 掘 在 高 校 教 学 实 践 中 的 初 步 应 用 在 高 等 学 校 教 学 实 践 中, 学 生 是 主 体, 存 在 着 学 生 学 籍 管 理 教 学 仪 器 管 理, 以 及 教 师 对 学 生 课 程 管 理 成 绩 管 理 等 各 种 数 据 系 统 在 这 些 数 据 库 中 存 储 了 大 量 的 数 据, 然 而 隐 藏 在 这 些 数 据 背 后 的 信 息 一 直 未 得 到 开 发 应 用 学 生 是 学 校 的 核 心, 学 生 的 学 习 成 绩 作 为 一 种 总 结 性 评 价, 能 反 映 出 他 们 的 知 识 掌 握 情 况 和 相 应 知 识 技 能 的 获 得 情 况, 学 习 成 绩 是 一 个 加 权 综 合 值, 它 不 仅 包 括 书 面 考 试 成 绩, 而 且 还 包 括 一 些 人 文 的 考 核 项 目, 比 如 出 勤 率 课 堂 表 现 各 种 活 动 等 学 生 成 绩 不 仅 对 学 生 的 学 习 效 果 和 教 师 的 教 学 效 果 具 有 检 测 作 用, 而 且 还 能 反 馈 教 学 活 动, 反 作 用 于 教 师 的 教 和 学 生 的 学 在 诸 多 高 校 的 教 务 数 据 仓 库 中 的 学 生 成 绩 记 录 非 常 庞 大, 他 们 对 学 生 成 绩 的 评 定 分 两 种 : 一 种 是 定 量 评 价, 一 种 是 定 性 评 价 定 量 评 价 也 就 是 我 们 平 时 所 说 的 某 门 课 程 考 了 多 少 分, 而 定 性 评 价 一 般 分 优 良 中 差 等 四 个 级 别 他 们 仅 仅 从 单 独 一 门 课 进 行 分 析, 很 少 关 注 到 学 生 取 得 这 些 成 绩 背 后 的 影 响 因 素 和 原 因 数 据 库 是 从 定 性 的 角 度 分 析 学 生 成 绩, 缺 点 就 是 得 到 的 结 果 不 是 很 精 确 ; 而 数 据 仓 库 是 从 定 量 的 角 度 对 学 生 成 绩 进 行 分 析, 能 精 确 的 得 到 各 个 方 面 的 数 据 因 此 使 用 数 据 仓 库 和 数 作 者 简 介 : 姜 芸 (1963 ), 女, 陕 西 西 安 人, 西 安 交 通 大 学 理 学 院 物 理 实 验 中 心 工 程 师, 主 要 从 事 物 理 实 验 教 学 研 究 及 管 理 工 作 210
据 挖 掘 技 术 对 学 生 成 绩 进 行 深 层 的 分 析, 挖 掘 出 隐 藏 在 数 据 背 后 的 规 律 或 模 式, 根 据 挖 掘 结 构 提 出 一 些 指 导 性 建 议, 从 而 更 好 地 指 导 教 师 教 学, 提 高 教 学 效 率, 进 而 有 效 地 提 高 学 生 成 绩 3 决 策 树 法 中 的 ID3 算 法 数 据 挖 掘 技 术 主 要 有 集 合 论 法 决 策 树 法 遗 传 算 法 神 经 网 络 方 法 等 决 策 树 法 又 分 为 ID3 算 法 CLS 算 法 IBLE 算 法 等 ID3 算 法 是 由 Quinlan 首 先 提 出 的, 该 算 法 是 以 信 息 论 为 基 础, 以 信 息 熵 和 信 息 增 益 度 为 衡 量 标 准, 从 而 实 现 对 数 据 的 归 纳 分 类 已 知 有 C 个 结 果 的 训 练 集 S : Entropy(S) = Σ-p(I) log2 p(i) ------( 公 式 1) 这 里 :p(i) 是 属 于 类 I 的 S 的 比 例 Σ 是 对 C 求 和 Log2 以 2 为 底 的 自 然 对 数 如 果 所 有 S 属 于 相 同 的 类, 熵 为 0( 数 据 分 类 完 毕 ) 熵 的 范 围 是 0( 分 类 完 毕 ) 到 1 ( 完 全 随 机 ) 注 意 : S 不 但 是 属 性 而 且 也 是 整 个 样 本 集 ( 这 一 点 刚 开 始 可 能 有 点 混 淆 ) Entropy(S,A) =Σ( Sv / S ) * Entropy(Sv) -----( 公 式 2) 这 里 : Σ 是 属 性 A 的 所 有 可 能 的 值 v ; Sv= 属 性 A 有 v 值 的 S 子 集 ; Sv = Sv 中 元 素 个 数 ; S = S 中 元 素 个 数 ; Gain(S, A) 是 属 性 A 在 集 S 上 的 信 息 增 益, 定 义 为 : Gain(S, A) = Entropy(S) - Entropy(S,A) -----( 公 式 3) Gain(S, A) 是 指 已 知 属 性 A 的 值 后 导 致 熵 的 减 少 Gain(S, A) 越 大, 说 明 选 择 测 试 属 性 A 对 分 类 提 供 的 信 息 越 多 4 实 例 分 析 通 过 对 大 学 物 理 实 验 课 程 学 生 成 绩 评 定 的 典 型 实 例, 说 明 数 据 挖 掘 的 步 骤 及 决 策 树 方 法 在 高 校 教 学 实 践 中 的 应 用 4.1 分 析 对 象 大 学 物 理 实 验 课 程 基 本 每 学 年 考 核 一 次, 考 评 由 三 部 分 组 成 : 一 是 课 内 教 学 ; 二 是 课 后 实 验 报 告 ; 三 是 每 学 年 期 末 考 核 整 个 实 验 课 程 主 要 依 据 在 规 定 时 间 内 完 成 的 课 后 实 验 报 告 的 内 容 和 质 量 来 决 定, 实 验 课 和 期 末 考 核 作 为 较 次 要 的 考 核 内 容 上 述 物 理 实 验 教 学 内 容 之 间 的 关 系, 可 以 建 立 一 个 数 据 模 型 : 学 生 情 况 数 据 库, 含 学 号 性 别 实 验 报 告 实 验 课 期 末 考 核 平 均 成 绩 名 次 等 这 些 项 目 4.2 已 知 条 件 选 择 两 个 班, 每 班 25 人, 两 个 班 50 人, 对 学 生 情 况 数 据 库 进 行 如 下 的 量 化 转 换 清 理 集 成 等 处 理 工 作, 得 到 了 相 应 的 数 据 仓 库 ( 如 表 1 所 示 ), 以 方 便 下 一 步 数 据 挖 掘 的 工 作 表 1 学 生 情 况 数 据 库 学 号 性 别 实 验 报 告 加 分 实 验 课 加 分 期 末 考 核 加 分 平 均 成 绩 名 次 31 女 0.5 0.5 0.5 91.2 1 27 女 0.5 0.5 0.5 90.7 2 15 男 0.5 0.5 0.5 88.3 3 6 男 0.5 0.2 0 85.6 4 211
45 女 0.5 0 0 82.8 5 3 男 0 0 0 64.1 48 21 女 0 0 0 61.4 49 29 男 0 0 0 60.6 50 学 号 字 段 定 义 为 l 一 50; 性 别 字 段 定 义 为 : 男 或 女 ; 实 验 报 告 加 分 定 义 为 :0 表 示 没 有 通 过,0.5 表 示 通 过,1 表 示 较 好 ; 实 验 课 加 分 定 义 为 : 0 表 示 基 本 不 上 实 验 课,0.2 表 示 适 当 上 实 验 课,O.5 表 示 按 期 上 实 验 课 ; 期 末 考 核 加 分 定 义 为 :0 表 示 基 本 不 参 加 期 末 考 核,0.5 表 示 参 加 期 末 考 核 并 取 得 了 较 好 的 成 绩 ; 平 均 成 绩 定 义 为 : 学 习 成 绩 总 体 情 况, 字 段 值 为 0-100(%); 名 次 定 义 为 1-50, 且 记 录 按 名 次 从 高 到 低 排 列 4.3 数 据 挖 掘 应 用 ID3 算 法 建 立 相 应 的 决 策 树, 先 确 定 正 例 个 数 p 和 反 例 个 数 n 将 名 次 排 在 前 15 名 成 绩 好 的 学 生 定 义 为 正 例, 后 35 名 成 绩 不 好 的 学 生 定 义 为 反 例, 即 p=15,n=35 15 15 35 35 Ip, n log2 log2 0.881 50 50 50 50 24 7 19 E( 实 验 报 告 加 分 ) I( p1, n1 ) I( p2, n2 ) I( p3 n3) 50 50 50 24 7 19 I(11,13) I(4,3) I(0,19) 0.616 50 50 50 gain( 实 验 报 告 加 分 )=I(p,n)-E( 实 加 )=0.881-0.616=0.265 同 理,gain( 实 验 课 加 分 )=I(p,n)-E( 课 加 )=0.881-0.801=0.08 gain( 期 末 考 核 加 分 )=I(p,n)-E( 测 加 )=0.881-0.879=0.002 通 过 计 算 可 知, 实 验 报 告 加 分 具 有 最 大 的 信 息 增 益, 故 将 实 验 报 告 加 分 选 为 根 节 点 并 向 下 扩 展, 最 终 生 成 的 决 策 树, 如 图 1 所 示 图 1 成 绩 分 析 决 策 树 4.4 结 论 分 析 从 上 图 1 决 策 树, 通 过 分 析, 可 以 得 到 以 下 结 论 : 1) 学 生 上 完 实 验 课 后, 如 按 期 且 独 立 保 质 保 量 完 成 实 验 报 告, 成 绩 均 较 好 2) 学 生 实 验 报 告 完 成 的 较 好 的, 也 就 是 在 实 验 课 上 动 手 能 力 较 强, 善 于 思 考 和 分 析, 可 以 看 出 他 们 在 实 验 的 基 础 上 较 为 重 视 归 纳 和 总 结, 均 没 有 过 重 的 课 内 实 验 压 力, 其 中 课 内 212
实 验 课 安 排 适 度 的 学 生 学 习 成 绩 也 好 3) 对 于 刚 通 过 实 验 报 告 测 评 的 学 生, 情 况 就 显 得 较 为 复 杂, 要 视 具 体 情 况 而 定, 一 方 面 学 生 的 大 作 业 课 内 实 验 期 末 考 核 安 排 合 理 时 学 习 成 绩 也 好, 另 一 方 面, 如 果 学 生 经 常 不 参 加 课 内 实 验 或 不 参 加 期 末 考 核 时, 也 会 影 响 到 他 们 的 学 习 成 绩, 造 成 学 习 成 绩 不 好 根 据 表 1 和 图 1, 对 学 生 情 况 数 据 库 所 建 决 策 树 进 行 分 析, 可 以 初 步 判 别 : 实 验 报 告 实 验 课 期 末 考 核 是 相 辅 相 成 的, 互 相 影 响 和 制 约 的, 一 般 而 言, 学 习 成 绩 较 好 的 学 生, 其 实 验 课 和 期 末 考 核 也 是 积 极 参 加 者 这 样, 教 师 就 可 以 针 对 不 同 的 学 生, 对 学 生 进 行 事 先 辅 导, 使 教 学 内 容 在 时 间 上 得 到 延 伸, 学 生 能 够 提 前 预 习 和 掌 握 实 验 教 学 内 容, 这 样, 就 可 以 减 轻 学 生 在 实 验 课 上 的 压 力, 既 紧 张 又 轻 松 地 完 成 预 期 实 验 同 时, 也 要 看 到, 如 果 仅 重 视 上 实 验 课 和 参 加 期 末 考 核 而 不 重 视 实 验 报 告 同 样 也 会 影 响 到 自 身 的 学 习 成 绩 对 于 大 学 物 理 实 验 这 门 课 程, 学 习 成 绩 好 的 学 生, 他 们 的 上 进 心 责 任 心 也 都 相 对 较 强, 能 够 很 好 地 处 理 上 述 三 者 之 间 的 关 系 ; 反 之, 对 自 己 约 束 力 较 差 经 常 不 上 课 或 不 认 真 完 成 作 业 的 学 生, 学 习 成 绩 自 然 就 较 差 5 数 据 挖 掘 技 术 的 进 一 步 改 进 与 探 索 随 着 越 来 越 多 的 业 务 需 求 被 不 断 开 拓, 除 上 述 在 高 等 学 校 大 学 物 理 实 验 教 学 实 践 中 的 应 用 外, 数 据 挖 掘 技 术 已 成 功 地 应 用 于 商 业 医 学 科 学 研 究 等 领 域, 均 有 不 少 成 功 的 应 用 案 例 多 种 理 论 与 方 法 的 合 理 整 合 是 大 多 数 研 究 者 采 用 的 有 效 技 术, 以 下 是 未 来 比 较 重 要 的 数 据 挖 掘 发 展 趋 势 : 1) 数 据 挖 掘 语 言 的 标 准 化 描 述 : 标 准 的 数 据 挖 掘 语 言 将 有 助 于 数 据 挖 掘 的 系 统 化 开 发 改 进 多 个 数 据 挖 掘 系 统 和 功 能 间 的 互 操 作, 促 进 其 在 企 业 和 社 会 中 的 使 用 2) 寻 求 数 据 挖 掘 过 程 中 的 可 视 化 方 法 : 可 视 化 要 求 已 经 成 为 数 据 挖 掘 系 统 中 必 不 可 少 的 技 术 通 过 人 机 界 面 可 以 在 发 现 知 识 的 过 程 中 进 行 很 好 的 人 机 交 互 数 据 的 可 视 化 起 到 了 推 动 人 们 主 动 进 行 知 识 发 现 的 作 用 3) 与 特 定 数 据 存 储 类 型 的 适 应 问 题 : 根 据 不 同 的 数 据 存 储 类 型 的 特 点, 进 行 针 对 性 的 研 究 是 目 前 流 行 以 及 将 来 一 段 时 间 必 须 面 对 的 问 题 4) 网 络 与 分 布 式 环 境 下 的 KDD 问 题 : 随 着 internet 不 断 发 展, 网 络 资 源 日 渐 丰 富, 这 就 需 要 独 立 的 技 术 人 员 各 自 独 立 地 处 理 分 离 数 据 库 的 工 作 因 此, 考 虑 适 应 分 布 式 与 网 络 环 境 的 关 系, 技 术 及 系 统 将 是 数 据 挖 掘 中 一 个 最 为 重 要 和 繁 荣 的 子 领 域 5) 应 用 的 探 索 : 随 着 数 据 挖 掘 的 日 益 普 遍, 其 应 用 范 围 也 日 益 扩 大, 如 生 物 医 学 电 信 业 零 售 业 等 领 域 由 于 数 据 挖 掘 在 处 理 特 定 应 用 问 题 时 存 在 局 限 性, 因 此, 目 前 的 研 究 趋 势 是 开 发 针 对 于 特 定 应 用 的 数 据 挖 掘 系 统 6) 数 据 挖 掘 与 数 据 库 系 统 以 及 web 数 据 库 系 统 的 集 成 : 数 据 库 系 统 和 web 数 据 库 已 经 成 为 信 息 处 理 系 统 的 主 流 数 据 挖 掘 系 统 的 理 想 体 系 结 构 是 与 数 据 库 和 数 据 仓 库 系 统 的 紧 密 结 合 6 结 束 语 数 据 挖 掘 技 术 作 为 一 种 新 兴 的 数 据 分 析 技 术, 经 过 了 十 几 年 的 充 实 和 发 展, 到 目 前 为 止 已 经 成 功 地 运 用 在 各 个 不 同 的 领 域 伴 随 着 科 学 技 术 的 不 断 发 展 和 信 息 量 的 海 量 增 加, 如 依 靠 传 统 的 方 法 要 在 庞 大 的 数 据 库 中 找 到 具 有 科 学 决 策 的 信 息 也 是 非 常 困 难 的, 数 据 挖 掘 技 术 就 是 从 大 量 的 数 据 中 发 现 有 用 的 知 识 和 线 索, 借 助 于 数 据 挖 掘 本 身 的 技 术 去 挖 掘 蕴 藏 在 数 据 库 中 的 客 观 规 律, 从 而 为 科 学 合 理 的 决 策 提 供 有 力 的 支 持 将 数 据 挖 掘 技 术 引 入 到 高 校 教 学 实 践 中, 一 是 发 展 的 必 然, 二 是 有 助 于 在 日 常 教 学 管 理 中 不 断 获 得 有 规 律 的 信 息, 为 学 校 管 理 层 提 供 决 策 依 据, 从 而 不 断 提 高 教 学 质 量 本 文 通 过 对 大 学 物 理 实 验 课 程 学 生 成 绩 评 定 的 213
实 例 分 析, 简 述 了 数 据 挖 掘 技 术 在 分 析 影 响 学 生 学 习 成 绩 因 素 中 的 重 要 意 义, 其 目 的 就 是 推 广 数 据 挖 掘 技 术 在 高 校 教 学 实 践 中 的 应 用, 使 数 据 挖 掘 技 术 在 高 校 得 到 进 一 步 的 发 展 参 考 文 献 : [1] 魏 萍 萍, 王 翠 茹, 王 保 义 等 数 据 挖 掘 技 术 及 其 在 高 校 教 学 系 统 中 的 应 用 [J] 计 算 机 工 程,2003,29(11):78-89 [2] 谭 旭, 王 丽 珍, 卓 明 利 用 决 策 树 发 掘 分 类 规 则 的 算 法 研 究 [J] 云 南 大 学 学 报,2000, 22(6):415-419 [3] 朱 迪 茨 实 用 数 据 挖 掘 [M] 北 京 : 电 子 工 业 出 版 社,2004:77-79 [4] 路 延 数 据 挖 掘 技 术 在 高 等 学 校 教 学 中 的 应 用 研 究 [J] 科 技 教 育,2013,( 13): 201 Application of data mining in university teaching practices JIANG Yun (School of science, XI AN Jiao Tong University, XI AN 710049, China) Abstract: Finding patterns and regulations from the existential data is the essence of data mining. This paper expounds the classical method-decision Tree Id3,and this method has been put into the data mining of a application example of higher educational students' grades of college physical experiments. The useful information retrieved can help teaching staff to analyze the results obtained, so as to get the other causes that influence the students' grades, and also provides a scientific basis for college teaching management. Key words: Data mining; Decision tree; ID3 algorithm; Physical experiments; Improvement and exploration 214
第 二 部 分 近 代 物 理 与 综 合 实 验
探 究 微 波 在 波 导 中 传 输 时 膜 片 对 驻 波 比 的 影 响 郭 劼, 罗 举, 张 志 华, 杜 艾, 王 晓 栋, 方 恺, 赫 丽 ( 同 济 大 学 物 理 科 学 与 工 程 学 院 近 代 物 理 实 验 室, 上 海 200092) 摘 要 : 本 文 通 过 测 定 微 波 在 波 导 中 固 定 频 率, 匹 配 负 载 时 的 传 导, 通 过 改 变 膜 片 的 特 性, 使 形 成 的 行 驻 波 发 生 改 变, 在 实 验 的 基 础 上 研 究 了 影 响 行 驻 波 的 驻 波 比 的 因 素 关 键 字 : 驻 波 比 ; 感 性 膜 片 ; 容 性 膜 片 1 引 言 早 在 1933 年, 人 们 就 在 实 验 中 发 现 空 心 金 属 管 可 以 用 来 传 输 能 量, 二 次 大 战 期 间, 微 波 技 术 得 到 空 前 发 展, 其 重 要 标 志 是 雷 达 的 发 明 微 波 工 程 设 计 中, 很 多 复 杂 情 况 最 终 要 通 过 微 波 测 量 来 解 决 微 波 在 波 导 中 传 播, 有 行 驻 波, 行 波 和 驻 波 三 种 状 态, 不 同 工 作 状 态 在 于 终 端 负 载 的 不 同 情 况, 测 量 驻 波 比 成 为 一 种 很 重 要 的 手 段 在 测 量 匹 配 负 载 加 膜 片 时 会 形 成 行 驻 波, 驻 波 比 会 因 为 膜 片 的 材 料 不 同 而 发 生 相 应 的 改 变 本 论 文 选 用 了 不 同 的 膜 片 ( 铝 片, 铜 片, 锡 片 ) 进 行 测 量, 从 而 探 究 影 响 驻 波 比 的 主 要 因 素 2 实 验 原 理 对 于 理 想 的 均 匀 矩 形 波 导 系 统, 在 其 中 传 输 的 主 模 是 TE10 模, 由 于 终 端 负 载 失 配, 波 导 中 有 反 射 波 存 在, 波 导 系 统 中 会 呈 现 驻 波 分 布 状 态 在 波 导 终 端 负 载 阻 抗 不 同 的 情 况 下 驻 波 分 布 也 会 发 生 改 变 实 验 中, 我 们 主 要 是 改 变 膜 片 的 特 性, 使 得 等 效 阻 抗 发 生 一 定 的 改 变, 我 们 可 以 利 用 测 量 线 在 终 端 接 不 同 负 载 时, 测 量 线 各 处 对 应 检 波 电 流 的 值, 描 绘 出 驻 波 分 布 特 性 图, 根 据 公 式 S = I max I min 计 算 驻 波 比,I max 和 I min 分 别 是 驻 波 波 幅 点 和 波 节 点 检 波 电 流 值 3 实 验 探 究 行 驻 波 是 微 波 波 导 的 一 种 工 作 状 态, 我 们 将 信 号 源, 测 量 部 分, 以 及 指 示 部 分 相 连 接, 当 一 定 频 率 的 微 波 进 入 矩 形 波 导, 当 我 们 匹 配 负 载, 并 加 入 相 应 的 膜 片, 就 会 形 成 相 应 的 行 驻 波 我 们 通 过 探 针, 测 量 波 导 宽 边 正 中 壁 开 口 电 流 的 分 布, 利 用 公 式 S = I max I min, 求 得 驻 波 比 大 小, 然 后 分 析 影 响 驻 波 比 大 小 的 因 素 3.1 不 同 材 料 对 驻 波 比 大 小 的 影 响 我 们 在 测 量 匹 配 负 载 加 膜 片 时 会 形 成 行 驻 波, 驻 波 比 会 因 为 膜 片 的 材 料 不 同 而 发 生 相 应 的 改 变 我 们 分 别 使 用 了 铝 片, 铜 片, 锡 片 进 行 测 量, 得 出 以 下 的 结 果 将 信 号 的 工 作 频 率 调 整 为 9550MHZ, 终 端 匹 配 负 载, 依 次 加 入 铜, 铝, 锡 材 料 感 性 容 性 膜 片, 移 动 探 针 位 置, 测 定 相 应 位 置 d 处 的 电 流 值, 利 用 电 流 值 计 算 驻 波 比, 如 表 1 所 示 资 助 项 目 : 同 济 大 学 教 学 改 革 研 究 与 建 设 项 目 ; 同 济 大 学 精 品 实 验 项 目 作 者 简 介 : 郭 劼 (1991-), 男, 同 济 大 学 物 理 科 学 与 工 程 学 院 2010 级 本 科 生 通 讯 作 者 : 张 志 华 (1977-), 女, 副 教 授, 从 事 凝 聚 态 物 理 方 面 研 究 和 大 学 物 理 教 学 工 作 215
表 1 不 同 材 料 感 性 容 性 膜 片 平 均 电 流 极 值 及 驻 波 比 膜 片 材 料 最 大 电 流 平 均 值 最 小 电 流 平 均 值 驻 波 比 ( 微 安 ) ( 微 安 ) 感 性 膜 片 铜 1000 390 1.6013 铝 973.3 415 1.5315 锡 953.3 305 1.7680 容 性 膜 片 铜 936.67 600 1.2494 铝 940 510 1.3576 锡 950 540 1.3264 从 表 1 中 可 以 看 出, 感 性 膜 片 中 锡 材 料 驻 波 比 最 大, 为 1.7680, 铝 材 料 驻 波 比 最 小, 为 1.5315 这 是 由 于 材 料 不 同 使 膜 片 周 围 磁 力 线 密 度 改 变, 从 而 影 响 驻 波 比 而 容 性 膜 片 中 铜 的 驻 波 比 更 小, 为 1.2494, 铝 材 料 驻 波 比 最 大, 为 1.3576 这 则 是 因 为 铜 容 性 片 形 成 等 效 电 容 更 小, 从 而 驻 波 比 更 小 3.2 探 究 感 性 膜 片 宽 度 对 驻 波 比 的 影 响 我 们 在 测 量 匹 配 负 载 加 膜 片 时 会 形 成 行 驻 波, 驻 波 比 会 因 为 感 性 膜 片 的 宽 度 不 同 而 发 生 相 应 的 改 变 匹 配 负 载 的 高 度 为 1.034cm, 实 验 中 感 性 膜 片 高 度 也 是 1.034cm, 宽 度 分 别 为 1.972cm,1.584cm,1.388cm,1.088cm 进 行 测 量, 得 出 以 下 结 果 将 信 号 的 工 作 频 率 调 整 为 9550MHZ, 终 端 匹 配 负 载, 依 次 加 入 四 组 感 性 膜 片, 移 动 探 针 位 置, 测 定 相 应 位 置 d 处 的 电 流 值, 利 用 电 流 值 计 算 驻 波 比 表 2 显 示 了 感 性 膜 片 不 同 开 口 宽 度 平 均 电 流 极 值 驻 波 比 及 膜 片 等 效 电 纳 表 2 感 性 膜 片 不 同 开 口 宽 度 平 均 电 流 极 值 驻 波 比 及 膜 片 等 效 电 纳 膜 片 开 口 宽 度 最 大 平 均 电 流 最 小 平 均 电 流 驻 波 比 膜 片 等 效 电 纳 1.972cm 955 微 安 785 微 安 1.1030 0.515 1.584cm 953.3 微 安 305 微 安 1.7680 2.807 1.388cm 940 微 安 157.5 微 安 2.4430 5.114 1.088cm 940 微 安 30 微 安 5.5979 11.745 从 表 2 可 以 看 出, 其 中 膜 片 等 效 电 纳 的 测 量 依 照 公 式 : 式 中 α 为 匹 配 负 载,α 为 开 口 宽 度, 不 难 看 出, 感 性 膜 片, 产 生 磁 场, 随 着 等 效 电 纳 增 大, 驻 波 比 也 在 增 大 然 而 实 验 中 数 据 组 数 过 少, 我 们 不 能 定 量 确 定 他 们 之 间 关 系 但 我 们 可 以 根 据 表 2 中 数 据 得 出 膜 片 等 效 电 纳 和 驻 波 比 关 系 图, 如 图 1 所 示 ~ P 2 a B cot a 2a 216
图 1 感 性 膜 片 等 效 电 纳 与 驻 波 比 关 系 图 3.3 探 究 容 性 膜 片 高 度 度 对 驻 波 比 的 影 响 我 们 在 测 量 匹 配 负 载 加 膜 片 时 会 形 成 行 驻 波, 驻 波 比 会 因 为 容 性 膜 片 的 高 度 不 同 而 发 生 相 应 的 改 变 匹 配 负 载 的 宽 度 为 2.300cm, 实 验 中 容 性 膜 片 宽 度 也 是 2.300cm, 高 度 分 别 为 0.818cm,0.612cm,0.418cm,0.2288cm 进 行 测 量, 得 出 以 下 结 果 将 信 号 的 工 作 频 率 调 整 为 9550MHZ, 终 端 匹 配 负 载, 依 次 加 入 四 组 容 性 膜 片, 移 动 探 针 位 置, 测 定 相 应 位 置 d 处 的 电 流 值, 利 用 电 流 值 计 算 驻 波 比 如 表 3 所 示 表 3 容 性 膜 片 不 同 开 口 高 度 平 均 电 流 极 值 驻 波 比 及 膜 片 等 效 电 纳 膜 片 开 口 高 度 最 大 平 均 电 流 最 小 平 均 电 流 驻 波 比 膜 片 等 效 电 纳 0.818cm 961.7 微 安 795 微 安 1.0998 0.0099 0.612cm 950 微 安 540 微 安 1.3264 0.0402 0.408cm 940 微 安 260 微 安 1.9014 0.0985 0.228cm 966.7 微 安 180 微 安 2.3174 0.1960 由 表 3 可 以 知 道, 其 中 膜 片 等 效 电 纳 的 测 量 依 照 公 式 : 式 中 b 为 匹 配 负 载,b 为 开 口 宽 度, 不 难 看 出, 容 性 性 膜 片, 产 生 电 场, 随 着 等 效 电 纳 增 大, 驻 波 比 也 在 增 大 然 而 实 验 中 数 据 组 数 过 少, 我 们 不 能 定 量 确 定 他 们 之 间 的 关 系 我 们 可 以 根 据 表 3 的 数 据, 做 出 膜 片 等 效 电 纳 和 驻 波 比 关 系 图, 如 图 2 所 示 ~ 4b b B ln csc p 2b 图 2 容 性 膜 片 等 效 电 纳 与 驻 波 比 关 系 图 217
3.4 探 究 微 波 可 透 射 膜 片 厚 度 对 驻 波 比 的 影 响 我 们 知 道 微 波 不 能 穿 透 金 属, 但 是 可 以 穿 透 塑 料 膜 以 及 纸 张, 我 们 分 别 改 变 纸 张 层 的 厚 度, 以 及 塑 料 膜 的 厚 度, 使 之 透 射 与 反 射 的 微 波 发 生 改 变, 从 而 改 变 驻 波 比 将 信 号 的 工 作 频 率 调 整 为 9550MHZ, 终 端 匹 配 负 载, 依 次 加 入 1,2,4,8,16 和 32 层 纸, 移 动 探 针 位 置, 测 定 相 应 位 置 d 处 的 电 流 值, 利 用 电 流 值 计 算 驻 波 比, 如 表 4 所 示 表 4 不 同 厚 度 可 透 射 纸 膜 片 平 均 电 流 极 值 及 驻 波 比 层 数 厚 度 /cm 最 大 平 均 电 流 最 小 平 均 电 流 驻 波 比 1 0.008 975 910 1.0351 2 0.016 986.7 822.5 1.0953 4 0.032 935 690 1.1641 8 0.060 840 392.5 1.4629 16 0.134 831.7 232.5 1.8913 32 0.266 993.3 157.5 2.5114 由 表 4 中 的 数 据, 可 以 得 出 纸 张 厚 度 与 驻 波 比 关 系 图, 由 六 组 数 据 得 到 厚 度 与 驻 波 比 的 关 系 近 似 为 线 性, 所 以 我 们 认 为 驻 波 比 与 可 透 膜 厚 度 呈 线 性 关 系, 如 图 3 所 示 将 信 号 的 工 作 频 率 调 整 为 9550MHZ, 终 端 匹 配 负 载, 依 次 加,2,4,8,16 和 32 层 塑 料 膜, 移 动 探 针 位 置, 测 定 相 应 位 置 d 处 的 电 流 值, 利 用 电 流 值 计 算 驻 波 比 如 表 5 所 示 图 3 可 透 射 纸 膜 片 厚 度 与 驻 波 比 关 系 图 表 5 不 同 厚 度 可 透 射 塑 料 膜 平 均 电 流 极 值 及 驻 波 比 层 数 最 大 平 均 电 流 最 小 平 均 电 流 驻 波 比 2 960 940 1.0106 4 990 935 1.0290 8 995 920 1.0400 16 960 840 1.0690 32 985 820 1.0960 分 析 表 5 中 的 数 据, 由 于 微 波 对 塑 料 的 穿 透 效 果 很 好, 所 以 塑 料 材 料 的 情 况 所 测 驻 波 比 大 小 全 部 小 与 1.1, 基 本 上 可 以 近 似 看 作 行 波, 但 是 可 以 看 出 随 着 塑 料 膜 厚 度 的 增 加, 驻 波 比 也 在 缓 慢 增 大 根 据 上 面 的 实 验 结 果, 我 们 可 以 认 为, 随 着 可 透 射 材 料 厚 度 的 增 加, 微 波 的 透 射 率 下 降, 反 射 率 增 加, 而 依 照 驻 波 比 公 式 S=(1 + R P )/(1 R P ), 随 着 R P 的 增 加, 驻 波 比 会 增 大, 这 与 我 们 所 做 的 结 果 相 吻 合 218
3.5 探 究 多 开 口 膜 片 影 响 驻 波 比 的 因 素 我 们 所 用 的 膜 片 是 单 开 口 或 多 开 口 的 膜 片 在 同 样 开 口 面 积 的 情 况 下, 驻 波 比 是 否 会 发 生 变 化, 我 们 分 别 测 量 单 孔, 双 孔 及 五 孔 膜 片 时 的 驻 波 比 图 4 显 示 了 多 开 口 膜 片 及 其 驻 波 分 布 特 性 图, 其 中 (a) 为 开 口 膜 片 形 状,(b) 驻 波 分 布 特 性 图 将 信 号 的 工 作 频 率 调 整 为 9550MHZ, 终 端 匹 配 负 载, 依 次 加 入 三 组 膜 片, 移 动 探 针 位 置, 测 定 相 应 位 置 d 处 的 电 流 值, 利 用 电 流 值 计 算 驻 波 比, 如 表 6 所 示 (a) 开 口 膜 片 形 状 (b) 驻 波 分 布 特 性 图 图 4 多 开 口 膜 片 及 其 驻 波 分 布 特 性 图 表 6 不 同 开 口 膜 片 平 均 电 流 极 值 及 驻 波 比 开 口 最 大 平 均 电 流 最 小 平 均 电 流 驻 波 比 单 孔 900 297 1.7393 双 孔 940 5 13.7113 五 孔 968.3 2.5 19.6808 根 据 表 6 中 的 数 据, 由 于 膜 片 开 口 高 度 相 同, 总 面 积 相 同, 我 们 认 为 所 有 膜 片 容 性 是 相 同 的, 然 而, 随 着 开 孔 数 的 增 多, 相 当 于 将 电 感 进 行 了 并 联, 感 抗 值 减 少, 电 纳 只 增 加, 上 文 中 我 们 已 经 得 出 随 着 电 纳 值 的 增 加 驻 波 比 也 会 增 大, 因 此, 我 们 可 以 解 释 当 开 口 增 多 时, 驻 波 比 增 大 4 结 语 我 们 通 过 测 定 微 波 在 波 导 中 固 定 频 率, 匹 配 负 责 的 时 传 导, 通 过 改 变 膜 片 的 特 性, 是 形 成 的 行 驻 波 发 生 改 变, 影 响 驻 波 比 的 主 要 因 素 是 膜 片 的 反 射 率, 而 影 响 反 射 率 的 因 素, 对 于 可 透 射 膜 片, 主 要 因 素 是 膜 片 厚 度, 驻 波 比 随 厚 度 的 增 加 而 增 大, 对 于 不 可 透 射 的 金 属 膜 片, 主 要 因 素 是 膜 片 的 电 纳 值, 驻 波 比 随 电 纳 值 的 增 大 而 增 大 金 属 膜 片 当 膜 片 开 口 宽 度 与 波 导 及 匹 配 负 载 宽 度 一 致 时, 体 现 的 是 电 容 性, 膜 片 的 电 纳 值 取 决 与 等 效 电 容 值, 当 膜 片 的 开 口 高 度 与 波 导 以 及 负 载 高 度 一 致 时, 体 现 电 感 性, 膜 片 的 电 纳 值 取 决 于 等 效 电 感 参 考 文 献 : [1] 杜 焕 民 声 学 基 础 [M] 3 版. 南 京 大 学 出 版 社,2012:156-157 [2] 徐 金 平 非 理 想 金 属 感 性 膜 片 的 等 效 阻 抗 [J] 微 波 学 报,1992(3): 38-43 [3] 近 代 物 理 实 验 讲 义 [Z] 同 济 大 学 物 理 实 验 中 心,2013:185-188 219
Explore the effect of diaphragm on standing-wave ratio in microwave transmission in the waveguide Guo Jie, Luo Ju, Zhang Zhi-hua, Du Ai, Fang Kai, He Li (Lab of Modern Physics, School of Physical Science and EngineeringTongji University, Shanghai 200092, China ) Abstract: In this paper we explore the effectof diaphragm onstanding-wave ratio by changing the characteristic of the diaphragm, which lead to the change of forming the standing wave when investigating the microwave transmission in a waveguide in the same frequence.the influence factors of standing-wave ratio werealso studiedon the basis of the experiment. Key word: standing-wave ratio; inductive film; capacitive film 220
蒙 特 卡 罗 模 拟 塑 料 晶 体 探 测 宇 宙 线 μ 子 的 测 量 星 杨 通 智, 陈 ( 浙 江 大 学 物 理 系, 浙 江 杭 州 310027) 摘 要 : 利 用 修 正 的 海 平 面 Gaisser 公 式 模 拟 天 然 μ 子 与 探 测 器 作 用 的 真 实 情 况, 利 用 VS-2010 编 译 器 编 制 MC 模 拟 软 件 对 于 停 留 在 闪 烁 体 中 μ 子 的 数 目, 本 软 件 运 行 结 果 与 Geant4 软 件 运 行 结 果 非 常 接 近 对 于 进 入 探 测 器 中 μ 子 数 目 : 本 软 件 运 行 结 果 大 大 小 于 Geant4 软 件 运 行 结 果, 停 留 事 例 率 提 高 一 个 数 量 级 软 件 运 行 时 间 大 大 缩 短, 效 率 得 以 提 高 1 引 言 关 键 字 : 海 平 面 Gaisser 公 式 ; 舍 选 抽 样 法 ;μ 子 停 留 事 例 率 宇 宙 射 线 μ 子 测 量 通 常 是 采 用 延 迟 符 合 法 测 量 它 的 寿 命 [1,2,3], 根 据 测 量 得 到 的 μ 子 寿 命 值 来 判 断 检 测 到 的 信 号 是 否 是 μ 子 由 于 大 气 层 的 阻 挡, 大 部 分 粒 子 不 能 到 达 地 面 µ 子 穿 透 力 强, 到 达 地 面 的 宇 宙 射 线 中 80% 都 是 µ 子 现 在 地 下 实 验 室, 例 如 日 本 的 超 级 神 冈 探 测 器,KamLAND,CHOOZ 等 等 [1,,3], 积 累 了 大 量 的 地 下 µ 子 实 验 数 据 但 是 地 面 上 的 µ 子 实 验 数 据 不 多 许 多 文 献 中 模 拟 所 使 用 的 µ 子 公 式 都 是 原 始 的 Gaisser 公 式, 这 对 于 大 能 量 µ 子 地 下 实 验 是 可 以 的, 但 是 对 于 地 面 实 验, 必 须 考 虑 低 能 粒 子 因 此 需 要 对 Gaisser 公 式 进 行 修 正 现 在 开 展 μ 子 衰 变 寿 命 等 实 验, 探 测 的 是 同 一 μ 子 的 到 达 与 衰 变 信 号. 因 此 只 需 考 虑 µ 子 进 入 并 停 留 在 探 测 器 塑 料 晶 体 中 衰 变 的 信 号 计 数 根 据 Bethe-Bloch 计 算 知 道 [2,4,5,10] : 当 塑 料 晶 体 尺 寸 4.7m 时, 只 需 考 虑 能 量 1Gev 的 µ 子 那 些 能 量 1Gev 进 入 的 µ 子 都 穿 过 塑 料 晶 体, 对 测 量 μ 子 衰 变 寿 命 没 有 帮 助 因 此 只 需 考 虑 能 量 1Gev 的 µ 子 能 量 与 通 量 的 关 系 用 这 些 µ 子 模 拟 它 与 探 测 器 的 相 互 作 用 得 到 停 留 在 闪 烁 体 中 μ 数 目 和 停 留 事 例 率, 通 过 对 探 测 器 的 模 拟, 可 以 为 μ 子 衰 变 寿 命 实 验 提 供 理 论 依 据 我 们 用 VC++ 语 言 编 写 的 蒙 特 卡 罗 模 拟 程 序 很 好 模 拟 自 然 μ 子 与 探 测 器 作 用 的 真 实 情 况 停 留 在 闪 烁 体 中 μ 数 目, 本 软 件 运 行 结 果 与 Geant4 软 件 运 行 结 果 非 常 接 近 进 入 样 品 中 μ 子 数 目 本 软 件 与 Geant4 软 件 运 行 结 果 [2] 得 以 提 高 2 模 拟 物 理 模 型 相 比 大 大 少 于, 停 留 事 例 率 提 高 一 个 数 量 级 软 件 运 行 时 间 大 大 缩 短, 抽 样 效 率 2.1 µ 子 与 塑 料 晶 体 探 测 器 物 质 作 用 的 计 算 几 百 Gev 以 下 的 µ 子 与 物 质 相 互 作 用 能 量 损 失 主 要 为 电 离 损 失, µ 子 与 塑 料 晶 体 电 离 能 量 损 失 的 公 式 可 用 Bethe-Bloch 公 式 [4] : de dx 1 v c h kz 2, Z 2 A 1 1 [ 2 2 1 2 2 2 2mec T Log ( 2 I max 2 ) ], k 0.30705( MeV mol 1 cm 2 ), T max 2 2 2 2mec me me 1 2 ( ) M M 2, (1) 作 者 简 介 : 杨 通 智 (1992 ), 男, 浙 江 大 学 物 理 学 系 2011 级 本 科 生 指 导 教 师 : 陈 星 (1962 ), 男, 浙 江 杭 州 人, 浙 江 大 学 物 理 学 系 高 级 实 验 师, 从 事 光 学 原 子 结 构 核 物 理 等 近 代 物 理 实 验 教 学 与 研 究 221
(1) 式 中 :N 为 阿 伏 伽 德 罗 常 数,A 为 靶 原 子 的 原 子 质 量,β 为 是 入 射 带 电 粒 子 的 相 对 论 速 度,Z 为 靶 原 子 的 电 荷 数,z 为 入 射 粒 子 的 电 荷 数,I 为 介 质 原 子 的 平 均 电 离 能,I =10Z(ev),M 为 入 射 粒 子 的 静 止 质 量 停 留 在 实 验 室 探 测 器 塑 料 晶 体 的 µ 子 能 量 可 用 Bethe-Bloch 公 式 计 算, µ 子 在 探 测 器 塑 料 晶 体 能 量 损 失 至 µ 子 静 止 能 量 0.105658GeV 时,µ 子 就 停 留 在 探 测 器 塑 料 晶 体 中, 衰 变 成 电 子 电 子 中 微 子 和 渺 子 中 微 子 动 能 当 µ 子 动 能 为 h=10(0.851116gev) 时,µ 子 能 量 为 0.956774Gev<1Gev, 在 塑 料 晶 体 ( 主 要 成 分 是 苯 乙 烯 C8H8) 射 程 为 4.2m 左 右 一 般 实 验 室 由 于 考 虑 成 本 问 题, 一 般 不 会 用 这 么 大 的 塑 料 晶 体 探 测 器 我 们 实 验 室 探 测 器 塑 料 晶 体 规 格 :40 20 5 ( cm3) 可 以 用 修 正 的 Gaisser 公 式 作 为 海 平 面 µ 子 概 率 分 布 密 度 函 数, 产 生 一 定 能 量 分 布 的 随 机 数 模 拟 1Gve 的 µ 子 进 入 塑 料 晶 体 探 测 器 的 能 量 损 失 情 况 2.2 模 拟 的 海 平 面 μ 模 型 E k 2 2 m 0c ( 1 h 1) 大 气 层 µ 子 概 率 分 布 密 度 函 数 为 修 正 的 双 微 分 流 强 分 布 Gaisser 公 式 [1,6] dn 0.14E 0 0 1 A de d cm 2 0 srsgev 1.1E 0 cos 1 115 0.054 1.1E 0 cos 1 850 r c (2) E 0 为 在 海 平 面 上 测 得 的 µ 子 能 量, E 0 为 在 大 气 层 之 上 测 得 的 µ 子 能 量 表 示 大 气 层 之 上 粒 子 入 射 方 向 与 法 线 方 向 的 夹 角 为 海 平 面 的 天 顶 角, dω=sinθdθdφ=-dcosθdφ cos x cos x 2 1 p2 2 1 2 3 5 p 1 p p p (3) x p x p p 使 用 MUSIC 宇 宙 线 模 拟 程 序 [1-3], 模 拟 确 定 的 各 常 数 值 分 别 =2.70,A=1, E 0 E 0 [1] 公 式 p p 1 4 0.102573, p 0.0407253, p, c 2 0.068287, p 5 2 0.817285 4 4 3 0.958633, 100 6 r =0, 此 情 况 对 于 E 10 Gev 就 是 原 始 的 Gaisser 0 cos 2.7 dn 0 0.14E 0 1 0.054 r 2 de 1.1 0d cm srsgev E 0cos 1.1 E 0cos c 1 1 115 850 1 100 对 于 较 低 的 能 量 E Gev cos 0 cos, 需 要 对 Gaisser 公 式 进 行 如 下 修 正 : r 10 4 (5) c (4) 3 950 E 0 E 0 2.06 10 ( 90) Gev cos A 90 cos 0.001 4.5/( E 0cos ) 1.1( ) 1030 (6) (7) 222
dn de cm^ 2s^ 1Gev^ 1 第 八 届 全 国 高 等 学 校 物 理 实 验 教 学 研 讨 会 论 文 集 ( 上 ) 公 式 (6) 3 中, 2.06 10 表 示 在 50Gev 时, 单 位 能 损 (Gev/(g*cm^2)) 950 表 示 大 气 层 的 质 量 厚 度 (g/cm^2), 950 cos 表 示 µ 子 走 的 倾 斜 距 离,90(g/cm^2) 表 示 µ 子 的 平 均 作 用 长 度, 即 是 初 级 粒 子 从 进 入 大 气 层 开 始 到 产 生 µ 子 时, 初 级 粒 子 走 过 的 距 离 A 叫 做 比 例 因 子, 其 形 式 非 常 重 要, 注 意 A 中 能 量 为 当 E (1 / cos ) Gev 0 E 0, 而 不 是 E 0 时, 需 要 再 次 修 正 3 0 7sec E 0 E (8) 10 此 时 只 需 要 在 计 算 (2),(5),(6),(7) 式 之 前 将 (8) 式 代 入 即 可 (8) 式 是 为 了 拟 合 实 验 数 据 得 到 的 经 验 公 式 根 据 2,5,6,7,8 式 做 出 µ 子 通 量 与 能 量 的 关 系 做 出 图 1 从 图 1 可 以 看 出 当 能 量 小 于 1Gev 时, 与 图 2 Super-K 等 实 验 数 据 一 样 通 量 几 乎 是 平 的 0.001 10 7 10 11 10 15 10 19 1 10 100 1000 10 4 10 5 10 6 E Gev 图 1 µ 子 通 量 与 能 量 的 关 系 ( 每 个 能 量 值 已 包 含 整 个 半 球 对 天 顶 角 积 分 ) 图 2 plots the cosmic muon energy distributions at Super-K, KamLAND, and CHOOZ. ( 每 个 能 量 值 已 包 含 整 个 半 球 对 天 顶 角 积 分 ) 3 蒙 特 卡 罗 随 机 抽 样 方 法 [7] 3.1 直 接 抽 样 方 法 可 以 将 dn/dedcosθ 看 成 是 未 归 一 化 的 二 维 概 率 密 度 分 布 函 数, 但 是 由 于 二 维 概 率 密 度 223
dn de cm^ 2s^ 1Gev^ 1 第 八 届 全 国 高 等 学 校 物 理 实 验 教 学 研 讨 会 论 文 集 ( 上 ) 分 布 积 分 解 过 于 复 杂, 不 能 直 接 得 到 解 析 的 分 布 原 函 数, 因 此 不 适 合 用 直 接 抽 样 法 3.2 舍 选 抽 样 法 基 本 步 骤 : 1) 找 出 概 率 密 度 函 数 f(x) 在 自 变 量 区 间 (a,b) 之 间 的 最 大 值 M; 2) 产 生 两 个 均 匀 的 0 1 的 随 机 数 r1=rand(), r2=rand(); 3)x=a+r1*(b-a); 4) 比 较 M*r2 与 f(x) 的 大 小, 若 M*r2<=f(x), 则 选 取 x 作 为 一 个 随 机 数 点 ; 若 M*r2>f(x), 则 重 复 (2) 反 复 执 行 (2)(3)(4) 就 可 以 产 生 足 够 多 的 粒 子 数, 此 方 法 很 容 易 推 广 到 二 维 情 况 0.00105 0.001 0.00095 0.0009 0.00085 0.0008 0.15 0.20 0.30 0.50 0.70 E Gev 1.00 图 3 µ 子 1GeV 的 能 量 与 通 量 的 关 系 ( 每 个 能 量 值 已 包 含 整 个 半 球 对 天 顶 角 积 分, 即 能 量 Eµ0 单 微 分 流 强 分 布 ) 根 据 µ 子 在 塑 料 晶 体 中 的 射 程, 只 需 考 虑 µ 子 1Gev 的 能 量 与 通 量 的 关 系 为 获 得 按 Gaisser 公 式 复 杂 函 数 形 势 分 布 的 随 机 数, 选 用 舍 选 抽 样 法 ; 步 骤 如 下 : 1) 找 出 二 维 自 变 量 E [0.105658,1],cosθ [0,1] 范 围 内 概 率 分 布 函 数 的 最 大 值 M; 2) 产 生 三 个 均 匀 的 0 1 的 随 机 数 r1=rand(), r2=rand(),r3=rand(); 3)cosθ=r1, E=(1-0.105658)*r2+0.105658; 4) 比 较 M*r3 与 f(cosθ,e) 的 大 小, 若 M*r2<=f(cosθ,E), 则 选 取 (cosθ,e) 作 为 一 个 随 机 数 点 ; 若 M*r3> f(cosθ,e), 则 重 复 (2) 据 此, 可 以 产 生 一 定 时 间 下, 天 顶 角 与 能 量 对 应 通 量 的 随 机 数 由 图 4 也 可 以 看 出 能 量 在 (0.105658, 1 GeV) 之 间 时, 通 量 基 本 上 相 同 因 此 根 据 式 (2) 函 数 所 做 舍 选 抽 样 结 果 与 图 2 Super-K 等 实 验 数 据 (0.105658, 1 GeV) 之 间 那 段 通 量 几 乎 是 平 的 曲 线 相 吻 合 3.3 抽 样 效 率 对 概 率 密 度 在 天 顶 角 余 弦 值 cosθ (0,1),E (0.105658,1) 上 的 二 重 积 分 为 0.000810255 易 验 证 概 率 密 度 在 cosθ=1 且 E=1 时 最 大, 为 0.00461681, 此 时 总 体 积 为 0.00461681*(1-0) *(1-0.105658)= 0.0041294; 因 而 抽 样 效 率 为 ε=0.000810255/0.0041294*100%=19.62%; 因 而 大 约 每 发 射 5 个 粒 子, 我 们 可 以 选 出 一 个 符 合 条 件 的 粒 子 224
图 4 发 射 10000 个 muon 子 4 µ 子 射 向 塑 料 晶 体 的 模 拟 构 筑 µ 子 从 球 面 射 向 探 测 器 塑 料 晶 体 模 型, 如 图 5, 半 球 面 球 心 与 长 方 体 探 测 器 底 面 中 心 重 合, 长 方 体 塑 料 晶 体, 长 a, 宽 b, 高 c( 单 位 :cm), 要 使 半 球 面 全 部 覆 盖 长 方 体, 球 面 半 径 R 的 平 方 必 须 大 于 a b c / 4 2 2 2 平 方 厘 米 图 5 µ 子 从 球 面 射 向 塑 料 晶 体 探 测 器 4.1 程 序 计 算 的 步 骤 [1,3] 1) 计 算 µ 子 (0, 1 GeV) 之 间 通 量 J 计 算 图 三 1GeV 面 积 并 对 整 个 立 体 角 积 分 J d dn 0 0.00509098 de 0 d 从 而 1 小 时 之 内 小 于 1Gev 的 µ 子 数 为 : 0.00509098 R (cm^-2s^-1gev^-1) 2 2 60 60 R 18.3275 (9) 此 即 为 一 小 时 之 内 发 射 的 µ 子 数,R 为 选 取 的 球 面 半 径 2) 用 上 面 介 绍 的 舍 选 抽 样 法 抽 样 出 一 个 符 合 分 布 的 µ 子, 得 到 相 应 随 机 点 (E,cosθ) 3) 初 始 µ 子 位 于 球 面 上 任 意 一 点 A( X, Y, Z )( 0 0 0 等 概 率, 随 机 生 成, ) 1 1 225
X =Rsincos 0 1 1 Y =Rsin sin 0 1 1 Z =Rcos 0 1 4) 让 µ 子 从 球 面 初 始 位 置 A( X, Y, Z 0 0 0 ), 并 以 步 骤 ( 二 ) 中 抽 样 出 来 的 天 顶 角 θ, 随 机 的 方 位 角, 步 骤 ( 二 ) 中 抽 样 出 来 的 能 量 E 朝 探 测 器 方 向 发 射 粒 子 运 动 过 程 的 位 置 表 达 式 为 : X =X dsin cos 1 1 Y =Y dsin sin 1 1 Z =Z dcos 1 1 d 为 µ 子 运 动 的 步 长 如 果 粒 子 位 置 满 足 条 件 X1<=a/2,Y1<=b/2 并 且 Z1<=c/2 认 为 粒 子 进 入 探 测 器 中, 统 计 进 入 探 测 器 的 粒 子 数 粒 子 进 入 探 测 器 后, 开 始 损 失 能 量 根 据 Bethe-Bloch 公 式, 用 变 步 长 辛 普 森 求 积 分 的 方 法 求 出 当 动 能 减 为 0 时, 粒 子 的 射 程 L X =X Lsincos 1 1 Y =Y Lsin sin 1 1 Z =Z Lcos 1 1 5) 判 断 µ 子 是 否 进 入 探 测 器 中 判 据?µ 子 是 否 停 留 在 探 测 器 的 中 判 据? 如 果 :(X1<=a/2)&&(Y1<=b/2)&&(Z1<=c/2) 则 进 入 探 测 器 的 µ 子 数 N1 增 加 1 如 果 :(X1<=a/2)&&(Y1<=b/2)&&(Z1<=c/2)&& (E<=0.105658GeV) 则 进 入 探 测 器 的 µ 子 损 失 至 µ 子 静 止 能 量 时 停 留 在 探 测 器 的 粒 子 数 N2 增 加 1; 重 复 执 行 2),3),4), 直 到 发 射 完 毕 所 有 的 粒 子 数 6) 由 于 蒙 特 卡 罗 方 法 的 随 机 性, 还 需 要 独 立 重 复 上 面 所 有 步 骤 10 次, 最 后 求 平 均 4.2 MC 模 拟 程 序 流 程 图 226
图 6 模 拟 程 序 流 程 图 4.3 料 晶 体 探 测 器 模 拟 结 果 与 讨 论 不 同 的 球 面 半 径 发 射 不 同 的 粒 子, 由 公 式 (7) 计 算 半 径 越 大, 发 射 的 粒 子 数 越 多, 没 有 进 入 探 测 器 的 粒 子 数 也 越 多 假 设 由 不 同 的 球 面 半 径 发 射 粒 子, 停 留 在 探 测 器 里 面 的 粒 227
子 数 基 本 相 同, 且 停 留 在 探 测 器 里 面 的 粒 子 数 就 是 我 们 所 需 要 的 结 果 [2,4] 表 1 塑 料 晶 体 样 品 CJ259-400*200*5( 产 品 编 号 10-K-47) 参 数 样 品 密 度 g/cm^3 尺 寸 cm^3 主 要 成 分 1 40*20*5 2 30*15*15 3 1.06 10*10*20 4 15*15*20 5 20*20*20 苯 乙 烯 C8H8 模 拟 自 然 条 件 下 经 历 1 小 时 的 情 况 图 7 样 品 1 运 行 情 况 ( 发 射 100000 个 μ 子 ) 由 表 2, 可 以 看 出, 每 一 次 发 射 粒 子 停 留 在 探 测 器 里 面 的 粒 子 数 停 留 事 例 率 偏 差 都 不 大 这 些 偏 差 是 由 于 蒙 特 卡 罗 方 法 本 身 的 随 机 性, 因 此 我 们 建 立 的 模 型 是 正 确 的, 自 然 条 件 下, 经 历 1 小 时, 停 留 在 我 们 的 探 测 器 的 粒 子 数 平 均 为 :95 个 ; 平 均 停 留 事 例 率 为 4.363% [2,4] 表 2 样 品 1 不 同 球 面 半 径 R, 模 拟 自 然 条 件 下 经 历 1 小 时 运 行 结 果 和 µ 子 平 均 停 留 事 例 率 球 面 半 径 (R) 单 位 :cm 发 射 粒 子 数 进 入 探 测 器 的 粒 子 数 停 留 在 探 测 器 的 粒 子 数 停 留 事 例 率 40.0000 29325 2237 93 4.157% 60.0000 65980 2166 94 4.340% 73.8666 100000 2146 93 4.334% 80.0000 117297 2154 96 4.457% 90.0000 148453 2138 94 4.397% 100,0000 183276 2158 97 4.495% 228
图 8 样 品 2 运 行 情 况 ( 发 射 100000 个 μ 子 ) 表 3 样 品 2 3 4 5 6 停 留 样 品 中 μ 数 目 本 软 件 运 行 结 果 与 Geant4 软 件 运 行 结 果 比 较 ( 发 射 100000 个 μ 子 ) [2,4] 样 品 本 软 件 Geant4 软 件 样 品 2 116 114 样 品 3 42 49 样 品 4 停 留 在 闪 烁 体 中 μ 73 70 样 品 5 数 目 121 117 表 4 样 品 2 3 4 5 6 进 入 样 品 中 μ 数 目 本 软 件 运 行 结 果 与 Geant4 软 件 运 行 结 果 比 较 ( 发 射 100000 个 μ 子 ) 停 留 事 例 率 K /hour % 样 品 本 软 件 K /hour % Geant4 软 件 K /hour % 样 品 2 1703 6.811% 20198 0.5644% 样 品 3 进 入 探 测 器 897 6.752% 7117 0.6885% 样 品 4 的 粒 子 1096 6.660% 13114 0.5338% 样 品 5 1669 7.250% 20198 0.5703% 从 表 3 看 到, 停 留 样 品 中 μ 子 数 目 本 软 件 运 行 结 果 与 Geant4 软 件 运 行 结 果 非 常 接 近 表 4 看 出 : 进 入 样 品 中 μ 子 数 目 本 软 件 与 Geant4 软 件 运 行 结 果 相 比 大 大 少 于, 停 留 事 例 率 提 高 一 个 数 量 级 原 因 是 本 软 件 根 据 Bethe-Bloch 公 式 计 算 表 明 塑 料 晶 体 尺 寸 4.7m 左 右 时, 只 需 考 虑 能 量 1Gev 的 µ 子 软 件 运 行 时 间 大 大 缩 短, 抽 样 效 率 可 以 提 高 模 拟 与 实 验 相 对 照, 验 证 程 序 的 正 确 性 验 证 完 毕 后, 就 可 以 利 用 程 序, 停 留 样 品 中 μ 子 数 目 本 改 变 探 测 器 尺 寸, 找 出 最 佳 探 测 器 尺 寸 5 结 束 语 μ 子 寿 命 测 量 虽 然 已 经 有 好 几 种 可 行 方 案 [2,4,8,9] 实 验 数 据 与 真 实 情 况 是 否 符 合? 用 蒙 特 卡 罗 方 法 模 拟 产 生 随 机 μ 子 的 方 法 可 以 指 导 方 案 改 进 使 实 验 数 据 分 布 和 实 际 的 μ 子 分 布 相 吻 合 229
参 考 文 献 : [1] Alfred Tang and Glenn Horton-Smith Muon simulations for Super-Kamiokande, KamLAND, CHOOZ, Phys. Rev. D74, 2006,053007. [2] 吕 治 严, 李 澄, 吴 雨 生 宇 宙 线 μ 轻 子 寿 命 测 量 实 验 和 电 子 学 设 计 [J] 核 电 子 学 与 探 测 技 术,2010,30 (1):96-100 [3] T K Gaisser, T Stanev. Phys. Lett.B, 2004, 592: 228. [4] 吕 治 严 宇 宙 线 _ 子 寿 命 测 量 实 验 及 电 子 学 设 计 [D] 合 肥 : 中 科 大 近 代 物 理 系,2009 [5] 汪 晓 莲, 李 澄, 邵 明, 等 粒 子 探 测 技 术 合 肥 : 中 国 科 学 技 术 大 学 出 版 社,2009 [6] 谭 新 建, 冯 朝 阳, 谢 一 冈, 等 宇 宙 线 μ 用 于 反 应 堆 燃 料 元 件 成 像 的 尝 试 性 模 拟 研 究 [J] 原 子 能 科 学 技 术,2010,44(3):344-347 [7] 任 少 军, 桑 文 斌, 金 玮, 等 CdZnTe 核 探 测 器 的 蒙 特 卡 罗 模 拟 的 初 步 研 究 [J] 高 能 物 理 与 核 物 理,2004,28(2):191~195 [8] 林 延 畅, 陈 少 敏, 高 原 宁, 等 μ 子 寿 命 测 量 与 高 能 物 理 实 验 创 造 性 人 才 的 培 养 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2008,25 (9):19 [9] 程 敏 熙, 符 合 测 量 实 验 方 法 研 究 [J] 大 学 物 理,2008,21(6):28 [10] 车 彦 明, 陈 拓, 陈 星 α 粒 子 能 损 法 精 确 测 量 膜 厚 [J] 物 理 实 验,2010,30(12):24~27 Monte carlo simulation of plastic crystal detection of cosmic ray muons measurement Yang Tong-Zhi, Chen Xing (Department of Physics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) Abstract: The sea level correction formula to simulate the real situation Gaisser child and probe the role of natural μ, using VS-2010 Compiler preparation of MC simulation software. For the number of stay in the scintillator μ son, the software operating results and operating results are very close Geant4 software. For entering the number of sub-detectors μ: This software is much less than the results Geant4 software operating results, the rate stays case an order of magnitude. Software running time is shortened, the efficiency can be improved. Key words: sea Gaisser formula; Choose sampling method; μ Stay case rate 230
光 子 计 数 器 在 液 芯 光 纤 谱 仪 中 的 应 用 陆 国 会, 卢 杰 ( 吉 林 大 学 物 理 学 院, 吉 林 长 春 130021) 摘 要 : 将 光 子 计 数 器 应 用 于 液 芯 光 纤 光 谱 仪 中, 改 善 了 信 噪 比, 提 高 了 拉 曼 谱 的 测 试 灵 敏 度, 降 低 了 仪 器 的 成 本 和 体 积 在 拉 曼 光 谱 的 测 试 中 取 得 了 理 想 的 效 果 关 键 词 : 光 子 计 数 器 ; 液 芯 光 纤 谱 仪 ; 拉 曼 光 谱 1 引 言 在 光 谱 测 试 仪 器 中 光 信 号 提 取 是 仪 器 研 制 的 重 点 和 难 点, 应 根 据 信 号 的 强 弱 选 择 相 应 的 探 测 器 件 及 探 测 方 法 而 其 中 弱 光 信 号 的 处 理 则 要 求 更 高 弱 光 信 号 很 容 易 被 环 境 和 探 测 器 及 电 路 的 噪 声 所 掩 盖, 因 此 需 要 有 从 噪 声 中 提 取, 恢 复 和 放 大 信 号 的 技 术 措 施 通 常 的 噪 声 是 随 机 的, 分 布 在 很 宽 的 频 谱 范 围 内 它 们 的 频 谱 分 布 和 信 号 的 频 谱 分 布 不 相 重 叠, 也 没 有 同 步 关 系 因 此 可 以 采 用 压 缩 通 频 带 和 信 号 多 次 同 步 取 样 积 累 的 技 术, 可 以 明 显 改 善 信 噪 比 一 般 采 用 锁 相 放 大 技 术, 取 样 积 分 器, 光 子 计 数 器 技 术 而 当 光 功 率 为 10-17 W 时, 光 子 通 量 约 为 100 个 光 子 / 秒 (1), 这 比 普 通 的 光 电 倍 增 管 的 噪 声 还 要 低, 即 使 采 用 弱 光 调 制, 用 锁 相 放 大 器 来 提 取 信 号 也 难 以 实 现, 而 光 子 计 数 器 由 于 采 用 分 立 的 光 子 产 生 的 电 脉 冲 来 测 定 光 通 量, 由 此 倍 受 人 们 的 青 睐 我 们 把 这 一 技 术 应 用 于 液 芯 光 纤 谱 仪 中 收 到 了 良 好 的 效 果 2 液 芯 光 纤 谱 仪 液 芯 光 纤 谱 仪 是 应 用 于 液 态 或 溶 于 液 态 的 物 质 的 拉 曼 谱 的 测 试 液 芯 光 纤 是 将 待 测 样 品 注 入 极 细 的 空 心 光 纤 内, 然 后 将 激 发 光 耦 合 入 光 纤 内, 形 成 光 波 导 这 种 方 法 具 有 信 号 强 度 高, 信 噪 比 高 及 使 用 样 品 数 量 少 的 特 点, 在 测 试 拉 曼 光 谱 是 具 有 极 大 的 优 越 性, 倍 受 人 们 的 关 注 一 般 在 测 试 普 通 拉 曼 光 谱 时 可 以 提 高 光 谱 强 度 103 数 量 级 (2), 如 采 用 共 振 拉 曼 或 受 激 拉 曼 则 可 以 提 高 106~109 数 量 级 (3) 该 仪 器 与 普 通 的 光 纤 光 谱 仪 具 有 本 质 的 区 别, 一 般 的 光 纤 光 谱 仪 是 将 光 纤 作 为 传 光 介 质, 而 该 仪 器 所 用 的 光 纤 具 有 信 号 增 强 及 样 品 池 的 双 重 作 用, 特 点 鲜 明 该 仪 器 有 光 源, 液 芯 光 纤, 光 耦 合 器, 光 栅 单 色 仪, 光 子 计 数 器 及 计 算 机 控 制 等 部 分 组 成, 其 结 构 图 如 下 : 图 1 液 芯 光 纤 光 谱 仪 原 理 图 3 光 子 计 数 器 光 子 计 数 器 是 测 量 弱 光 的 一 种 最 灵 敏 的 方 法 之 一 首 先, 它 是 通 过 分 立 光 子 产 生 的 电 脉 冲 来 测 定 光 量, 因 此 系 统 的 灵 敏 度 高, 信 噪 比 较 高, 由 于 采 用 电 脉 冲 计 数 技 术, 降 低 了 对 供 231
电 电 源 的 要 求, 从 而 提 高 了 系 统 的 稳 定 性 其 次, 排 除 了 直 流 漏 电 和 输 出 零 漂 等 原 因 造 成 的 测 量 误 差 光 子 计 数 器 的 输 出 可 以 直 接 送 计 数 卡 供 计 算 机 采 集 数 据 3.1 工 作 原 理 光 子 计 数 技 术 一 般 用 与 测 量 小 于 10-14 连 续 弱 光 信 号, 假 如 我 们 测 试 的 拉 曼 光 谱 的 强 度 是 10-14 W, 其 激 发 光 的 波 长 为 532nm, 那 么 它 发 射 的 光 子 速 率 为 14 14 14 9 10 10 10 53210 4 n 2.710 ( 个 / 秒 ) 34 8 h hc 6.6310 310 其 中 : 为 光 波 频 率, 为 波 长, h 为 普 朗 克 常 数, c 为 光 速 以 下 为 其 原 理 图 2: 图 当 n 个 光 子 照 射 到 光 电 阴 极 上, 如 光 电 阴 极 的 量 子 效 率 为 η 那 么 会 发 射 η n 个 分 立 的 光 电 子 每 个 光 电 子 被 电 子 倍 增 极 放 大, 到 达 阳 极 的 电 子 数 可 达 10 5 ~10 7 个, 这 些 电 子 构 成 宽 度 5~10nm 输 出 脉 冲, 它 的 幅 值 按 中 间 值 计 算 为 : 把 幅 值 经 放 大 器 放 大, 甄 别 器 比 较 后 就 可 以 为 计 数 卡 计 数 实 际 上, 光 电 倍 增 管 的 输 出 端 除 了 光 子 形 成 的 脉 冲 外 还 有 其 他 的 几 种 脉 冲,(1) 光 电 阴 极 发 射 的 热 电 子 噪 声, 它 和 光 电 子 的 一 样, 经 倍 增 极 放 大, 形 成 幅 值 相 同 的 电 脉 冲 (2) 各 倍 增 极 发 射 的 热 电 子 脉 冲, 它 的 幅 值 小 于 光 电 子 脉 冲 的 幅 值 而 只 计 那 些 光 电 子 和 阴 极 热 电 子 的 脉 冲 为 了 从 光 子 和 热 电 子 发 射 的 脉 冲 总 数 中 分 离 出 光 子 数, 通 常 采 用 冷 却 光 电 倍 增 管 和 选 取 低 噪 声 的 光 电 倍 增 管 的 方 法 3.2 光 电 倍 增 管 的 挑 选 图 2 光 电 计 数 器 信 号 处 理 原 理 6 19 Q 10 1.610 6 I 1610 ( A) 9 T 1010 我 们 选 择 了 北 京 滨 松 光 电 有 限 责 任 公 司 生 产 的 CR110 型 光 电 倍 增 管, 它 的 特 点 是 锑 铯 光 阴 极, 硼 硅 玻 壳,II 极 倍 增, 端 窗 型, 高 灵 敏 度, 高 稳 定 性, 低 暗 噪 声, 光 电 疲 劳 特 性 小, 300~650nm 光 谱 响 应, 其 光 谱 响 应 曲 线 和 灵 敏 度 见 下 图 : 图 3 典 型 光 谱 响 应 曲 线 232
我 们 测 试 的 拉 曼 谱 位 于 可 见 波 段 500~600nm, 因 此 完 全 满 足 设 计 要 求 3.3 放 大 器 和 甄 别 器 的 选 择 放 大 器 采 用 AD8032, 它 是 一 个 双 运 放, 放 大 倍 数 大 于 100 倍, 频 宽 80MHz, 甄 别 器 采 用 Max902EPD, 它 是 高 速, 低 功 耗, 对 于 100mV 的 弱 输 入 信 号 也 能 够 工 作, 而 且 波 形 稳 定, 工 作 可 靠 甄 别 器 选 择 比 较 电 压 正 好 能 够 抑 制 倍 增 极 的 热 电 子 噪 声, 而 能 够 让 光 电 子 的 脉 冲 和 光 阴 极 的 热 电 子 脉 冲 通 过, 而 光 阴 极 的 热 电 子 脉 冲 已 通 过 光 电 倍 增 管 的 冷 却 和 挑 选 得 以 解 决, 计 算 机 则 可 通 过 PCL839 计 数 卡 实 现 单 位 时 间 的 光 电 子 脉 冲 计 数 ( 光 谱 ) 的 记 录 而 完 成 数 据 的 采 集 光 子 计 数 器 由 于 使 用 的 器 件 比 较 少, 电 路 简 单, 因 此 可 以 明 显 减 少 仪 器 的 体 积 及 制 造 的 成 本, 这 对 液 芯 光 纤 谱 仪 的 商 品 化 及 推 向 市 场 非 常 有 利 4 拉 曼 光 谱 的 实 际 测 试 我 们 采 用 光 子 计 数 技 术 完 成 了 液 芯 光 纤 拉 曼 谱 仪 的 信 号 接 收 与 采 集, 保 证 了 该 仪 器 的 成 功 研 制 以 下 是 我 们 测 试 的 一 条 苯 的 拉 曼 光 谱 曲 线, 其 中 有 些 弱 的 振 动 谱 线 也 能 够 测 试 出 来 图 4 C6H6 的 拉 曼 光 谱 图 5 结 论 我 们 设 计 的 光 子 计 数 器, 能 够 满 足 测 试 拉 曼 谱 的 要 求, 光 电 倍 增 管 的 灵 敏 度 与 测 试 拉 曼 谱 达 到 最 佳 的 匹 配,, 放 大 器 与 甄 别 器 能 够 满 足 频 率 特 性, 对 弱 的 谱 线 也 能 够 测 试 出 来, 效 果 比 较 理 想 该 系 统 如 能 在 光 电 倍 增 管 冷 却 及 放 大 器 性 能 等 方 面 得 以 改 进, 则 可 以 广 泛 用 于 其 他 的 弱 光 信 号 的 测 试 中 参 考 文 献 : [1] 光 电 技 术 缪 家 鼎, 等 99-100 [2] Li Zuo, Wei et al. Chinese Physics Letter, 1993, 10(10): 409. [3] Li Zuo, Wei et al, Spectroscopy Letter, 2001, 34(5): 569. 233
Photon counting applied to Raman Spectrometer of core optics fiber LU Guo-Hui, LU Jie (Physics department, Jilin University, ChangChun 130021, China) Abstract: Photon counting is applied to the spectrometer of Raman spectrum of core fiber, which improves the signal-to-noise ratio and decreases the volume of spectrometer and cost.the result of testing is very good. Key words: photon counting; Raman spectrometer of core fiber; Raman spectrum 234
60 Co γ 射 线 铅 的 吸 收 系 数 测 量 实 验 的 数 据 拟 合 法 张 国 强, 边 纪, 方 恺, 张 志 华, 杜 艾, 赫 丽 ( 同 济 大 学 物 理 科 学 与 工 程 学 院, 上 海 200092) 摘 要 : 本 文 介 绍 了 一 种 计 算 60 Co 的 γ 射 线 物 质 吸 收 系 数 的 新 方 法 利 用 NaI(Tl) 闪 烁 晶 体 探 测 器 测 量 60 Co 元 素 放 射 的 1.17MeV 和 1.33 MeV 两 种 γ 射 线 的 初 始 强 度 比, 通 过 数 据 拟 合 法 和 分 别 测 量 法 两 种 方 法 测 定 了 铅 片 对 两 种 γ 射 线 各 自 的 吸 收 系 数, 并 分 别 将 两 种 测 量 单 能 射 线 吸 收 系 数 的 方 法 得 出 的 结 果 同 标 准 吸 收 系 数 进 行 了 比 较, 新 的 数 据 拟 合 法 优 于 原 来 的 分 别 测 量 法 关 键 词 : 数 据 拟 合 法 ; 吸 收 系 数 ; 60 Co;γ 射 线 1 引 言 γ 射 线 吸 收 系 数 的 测 定 实 验 是 近 代 物 理 实 验 课 程 里 的 实 验 内 容, 实 验 内 容 包 括 利 用 NaI(Tl) 闪 烁 晶 体 探 测 器 测 定 137 Cs 的 能 量 为 0.661 MeV 的 γ 射 线 以 及 60 Co 的 能 量 为 1.17 MeV 和 1.33 MeV 的 γ 射 线 吸 收 系 数 [1-3] 其 中,NaI(Tl) 闪 烁 晶 体 探 测 器 得 到 的 137 Cs 能 谱 中 只 有 一 个 全 能 峰, 数 据 处 理 时 扣 除 能 谱 图 的 本 底 后, 利 用 相 应 公 式 通 过 最 小 二 乘 法 进 行 数 据 拟 合 就 可 以 获 得 吸 收 系 数 60 Coγ 射 线 包 含 能 量 为 1.17 MeV 和 1.33 MeV 射 线, 相 应 的 在 NaI(Tl) 闪 烁 晶 体 探 测 器 得 到 的 60 Co 能 谱 中 就 有 两 个 全 能 峰 教 材 中 介 绍 了 两 种 数 据 处 理 的 方 法 : 第 一 种 方 法 是 分 别 测 量 法 : 分 别 取 1.17 MeV 和 1.33 MeV 射 线 的 全 能 峰 进 行 计 算, 获 得 两 种 射 线 各 自 的 吸 收 系 数 这 种 方 法 中, 由 于 两 种 射 线 的 能 量 相 差 不 大, 全 能 峰 的 谱 线 相 互 重 叠,NaI(Tl) 闪 烁 探 测 器 对 γ 射 线 很 灵 敏, 造 成 本 底 计 数 比 较 高, 无 法 准 确 地 扣 除 本 底, 难 以 准 确 获 得 两 个 全 能 峰 各 自 的 吸 收 系 数 第 二 种 方 法 是 整 体 测 量 法 : 将 两 个 全 能 峰 作 为 一 个 整 体 来 处 理, 测 量 能 量 为 1.25MeV 的 综 合 峰 这 种 方 法 虽 然 解 决 了 由 于 全 能 峰 能 谱 相 互 交 叠 的 问 题, 但 无 法 单 独 确 定 两 种 能 量 峰 的 吸 收 系 数 我 们 基 于 以 上 两 种 方 法, 找 到 了 一 种 新 的 数 据 处 理 方 式, 既 可 以 分 别 测 定 60 Co 1.17 MeV 和 1.33 MeV 的 γ 射 线 吸 收 系 数, 同 时 又 可 以 成 功 避 免 由 于 全 能 峰 交 叠 带 来 的 本 地 扣 除 的 问 题 在 新 的 方 法 中, 首 先 测 定 60 Coγ 射 线 中 两 种 不 同 能 量 射 线 的 强 度 比 ; 然 后 测 定 整 体 射 线 吸 收 系 数 与 铅 片 的 厚 度 之 间 的 关 系 ; 再 通 过 数 据 拟 合, 就 可 以 求 得 两 种 射 线 各 自 的 吸 收 系 数 利 用 这 种 新 的 方 法 测 得 的 吸 收 系 数, 其 相 对 误 差 小 于 原 有 的 实 验 方 法 获 得 的 结 果 2 实 验 原 理 2.1 NaI(Tl) 闪 烁 晶 体 探 测 器 工 作 原 理 NaI(Tl) 闪 烁 晶 体 探 测 器 由 闪 烁 体 光 电 倍 增 管 和 相 应 的 电 子 仪 器 三 部 分 组 成 [3] 探 测 器 的 前 端 是 NaI 闪 烁 晶 体, 当 射 线 进 入 闪 烁 体 时 产 生 次 级 电 子, 使 闪 烁 体 分 子 电 离 和 激 发, 退 激 发 时 产 生 大 量 光 子 当 闪 烁 光 子 入 射 到 光 电 倍 增 管 阴 极 上, 由 于 光 电 效 应 就 会 产 生 光 电 子 光 电 子 受 极 间 电 场 加 速 和 聚 焦, 在 各 级 打 拿 极 上 发 生 倍 增, 最 后 被 阳 极 收 集 后 产 生 电 流 脉 冲 2.2 γ 射 线 的 物 质 吸 收 系 数 γ 跃 迁 可 定 义 为 核 由 高 激 发 态 到 较 低 的 激 发 态, 而 原 子 序 数 和 质 量 数 均 保 持 不 变 的 退 激 发 过 程 γ 射 线 与 物 质 的 相 互 作 用 在 单 次 事 件 中 便 能 导 致 完 全 的 吸 收 或 散 射 我 们 研 究 的 对 象 为 窄 束 γ 射 线, 不 考 虑 散 射 成 分, 并 可 认 为 窄 束 γ 射 线 穿 透 物 质 时 能 量 不 变, 而 强 度 逐 渐 减 弱 235
γ 射 线 强 度 随 厚 度 的 衰 减 服 从 指 数 规 律 [4], 即 : -ux ur / e I0e 0 (1) 上 式 中,I 0 I 分 别 为 穿 过 物 质 前 后 γ 射 线 强 度,x 是 物 质 厚 度,u 是 该 物 质 线 性 吸 收 系 数 为 了 消 除 密 度 影 响, 引 入 质 量 厚 度 R x 来 表 示 吸 收 体 厚 度, 其 中 为 物 质 的 密 度 由 于 在 相 同 实 验 条 件 下, 某 一 时 刻 计 数 率 N 总 与 该 时 刻 的 γ 射 线 强 度 I 成 正 比, 则 N N e -ur/ 0 (2) 则 吸 收 系 数 u 为 N u ln (3) R N 0 这 种 求 吸 收 系 数 的 方 法 可 应 用 于 计 算 具 有 单 一 能 量 的 γ 射 线 ( 如 137 Cs 放 射 源 发 出 的 γ 射 线 ) 的 吸 收 系 数 60 Co 放 射 源 发 出 的 γ 射 线 包 含 能 量 为 1.17MeV 的 射 线 1 和 能 量 为 1.33MeV 的 射 线 2, 利 用 (2) 式 可 得 : N -ux -u 1 x )e -u 2 x 0e N e N (1-0 0 (4) 其 中,u 1 u 2 分 别 为 该 材 料 对 单 能 射 线 1 射 线 2 的 吸 收 系 数, 与 1 分 别 为 射 线 1 射 线 2 的 初 始 射 线 强 度 与 总 强 度 之 比 由 (4) 式 得 : ln[ e u 1x ( 1 )e x u u2x ] (5) 其 中 I I 可 以 通 过 测 定 初 始 时 两 种 射 线 强 度 确 定 10 10 (6) 0 显 然, 这 时 的 吸 收 系 数 u 与 物 质 厚 度 x 有 关 测 定 了 u 和 x 之 间 的 关 系 后, 就 可 以 利 用 数 值 拟 合 的 方 法, 确 定 两 种 射 线 各 自 的 吸 收 系 数 u 1 和 u 2 3 实 验 内 容 和 数 据 处 理 3.1 实 验 内 容 本 实 验 中, 实 验 装 置 和 器 材 包 括 :1γ 放 射 源 60 Co( 强 度 1.5 微 居 里 );2 窗 NaI(Tl) 闪 烁 探 头 ;3Pb 吸 收 片 若 干 实 验 调 节 和 测 量 步 骤 包 括 :1) 调 整 实 验 装 置, 使 放 射 源 准 直 孔 闪 烁 探 测 器 的 中 心 位 于 一 条 直 线 上 ;2) 在 闪 烁 探 测 器 和 放 射 源 之 间 加 上 0 1 2 片 已 知 质 量 厚 度 的 吸 收 片, 进 行 定 时 测 量, 并 保 存 实 验 谱 图 ;3) 计 算 所 要 研 究 的 光 电 峰 净 面 积 A i,a i 对 应 公 式 中 的 I i N i, 其 值 为 总 面 积 A g 和 本 底 A b 的 差 值 ;4) 分 别 用 数 据 拟 合 法 和 原 来 的 分 别 测 量 法 计 算 两 种 射 线 的 吸 收 系 数, 与 两 种 射 线 的 标 准 吸 收 系 数 进 行 比 较 3.2 数 据 处 理 方 法 本 实 验 中, 数 据 处 理 的 关 键 是 双 峰 净 面 积 的 确 定 如 图 1 所 示, 分 别 测 量 法 测 量 N N 0 60 Co 236
的 双 能 射 线 吸 收 系 数 时,A 1 和 A 2 分 别 为 全 能 峰 1 和 峰 2 的 净 面 积,A a 和 A b 为 相 应 的 本 底 数 据 拟 合 法 确 定 的 测 量 60 Co 的 双 能 射 线 吸 收 系 数 时, 总 的 净 面 积 为 全 能 峰 1 和 峰 2 的 净 面 积 之 和, 总 的 本 底 为 全 能 峰 1 和 峰 2 的 本 底 之 和 [3] 图 1 Co 源 双 峰 本 底 示 意 图 4 实 验 结 果 与 讨 论 4.1 确 定 1.17MeV 射 线 强 度 与 总 射 线 强 度 比 值 在 放 射 源 和 NaI(Tl) 单 晶 γ 闪 烁 晶 体 探 测 器 之 间 不 放 置 铅 板 时, 测 得 60 Co 的 能 量 为 1.17MeV 和 1.33MeV 的 两 种 γ 射 线 的 综 合 峰 的 净 面 积 N 0 =5330, 其 中 能 量 为 1.17MeV 的 γ 射 线 的 全 能 峰 的 净 面 积 N 10 =2658, 则 1.17MeV 射 线 强 度 与 总 射 线 强 度 比 值 为 : N 10 2658 0.498 (7) N 5330 0 由 (7) 计 算 结 果 表 明 : 60 Co 放 射 的 初 始 射 线 中, 能 量 为 1.17MeV 的 γ 射 线 强 度 与 总 的 射 线 强 度 比 值 为 0.498 实 际 上, 60 Co 经 过 一 次 衰 变 成 为 处 在 2.5MeV 激 发 态 的 60 Ni, 60 Ni 的 激 发 态 的 寿 命 极 短, 它 放 出 能 量 分 别 为 1.17MeV 和 1.33MeV 的 两 种 γ 射 线 而 跃 迁 到 基 态 [5] 4.2 用 数 据 拟 合 法 确 定 γ 射 线 单 能 射 线 吸 收 系 数 表 1 确 定 总 吸 收 系 数 u 与 铅 块 厚 度 x 之 间 关 系 铅 厚 度 x 总 面 积 N 0 净 面 积 N 1 u(cm -1 ) (cm) 0 14614 5330 ----- 0.3976 12594 4059 0.685 0.7880 9481 3040 0.713 1.1832 7561 2196 0.750 1.5746 5271 1850 0.672 利 用 公 式 (5), 通 过 Mathematica 计 算 软 件 的 FindFit 函 数 做 数 值 拟 合, 得 1.17MeV 射 线 的 吸 收 系 数 u 1 和 1.33MeV 射 线 的 吸 收 系 数 u 2 : u1 0. 736cm 1 u 2 0. 675cm 通 过 数 据 拟 合 的 结 果 可 知, 铅 元 素 对 1.17MeV 射 线 的 吸 收 系 数 大 于 1.33MeV 射 线 的 吸 收 系 数 1 237
4.3 用 分 别 测 量 法 确 定 γ 射 线 单 能 吸 收 系 数 图 2 铅 片 厚 度 与 N 1 / N0 关 系 利 用 公 式 (1), 通 过 最 小 二 乘 法 拟 合 数 据 并 作 图 2 由 图 2 可 知, 随 着 铅 块 厚 度 的 增 加, 两 种 能 量 射 线 的 强 度 都 在 变 弱 从 图 2 中 可 以 得 到 能 量 为 1.17MeV 和 1.33MeV 射 线 的 吸 收 1 1 系 数 u 1 u 2 分 别 为 0.837cm 和 0.539cm 4.4 比 较 两 种 方 法 测 量 结 果 由 参 考 文 献 [6] 中 提 供 的 γ 射 线 的 能 量 E(MeV) 和 吸 收 系 数 u(cm -1 ) 的 关 系 (E,u), 分 别 是 (0.5,1.640) (1.0,0.776) (1.5,0.581) 和 (2.0,0.518) [6] 利 用 Mathematica 软 件 FinfFit 函 数 进 行 拟 合, 可 得 能 量 E 和 吸 收 系 数 u 之 间 的 关 系 为 u(e) 537.879e -0.306(E 3.994) 2 0.553 (8) 由 公 式 (8) 作 图, 可 得 图 3 中 的 u 1 曲 线, 并 分 别 用 u 2 和 u 3 标 注 出 拟 合 法 和 分 别 测 量 法 得 到 的 γ 射 线 的 吸 收 系 数 根 据 此 式 即 可 计 算 出 1.17MeV 和 1.33MeVγ 射 线 吸 收 系 数 分 别 为 0.707 和 0.642cm -1, 以 此 作 为 吸 收 系 数 u 的 标 准 值 图 3 γ 射 线 吸 收 系 数 与 能 量 的 关 系 将 用 拟 合 法 分 别 测 量 法 获 得 的 结 果 与 标 准 值 相 比 较, 由 表 2 可 知, 数 据 拟 合 法 得 出 的 结 果 误 差 较 小, 与 分 别 测 量 相 比 有 显 著 的 优 点 238
γ 射 线 能 量 (MeV) [6] 表 2 比 较 两 种 方 法 测 量 u1 和 u2 的 误 差 标 准 值 u(cm -1 ) 拟 合 法 u(cm -1 ) 拟 合 法 百 分 差 分 别 测 量 法 u(cm -1 ) 分 别 测 量 法 百 分 差 1.17 0.707 0.736 4% 0.837 18% 1.33 0.642 0.675 5% 0.540 16% 5 结 论 本 文 提 出 了 一 种 计 算 γ 射 线 物 质 吸 收 系 数 的 新 方 法 通 过 用 两 种 方 法 分 别 测 量 铅 对 1.17MeV 和 1.33MeV 两 种 60 Coγ 射 线 的 吸 收 系 数 并 与 标 准 值 进 行 对 比 发 现, 数 值 拟 合 法 测 得 u 1 和 u 2 值 相 对 误 差 远 小 于 分 别 测 量 所 得 的 值 由 此 可 以 看 出, 对 于 测 量 含 多 种 能 量 谱 线 的 γ 射 线 中 各 个 能 量 射 线 的 吸 收 系 数 来 说, 数 值 拟 合 法 是 一 种 全 新 的 方 式 参 考 文 献 : [1] 谢 筱 翊, 陈 玲 燕 相 对 论 效 应 实 验 中 的 数 据 处 理 [J] 物 理 实 验,1990,10(2):51~54 [2] 陈 玲 燕, 顾 牡, 秦 树 基, 等 相 对 论 效 应 实 验 谱 仪 的 系 列 教 学 实 验 [J] 物 理 实 验,2000, 20(3): 3~5 [3] 同 济 大 学 物 理 实 验 中 心 近 代 物 理 实 验 讲 义,2013:78~98 [4] 黄 新 民, 解 挺 材 料 分 析 测 试 方 法 [M] 北 京 : 国 防 工 业 出 版 社,2008:8 [5] 杨 福 家 原 子 物 理 学 [M] 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社,2008:356~356 [6] 刘 克 桓 物 理 教 师 手 册 [M] 北 京 : 人 民 教 育 出 版 社,1998:980~981 Data fitting method in γ-ray of 60 Co plumbous absorptioncoefficient ZHANG Guo-qiang, BIAN Ji, FANG Kai, ZHANG Zhi-hua, DU Ai, HE Li (School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China) Abstract: This paper introduces that NaI (Tl) scintillation crystal detector measured the original strength specific value of 60 Co1.17MeV and 1.33MeV gamma rays. By data fitting and respective measuring two methods to measures each plumbous absorption coefficient of 1.17MeV and 1.33 MeVgammarays. Comparing the results withstandard absorption coefficients, and the data fitting method is much better than the respective measuring. Key words: data fitting; absorption coefficient; gamma rays 239
量 子 纠 缠 实 验 中 SPDC 光 谱 分 布 的 计 算 分 析 与 实 验 研 究 孙 文 博, 王 合 英, 陈 宜 保, 陈 宏 ( 清 华 大 学 物 理 系, 北 京 100084) 摘 要 : 在 量 子 纠 缠 教 学 实 验 中, 学 生 对 纠 缠 光 子 产 生 机 制 及 所 处 光 场 分 布 特 征 不 甚 了 解, 而 造 成 实 验 过 程 中 纠 缠 点 定 位 调 节 具 有 盲 目 性 低 效 性 针 对 这 一 问 题, 本 文 在 理 论 上 详 细 分 析 了 该 教 学 实 验 中 用 于 纠 缠 光 子 对 产 生 的 II 类 自 发 参 量 下 转 换 (SPDC) 光 场 光 谱 分 布 特 征, 通 过 数 值 模 拟 给 出 403nm 连 续 激 光 光 源 通 过 BBO 晶 体 产 生 的 II 类 SPDC 光 场 信 号 光 分 布 曲 线 据 此 设 计 了 SPDC 过 程 产 生 的 806nm 光 子 分 布 测 量 实 验, 实 验 结 果 与 模 拟 结 果 相 一 致 关 键 词 : 量 子 纠 缠 ; 双 光 子 纠 缠 源 ; 自 发 参 量 下 转 换 ; 二 类 相 位 匹 配 ; 光 谱 分 布 1 引 言 量 子 纠 缠 实 验 作 为 本 科 生 基 础 训 练 实 验, 在 清 华 大 学 近 代 物 理 实 验 室 已 开 课 5 年 有 余 [1,2], 在 教 学 实 践 中, 受 到 学 生 好 评 但 我 们 发 现 在 学 生 的 实 验 过 程 中 极 易 出 现 对 纠 缠 光 子 产 生 机 制 及 所 处 光 场 分 布 特 征 不 甚 了 解, 而 造 成 实 验 过 程 中 纠 缠 点 定 位 调 节 具 有 盲 目 性 低 效 性 的 情 况 这 一 方 面 降 低 了 学 生 成 功 搭 建 高 品 质 纠 缠 源 的 可 能, 延 长 了 课 内 教 学 所 需 时 间, 另 一 方 面 也 阻 碍 了 学 生 对 实 验 中 所 体 现 的 物 理 概 念 物 理 规 律 的 理 解, 使 学 生 更 难 于 对 整 个 实 验 设 计 理 念 有 很 好 的 把 握 针 对 这 一 情 况, 本 文 详 细 分 析 实 验 中 纠 缠 光 子 所 在 光 场 的 光 谱 分 布 特 征, 并 作 相 应 数 值 模 拟, 以 期 给 实 验 教 学 带 来 裨 益 量 子 纠 缠 概 念 于 1935 年 分 别 由 Schrödinger 及 Einstein,Podohsky 和 Rosen 在 质 疑 量 子 力 学 完 备 性 时 首 先 提 出 [3,4] 量 子 纠 缠 是 指 某 个 量 子 系 统 的 多 个 子 系 统 之 间 存 在 非 定 域 非 经 典 的 强 关 联, 它 描 述 了 子 系 统 间 不 可 分 离 的 特 性 [5] 自 发 参 量 下 转 换 (Spontaneous parametric down-conversion,spdc) 是 单 色 泵 浦 光 和 量 子 真 空 噪 声 在 非 线 性 介 质 中 相 互 作 用 产 生 的 一 种 非 经 典 光 场, 每 一 个 入 射 光 子 以 一 定 概 率 自 发 分 裂 为 能 量 较 低 的 两 个 光 子 SPDC 产 生 的 光 子 对 具 有 时 间 偏 振 频 率 等 方 面 的 纠 缠 特 性, 具 有 从 泵 浦 光 频 率 到 晶 格 共 振 频 率 的 宽 光 谱 分 布 特 征, 在 量 子 信 息 和 量 子 计 算 等 方 面 具 有 重 要 应 用 潜 质 二 十 世 纪 六 七 十 年 代,Louisell 和 Klyshko 等 人 首 先 从 理 论 上 预 言 了 SPDC 现 象 [6,7] 1970 年,Burnham 和 Weinberg 在 光 子 计 数 实 验 中 首 先 发 现 了 SPDC 光 场 [8] 本 文 采 用 403nm 连 续 激 光 泵 浦 非 线 性 BBO 晶 体, 产 生 II 类 (e=o+e)spdc 过 程, 根 据 相 位 匹 配 条 件 详 细 计 算 分 析 了 所 产 生 的 光 场 的 光 谱 特 征 和 分 布 情 况, 并 进 行 了 数 值 模 拟 最 后, 设 计 了 相 应 实 验 对 数 值 模 拟 结 果 进 行 了 实 验 验 证, 并 取 得 了 与 数 值 模 拟 一 致 的 结 果 2 II 类 SPDC 光 场 特 征 的 理 论 分 析 SPDC 是 一 种 二 阶 非 线 性 过 程, 在 II 类 SPDC 过 程 中, 泵 浦 光 (e 光 ) 在 非 线 性 晶 体 中 自 发 分 裂 成 一 对 正 交 偏 振 态 的 下 转 换 光 子 ( 一 个 o 光 和 一 个 e 光 ), 本 文 中 的 II 类 SPDC 过 程 如 图 1 所 示 240
图 1 自 发 参 量 下 转 换 原 理 图 在 非 线 性 晶 体 中, 量 子 噪 声 的 方 向 是 无 规 则 的, 要 产 生 SPDC 过 程 必 须 满 足 动 量 守 恒 和 能 量 守 恒 关 系 [9,10], 即 所 谓 的 相 位 匹 配 条 件. 即 ω p = ω s + ω i (1) K p = K s + K i (2) 其 中,K 是 光 子 波 矢,ω 是 光 子 频 率, 下 标 p s 和 i 分 别 表 示 泵 浦 光 信 号 光 和 空 闲 光 在 本 文 所 述 范 围 内, 只 讨 论 II 类 相 位 匹 配 下 转 换, 所 以 信 号 光 与 空 闲 光 分 别 为 e 光 和 o 光, 为 使 讨 论 更 加 清 晰 明 确, 将 (1)( 2) 式 变 换 为 ω p = ω e + ω o (3) 由 折 射 定 律 可 知 K p = K e + K o (4) n=c/v (5) 其 中 n 为 介 质 折 射 率,c 为 真 空 中 光 速,v 为 介 质 中 光 速 而 在 介 质 中, 光 子 波 长 与 频 率 满 足 公 式 v=λf=λ ω 2π (6) 其 中 v 仍 为 介 质 中 光 速,ω 是 光 子 频 率,λ 为 光 子 在 介 质 中 的 波 长 综 合 (3)( 5)( 6) 式, 可 得 2.1 光 轴 与 泵 浦 光 所 确 定 的 平 面 内 的 计 算 分 析 λ o = λ e λ p λ e λ p (7) 首 先 我 们 分 析 由 泵 浦 光 与 光 轴 所 确 定 的 平 面 内 的 情 况, 如 图 2 所 示 图 2 平 面 内 II 类 相 位 匹 配 情 况 示 意 图 图 2 中,O 为 泵 浦 光 进 入 晶 体 的 入 射 点, 并 如 图 标 示 光 轴 方 向, K p 为 泵 浦 光 波 矢, 二 者 所 确 定 的 平 面 与 纸 面 重 合,K e 为 信 号 光 波 矢,K o 为 空 闲 光 波 矢 其 中 K p 和 K e 的 偏 振 方 向 位 241
于 纸 面 内 并 垂 直 于 自 身 传 播 方 向, 为 e 光,K o 的 偏 振 方 向 垂 直 于 纸 面, 为 o 光 θ e 和 θ o 分 别 为 晶 体 内 K e 和 K o 与 泵 浦 光 K p 的 夹 角,φ e 为 K e 与 晶 体 光 轴 的 夹 角, 另 定 义 泵 浦 光 入 射 角 Ψ 为 Ψ = φ e + θ e (8) θ e out 和 θ o out 分 别 为 信 号 光 和 空 闲 光 出 射 到 晶 体 外 之 后 与 K p 的 夹 角 由 (4) 式, 结 合 图 2 中 的 描 述, 我 们 可 以 得 到 k e cosθ e + k o cosθ o = k p (9) k e sinθ e = k o sinθ o (10) 晶 体 折 射 率 n o (λ o ) 和 n e (λ e ) 可 以 由 Sellmeier 方 程 给 出 对 于 我 们 实 验 中 所 用 的 BBO 晶 体, 有 如 下 公 式 n o (λ o ) = 2.7359 + 0.01878 λ o 2 0.01822 0.01354λ o 2 (11) n e (λ e ) = 2.3753 + 0.01224 λ e 2 0.01667 0.01516λ e 2 (12) 由 于 e 光 折 射 率 还 与 角 度 φ e 相 关, 故 我 们 定 义 e 光 的 有 效 折 射 率 [11] 由 波 矢 在 晶 体 中 的 物 理 学 定 义, 我 们 可 以 得 到 将 方 程 (10) 整 理 可 得 n eff (λ e, φ e ) = [ cos 2 φ e n o 2 (λ e ) + sin 2 φ e n e 2 (λ e ) ] 1 2 (13) k p (λ p, Ψ) = 2πn eff (λ p,ψ) λ p,k e (λ e, φ e ) = 2πn eff (λ e,φ e ) λ e, k o (λ o ) = 2πn o (λ o ) λ o (14) k o λ o cosθ o = k o 2 λ o k e 2 λ e, φ e sin 2 θ e (15) 然 后 将 (15)(14) 代 入 (9) 可 得 2πn eff (λ e,φ e ) cosθ λ e + [ 2πn o (λ o ) ] 2 [ 2πn eff (λ e,φ e ) ] 2 sin 2 θ e λ e = 2πn eff (λ p,ψ) (16) o λ p 最 后 综 合 看 (7)(8)(16), 由 于 在 给 定 实 验 条 件 下,λ p 和 Ψ 为 确 定 值, 我 们 不 难 发 现 θ e 是 λ e 的 单 变 量 函 数 更 进 一 步, 由 折 射 定 律, 我 们 可 以 求 出 e 光 和 o 光 出 射 到 晶 体 外 的 角 度 表 达 式 λ e θ e out =sin 1 (n eff (λ e, φ e )sinθ e ) (17) θ o out =sin 1 ( λ o λ e n eff (λ e, φ e )sinθ e ) (18) 由 (17)( 18) 式, 我 们 可 以 看 到 晶 体 外 e 光 和 o 光 的 出 射 角 度 仅 取 决 于 λ e, 于 是 我 们 可 以 设 计 实 验, 验 证 出 射 角 度 与 出 射 光 波 长 的 关 系 2.2 立 体 空 间 中 光 场 情 况 的 计 算 分 析 在 空 间 中, 考 虑 三 维 情 况, 各 波 长 与 出 射 角 度 的 关 系 十 分 复 杂, 而 我 们 的 量 子 纠 缠 实 验 仅 关 注 频 率 简 并 情 况, 故 这 里 我 们 仅 讨 论 λ e = λ o 的 情 况 我 们 研 究 如 图 3 所 示 出 射 情 况 图 3 空 间 中 II 类 相 位 匹 配 三 维 情 况 示 意 图 242
如 图 3 中 所 示, 我 们 定 义 泵 浦 光 传 播 方 向 为 Z 轴, 晶 体 光 轴 与 泵 浦 光 共 同 确 定 的 平 面 为 XZ 平 面, 二 者 夹 角 为 Ψ 某 一 出 射 光 K e 如 图 中 方 向, 其 与 Z 轴 夹 角 β e, 与 光 轴 夹 角 θ e, 在 XY 平 面 内 投 影 为 K,K 与 X 轴 夹 角 为 φ e 由 相 位 匹 配 条 件, 可 得 由 空 间 几 何 关 系, 可 得 由 (19)( 20) 可 解 得 k ez + k oz = k p (19) k 2 ez + k 2 = k 2 e, k 2 oz + k 2 2 = k o (20) k p = k e 2 k 2 + k o 2 k 2 (21) 由 ( 14) 式 的 波 矢 定 义 可 知 在 这 部 分 讨 论 中,k 与 k e 是 λ e 和 θ e 的 函 数 于 是 由 图 3 几 何 关 系, 可 得 如 图 4 所 示, 由 立 体 几 何 基 础 知 识 有 如 下 公 式 β e (λ e,θ e )=sin 1 ( k (λ e,θ e ) k e (λ e,θ e ) ) (22) cosθ = cosαcosα + cosβcosβ + cosγcosγ (23) 图 4 立 体 几 何 角 度 关 系 公 式 示 意 图 将 (23) 应 用 于 图 3 情 况, 可 得 cosθ e = cosψcosβ e + sinψsinβ e cosφ e (24) 最 后 应 用 折 射 定 律, 我 们 可 以 得 到 e 光 出 射 到 晶 体 外 后 与 泵 浦 光 的 夹 角 表 达 式 β out e = sin 1 ( λ e k (λ e,θ e ) ),β out 2π o = sin 1 ( λ o k (λ e,θ e ) ) (25) 2π 由 以 上 讨 论 可 以 看 出, 只 要 给 定 一 个 φ e, 我 们 可 以 通 过 (14)( 21)( 22)( 24) 计 算 得 到 相 应 的 θ e 数 值, 进 而 计 算 k, 最 终 应 用 (25) 得 到 出 射 角 度 数 值 由 相 位 匹 配 条 件 K p = K e + K o 并 结 合 图 3 坐 标 系 可 知,K e 和 K o 在 XY 平 面 内 的 投 影 满 足 原 点 对 称 关 系, 于 是 可 如 上 讨 论 K e 的 方 法 相 应 讨 论 K o 3 以 本 实 验 设 备 参 数 为 基 础 的 光 场 光 谱 数 值 模 拟 以 下 是 频 率 简 并 情 况 下 的 三 维 情 况 数 值 模 拟 按 照 我 们 的 实 验 设 备 情 况, 设 定 Ψ=42.8 度,λ p =403nm, 应 用 mathematica 软 件 进 行 数 值 模 拟, 得 到 模 拟 结 果 如 图 5 所 示 243
图 5 806nm 出 射 光 分 布 图 模 拟 结 果 图 中 横 轴 和 纵 轴 分 别 为 图 3 中 所 示 出 射 光 在 y 和 x 方 向 上 的 分 离 角 度, 并 且 上 圆 环 为 e 光, 下 圆 环 为 o 光, 两 环 交 点 即 为 量 子 纠 缠 实 验 中 需 要 精 密 定 位 接 收 的 偏 振 纠 缠 点, 由 模 拟 结 果 可 见 此 点 恰 在 YZ 面 内, 且 理 清 纠 缠 点 分 开 的 角 度 数 值 对 量 子 纠 缠 实 验 的 方 案 设 计 和 教 学 过 程 中 的 操 作 细 节 都 有 重 大 意 义, 从 图 中 我 们 可 以 看 到 此 角 度 约 为 3 度, 与 我 们 的 设 计 光 路 方 案 吻 合 4 实 验 与 结 果 分 析 实 验 系 统 图 如 图 6 所 示 图 6 实 验 装 置 图 图 中 1 为 403nm 激 光 器, 出 射 光 为 竖 直 偏 振,2 3 为 可 见 光 反 射 镜,4 为 消 杂 散 光 光 阑,5 为 聚 焦 透 镜,6 为 光 轴 与 入 射 光 夹 角 42.8 度 的 BBO 晶 体,7 为 截 止 波 长 650nm 的 长 通 滤 光 片,8 为 10nm 宽 中 心 波 长 805nm 的 窄 带 滤 波 片,9 为 偏 振 片,10 为 光 子 定 位 接 收 器 ( 包 括 较 大 行 程 的 二 维 平 移 台 和 单 模 光 纤 准 直 器 ),11 为 雪 崩 管 单 光 子 计 数 器,12 为 电 子 学 系 统 和 计 算 机 系 统 实 验 中 由 1 发 射 的 竖 直 偏 振 泵 浦 光 经 反 射 镜 2 和 3 反 射 以 调 整 到 所 需 传 播 方 向, 再 经 过 4 消 除 大 部 分 不 必 要 的 杂 散 光 干 扰, 通 过 5 聚 焦 到 BBO 晶 体 6 上 产 生 SPDC 光 环, 出 射 光 经 7 借 以 消 除 绝 大 部 分 403nm 的 泵 浦 光 残 余 光, 而 我 们 关 注 的 806nm 光 则 有 90% 得 以 通 过, 再 经 过 8 进 行 波 长 筛 选 得 到 我 们 所 关 注 的 SPDC 出 射 光 波 段 的 光, 通 过 9 可 以 检 查 采 集 到 的 光 的 偏 振 情 况, 从 而 确 定 是 o 光 还 是 e 光, 由 10,11,12 进 行 空 间 定 位 接 收, 将 计 数 率 最 大 的 空 间 位 置 标 记 下 来, 得 到 以 下 数 据 图 实 验 采 集 到 的 数 据 图 如 图 7 所 示 244
图 7 实 验 采 集 到 的 数 据 图 对 数 据 结 果 的 说 明 与 分 析 : 图 7 中 菱 形 符 号 所 示 为 e 光 输 出, 三 角 符 号 所 示 为 o 光 输 出, 平 移 台 数 据 精 度 0.01cm 由 于 平 移 台 直 接 读 取 的 数 据 只 能 是 长 度 数 据, 故 实 验 数 据 图 两 坐 标 轴 采 用 长 度 为 数 据 单 位 图 中 数 据 仅 有 两 个 圆 环 的 靠 近 YZ 平 面 的 部 分, 是 由 于 平 移 台 行 程 和 准 直 器 可 调 角 度 所 限 图 中 5 和 7 之 间 距 离 为 约 50cm, 通 过 换 算 并 与 数 值 模 拟 结 果 比 较, 有 较 好 一 致 性, 其 间 微 小 的 偏 差 来 源 于 平 移 台 和 准 直 器 的 精 度 误 差 和 窄 带 滤 波 片 具 有 一 定 的 波 长 通 过 宽 度 对 比 图 5 和 图 7, 可 以 看 出 实 验 结 果 与 理 论 模 拟 结 果 较 好 吻 合 通 过 上 述 理 论 模 拟 和 SPDC 光 场 局 部 分 布 实 测, 学 生 对 BBO 晶 体 产 生 自 发 参 量 下 转 换 的 物 理 原 理 和 量 子 纠 缠 态 产 生 原 理 有 深 刻 的 理 解, 从 而 对 量 子 力 学 基 本 原 理 和 非 线 性 光 学 理 论 有 更 多 的 认 识 和 感 悟 ; 通 过 将 实 测 参 数 曲 线 与 理 论 模 型 相 比 较, 使 学 生 真 正 理 解 纠 缠 点 定 位 的 核 心 技 术, 甚 至 每 一 步 细 节 操 作 的 物 理 含 义 和 设 计 目 的 应 用 实 验 中 实 测 的 光 场 分 布 数 据 指 导 实 验 调 节 过 程, 使 纠 缠 点 空 间 定 位 过 程 更 加 有 序 快 捷, 有 据 可 依, 易 于 学 生 接 受 领 悟, 并 大 幅 度 减 少 学 生 实 验 所 需 时 间, 提 高 仪 器 使 用 效 率 同 时 纠 缠 源 搭 建 作 为 各 项 研 究 型 题 目 ( 如 量 子 秘 钥 分 发 量 子 纯 化 等 ) 的 技 术 源 头, 提 高 纠 缠 源 搭 建 的 效 率 和 质 量, 无 疑 会 给 其 他 研 究 题 目 的 顺 利 完 成 奠 定 基 础, 对 拓 展 式 探 究 式 实 验 教 学 的 开 展 提 供 裨 益 总 之,SPDC 光 场 结 构 的 理 论 分 析 与 实 验 测 量, 通 过 数 值 模 拟 曲 线 与 实 验 结 果 相 对 照, 使 学 生 能 够 通 过 直 观 实 验 过 程 与 数 据 结 果 理 解 复 杂 的 非 线 性 光 学 和 量 子 光 学 原 理, 做 到 使 不 可 见 的 光 子 分 布 数 据 化, 抽 象 原 理 可 视 化 的 设 计 理 念, 同 时 也 体 现 了 实 验 验 证 理 论 理 论 指 导 实 践 的 辩 证 关 系 5 结 束 语 本 文 将 量 子 纠 缠 实 验 中 的 下 转 换 光 场 进 行 了 详 细 的 计 算 分 析, 进 而 对 计 算 结 果 进 行 了 数 值 模 拟 和 实 验 验 证, 模 拟 结 果 与 实 验 结 果 具 有 较 好 的 一 致 性 通 过 本 文 的 分 析 模 拟 和 实 验 探 究 将 SPDC 光 场 的 光 谱 特 征 详 细 的 展 现 给 了 学 生, 并 使 纠 缠 点 空 间 位 置 所 在 表 现 明 确 从 而 有 助 于 学 生 在 实 验 学 习 过 程 中 理 解 量 子 纠 缠 实 验 的 物 理 原 理 实 验 方 案 细 节 安 排, 并 对 实 验 操 作 给 与 了 定 向 的 指 导 参 考 文 献 : [1] 王 合 英, 孙 文 博, 陈 宜 保, 等 光 子 纠 缠 态 的 制 备 和 测 量 实 验 [J] 物 理 实 验,2009,29 (3):1-5 [2] 孙 文 博, 王 合 英, 陈 宜 保, 等 用 光 子 纠 缠 源 验 证 Bell 不 等 式 [J] 物 理 实 验,2010,30 (12): 1-54 [3] Schrödinger E. Die gegenwärtige situation in der quantenmechanik [J]. Naturwissenschaften, 245
1935, 23: 807-823. [4] Schrödinger E. Discussion of probability relations between separated systems [J]. Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 1935, 31: 555-562. [5] Bohm D. Quantum theory [M]. New York: Prentice-Hall, Inc., 1951. [6] Klyshko D N. Utilization of vacuum fluctuations as an optical brightness standard [J]. Sov.J. Quantum Electron., 1977, 7(5): 591-595. [7] Louisell W H, Yariv A,Siegman R L,et al. Quantum fluctuations and noise in parametric processes[j]. Phys. Rev. A, 1961, 124: 1646-1654. [8] Burnham D C, Weinberg D L. Observation of simultaneity in parametric production of optical photon pairs [J]. Phys. Rev. Lett., 1970, 25:84-87. [9] 李 锋 铭, 王 树 峰, 龚 旗 煌 利 用 圆 锥 辐 射 优 化 飞 秒 荧 光 光 谱 的 光 学 参 量 放 大 [J] 光 谱 学 与 光 谱 分 析,2011,31(5): 1283-1285. [10] 卢 宗 贵, 刘 红 军, 景 峰, 等 基 于 自 发 参 量 下 转 换 产 生 参 量 荧 光 的 光 谱 分 布 特 性 理 论 分 析 [J] 物 理 学 报,2009,58(7): 4689-4696 [11] Born M, Wolf E. 1975 Principles of optics:electromagnetic Theory of Propagation, Interference, and Diffraction of Light (Oxford: Pergamon). Calculation and Experimentation of SPDC Light Spectrum Distribution in Quantum Entanglement Experiment Sun Wen-bo, Wang He-ying, Chen Yi-bao, Chen Hong (Department of Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: Since the students may not comprehend well the creation mechanism of photon entanglement and light field distribution in the quantum entanglement experiment, it is likely to lead them being blind and inefficient in the adjustment of the location of the entanglement points. In order to enhance the understanding of the physics behind, we therefore analyze the property of the SPDC (spontaneous parametric downward conversion) light spectrum distribution created in detail, making the SPDC light signal distribution curve generated by the 403 nm continuous pump laser source in the given type II BBO crystal by numerical simulation, and designing a photon (of the wavelength of 806nm, created by SPDC) distribution measurement. We get the agreement between the experimental results and the simulation. Key words: Quantum entanglement; Two-photon entanglement source; SPDC; Type-II phase matching; Spectrum distribution 246
用 二 极 管 激 光 测 量 气 体 分 子 的 高 分 辨 吸 收 光 谱 娄 秀 涛, 武 东 城 ( 哈 尔 滨 工 业 大 学 物 理 系, 黑 龙 江 哈 尔 滨 150001) 摘 要 : 介 绍 了 基 于 波 长 可 调 谐 二 极 管 激 光 光 源 的 气 体 吸 收 光 谱 测 量 原 理, 展 示 了 空 气 中 氧 气 分 子 吸 收 光 谱 的 测 量 装 置 和 测 量 方 法 实 验 系 统 构 建 成 本 低 操 作 简 单, 可 丰 富 近 代 物 理 实 验 课 程 内 容 关 键 词 : 激 光 二 极 管 ; 气 体 ; 吸 收 光 谱 1 引 言 与 光 谱 学 有 关 的 内 容 在 大 学 物 理 的 光 学 部 分 中 占 有 一 定 的 比 重, 这 也 相 应 的 反 映 在 了 大 学 物 理 实 验, 特 别 是 近 代 物 理 实 验 中, 例 如 : 氢 原 子 光 谱 塞 曼 效 应, 光 谱 仪 测 定 介 质 吸 收 谱 等 [1] 其 中, 国 内 开 展 有 关 吸 收 光 谱 测 量 实 验 的 高 校 在 教 学 中 大 多 采 用 两 种 实 验 方 案 : 一 种 是 在 光 源 部 位 通 过 单 色 仪 对 其 出 射 波 长 进 行 选 择 性 调 控 来 实 现 吸 收 光 谱 的 测 量 [1-4] ; 另 一 种 是 在 光 探 测 环 节 通 过 光 栅 光 谱 仪 对 不 同 波 长 的 透 过 光 进 行 分 光 来 实 现 摄 谱 [5,6] 这 两 种 方 案 在 本 质 上 都 是 采 用 宽 谱 带 光 源 结 合 分 光 装 置 来 测 量 吸 收 光 谱, 整 套 系 统 的 体 积 较 大 成 本 较 高, 并 且 其 光 谱 分 辨 率 最 佳 值 一 般 在 0.1nm 量 级, 仅 适 用 于 测 量 具 有 宽 谱 带 吸 收 的 固 态 或 液 态 物 质 另 一 种 有 别 于 采 用 分 光 装 置 的 吸 收 光 谱 测 量 方 案 是 使 用 具 有 窄 带 发 射 谱 的 可 调 谐 激 光 光 源, 最 典 型 的 就 是 二 极 管 激 光 器 [7,8] 本 文 介 绍 一 种 基 于 低 成 本 小 体 积 波 长 可 调 谐 的 二 极 管 激 光 (LD) 光 源 的 吸 收 光 谱 测 量 实 验 方 案, 光 谱 分 辨 率 好 于 0.001nm, 可 用 于 测 量 气 体 小 分 子 的 高 分 辨 吸 收 光 谱 实 验 中 的 被 测 气 体 为 实 验 室 内 空 气 中 的 氧 气, 这 使 得 实 验 的 开 展 变 得 简 单 易 行 2 实 验 原 理 气 体 分 子 的 吸 收 光 谱 是 通 过 电 流 驱 动 LD 的 波 长 ( 频 率 ) 扫 过 被 测 气 体 的 吸 收 谱 峰 来 获 得 的 其 所 依 据 的 核 心 原 理 是 比 尔 - 朗 伯 定 律 [9], 它 表 明 经 过 均 匀 气 体 介 质 吸 收 前 的 初 始 光 强 I 0 和 吸 收 后 透 射 光 强 I t 之 间 呈 e 指 数 关 系 : I exp[ ( ) ] t I0 S NL (1) [10] 式 中 : S 为 吸 收 线 强 (cm/molecule), 可 以 通 过 诸 如 HITRAN 等 光 谱 数 据 库 查 得 ; N 为 分 子 数 密 度 (molecule/cm 3 ); L 为 吸 收 路 径 长 度 (cm) ( ) 为 积 分 面 积 归 一 化 的 吸 收 线 型 表 达 式 (cm), 一 般 是 描 述 分 子 碰 撞 展 宽 的 洛 伦 兹 线 型 和 描 述 多 普 勒 展 宽 的 高 斯 线 型 的 卷 积 结 果 分 子 之 间 的 碰 撞 会 导 致 能 级 寿 命 的 缩 短, 而 根 据 海 森 堡 不 确 定 关 系, 能 级 寿 命 的 缩 短 将 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 (61008027); 黑 龙 江 省 高 等 教 育 教 学 改 革 项 目 (JG2012010151); 985 工 程 本 科 生 教 学 建 设 项 目 (HITJG2014008) 作 者 简 介 : 娄 秀 涛 (1982-), 男, 山 东 东 阿 人, 哈 尔 滨 工 业 大 学 物 理 系 讲 师, 主 要 从 事 大 学 物 理 和 大 学 物 理 实 验 的 教 学 工 作 以 及 激 光 光 谱 学 领 域 的 科 研 工 作 247
导 致 谱 线 宽 度 的 增 加 分 子 间 的 碰 撞 程 度 越 大, 则 谱 线 展 宽 效 应 越 大 一 般 气 体 在 常 压 情 况 下, 碰 撞 展 宽 占 主 要 优 势, 此 时 吸 收 谱 线 可 近 似 由 洛 伦 兹 线 型 描 述 : /2 C ( ) ( ) ( / 2) C 2 2 0 C (2) 式 中 的 C 是 谱 线 的 半 高 全 峰 宽 (FWHM) 在 小 吸 收 情 形 下, 即 当 S ( ) NL 1 时, 公 式 (1) 可 近 似 为 : 1 I / I S ( ) NL (3) t 0 由 公 式 (3) 可 见, 对 于 一 定 的 气 体 分 子 来 说, 其 S 和 ( ) 是 一 定 的, 吸 收 信 号 的 幅 度 A 1 I / I 与 气 体 浓 度 N 和 吸 收 长 度 L 成 正 比 改 变 N 和 改 变 L 是 等 效 的 因 此, 我 们 t 0 在 本 实 验 中 选 择 空 气 中 的 氧 气 分 子 为 研 究 对 象, 其 浓 度 一 般 为 21%, 通 过 改 变 吸 收 光 程 来 等 效 气 体 浓 度 的 变 化, 这 便 大 大 降 低 了 实 验 操 作 的 难 度 3 实 验 装 置 采 用 LD 测 量 氧 气 吸 收 光 谱 的 实 验 装 置 如 图 1 所 示 LD 光 源 为 垂 直 表 面 发 射 型 (VCSEL), 其 标 称 中 心 波 长 在 763 nm 附 近 VCSEL 型 LD 的 优 点 是 功 耗 低 波 长 调 谐 范 围 宽 LD 的 驱 动 器 由 电 流 驱 动 和 温 度 驱 动 两 部 分 组 成 LD 波 长 通 过 电 流 驱 动 器 (Thorlabs,LDC200) 控 制, 电 流 精 度 为 1μA 为 了 获 得 稳 定 的 波 长 输 出,LD 的 工 作 温 度 由 温 度 控 制 器 (Thorlabs, TED200) 稳 定 在 室 温 25.52 o C, 温 度 控 制 精 度 为 0.01 o C 信 号 发 生 器 产 生 16 Hz 的 锯 齿 波 输 入 到 电 流 驱 动 器 的 模 式 输 入 端 对 LD 的 输 出 波 长 实 施 周 期 性 调 谐 信 号 发 生 器 产 生 的 同 步 TTL 信 号 作 为 数 据 采 集 的 触 发 信 号 输 入 到 数 据 采 集 卡 (AdlinkTech,DAQ-2010) 中 LD 发 射 的 激 光 经 过 空 气 后 由 硅 光 电 二 极 管 探 测 器 接 收, 可 通 过 移 动 探 测 器 来 改 变 其 与 LD 光 源 的 间 距, 进 而 改 变 吸 收 信 号 的 大 小 探 测 器 产 生 的 电 流 信 号 经 由 负 载 电 阻 转 换 为 电 压 信 号 后 由 数 据 采 集 卡 采 集 数 据 采 集 卡 通 过 PCI 接 口 将 数 字 信 号 传 送 到 计 算 机 中, 然 后 由 基 于 LabVIEW 编 写 的 程 序 对 数 字 信 号 进 行 分 析 与 记 录 图 1 基 于 LD 的 氧 气 吸 收 光 谱 测 量 装 置 4 实 验 结 果 与 分 析 图 2 给 出 了 5 s 平 均 后 60 cm 空 气 中 氧 气 分 子 的 吸 收 信 号, 其 中 横 坐 标 为 一 个 周 期 62.5 ms 内 的 采 样 点 标 号 图 2(a) 中 的 实 线 是 探 测 器 输 出 的 电 压 信 号, 它 对 应 公 式 (1) 中 的 I t ; 而 虚 斜 线 为 拟 合 得 到 的 未 吸 收 时 的 原 始 光 强 信 号 图 2(b) 给 出 了 根 据 图 2(a) 中 的 测 量 248
信 号 处 理 得 到 的 吸 收 信 号, 并 用 公 式 (2) 所 描 述 的 洛 伦 兹 线 型 对 该 信 号 实 施 了 最 佳 拟 合 图 2 氧 气 分 子 的 原 始 吸 收 信 号 和 数 据 处 理 后 的 吸 收 信 号 为 了 准 确 获 取 当 前 吸 收 谱 线 的 波 长 信 息, 我 们 根 据 HITRAN 数 据 库 提 供 的 光 谱 参 数 在 763 nm 附 近 模 拟 了 40 cm 空 气 中 氧 分 子 的 吸 收 信 号, 并 一 一 与 实 验 数 据 做 了 比 对, 最 终 确 认 本 实 验 所 测 量 得 到 的 吸 收 谱 线 为 P 分 支 的 P13 吸 收 线, 其 波 长 λ 为 764.74 nm 图 3 给 出 了 模 拟 和 实 验 数 据 的 比 对 结 果, 可 见 二 者 具 有 很 高 的 一 致 性 图 3 实 验 测 量 与 理 论 模 拟 的 氧 气 分 子 吸 收 光 谱 对 比 为 了 验 证 公 式 (3) 所 给 出 的 吸 收 幅 度 与 气 体 浓 度 和 吸 收 长 度 间 的 正 比 关 系, 实 验 中 在 140 cm 范 围 内 改 变 探 测 器 和 激 光 光 源 间 的 间 距 D, 测 量 了 7 种 不 同 吸 收 长 度 的 氧 气 分 子 吸 收 光 谱, 如 图 4 所 示 图 5 给 出 了 图 4 中 的 7 条 吸 收 光 谱 的 幅 值 与 吸 收 长 度 间 的 正 比 例 关 系, 测 量 误 差 棒 由 于 误 差 数 值 小 而 未 显 见 线 性 拟 合 分 析 得 到 二 者 的 线 性 相 关 系 数 R 大 于 0.999, 充 分 验 证 了 在 小 吸 收 情 形 下 公 式 (3) 的 适 用 性 249
图 4 不 同 吸 收 长 度 的 氧 气 分 子 吸 收 光 谱 图 5 氧 气 分 子 吸 收 信 号 幅 度 与 吸 收 长 度 的 正 比 例 关 系 5 结 束 语 本 文 介 绍 了 利 用 波 长 可 调 谐 的 二 极 管 激 光 实 现 空 气 中 氧 气 分 子 高 分 辨 吸 收 光 谱 测 量 的 原 理 装 置 和 方 法 实 验 结 果 与 理 论 模 拟 结 果 具 有 高 度 的 一 致 性, 并 且 验 证 了 在 小 吸 收 情 形 下 吸 收 光 谱 的 幅 值 与 吸 收 长 度 成 正 比 关 系 整 套 实 验 系 统 的 构 建 成 本 低, 便 于 同 时 提 供 多 套 系 统 来 提 高 学 生 亲 自 动 手 操 作 的 比 例, 从 而 提 高 学 生 学 习 的 积 极 性 和 主 动 性 本 实 验 是 对 当 前 国 内 大 学 近 代 物 理 实 验 中 吸 收 光 谱 部 分 的 拓 展, 对 于 大 学 生 了 解 和 学 习 基 于 可 调 谐 激 光 光 源 的 近 代 光 谱 测 量 手 段 具 有 很 好 的 启 发 意 义 参 考 文 献 : [1] 耿 完 桢, 赵 海 发, 金 恩 培, 等 大 学 物 理 实 验 [M] 哈 尔 滨 : 哈 尔 滨 工 业 大 学 出 版 社, 2008 [2] 霍 剑 青, 吴 泳 华, 尹 民, 等 大 学 物 理 实 验 ( 第 四 册 ) 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社,2005 [3] 周 殿 清 基 础 物 理 实 验 北 京 : 科 学 出 版 社,2009 [4] 李 端 勇, 张 昱 大 学 物 理 实 验 ( 提 高 篇 ) 北 京 : 科 学 出 版 社,2012 [5] 韩 忠 近 现 代 物 理 实 验 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社,2012 [6] 周 晓 明 大 学 物 理 实 验 广 州 : 华 南 理 工 大 学 出 版 社,2012 [7] 胡 险 峰 用 激 光 二 极 管 自 混 合 干 涉 测 量 距 离 [J] 物 理 实 验,2013,33(1):26-29 250
[8] Lou Xiu-Tao, Somesfalean G, Chen Bin, et al. Simultaneous detection of multiple-gas species by correlation spectroscopy using a multimode diode laser [J]. Opt. Lett., 2010, 35(11), 1749-1751. [9] Werle P. A review of recent advances in semiconductor laser based gas monitors. Spectrochim. Acta, Part A, 1998, 54, 197-236. [10] Rothman L S, Gordon I E, Barbe A, et al. The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database [J]. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf., 2009, 110: 533-572. High-resolution absorption spectroscopy of gas molecules using diode lasers LOU Xiu-Tao, WU Dong-Cheng (Department of Physics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China) Abstract: The principle of gas absorption spectroscopy by using wavelength tunable diode lasers was introduced. The experimental setup and method for measuring oxygen absorption spectra in the open air were also presented. The experimental system is cost efficient and ease to use, thus having potentials to enrich the contents of the course of modern physics experiments. Key words: laser diode; gas; absorption spectroscopy 251
一 种 基 于 非 线 性 晶 体 参 量 下 转 换 的 纠 缠 光 子 实 验 夏 慧 枝, 陈 凯 ( 中 国 科 学 技 术 大 学, 安 徽 合 肥 230027) 摘 要 : 以 BELL 不 等 式 的 推 广 CHSH 不 等 式 为 理 论 基 础, 测 量 纠 缠 源 产 生 的 偏 振 纠 缠 光 子 对, 验 证 其 是 否 破 坏 CHSH 不 等 式, 进 而 证 明 纠 缠 光 子 的 产 生, 衡 量 纠 缠 源 的 性 能 关 键 词 :BELL 不 等 式 ; 非 线 性 晶 体 ; 参 量 下 转 换 ; 纠 缠 光 子 1 实 验 原 理 当 光 子 通 过 某 些 非 线 性 晶 体 时, 会 有 一 定 几 率 发 生 一 个 我 们 称 之 为 参 量 下 转 换 的 非 线 性 过 程 [1] 在 参 量 下 转 换 的 过 程 中, 进 入 非 线 性 晶 体 ( 例 如 BBO 晶 体, β-bab 2 O 4, 低 温 相 紫 外 非 线 性 晶 体, 具 有 倍 频 效 应 和 双 折 射 效 应 ) 的 一 个 光 子 就 会 劈 裂 为 两 个 光 子, 其 中 一 个 光 子 我 们 称 之 为 信 号 光 (signal), 记 作 s, 另 一 个 光 子 称 之 为 闲 频 光 (idle), 记 作 i 两 个 光 子 的 极 化 方 向 互 相 垂 直 纠 缠 光 子 的 量 子 态 为 : 1 ( i H V e V H ) 2 如 何 证 明 两 光 子 处 于 极 化 纠 缠 状 态? 如 何 衡 量 纠 缠 源 产 生 纠 缠 光 子 对 的 性 能? [2] 1964 年,Bell 从 局 域 隐 变 量 理 论 推 导 出 一 个 不 等 式 [3] 不 等 式 指 出, 基 于 隐 变 数 和 定 域 实 在 论 的 任 何 理 论 都 会 使 不 等 式 成 立, 而 量 子 力 学 却 预 言 BELL 不 等 式 的 破 坏 在 本 系 统 中 采 用 BELL 不 等 式 的 推 广 CHSH 不 等 式 来 衡 量 产 生 的 纠 缠 光 子 对 的 质 量 CHSH 不 等 式 [4] (Clauser-Horne-Shimony-Holt) 考 虑 到 关 联 测 量 实 验 中 的 一 些 失 误 或 误 差 因 素, 比 如 对 A(B) 测 量 仪 器 设 备 有 时 可 能 失 效, 这 时 按 实 验 规 定, 仪 器 装 置 给 出 对 A(B) 的 测 量 值 为 零 ; 再 比 如, 制 备 出 的 EPR 对 可 能 不 纯, 因 此 同 时 沿 同 一 方 向 测 量 A 和 B 的 自 旋 关 联 并 不 严 格 等 以 如 下 极 化 纠 缠 态 为 例, 说 明 一 下 CHSH 不 等 式 1 H V V H A B A B 2 光 子 A 和 光 子 B 分 别 传 输 到 类 空 分 离 的 两 个 观 察 者 Alice 和 Bob 之 后 Alice 和 Bob 分 别 对 各 自 的 光 子 进 行 测 量 他 们 每 人 都 有 两 种 测 量 方 法 ( 相 应 于 两 种 基 失 ) 每 一 种 测 量 方 法 可 以 分 辨 互 为 正 交 的 两 个 态 ( 通 常 采 用 H 和 V 或 者 +45 和 -45 ) 如 果 设 Alice 的 一 种 测 量 方 法 可 以 分 辨 量 子 态 1 和 1 ( 极 化 与 1 垂 直 的 量 子 态 ), 另 外 一 种 测 量 方 法 可 以 分 辨 量 子 态 1 和 1 ( 极 化 与 1 垂 直 的 量 子 态 ),Bob 的 一 种 测 量 方 法 可 以 分 辨 量 子 态 2 和 2 ( 极 化 与 2 垂 直 的 量 子 态 ), 另 外 一 种 测 量 方 法 可 以 分 辨 量 子 态 2 和 2 ( 极 化 与 2 垂 直 的 量 子 态 ) Alice 和 Bob 进 行 大 量 的 这 种 测 量, 每 个 人 都 随 机 的 选 择 各 自 两 252
种 测 量 方 法 中 的 一 种 进 行 测 量 将 Alice 和 Bob 的 测 量 结 果 之 间 的 关 联 系 数 定 义 为 : E, 1 2 1, 2 1, 2 1, 2 1, 2 1, 2 1, 2 1, 2 1, 2 C C C C C C C C C( 1, 2) 为 Alice 取 测 量 极 化 角 度 1,Bob 取 极 化 片 角 度 2 时 的 符 合 事 例 数 理 论 上 对 EPR-Bell 态 有 : 1, C 2 1, 2 sin 1+ 2 2 H V V H A B A B ; - 1 H V - V H, C 2 1, 2 sin 1-2 2 A B A B ; 1 H H + V V, C 2 1, 2 cos 1-2 2 A B A B ; - 1 H H - V V, C 2 1, 2 cos 1 + 2 定 义 的 Bell 量 S 可 表 示 为 : 2 A B A B ' ' ' ' 1, 2 1, 2 1, 2 1, 2 S E E E E 局 域 实 在 论 对 S 值 的 预 言 是 : S 2 而 量 子 力 学 对 S 值 的 预 言 则 是 : S 2 2, 迄 今 为 止 的 实 验 都 是 支 持 量 子 力 学 的 预 言, 但 都 明 显 破 坏 Bell 不 等 式, 同 时 也 说 明 量 子 纠 缠 是 不 能 用 局 域 实 在 论 的 观 点 来 解 释 的 对 于 Bell 态 : 当 取 如 下 值 时, 1 0 坏, 即 S 2 2 对 于 Bell 态 :, ' 1 45, 2 22.5 当 取 如 下 值 时, 1 0 坏, 即 S 2 2-1 1 2 H H + V V A B A B, ' 2-22.5, CHSH 不 等 式 达 到 最 大 破 2 H H - V V A B A B, ' 1 45, 2 22.5, ' 2 22.5, CHSH 不 等 式 达 到 最 大 破 实 验 装 置 如 图 1 所 示, 焦 距 为 300mm 的 透 镜 将 激 光 器 出 射 激 光 器 聚 焦 至 BBO 晶 体 中 心 晶 体 的 非 线 性 过 程 产 生 的 纠 缠 光 子 对 分 别 经 过 半 波 片 和 补 偿 晶 体 进 行 补 偿, 消 除 两 光 子 之 间 的 横 向 侧 移 和 纵 向 时 间 差 最 后, 由 耦 合 器 收 集 具 有 较 高 保 真 度 的 纠 缠 光 子, 并 由 光 纤 传 输 至 单 光 子 探 测 和 符 合 计 数 系 统 测 量 图 示 中, 透 镜 3 和 BBO 晶 体 5 之 间 的 距 离 为 300mm 253
1 2 3 4 7 6 5 9 8 10 12 11 1 电 流 功 率 控 制 模 块 2 激 光 器 3 透 镜 4 反 射 镜 5 BBO 晶 体 6 半 波 片 7 BBO 晶 体 8 耦 合 器 9 半 波 片 10 BBO 晶 体 11 耦 合 器 12 单 光 子 探 测 & 符 合 计 数 系 统 图 1 纠 缠 源 实 验 装 置 2 极 化 关 联 曲 线 极 化 关 联 曲 线 本 质 上 就 是 对 于 纠 缠 双 方 用 不 同 的 基 矢 测 量 所 反 应 出 来 的 关 联 性 质 Alice 和 Bob 双 方 一 方 固 定 测 量 一 个 极 化 方 向, 而 另 一 方 测 量 0 到 360 各 个 值 的 符 合 计 数 的 关 系 典 型 的 两 条 极 化 关 联 曲 线 是 Alice 分 别 选 定 H(0 ) 和 +(45 ), Bob 测 量 0 到 360 所 得 到 的 曲 线 Alice 分 别 选 择 测 量 角 度 为 0 和 45 时 得 到 的 关 联 曲 线 的 极 大 值 和 极 小 值 的 比 值 即 为 我 们 之 前 所 说 的 选 H/V 或 者 +/- 基 矢 的 对 比 度 下 图 是 实 时 采 集 数 据 绘 制 的 极 化 关 联 曲 线 图 图 示 中, 横 坐 标 显 示 检 偏 角 度, 纵 坐 标 显 示 每 秒 统 计 的 实 时 符 合 事 例 数 红 色 线 表 示 : 纠 缠 源 其 中 一 路 在 0 方 向 检 偏, 另 一 路 在 横 坐 标 所 示 角 度 检 偏 所 采 集 的 符 合 事 例 数 绿 色 线 表 示 : 纠 缠 源 其 中 一 路 在 45 方 向 检 偏, 另 一 路 在 横 坐 标 所 示 角 度 检 偏 所 采 集 的 符 合 事 例 数 图 3 极 化 关 联 曲 线 254
光 子 计 数 采 集 数 据 记 录 如 表 1 所 示 : 表 1 纠 缠 光 源 测 量 符 合 对 比 度 1 路 计 数 2 路 计 数 符 合 计 数 电 流 功 率 控 制 模 块 示 数 泵 浦 光 功 率 13 万 14 万 13000 081 50mw 1 号 极 化 片 旋 转 角 度 ( 标 定 :118 ) 2 号 极 化 片 旋 转 角 度 ( 标 定 :119 ) 符 合 计 数 对 比 度 118 119 46 HV 对 比 度 : 118 209 2675 28 209 26 28 119 2264 (2675+2264)/(46 +26) =68:1 163 164 2844 +- 对 比 度 : 163 74 244 73 74 1936 73 164 221 (2844+1936)/(24 4+221) =10:1 3 CHSH 不 等 式 破 坏 实 验 量 子 力 学 预 言, 对 于 最 大 纠 缠 态, 当 纠 缠 双 方 分 别 取 如 下 测 量 角 度 时 : 0 45 22.5 22.5 ' ' 1 1 2 2 90 45 112.5 67.5 ' ' 1 1 2 2 CHSH 不 等 式 达 到 最 大 破 坏, 即 S = 2 2 如 下 16 个 符 合 测 量 Bell 不 等 式 破 坏 实 验 在 实 际 中 操 作, 就 是 进 行 表 2 Bell 不 等 式 左 上, 左 下, 右 上, 右 下 的 四 个 格 子 分 别 作 为 一 组 分 组 方 式 如 表 格 彩 色 底 纹 所 示, 不 同 颜 色 表 示 不 同 组 255
每 一 组 我 们 都 可 以 根 据 四 个 符 合 值 得 到 一 个 关 联 函 数 E 1, 2 1, 2 1, 2 1, 2 1, 2 1, 2 1, 2 1, 2 C C C C E( 1, 2) C C C C 最 后 通 过 四 个 关 联 函 数, 我 们 就 可 以 计 算 出 S 值 : S E(, ) E(, ) E(, ) E(, ) ' ' ' ' 1 2 1 2 1 2 1 2 并 判 定 是 否 违 背 CHSH 不 等 式 S 2 实 验 采 集 的 测 量 符 合 事 例 数 分 析 计 算 结 果 如 下 : 表 3 不 等 式 数 据 采 集 和 计 算 结 果 计 算 结 果 为 :S=2.53 S>2, 违 反 CHSH 不 等 式, 证 实 产 生 的 光 子 对 具 有 非 局 域 关 联 性 参 考 文 献 : [1] Hong C K, et al. Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference [J]. Phys Rev Lett, 1987, 59: 2044-2046. [2] Bohm D. A suggested interpretation of the quantum theory in terms of hidden variables, Ⅰ and Ⅱ [J]. Phys. Rev., 1952, 85(2): 166-179, 180-193. [3] Bell J S. Speakable and unspeakable in quantum mechanics [M]. London: Cambridge University Press, 1987. [4] Clauser J F, Horne M A, Shimony A, et al. Proposed experiment to test local hidden-variable theories[j]. Phys. Rev. Lett., 1969, 23: 880-884. [5] R J Glauber. The quantum theory of optical coherence. Physical Review, 130(6): 2529. [6] P A M Dirac. The principle of quantum mechanics. Oxford. Clarendon Press. [7] C K Hong, Z Y Ou, L Mandel. Phys. Rev. Lett. 1987,59, 2044 [8] D N Klyshko. Two-photon Light: Influence of filtration and a new possible EPR experiment. Physics Letters A 128(3, 4): 133-137. 256
Entangled photons experiment based on parameter down-conversion of nonlinear crystal Xia Huizhi, Xia Kai Chen (University of science and technology of China, Hefei 230027, China) Abstract: theoretically based on CHSH inequality (derivation of BELL inequality ), measure polarized entangled photon pairs, verify whether the break CHSH inequality, and then prove that the generation of entangled photons, the performance of the measure of entanglement source. Keywords: BELL inequality; nonlinear crystal; parameter down-conversion; entangled photons 257
一 种 基 于 BB84 协 议 的 量 子 保 密 通 信 实 验 方 法 许 穆 岚, 刘 乃 乐 ( 中 国 科 学 技 术 大 学, 安 徽 合 肥 230027) 摘 要 : 基 于 BB84 量 子 保 密 通 信 协 议, 利 用 光 子 的 偏 振 态 传 输 信 息 发 送 方 和 接 收 方 用 量 子 信 道 来 传 输 量 子 态, 同 时 双 方 通 过 一 条 公 共 经 典 信 道 比 较 测 量 基 矢 和 其 他 信 息 交 流, 进 而 两 边 同 时 安 全 地 获 得 和 共 享 一 份 相 同 的 密 钥 关 键 词 :BB84; 偏 振 态 ; 量 子 信 道 ; 测 量 基 矢 ; 量 子 密 钥 BB84 协 议 是 Charles H. Bennett 与 Gilles Brassard 1984 年 提 出 的 描 述 如 何 利 用 光 子 的 偏 振 态 来 传 输 信 息 的 量 子 密 钥 分 发 协 议 [5][6] BB84 协 议 选 用 水 平 垂 直 方 向 + 和 ±45 方 向 作 为 制 备 量 子 偏 振 态 的 两 个 基 矢 : 水 平 偏 振 (0 ) 记 作 >, 垂 直 偏 振 (90 ) 记 作 >,45 偏 振 记 作 >, 和 135 偏 振 记 作 > 于 是 Alice 随 机 产 生 一 个 比 特 (0 或 1) 并 同 时 随 机 选 择 其 中 一 个 基 ( + 或 ) 来 制 备 出 量 子 状 态, 如 表 格 所 示 : 表 1 量 子 态 制 备 随 机 产 生 一 个 比 特 0 1 随 即 选 择 基 + Alice 把 这 个 光 子 通 过 量 子 信 道 ( 光 纤 光 路 ) 传 送 给 Bob,Bob 紧 接 着 测 量 接 收 到 的 光 子 的 量 子 态 然 而 Bob 并 不 知 道 Alice 制 备 量 子 状 态 时 选 择 了 哪 种 基, 只 得 随 机 选 择 基 ( + 或 ) 来 测 量 比 如 选 择 基 + 来 测 量 >, 会 以 100% 的 概 率 得 到 >, 但 是 选 择 基 + 来 测 量 >, 结 果 是 随 机 的, 会 以 50% 的 概 率 得 到 >, 或 以 50% 的 概 率 得 到 >, 于 是 原 始 状 态 的 信 息 丢 失 了 ( 不 能 彻 底 分 辨 原 本 状 态 是 > 还 是 >) 表 2 量 子 通 信 基 矢 比 对 Alice 产 生 随 机 比 特 0 1 1 0 1 0 0 1 Alice 随 机 选 择 基 + + + + Alice 光 子 偏 振 态 Bob 随 机 选 择 测 量 基 + + + + Bob 测 得 光 子 偏 振 态 在 公 共 信 道 中 对 比 基 共 有 的 密 钥 0 丢 弃 1 丢 弃 丢 弃 0 丢 弃 1 Bob 记 录 每 个 他 测 量 接 收 光 子 所 选 的 基 和 测 量 结 果 最 后 与 Alice 通 过 公 共 经 典 信 道 进 行 交 互 :Alice 公 布 制 备 每 个 光 子 时 所 选 择 的 基,Bob 与 之 对 比 所 选 择 的 基, 舍 弃 那 些 双 方 选 择 了 不 同 的 基 的 比 特 (50%), 剩 下 的 比 特 还 原 为 他 们 共 有 的 密 钥, 完 成 密 钥 分 发 其 中,Alice 和 Bob 可 以 拿 出 他 们 密 钥 的 一 部 分, 然 后 相 互 对 比 来 检 查 是 否 有 第 三 方 Eve 窃 听 Eavesdropper 为 了 获 得 光 子 偏 振 信 息 而 作 的 测 量, 会 导 致 对 比 密 钥 时 发 现 错 误 : 例 如 对 于 一 般 的 PNS 攻 击,Eve 有 50% 的 概 率 会 选 择 与 Alice 不 同 的 基 去 测 量 光 子, 同 时 测 量 导 258
致 光 子 偏 振 态 改 变 ; 此 时 Bob 再 测 量 这 个 光 子 将 有 50% 的 概 率 测 出 与 Alice 同 基 矢 异 偏 振 的 结 果 ;Alice 和 Bob 对 比 密 钥 看 是 否 一 致, 从 而 发 现 有 窃 听 者 Eve 的 存 在 (Eve 的 介 入 导 致 25% 错 误 率 ) 当 对 比 的 密 钥 发 现 Eve 窃 听, 则 此 此 分 发 的 密 钥 就 被 舍 弃, 并 选 择 别 的 量 子 信 道 重 新 建 立 一 次 密 钥 分 发 过 程 量 子 通 信 光 路 如 图 1 所 示 光 路 调 好 后, 观 察 成 码 率, 错 误 率 成 码 率 在 3~5kbps 较 好 ; 错 误 率 要 求 低 于 5%, 且 系 统 匹 配 帧 计 数 为 1024 如 果 错 误 率 过 高, 则 要 重 新 调 整 发 射 方 手 动 偏 振 控 制 器 重 新 校 准 制 备 的 HV+- 四 种 偏 振 态, 再 调 整 接 收 方 手 动 偏 振 控 制 器, 提 高 HV 或 +- 的 对 比 度 图 1 量 子 通 信 光 路 原 理 图 表 3 仪 器 参 数 BB84 协 议 单 位 尺 寸 ( 类 型 1) 1000 618 10 mm 3 尺 寸 ( 类 型 2) 470 349 211 mm 3 光 纤 长 度 * 1 km 光 纤 衰 减 <5 db 看 系 统 加 密 解 密 效 果 : 当 一 段 时 间 密 钥 分 发 后,KEY 总 量 会 增 加 到 一 定 数 量 加 密 是 通 过 密 钥 和 信 息 按 bit 异 或 运 算 得 到 的, 有 多 少 信 息, 就 要 多 少 密 钥 而 解 密 则 是 用 相 同 的 密 钥 再 次 和 异 或 运 算 后 的 信 息 进 行 异 或 运 算 等 到 密 钥 足 够, 我 们 可 以 测 试 一 张 图 片 例 如 我 们 要 加 密 一 个 144kb 的 图 片, 等 到 key 剩 余 量 超 过 144kb 后, 我 们 在 Bob 端 测 试 图 片 选 选 项 卡 中 选 择 加 密 图 片 并 发 送 加 密 图 片 到 Alice 端, 而 在 Alice 端 测 试 图 片 选 选 项 卡 中 就 可 以 点 显 示 解 密 后 的 加 密 图 片 可 以 看 出 解 密 后 的 图 片 有 许 多 斑 斑 点 点, 这 正 和 5% 的 错 误 率 相 符 合, 错 误 率 越 低, 噪 声 斑 点 越 少, 如 果 加 入 纠 错 等 技 术 手 段, 就 可 以 彻 底 解 决 错 误 率 问 题 图 2 显 示 为 量 子 通 信 实 验 结 果, 本 次 实 验 的 成 码 率 为 2.821kbps, 错 误 率 为 2.48% 密 钥 统 计 一 栏 中, 截 止 实 验 截 图 时 间 内, 密 钥 生 成 总 量 为 81.05K, 传 送 右 方 显 示 的 加 密 图 片 消 耗 259
的 密 钥 量 为 24.13K 图 片 显 示 清 晰, 噪 声 斑 点 较 少, 与 2.48% 的 错 误 率 相 符 合 图 2 量 子 通 信 实 验 结 果 例 图 参 考 文 献 : [1] Hong C K, et al. Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference [J]. Phys Rev Lett, 1987, 59: 2044-2046. [2] Bennett C H, G Brassard. The IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, India, (IEEE, New York): 175-179. [3] Bennett C H, and G. Brassard. Quantum public key distribution system, IBM Tech. Discl. Bull. 28, 3153-3163. [4] R J Glauber. The quantum theory of optical coherence. Physical Review 130(6): 2529. [5] P A M Dirac. The principle of quantum mechanics. Oxford. Clarendon Press. [6] C K Hong, Z Y Ou, L Mandel. Phys. Rev. Lett. 1987, 59, 2044. An experimental method based on the BB84 protocol of quantum secret communication Xu Mu-lan, Liu Nai-le (University of science and technology of China, Hefei 230027, China) Abstract: based on the BB84 quantum secret communication protocol, using photon polarization transfer information. Sender and receiver with quantum channel to transport quantum state, at the same time the two sides through a public classical comparative measurement base vector channel and other exchanges of information, thus both sides obtain and share a key of safely. Key words: BB84; quantum channel; polarization; measurement vector; quantum key 260
一 种 基 于 关 联 光 子 对 的 双 缝 量 子 成 像 实 验 杨 青, 陈 凯 ( 中 国 科 学 技 术 大 学, 安 徽 合 肥 230027) 摘 要 : 利 用 下 转 换 产 生 光 子 之 间 的 关 联 性, 将 其 中 一 束 作 为 参 考 臂, 另 一 束 作 为 物 臂, 观 察 双 缝 量 子 成 像 关 键 词 : 鬼 成 像 ; 关 联 光 子 对 ; 非 局 域 特 性 ; 杨 氏 双 缝 干 涉 1993 年, 巴 西 科 学 家 通 过 纠 缠 光 源 符 合 计 数 成 像, 使 原 本 由 于 退 相 干 而 消 失 的 杨 氏 干 涉 条 纹 重 新 呈 现 自 此 这 种 具 有 非 局 域 特 性 的 量 子 成 像 的 研 究 便 迅 速 开 展 开 来 量 子 成 像 又 称 鬼 成 像, 不 同 于 常 规 的 直 接 记 录 成 像 方 式 它 采 用 一 个 单 像 素 点 探 测 器 收 集 透 过 物 体 的 光, 而 用 另 一 个 单 光 子 探 测 器 在 非 物 空 间 探 测 光 强 分 布, 通 过 提 取 具 有 关 联 性 质 的 强 度 信 息 完 成 对 物 体 的 非 局 域 成 像 这 种 有 悖 于 常 规 思 维 的 成 像 方 式, 不 仅 成 像 不 受 光 路 扰 动 影 响, 而 且 成 像 的 分 辨 率 可 以 超 越 衍 射 极 限, 也 可 以 对 低 于 奈 奎 斯 特 采 样 率 情 况 扫 描 成 像 量 子 成 像 的 这 些 特 点 吸 引 了 大 量 的 相 关 深 入 研 究, 促 进 了 多 个 科 学 领 域 的 发 展, 并 且 产 生 了 广 阔 的 应 用 前 景 [11] 基 于 双 光 子 干 涉 的 量 子 解 释 [12] : 对 于 杨 氏 双 缝 干 涉 实 验, 当 传 播 路 径 信 息 不 可 知 时, 光 子 路 径 信 息 以 概 率 幅 的 形 式 来 叠 加, 从 而 才 出 现 干 涉 现 象 ; 当 试 图 通 过 测 量 来 确 定 路 径 时, 干 涉 就 会 消 失 ( 费 曼 路 径 选 择 ) 基 于 纠 缠 源 的 量 子 成 像 是 通 过 符 合 测 量 来 提 取 物 体 的 信 息, 而 符 合 测 量 手 段 恰 好 消 除 了 关 联 光 子 对 的 路 径 信 息 ( 量 子 橡 皮 ), 即 发 生 干 涉 现 象 如 图 1, 对 一 对 纠 缠 光 子 符 合 测 量, 当 D2 探 测 到 光 子 时,D1 探 测 到 的 另 一 光 子 无 法 确 定 传 播 路 径, 符 合 计 数 是 概 率 幅 叠 加 ( 干 涉 ) 的 结 果 图 1 双 缝 干 涉 N.Klyshko 提 出 Advanced wave 理 论 [13], 该 理 论 提 供 了 一 个 唯 象 解 释 : 以 探 测 器 D1 作 为 点 光 源 发 光, 光 束 传 播 至 参 量 下 转 换 晶 体, 把 下 转 换 晶 体 表 面 看 作 平 面 镜, 光 束 经 该 平 面 镜 反 射 后, 传 播 至 扫 描 平 面, 最 终 被 探 测 器 接 受 该 唯 象 解 释 可 以 很 好 的 解 释 基 于 纠 缠 光 源 的 非 局 域 成 像 本 架 构 下 的 量 子 成 像 实 验 即 是 利 用 这 对 相 互 关 联 的 光 子 对 符 合 测 量, 完 成 对 物 体 的 非 局 域 成 像 如 本 实 验 的 具 体 实 现 过 程 就 是, 在 信 号 光 一 路 ( 物 臂 ) 放 置 一 成 像 透 镜, 物 体 ( 如 双 缝 ) 置 于 透 镜 之 后, 于 是 透 过 物 体 的 光 子 被 耦 合 器 收 集 到 固 定 的 点 探 测 器 中 而 在 闲 置 光 一 路 ( 参 考 臂 ) 的 某 一 个 平 面 上 通 过 符 合 计 数 的 方 法 进 行 横 向 扫 描 探 测 物 体 或 扫 描 平 面 到 成 像 透 镜 的 距 离 Z0,Z1+Z2 和 透 镜 焦 距 f, 满 足 高 斯 透 镜 成 像 公 式 : 1 1 1 z z z f 0 1 2 261
成 像 放 大 倍 数 : z z / z 1 2 0 图 2 双 缝 量 子 成 像 实 验 装 置 : 2 1 3 7 8 9 4 5 6 10 11 12 13 14 1 激 光 器 反 射 镜 3 滤 波 片 4 反 射 镜 5BBO 晶 体 6 滤 波 片 7 偏 振 分 光 棱 镜 8 滤 波 片 9 多 模 光 纤 扫 描 10 透 镜 11 反 射 镜 12 双 缝 13 滤 波 片 14 单 模 光 纤 耦 合 图 3 双 缝 量 子 成 像 光 路 图 本 实 验 利 用 参 量 下 转 换 过 程 产 生 的 关 联 光 子 对, 通 过 成 像 透 镜 对 双 缝 进 行 量 子 几 何 成 像 具 体 光 学 过 程 是 :405nm 激 光 泵 浦 非 线 性 晶 体 BBO, 通 过 参 量 下 转 换 方 式 产 生 偏 振 方 向 相 互 垂 直 的 关 联 光 子 对 关 联 光 子 对 经 过 偏 振 分 光 棱 镜 分 束, 水 平 偏 振 方 向 的 光 子 耦 合 到 多 模 光 纤 中, 垂 直 偏 振 方 向 的 光 子 经 过 透 镜 和 双 缝 后 耦 合 到 单 模 光 纤 中 在 参 考 臂 上, 闲 置 光 子 强 度 分 布 则 被 多 模 光 纤 横 向 探 测 扫 描 两 臂 的 探 测 结 果 通 过 符 合 计 数 器 符 合 测 量, 绘 出 符 合 曲 线 即 得 到 物 体 的 量 子 几 何 成 像 262
图 4 双 缝 量 子 成 像 实 验 结 果 图 倍 数 为 实 验 曲 线 如 上 图 根 据 Advanced Wave 唯 象 理 论, 成 像 关 系 满 足 高 斯 公 式, 成 像 放 大 z z / z 1 2 0 本 实 验 架 构 中, 成 像 放 大 两 倍 成 像 物 体 - 双 缝 的 间 距 为 0.68mm, 像 的 双 峰 间 距 为 1.35mm, 与 理 论 分 析 一 致 参 考 文 献 : [1] Hong C K, et al. Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference [J]. Phys Rev Lett, 1987, 59: 2044-2046. [2] Bell J S. Speakable and unspeakable in quantum mechanics [M]. London: Cambridge University Press, 1987. [3] R J Glauber. Coherent and incoherent states of the radiation field. Physical Review 131(6): 2766-2788. [4] R J. Glauber. The quantum theory of optical coherence. Physical Review 130(6): 25 29. [5] P A M Dirac. The principle of quantum mechanics. Oxford. Clarendon Press. [6] 郑 名 扬 基 于 纠 缠 光 源 的 量 子 成 像 理 论 与 实 验 研 究 博 士 学 位 论 文 A double seam quantum imaging experiment based on the correlation of photon pair Yang Qing, Chen Kai (University of science and technology of China, Hefei 230027, China) Abstract: using the correlated photon pair generated by PDC, one of the beam as the reference arm, the other as object arm, to observe double slit quantum imaging. Keywords: ghost imaging; associated photon pairs; local features; Young's double-slit 263
基 于 纠 缠 光 源 的 单 光 子 干 涉 和 HOM 型 双 光 子 干 涉 实 验 刘 敏, 蔡 昕 东 ( 中 国 科 学 技 术 大 学, 安 徽 合 肥 230027) 摘 要 : 利 用 纠 缠 光 源 的 其 中 一 支 作 为 单 光 子 源, 应 用 Mach-Zehnder 干 涉 扩 展 装 置, 在 干 涉 长 度 范 围 内, 观 察 由 于 环 境 变 化 所 导 致 的 相 位 改 变 实 验 中 表 现 为 光 子 计 数 抖 动 同 时, 利 用 纠 缠 源 产 生 的 纠 缠 光 子 对 之 间 的 关 联 性, 制 备 不 可 区 分 的 纠 缠 光 子, 进 行 HOM 型 双 光 子 干 涉 实 验 关 键 词 : 纠 缠 光 源 Mach-Zehnder 干 涉 单 光 子 干 涉 光 子 计 数 HOM 型 双 光 子 干 涉 1 单 光 子 干 涉 量 子 光 学 之 父 R.J.Glauber 提 出 : 量 子 意 义 上 的 干 涉, 并 非 是 光 子 之 间 物 理 意 义 上 的 干 涉, 而 是 概 率 波 的 干 涉 [3][4][5] 保 罗 狄 拉 克 : 假 定 我 们 令 大 量 光 子 组 成 的 光 束 分 裂 为 两 个 强 度 相 等 的 部 分 按 照 光 束 的 强 度 与 其 中 可 能 的 光 子 数 目 相 联 系 的 假 定, 我 们 就 会 得 到, 光 子 总 数 的 一 般 分 别 走 入 每 一 组 分 现 在, 如 果 使 这 两 个 组 分 互 相 干 涉, 我 们 就 得 要 求, 在 一 个 组 分 中 的 一 个 光 子 能 够 与 另 一 组 分 中 的 一 个 光 子 互 相 干 涉 在 某 些 情 况 下, 这 两 个 光 子 就 要 互 相 抵 消, 而 在 另 一 些 情 况 下, 它 们 就 要 产 生 四 个 光 子 这 样 一 来, 就 会 和 能 量 守 恒 相 矛 盾 了 而 新 的 理 论 把 波 函 数 与 一 个 光 子 的 几 率 联 系 起 来, 就 克 服 了 这 一 困 难, 因 为 这 个 理 论 认 定, 每 一 光 子 都 是 部 分 地 走 入 两 个 组 分 中 的 每 一 个 这 样, 每 一 个 光 子 只 与 它 自 己 发 生 干 涉 [6] 光 具 有 波 粒 二 象 性 当 我 们 探 测 纠 缠 源 产 生 的 纠 缠 光 子 计 数 时, 我 们 侧 重 于 光 的 粒 子 性 当 光 经 过 半 透 半 反 分 光 棱 镜 分 束 后 两 束 光 波 的 叠 加 出 现 类 似 于 经 典 光 学 中 的 干 涉 现 象 时, 则 侧 重 于 光 的 波 动 性 在 本 实 验 装 置 中, 当 纠 缠 源 产 生 的 约 100k.cps 光 子 经 过 分 光 棱 镜 后, 单 从 粒 子 性 角 度 考 虑, 后 端 耦 合 器 收 集 到 的 将 会 是 一 个 恒 定 的 光 子 计 数 值 而 实 验 中 观 察 到 的 干 涉 现 象 如 果 不 是 光 子 之 间 的 干 涉, 就 如 经 典 干 涉 实 验 中 光 波 的 干 涉 的 话, 那 么 很 难 想 象 光 子 确 切 的 行 走 路 径 如 此,R.J.Glauber 提 出 量 子 意 义 上 的 干 涉 是 概 率 波 的 干 涉 本 实 验 方 案 很 好 的 展 现 的 光 的 波 粒 二 象 性 最 终 我 们 将 观 察 到 在 分 光 棱 镜 处 叠 加 后 的 光 子 计 数 值, 同 时 也 将 观 察 由 于 环 境 变 化 导 致 干 涉 位 置 处 光 子 计 数 值 的 抖 动 2 实 验 装 置 单 光 子 干 涉 实 验 系 统 包 括 干 涉 环 部 分 和 收 集 探 测 部 分 ( 图 1) 干 涉 环 部 分 包 括 : 准 直 器, 反 射 镜, 分 光 棱 镜 和 一 维 移 动 平 台 ; 收 集 探 测 部 分 包 括 : 耦 合 器, 光 子 探 测 图 1 单 光 子 干 涉 实 验 光 路 图 264
纠 缠 源 中 的 一 路 光 子 经 分 光 棱 镜 BS 透 射 和 反 射, 再 由 红 光 反 射 镜 反 射 后 在 BS 处 发 生 单 光 子 干 涉 用 耦 合 器 收 集 二 次 经 过 分 光 棱 镜 BS 的 光 子, 由 单 光 子 探 测 设 备 探 测 收 集 到 的 光 子 每 一 个 光 子 只 与 它 自 己 发 生 干 涉, 在 干 涉 位 置 出 现 光 子 计 数 抖 动 的 现 象, 计 数 抖 动 幅 度 随 单 光 子 行 走 路 径 距 离 差 呈 包 络 状, 如 图 2 所 示 图 2 单 光 子 干 涉 实 验 结 果 拟 合 图 实 验 结 果 如 图 3 所 示 横 坐 标 为 移 动 台 的 测 微 螺 旋 头 所 处 位 置 显 示 的 刻 度 值, 实 验 中 推 动 移 动 台, 扫 描 干 涉 位 置 纵 坐 标 为 实 时 采 集 的 光 子 计 数 值, 上 图 中 显 示 的 多 个 点 是 移 动 台 处 于 指 定 位 置, 不 同 时 间 采 集 的 实 时 光 子 计 数 值 由 图 3 所 示, 相 干 长 度 为 :90um, 光 子 计 数 波 动 范 围 为 :[12000.cps,22000.cps] 图 3 单 光 子 干 涉 实 验 结 果 图 3 HOM 型 双 光 子 干 涉 1987 年,C. K. Hong, Z. Y. Ou, and L. Mandel 在 实 验 中 观 察 到 基 于 分 光 棱 镜 的 双 光 子 干 涉 现 象 [6] 以 下 用 玻 色 子 的 产 生 和 湮 灭 算 符 来 阐 述 HOM 型 干 涉 的 理 论 过 程 265
图 4 分 光 棱 镜 a 和 b 均 为 产 生 算 符 a 路 径 和 b 路 径 各 有 一 光 子 ( 图 4), 可 表 示 为 : a b 0, 0 ab 1,1 ab 光 子 经 过 半 透 半 反 分 束 镜 BS 后, 透 射 和 反 射 的 概 率 均 为 50% 其 路 径 选 择 可 由 产 生 算 符 之 间 的 关 系 变 化 表 示 : c d a, 2 c d b 2 Hong-Ou-Mandel 型 干 涉 需 要 光 子 的 频 率 相 同, 偏 振 方 向 相 同 且 两 光 子 在 时 间 上 不 可 区 分 当 两 光 子 不 可 区 分 时 光 子 之 间 发 生 干 涉 那 么, 我 们 无 法 区 分 两 光 子 同 时 透 射 或 是 两 光 子 同 时 反 射 的 情 况 即 : 那 么, 两 光 子 经 过 BS 后 : BS 1 1,1 ab a b 0,0 ab c id ic d 0,0 2 cd 1 2 2 2,0 0,2 cd cd c d 0,0 2 cd 2 从 上 式 亦 可 看 出, 发 生 双 光 子 干 涉 时, 两 光 子 只 从 一 端 输 出, 则 没 有 符 合 4 实 验 装 置 HOM 型 双 光 子 干 涉 实 验 ( 图 5) 包 括 干 涉, 滤 波 和 单 光 子 探 测 和 符 合 部 分 从 纠 缠 源 系 统 产 生 的 两 路 纠 缠 光 子 对 经 过 分 别 经 过 准 直 器 准 直, 再 经 高 反 射 率 的 反 射 镜 转 折, 最 后 在 分 光 棱 镜 处 产 生 干 涉 每 一 路 光 子 在 分 光 棱 镜 处 都 将 概 率 性 的 走 透 射 线 或 是 反 射 线 最 终, 耦 合 器 都 将 收 集 到 其 中 一 路 经 过 分 光 棱 镜 的 透 射 光 子 和 另 外 一 路 经 过 分 光 棱 镜 的 反 射 光 子 收 集 到 的 光 子 经 过 光 纤 传 输 到 单 光 子 探 测 器, 输 出 的 电 信 号 经 过 电 子 学 处 理, 在 将 单 路 计 数 和 符 合 计 数 上 传 和 显 示 在 上 位 机 软 件 上 Ⅱ 型 参 量 下 转 换 产 生 偏 振 方 向 相 互 垂 直 的 纠 缠 光 子 对, 而 HOM 型 双 光 子 干 涉 需 要 不 可 区 分 的 光 子 对 因 此, 在 干 涉 装 置 中 需 要 半 波 片 旋 转 光 子 的 偏 振 方 向 另 外, 需 要 极 化 片 检 测 光 子 的 偏 振 是 否 旋 转 到 最 佳 c d 0,0 ab id ic 0,0 ab 实 验 结 果 如 上 图 所 示, 横 坐 标 为 移 动 台 螺 旋 测 微 头 所 处 位 置 的 刻 度 值, 纵 坐 标 为 光 子 的 符 合 计 数 值 实 验 中 推 动 移 动 台 扫 描 双 光 子 干 涉 位 置 图 示 中 干 涉 中 心 位 置 移 动 台 的 位 置 为 266
14.78mm, 双 光 子 相 干 长 度 约 90um, 干 涉 对 比 度 为 :4:1 非 干 涉 位 置 符 合 计 数 为 260.cps, 干 涉 中 心 位 置 处 符 合 计 数 值 为 60.cps 1 13 3 4 12 10 2 5 9 11 6 8 7 1 准 直 器 2 反 射 镜 3 半 波 片 4 极 化 片 5 偏 振 分 光 棱 镜 6 准 直 器 & 移 动 台 7 反 射 镜 7 半 波 片 8 极 化 片 9 滤 波 片 10 耦 合 器 11 滤 波 片 12 耦 合 器 图 5 HOM 型 双 光 子 干 涉 光 路 图 图 6 HOM 型 双 光 子 干 涉 实 验 结 果 图 参 考 文 献 : [1] Hong C K, et al. Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference [J]. Phys Rev Lett, 1987, 59: 2044-2046. [2] Bohm D. A suggested interpretation of the quantum theory in terms of hidden variables, Ⅰ and Ⅱ [J]. Phys. Rev., 1952, 85(2): 166-179, 180-193. [3] R J Glauber. Coherent and incoherent states of the radiation field. Physical Review 131(6): 2766-2788. 267
[4] R J Glauber. The quantum theory of optical coherence. Physical Review, 130(6):2529. [5] P A M Dirac. The principle of quantum mechanics. Oxford. Clarendon Press. [6] C K Hong, Z Y Ou, L Mandel. Phys. Rev. Lett. 1987, 59, 2044. [7] D N Klyshko. Two-photon Light: Influence of filtration and a new possible EPR experiment. Physics Letters A, 128(3,4): 133-137. Single photon interference and "HOM type two-photon interference experiment based on entangled photons Liu Min, Cai Xin-dong (University of science and technology of China, Hefei 230027, China) Abstract: the use of light source as single photon sources, one of the application of the Mach - Zehnder interference extension device, within the scope of the interference lengths, observed due to environmental changes caused by the phase change. Experiments show the photon counting jitter. At the same time, using the correlation between entangled source of entangled photon pairs, preparation of indistinguishable entangled photons, "HOM type two-photon interference experiments. Key words: entangled light; Mach - Zehnder interference; single-photon interference photon counting; HOM two-photon interference 268
大 气 压 等 离 子 体 实 验 演 示 仪 董 馨 1, 孙 智 兴 2 2, 于 江 涛 (1. 北 京 舒 杰 特 科 技 有 限 责 任 公 司, 北 京 100084; 2. 河 北 联 合 大 学 机 械 工 程 学 院, 唐 山 063009) 摘 要 : 随 着 大 气 压 气 体 放 电 等 离 子 体 科 学 与 技 术 的 不 断 发 展, 面 向 基 础 和 应 用 研 究 的 各 个 领 域 均 对 等 离 子 体 科 学 与 技 术 领 域 的 人 才 培 养 提 出 了 迫 切 的 需 求 我 们 以 大 气 压 放 电 等 离 子 体 在 生 物 医 学 环 境 保 护 新 能 源 以 及 飞 行 器 流 动 控 制 等 新 兴 领 域 的 应 用 为 背 景, 开 发 了 面 向 国 内 高 校 等 离 子 体 物 理 实 验 教 学 的 实 验 演 示 仪 器 关 键 词 : 大 气 压 放 电 等 离 子 体 ; 实 验 教 学 ; 演 示 仪 1 引 言 等 离 子 体 被 称 为 除 固 体 液 体 气 体 以 外 物 质 的 第 四 态, 它 由 离 子 电 子 等 带 电 粒 子 以 及 中 性 粒 子 ( 原 子 分 子 微 粒 等 ) 组 成, 宏 观 上 呈 现 准 电 中 性 和 集 体 效 应 [1] 自 然 界 中 常 见 的 太 阳 雷 电 和 极 光 以 及 工 业 中 应 用 的 霓 虹 灯 荧 光 灯 和 电 弧 焊 等 都 属 于 等 离 子 体 按 照 气 体 温 度 来 划 分, 可 将 等 离 子 体 分 为 高 温 等 离 子 体 和 低 温 等 离 子 体 [2] 高 温 等 离 子 体 是 指 温 度 约 为 10 8 K 的 等 离 子 体 低 温 等 离 子 体 又 可 分 为 温 度 约 为 10 4 K 的 热 等 离 子 体 以 及 电 子 温 度 可 达 几 十 电 子 伏 特, 但 气 体 温 度 约 为 几 千 或 几 百 度 甚 至 接 近 室 温 的 冷 等 离 子 体 图 1 给 出 了 实 验 室 中 产 生 的 几 种 典 型 的 大 气 压 气 体 放 电 等 离 子 体, 其 中 T h T e 和 n e 分 别 代 表 重 粒 子 温 度 电 子 温 度 和 电 子 数 密 度, 温 度 比 (=T e /T h ) 表 征 了 等 离 子 体 的 热 力 学 非 平 衡 程 度 图 1 大 气 压 放 电 等 离 子 体 参 数 图 谱 等 离 子 体 技 术 已 广 泛 应 用 于 诸 多 领 域 在 能 源 领 域, 利 用 超 高 密 度 超 高 温 度 等 离 子 体 的 核 聚 变 发 电 ; 在 工 业 领 域, 利 用 热 等 离 子 体 实 现 了 焊 接 切 割 热 电 厂 锅 炉 的 无 油 点 火 ; 在 日 常 生 活 中, 利 用 等 离 子 体 发 光 特 性 实 现 照 明, 如 荧 光 灯 霓 虹 灯 放 电 管 等 ; 在 材 料 加 工 领 域, 利 用 等 离 子 体 化 学 活 性 的 薄 膜 沉 积 与 刻 蚀, 以 及 材 料 的 表 面 改 性 废 弃 物 处 理 ; 在 生 269
物 医 学 领 域, 利 用 常 压 室 温 等 离 子 体 可 进 行 生 物 体 诱 变 育 种 疾 病 治 疗 等 ; 在 空 间 推 进 领 域, 等 离 体 推 力 器 广 泛 地 应 用 于 小 卫 星 的 姿 态 控 制 和 轨 道 保 持 等 方 面 ; 另 外 等 离 子 体 在 能 量 转 换 国 防 安 全 等 领 域 亦 有 着 广 泛 的 应 用 [3-5] 随 着 等 离 子 体 科 学 与 技 术 在 各 个 领 域 应 用 的 不 断 拓 展, 相 关 的 应 用 基 础 研 究 呈 现 出 显 著 的 学 科 交 叉 和 融 合 的 特 点, 这 势 必 会 对 人 才 培 养 提 出 更 高 和 更 迫 切 的 需 求 虽 然 国 内 高 校 已 经 相 继 开 设 了 一 些 等 离 子 体 基 础 理 论 课 程, 但 在 等 离 子 体 实 验 教 学 方 面 仍 然 缺 乏 与 理 论 教 学 和 应 用 研 究 相 匹 配 的 实 验 教 学 仪 器 针 对 目 前 国 内 高 校 对 于 等 离 子 体 实 验 教 学 的 需 求, 我 们 团 队 结 合 目 前 等 离 子 体 理 论 教 学 内 容 和 热 点 应 用 领 域 开 发 了 系 列 大 气 压 放 电 等 离 子 体 演 示 仪 (Plasma Demo), 包 括 等 离 子 体 激 励 器 疯 狂 的 火 焰 和 等 离 子 体 音 箱 以 下 我 们 将 对 这 三 种 演 示 仪 的 特 性 进 行 详 细 的 介 绍 2 实 验 装 置 和 实 验 内 容 我 们 所 开 发 的 这 套 等 离 子 体 演 示 仪 包 括 了 等 离 子 体 激 励 器 疯 狂 的 火 焰 和 等 离 子 体 音 箱 三 个 模 块 该 演 示 仪 的 特 点 是 : 以 空 气 为 放 电 介 质, 在 大 气 压 下 实 现 放 电, 因 而 无 需 真 空 系 统 和 特 殊 气 体 ( 如 惰 性 气 体 ) 的 供 给 ; 实 现 了 对 等 离 子 体 特 性 从 视 觉 到 听 觉 的 全 方 位 展 示, 即 适 合 于 在 课 堂 上 做 演 示 实 验 用, 也 适 合 于 在 实 验 室 中 开 展 具 有 一 定 探 索 性 的 实 践 课 程 的 应 用 此 演 示 仪 系 列 中 的 等 离 子 体 激 励 器 和 疯 狂 的 火 焰 可 共 用 一 个 电 源 模 块, 模 块 化 的 设 计 使 得 演 示 仪 成 本 低 体 积 小 重 量 轻 便 于 维 修 和 易 损 件 的 更 换 3 实 验 结 果 及 讨 论 3.1 等 离 子 体 激 励 器 等 离 子 体 激 励 器 的 放 电 类 型 为 介 质 阻 挡 放 电, 该 演 示 仪 模 块 的 总 体 效 果 图 放 电 单 元 结 构 示 意 图 及 电 极 结 构 图 分 别 如 图 2(a)~(c) 所 示, 其 放 电 的 伏 安 特 性 曲 线 和 电 压 - 功 率 曲 线 如 图 3 所 示 等 离 子 体 激 励 器 工 作 时, 在 上 下 两 极 板 间 施 加 高 压 交 变 电 场, 在 空 气 被 击 穿 之 前, 两 电 极 之 间 为 一 电 容 ; 两 电 极 间 的 电 流 随 外 加 电 压 的 升 高 而 增 加 ; 当 两 电 极 间 的 外 加 电 压 达 到 约 6 kv 时 空 气 被 击 穿, 在 两 电 极 间 介 质 层 的 上 下 表 面 处 均 会 产 生 介 质 阻 挡 放 电, 但 放 电 强 度 较 弱 ; 随 着 电 压 的 进 一 步 升 高, 放 电 电 流 和 功 率 逐 渐 增 加, 放 电 区 面 积 和 等 离 子 体 的 发 光 强 度 均 随 之 增 加 ; 此 时 气 体 放 电 所 诱 导 的 电 极 壁 面 附 近 的 空 气 流 速 亦 增 加, 从 而 对 酒 精 灯 火 焰 产 生 明 显 的 扰 动 ( 见 图 4) 图 2 离 子 体 激 励 器 总 体 效 果 图 (a) 放 电 单 元 结 构 示 意 图 (b) 及 电 极 结 构 图 (c) 270
图 3 离 子 体 激 励 器 放 电 的 伏 安 特 性 曲 线 及 电 压 - 功 率 曲 线 图 4 离 子 体 激 励 器 放 电 前 (a) 和 放 电 后 (b) 的 放 电 图 像 及 对 酒 精 灯 火 焰 的 扰 动 3.2 疯 狂 的 火 焰 疯 狂 的 火 焰 模 块 的 放 电 类 型 为 电 晕 放 电 图 5 给 出 了 该 模 块 的 总 体 效 果 图 放 电 单 元 结 构 示 意 图 及 产 生 电 晕 放 电 的 原 理 示 意 图 电 晕 放 电 是 指 带 电 体 表 面 在 气 体 或 液 体 介 质 中 出 现 许 多 局 部 的 电 离 和 激 发 过 程, 但 电 极 之 间 并 不 击 穿 或 导 通 而 出 现 的 自 持 放 电 现 象 [6] 此 实 验 模 块 通 过 在 酒 精 灯 火 焰 中 添 加 具 有 多 尖 端 的 金 属 电 极, 并 将 该 电 极 与 高 频 高 压 电 源 相 连, 从 而 在 电 极 尖 端 产 生 多 处 电 晕 放 电 ( 如 图 5(c) 所 示 ); 电 晕 放 电 所 产 生 的 等 离 子 体 对 酒 精 灯 火 焰 产 生 剧 烈 扰 动, 从 而 导 致 火 焰 形 状 畸 变 图 6(a)~(d) 分 别 给 出 了 外 加 电 压 为 0( 参 考 状 态 ) 10.7 17.6 和 18.9 kv 时 酒 精 灯 火 焰 的 照 片 可 以 看 到, 由 于 电 晕 放 电 的 出 现, 酒 精 灯 火 焰 出 现 明 显 的 分 叉 和 脉 动 ; 而 随 着 外 加 电 压 的 增 大, 火 焰 分 叉 增 多 脉 动 亦 变 得 更 加 剧 烈 图 5 疯 狂 的 火 焰 模 块 总 体 效 果 图 (a) 放 电 单 元 结 构 示 意 图 (b) 及 电 晕 放 电 原 理 示 意 图 (c) 271
图 6 不 同 放 电 条 件 下 酒 精 灯 火 焰 发 生 扰 动 的 对 比 3.3 等 离 子 体 音 箱 等 离 子 体 音 箱 的 放 电 类 型 为 暖 等 离 子 体 放 电 图 7 给 出 了 该 模 块 的 总 体 效 果 图 放 电 单 元 结 构 示 意 图 及 典 型 的 放 电 图 像 当 在 等 离 子 体 音 箱 的 两 平 行 的 放 电 细 丝 ( 如 图 7(b) 所 示 ) 之 间 外 加 大 约 40 kv 的 直 流 高 压 后, 两 铜 丝 之 间 的 空 气 在 该 高 压 电 场 的 作 用 下 击 穿 形 成 放 电 通 道, 产 生 暖 等 离 子 体 当 放 电 通 道 形 成 后, 放 电 电 压 中 的 直 流 成 分 迅 速 衰 减, 而 交 流 成 分 ( 即 纹 波 成 分 ) 则 占 主 导 地 位 此 时, 可 将 音 频 ( 可 由 MP3, 手 机, 电 脑 等 音 频 设 备 提 供 ) 信 号 放 大 后 对 该 交 流 电 压 的 峰 峰 值 进 行 调 制 图 8 为 未 加 入 音 频 信 号 时 输 入 高 压 变 压 器 的 脉 宽 调 制 信 号, 此 时 放 电 稳 定, 所 形 成 的 等 离 子 体 如 图 7(c) 所 示, 该 信 号 为 一 方 波 ; 而 当 采 用 音 频 信 号 对 放 电 电 压 进 行 调 制 后, 可 以 明 显 地 发 现 放 电 电 压 的 脉 冲 宽 度 和 幅 度 均 在 随 着 音 乐 的 节 奏 变 化, 相 应 地, 所 产 生 的 等 离 子 体 按 照 音 频 的 规 律 跳 动, 并 推 动 空 气 震 动, 从 而 实 现 了 会 唱 歌 的 电 弧 ( 如 图 7(d) 所 示 ) 图 7 等 离 子 体 音 箱 总 体 效 果 图 (a) 放 电 单 元 结 构 示 意 图 (b) 和 典 型 的 放 电 照 片 (c)~(d) 图 8 未 加 入 音 频 信 号 时 的 放 电 电 压 波 形 图 272
图 9 加 入 音 频 信 号 后 的 放 电 电 压 波 形 图 4 结 束 语 该 套 大 气 压 等 离 子 体 演 示 仪 直 观 地 向 学 生 展 示 了 三 种 典 型 的 等 离 子 体 的 放 电 图 像 和 特 性, 包 括 介 质 阻 挡 放 电 电 晕 放 电 及 非 热 电 弧 放 电 ( 暖 等 离 子 体 ) 该 套 演 示 仪 很 好 地 展 示 了 大 气 压 气 体 放 电 等 离 子 体 的 一 些 基 本 特 性 和 典 型 应 用, 而 且 有 利 于 通 过 引 导 学 生 对 实 验 现 象 进 行 细 致 的 观 测 和 深 入 的 剖 析 加 深 对 等 离 子 体 基 础 理 论 知 识 的 学 习 和 掌 握 该 套 实 验 演 示 仪 在 清 华 大 学 等 单 位 进 行 了 初 步 的 实 验 教 学, 受 到 了 教 师 和 学 生 的 好 评 参 考 文 献 : [1] Chen F F. 等 离 子 体 物 理 导 论 [M] 林 光 海, 译 北 京 : 人 民 教 育 出 版 社,1980:1-20 [2] 陈 熙 热 等 离 子 体 传 热 与 流 动 [M] 北 京 : 科 学 出 版 社,2009:1-14 [3] 江 南 我 国 低 温 等 离 子 体 研 究 进 展 [J] 物 理,2006,35(2):130-139 [4] 孟 月 东, 钟 少 锋, 熊 新 阳 低 温 等 离 子 体 技 术 应 用 研 究 进 展 [J] 物 理,2006,35(2):140-146 [5] Moreau E. Airflow control by non-thermal plasma actuators [J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2007, 40(3): 605-636. [6] 张 海 峰, 庞 其 昌, 陈 秀 春 高 压 电 晕 放 电 特 征 及 其 检 测 [J] 电 测 与 仪 表,2006,43(482): 6-9 Experimental Demonstration Instruments of Atmospheric- Pressure Gas Discharge Plasmas DONG Xin 1, SUN Zhi-Xing 2, YU Jiang-Tao 2 (1. Beijing Superjet Technology Co., Ltd., Beijing 100084, China; 2. College of Mechanical Engineering, Hebei United University, Tangshan 063009, China) Abstract: With development of atmospheric-pressure gas discharge (APGD) plasma science and technology, there exists an urgent demand for the talent cultivation from different fundamental and application fields. In this paper, several demonstration instruments of the APGD plasma sources for the experimental education in the universities or colleges in China are developed with biomedical science, environmental protection, new energy and flow control of aircraft, etc., as the background. Key words: atmospheric gas discharge plasmas; experimental education; demonstrat 273
利 用 时 域 有 限 差 分 法 模 拟 金 纳 米 球 及 球 壳 光 学 特 性 钱 钧, 刘 丽 军, 张 春 玲 ( 南 开 大 学 物 理 科 学 学 院, 天 津 300071) 摘 要 : 利 用 时 域 有 限 差 分 方 法, 研 究 了 金 纳 米 球, 金 纳 米 球 壳 及 多 层 球 壳 的 消 光 特 性 及 电 场 分 布 结 果 表 明, 金 纳 米 颗 粒 的 几 何 参 数 对 消 光 峰 的 位 置 有 显 著 影 响 1 引 言 关 键 词 : 纳 米 颗 粒 ; 消 光 ; 表 面 等 离 子 金 纳 米 球 及 球 壳 结 构 近 年 来 受 到 极 大 关 注, 由 于 它 们 独 特 的 光 学 性 质, 在 生 物 传 感, 生 物 医 学 成 像, 乃 至 癌 症 治 疗 等 方 面 有 广 泛 的 应 用 前 景 [1-3] 金 纳 米 颗 粒 的 光 学 特 征 主 要 来 源 于 颗 粒 的 局 域 表 面 等 离 子 共 振 (Localized Surface Plasmon resonance,lspr) [4] 金 纳 米 颗 粒 在 入 射 光 照 射 下, 其 自 由 电 子 发 生 集 体 震 荡, 从 而 形 成 局 域 表 面 等 离 子 共 振, 在 共 振 波 长 引 起 强 烈 的 光 学 吸 收 和 散 射, 并 在 颗 粒 周 围 产 生 极 强 的 电 场 分 布 金 纳 米 颗 粒 的 表 面 等 离 子 共 振 对 颗 粒 的 几 何 形 貌 及 周 围 介 质 折 射 率 十 分 敏 感 通 过 改 变 金 球 壳 (Silica-Gold) 颗 粒 的 核 壳 比, 能 够 使 其 共 振 峰 移 动 到 近 红 外 的 生 物 窗 口 (700-1300nm) [5], 有 利 于 其 在 生 物 方 面 的 应 用 近 年 来,Gold-Silica-Gold 多 层 球 壳 结 构 也 被 合 成 并 广 泛 研 究 [6] 相 比 于 Silica-Gold 球 壳 结 构,Gold-Silica-Gold 多 层 球 壳 结 构 能 够 提 供 更 加 丰 富 及 可 调 节 的 等 离 子 共 振 带 本 文 利 用 时 域 有 限 差 分 方 法 (finite difference time domain,fdtd) [7], 研 究 金 球 (Gold sphere), 金 球 壳 (Silica-Gold), 及 Gold-Silica-Gold 多 层 球 壳 结 构 的 吸 收, 散 射, 电 场 分 布 等 光 学 特 性 本 实 验 作 为 研 究 性 实 验, 有 利 于 本 科 生 了 解 当 今 科 学 研 究 的 前 沿 领 域, 培 养 学 生 的 创 新 能 力, 科 研 技 能 等 综 合 实 验 素 质 通 过 时 域 有 限 差 分 方 法 模 拟, 使 同 学 能 够 很 直 观 的 了 解 金 纳 米 颗 粒 的 电 场 分 布 等 光 学 特 性, 有 利 于 从 微 观 层 面 了 解 光 与 金 纳 米 颗 粒 的 相 互 作 用 机 制 2 基 本 原 理 组, 即 FDTD 方 法 是 一 种 常 用 的 电 磁 场 模 拟 方 法 电 场 分 量 E, 磁 场 分 量 H 满 足 麦 克 斯 韦 方 程 B E t D H t (1) 在 均 匀 介 质 中, 有 D( ) ( ) E( ), B( ) ( ) H( ), 其 中 ( ), ( ) 为 介 电 常 数 和 磁 导 率 在 三 维 空 间 中,E 矢 量 可 以 分 解 为 E x,e y,e z 三 个 分 量, 同 理 H 也 可 以 分 解 为 H x,h y,h z 三 个 分 量 FDTD 方 法 的 基 本 思 路 是 将 时 间 与 空 间 网 格 化, 在 格 点 间 距 很 小 的 极 限 情 况 下, 将 函 数 的 微 分 运 算 转 换 成 差 分 运 算, 将 E 和 H 的 分 量 在 空 间 和 时 间 上 采 基 金 项 目 : 国 家 基 础 科 学 人 才 培 养 基 金 资 助 (J1103208,J1210027) 作 者 简 介 : 钱 钧 (1978 ), 男, 回 族, 辽 宁 沈 阳 人, 南 开 大 学 物 理 科 学 学 院 讲 师, 博 士, 从 事 实 验 教 学, 微 纳 光 学 研 究 274
取 交 替 抽 样 的 离 散 方 式 进 行 处 理 给 定 初 始 场, 根 据 已 知 的 边 界 条 件, 即 可 以 模 拟 电 磁 波 与 物 质 的 相 互 作 用, 以 及 此 电 磁 波 随 时 间 的 演 化 行 为 3 模 拟 计 算 及 讨 论 我 们 要 计 算 的 三 种 结 构 见 图 1, 图 1(a) 为 金 纳 米 球 结 构, 半 径 为 R 图 1(b) 为 金 纳 米 球 壳 (Silica-Gold) 结 构, 中 间 为 二 氧 化 硅 球 核, 外 面 是 金 球 壳, 各 层 半 径 为 R 1,R 2 图 1(c) 为 Gold-Silica-Gold 多 层 球 壳 结 构, 中 间 为 金 球 核 心, 外 面 依 次 是 二 氧 化 硅 层 和 金 壳 层, 各 层 半 径 为 R 1,R 2,R 3 在 FDTD 计 算 中 采 取 总 场 散 射 场 光 源, 入 射 光 传 播 方 向 k 及 偏 振 方 向 E 及 如 图 1 所 示 二 氧 化 硅 的 介 电 常 数 取 2.04 金 的 介 电 性 质 取 文 献 [ 8] 中 的 参 数 图 1 金 纳 米 球 (a), 金 纳 米 壳 (b), 以 及 多 层 金 球 壳 结 构 (c) 示 意 图 图 2 给 出 了 不 同 半 径 R 下, 金 纳 米 球 的 吸 收, 散 射 及 消 光 光 谱 颗 粒 的 消 光 等 于 吸 收 和 散 射 相 加 由 于 金 球 尺 寸 很 小, 小 于 入 射 光 波 长 在 瑞 利 散 射 条 件 下, 散 射 光 强 度 和 颗 粒 半 径 R6 成 正 比, 而 吸 收 强 度 是 和 球 颗 粒 半 径 R3 成 正 比 [9] 所 以, 我 们 在 图 2 中 看 到, 当 R 比 较 小 时 (R=20 nm), 散 射 相 比 于 吸 收 很 小 随 着 R 逐 渐 增 大, 散 射 逐 渐 增 大 当 R=80 nm 时, 金 球 颗 粒 的 散 射 大 于 吸 收 此 外, 随 着 半 径 R 的 增 大, 光 谱 等 离 子 共 振 峰 的 波 长 位 置 有 较 小 的 红 移 图 2 不 同 R 下 金 纳 米 球 的 吸 收, 散 射 及 消 光 谱 275
图 3 给 出 了 不 同 内 核 半 径 R 1 下, 金 纳 米 球 壳 的 消 光 光 谱, 其 中 R 2 =60 nm 我 们 可 以 看 到, 等 离 子 共 振 峰 位 置 对 R 1 的 变 化 十 分 敏 感 在 R 2 不 变 的 条 件 下, 随 着 R 1 的 增 大, 核 壳 比 增 大, 等 离 子 共 振 峰 波 长 红 移 进 入 近 红 外 区 域 (700-1000 nm) 在 这 个 区 域, 光 能 够 透 过 生 物 组 织, 对 于 生 物 及 医 学 方 面 的 应 用, 有 很 重 要 的 价 值 图 3 不 同 R1 下 金 纳 米 球 壳 (R2=60 nm) 的 消 光 谱 图 4 是 不 同 金 核 心 半 径 R1 下,Gold-Silica-Gold 多 层 球 壳 结 构 的 消 光 光 谱, 其 中 R2/R3=50/60 nm 根 据 等 离 子 杂 化 理 论 [10], Gold-Silica-Gold 多 层 球 壳 的 等 离 子 共 振, 可 以 看 做 中 间 金 球 核 心 的 等 离 子 共 振 与 外 面 的 金 纳 米 壳 的 等 离 子 共 振 相 互 作 用 在 两 者 的 相 互 作 用 下, 产 生 了 高 能 级 和 低 能 级 的 两 个 等 离 子 共 振 模 式, 对 应 光 谱 上 两 个 消 光 峰 随 着 R1 的 增 大, 低 能 峰 向 红 端 移 动, 而 高 能 峰 有 微 小 蓝 移 可 以 理 解 为,R1 的 增 大, 使 得 金 球 核 心 和 外 层 金 纳 米 壳 接 近, 相 当 于 增 大 了 两 者 的 相 互 作 用, 从 而 使 得 对 应 的 高 能 峰 和 低 能 峰 劈 裂 增 大 图 4 不 同 R1 下 Gold-Silica-Gold 多 层 球 壳 (R2/R3=50/60 nm) 的 消 光 谱 图 5 分 别 给 出 了, 这 三 种 不 同 结 构 在 等 离 子 共 振 波 长 时 的 电 场 分 布 对 R=60 nm 的 金 球, 以 及 R1/R2=40/60 nm 的 金 球 壳, 我 们 可 以 看 到 电 场 的 增 益 主 要 局 域 在 金 颗 粒 的 外 表 面 276
对 于 R1/R2/R3=30/50/ 60 nm 多 层 球 壳, 无 论 对 于 高 能 峰 (530 nm) 还 是 低 能 峰 (780nm), 电 场 的 增 益 很 大 一 部 分 局 域 在 金 球 以 及 外 金 壳 之 间 的 介 质 层, 金 壳 外 表 面 的 电 场 增 益 相 对 较 小 图 5 金 纳 米 球 (a), 金 纳 米 壳 (b),gold-silica-gold 多 层 球 壳 (c,d) 在 共 振 波 长 时 的 电 场 分 布 4 结 束 语 本 实 验 利 用 FDTD 方 法, 计 算 了 金 纳 米 球, 金 纳 米 球 壳, 及 金 纳 米 多 层 球 壳 的 消 光 特 性 以 及 不 同 结 构 共 振 波 长 下 的 电 场 分 布 给 出 颗 粒 几 何 参 数 对 几 种 结 构 的 消 光 谱 的 影 响 结 果 表 明, 随 着 二 氧 化 硅 核 心 R 1 的 增 大, 金 纳 米 壳 的 消 光 峰 显 著 红 移 随 着 金 核 心 R 1 的 增 大, Gold-Silica-Gold 多 层 球 壳 消 光 谱 的 低 能 峰 显 著 红 移, 而 高 能 峰 微 弱 蓝 移 学 生 在 实 验 中, 可 以 自 行 设 计 结 构, 分 析 各 参 量 对 金 球 及 球 壳 结 构 光 学 特 性 的 影 响 有 助 于 培 养 学 生 的 创 新 意 识, 提 高 学 生 的 科 研 能 力, 有 助 于 学 生 了 解 前 沿 的 科 学 知 识 参 考 文 献 : [1] Mayer K M, Hafner J H. Localized surface plasmon resonance sensors [J]. Chem. Rev. 2011, 111: 3828-3857. [2] Bikram M, Gobin A M, et al.temperature-sensitive hydrogels with SiO2-Au nanoshells for controlled drug delivery [J]. J. Control. Release, 2007, 123: 219-227. [3] Park J, Estrada A, et al. Two-photon-induced photoluminescence imaging of tumors using near-infrared excited gold nanoshells [J]. Opt. Express, 2008, 16: 1590-1599. [4] 肖 桂 娜, 蔡 继 业 基 于 局 域 表 面 等 离 子 共 振 效 应 的 光 学 生 物 传 感 器 [J] 化 学 进 展,2010, 22:194-200 [5] 张 兴 坊, 张 腊 梅, 范 群 芳, 等 金 纳 米 球 壳 结 构 局 域 表 面 等 离 子 体 共 振 调 谐 特 性 [J] 中 277
国 激 光,2011,38:0910001 [6] Hu Y, Fleming R C, Drezek R A. Optical properties of gold-silica-gold multilayer nanoshells [J]. Opt. Express, 2008, 16:19579-19691. [7] 陈 靖, 陆 文 强, 孙 骞 利 用 时 域 有 限 差 分 法 模 拟 介 质 纳 米 波 导 的 导 波 特 性 [J] 物 理 实 验, 2010,30:7-10 [8] Johnson P B, Christy R W. Optical-constants of noble-metals [J]. Phys. Rev. B Condens. Matter, 1972, 6, 4370-4379. [9] Van Dijk M A, Tchebotareva A L, et al. Absorption and scattering microscopy of single metal nanoparticles [J]. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8: 3486-3495. [10] Prodan E, Radloff C, N. J. Halas, et al. A hybridization model for the plasmon response of complex nanostructures [J]. Science, 2003, 302: 419 422. Simulation on optical properties of gold sphere and nanoshells by using finite difference time domain method Qian Jun, Liu Li-jun, Zhang Chun-ling (School of Physics, Nankai University, Tianjin 300071, China) Abstract: We study the optical properties and E-field distribution of Gold nanosphere, Gold nanoshell, and Gold-Silica-Gold multilayer nanoshells. We show that, the geometric parameters have a significant impact on the wavelength of extinction peak. Key words: nanoparticles; extinction; surface plasmon 278
热 光 二 阶 关 联 影 响 因 素 实 验 研 究 田 甲, 林 海 龙, 高 禄 ( 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 数 理 学 院, 北 京 100083) 摘 要 : 热 光 HBT 测 量 值 可 定 量 表 示 热 光 场 的 二 阶 关 联 程 度 实 验 研 究 了 物 光 和 参 考 光 的 光 程 差 及 热 光 源 横 向 尺 寸 对 热 光 二 阶 关 联 值 的 影 响 实 验 结 果 表 明, 随 着 物 光 和 参 考 光 光 程 差 增 加,HBT 值 会 降 低 并 且 其 半 高 宽 增 大 ; 随 着 光 源 横 向 尺 寸 增 加,HBT 值 降 低, 其 半 高 宽 减 小 关 键 字 : 热 光 ; 二 阶 关 联 ; 分 辨 率 1 引 言 1956 年, 汉 勃 雷 - 布 朗 (R. H. Brown) 和 特 威 斯 (R. Q. Twiss) 为 测 量 恒 星 角 直 径 而 设 计 著 名 的 实 验 [1] 后 来 人 们 就 以 他 们 的 名 字 命 名 该 实 验 为 HBT 实 验 HBT 实 验 第 一 次 证 实 了 光 的 强 度 关 联 效 应, 实 验 本 身 也 成 为 测 量 强 度 关 联 的 典 型 方 法, 在 量 子 光 学 发 展 史 上 具 有 里 程 碑 的 意 义 1995 年, 美 国 马 里 兰 大 学 的 Yanhua Shih 等 人 利 用 自 发 参 量 下 转 换 的 纠 缠 光 子 对 完 成 了 一 种 奇 特 的 成 像 实 验 鬼 成 像 (ghost imaging) [2], 此 实 验 使 得 在 一 个 没 有 物 体 的 闲 散 光 路 中 获 得 物 体 的 空 间 信 息 成 为 了 可 能 当 时 人 们 认 为 这 是 一 种 量 子 现 象, 只 有 采 用 纠 缠 双 光 源 才 能 实 现 鬼 成 像 2002 年, Rochester 大 学 的 Boyd 等 人 巧 妙 地 利 用 一 个 随 机 旋 转 的 反 射 镜 反 射 激 光 获 得 了 空 间 频 率 随 机 分 布 的 热 光 源, 通 过 光 场 的 强 度 测 量 获 得 了 透 射 物 体 的 鬼 成 像 [3] 这 个 实 验 结 果 表 明 鬼 成 像 实 验 也 可 以 利 用 经 典 光 源 实 现, 而 并 非 是 量 子 光 源 所 特 有 的 现 象 这 一 实 验 报 道 更 是 引 起 了 科 学 界 的 一 场 争 辩 : 鬼 成 像 实 验 是 否 是 一 种 量 子 现 象? 随 后, 国 内 外 很 多 研 究 组 在 热 光 二 阶 关 联 测 量 方 面 开 展 了 理 论 和 实 验 研 究 工 作 [4-7] 到 目 前 为 止, 研 究 结 果 表 明 热 光 源 可 以 模 仿 纠 缠 双 光 子 源 实 现 鬼 干 涉 鬼 成 像 等 双 光 子 关 联 测 量 实 验 在 研 究 热 光 二 阶 关 联 特 性 的 实 验 中,HBT 测 量 是 一 个 必 要 的 实 验 基 础, 因 此 对 于 HBT 影 响 因 素 的 研 究 极 为 关 键 本 实 验 中, 采 用 激 光 照 射 旋 转 毛 玻 璃 形 成 空 间 频 率 随 机 分 布 的 热 光 源 ; 通 过 改 变 热 光 源 的 横 向 尺 寸 及 物 光 和 参 考 光 光 程 差, 研 究 光 源 特 性 及 光 路 设 计 对 热 光 二 阶 关 联 的 影 响 2 实 验 原 理 HBT 的 实 验 原 理 图, 如 图 1 所 示 非 相 干 热 光 源 发 出 的 光 被 非 偏 振 分 束 器 分 成 两 束, 分 别 自 由 传 递 到 达 探 测 器 D 1 和 D 2 将 其 中 一 个 探 测 器 探 测 面 上 某 一 固 定 点 的 光 强 值 与 另 一 个 探 测 器 探 测 面 上 各 个 点 的 光 强 值 进 行 强 度 关 联 测 量, 即 可 获 得 HBT 值 基 金 项 目 : 北 京 市 自 然 科 学 基 金 (4133086); 中 央 高 校 基 本 业 务 费 指 导 教 师 : 高 禄 (1982-), 女, 辽 宁 沈 阳 人, 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 数 理 学 院 讲 师, 博 士, 主 要 从 事 大 学 物 理 及 大 学 物 理 实 验 的 教 学 和 研 究 工 作 279
图 1 HBT 实 验 原 理 图 BS: 分 束 器 ;D 1 和 D 2 : 探 测 器 ;C.M: 关 联 测 量 根 据 高 斯 矩 定 理, 满 足 高 斯 统 计 分 布 光 场 的 高 阶 关 联 可 以 用 一 阶 关 联 函 数 表 示, 则 热 光 场 的 二 阶 关 联 函 数 可 以 表 示 为 I ( x ) I ( x ) E ( x ) E ( x ) E ( x ) E ( x ) * * 1 1 2 2 1 1 2 2 2 2 1 1 E ( x ) E ( x ) E ( x ) E ( x ) E ( x ) E ( x ) * * * 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 2 2 I x I x E ( x ) E ( x ) * 1 1 2 2 1 1 2 2 式 (1) 由 两 部 分 组 成, 第 一 项 I I 1 1 2 2 2 2. (1) x x 表 示 探 测 器 D 1 和 D 2 处 的 强 度 分 布 的 乘 积, * 是 直 流 背 景 项 ; 第 二 项 E (x )E (x ) 表 示 光 场 的 二 阶 关 联 信 息 1 1 2 2 2 光 场 从 光 源 横 截 面 到 探 测 器 的 探 测 面 自 由 传 播 的 脉 冲 响 应 函 数 可 以 表 示 为 k i 2 2 h( x j, x0) exp[ ik ( xi xo ) z ], (2) 2 z 4 2 其 中 k 为 光 场 的 波 数,z 是 从 光 源 横 截 面 到 探 测 器 的 探 测 面 的 距 离, x i 和 x 0 分 别 表 示 探 测 面 和 光 源 横 截 面 的 空 间 横 向 坐 标 在 近 轴 近 似 条 件 下, 式 (2) 可 以 写 为 k i ik 2 h( x j, x0) exp[- ikz ( x j - x0) ]. (3) 2 z 4 2z 假 设 理 想 情 况 下, 热 光 源 发 出 的 光 具 有 无 穷 小 的 相 干 长 度, 热 光 源 横 截 面 的 一 阶 关 联 函 数 可 以 表 示 为 E ( x) E ( x) S ( x - x), (4) 0 0 0 0 0 这 里 假 设 光 场 强 度 分 布 为 常 数 S 0 将 式 (3) 和 (4) 代 入 到 (1) 中 的 关 联 项, 可 以 得 到 光 场 的 一 阶 互 关 联 函 数 为 280
E ( x ) E ( x ) * 1 1 2 2 h *( x, x ) h ( x, x ) S ( x x ) dx dx 1 1 0 2 2 0 0 0 0 0 0 2 2 r ks0 ik( x2 x1 ) ik( x1 x2) x0 exp[ ] exp[ ] dx 2 z 2z z 2 2 S0kr ik( x2 x1 ) 2 r( x1 x2) exp[ ]sin c[ ] z 2z z 其 中 r 为 光 源 发 光 面 的 尺 寸 半 径 于 是, 我 们 可 以 得 到 HBT 实 验 的 二 阶 关 联 函 数 krs0 2 2 2 r( x1 x2) I( 1 x1) I2( x2) ( ) {1 sin c [ ]}, (6) z z 固 定 一 个 探 测 器, 扫 描 另 一 个 探 测 器 就 可 以 得 到 hrs0 2 2 rx I1(0) I2(x) ( )[1 sinc ( )] z z. (7) 式 (7) 表 示 非 相 干 热 光 源 HBT 实 验 测 得 的 二 阶 关 联 函 数 形 式, 其 归 一 化 形 式 可 以 表 示 为 2 2 2 rx g (0, x) 1 sinc ( ). (8) z 从 式 (8) 中 可 以 看 到, 归 一 化 HBT 曲 线 的 半 高 宽 与 光 源 距 探 测 面 的 距 离 z 光 源 的 尺 寸 R 及 波 长 λ 有 关 HBT 曲 线 的 半 高 宽 随 着 z 的 增 加 而 增 大, 随 后 r 的 增 加 而 减 小 HBT 理 论 曲 线 如 图 2 所 示 r 0, (5) 3 实 验 研 究 3.1 实 验 装 置 图 2 HBT 理 论 曲 线 图 实 验 光 路 如 图 3 所 示 波 长 为 632.8nm 的 激 光 器 发 出 的 激 光 经 过 平 面 镜 M 反 射, 依 次 通 过 偏 振 片 P 1 和 P 2, 它 们 的 作 用 是 保 证 光 源 为 线 偏 振 光, 同 时 可 以 组 合 调 节 光 强 扩 束 透 镜 N 可 以 调 整 激 光 光 斑 的 大 小 经 扩 束 后 的 激 光 照 射 在 转 动 的 毛 玻 璃 G 上 形 成 空 间 频 率 随 机 分 布 的 赝 热 光 源 P 3 为 放 置 在 热 光 源 附 近 的 光 阑, 用 来 调 节 热 光 源 的 横 向 尺 寸 BS 为 50/50 非 偏 振 分 束 器, 可 以 把 光 源 发 出 的 光 束 分 为 两 束, 两 束 光 分 别 自 由 传 递 到 达 到 探 测 器 D 1 和 D 2 的 探 测 面 两 探 测 器 的 探 测 面 距 离 热 光 源 G 的 距 离 分 别 为 d 1 和 d 2 两 个 探 测 器 分 别 连 接 计 算 机 中 采 集 卡 的 端 口, 由 相 应 的 采 集 程 序 进 行 数 据 采 集 和 测 量, 并 将 数 据 存 储 到 计 算 机 中 依 据 HBT 原 理, 本 实 验 所 采 用 的 采 集 方 式 为 : 取 探 测 器 D 1 探 测 面 上 某 一 固 定 点 值 与 另 281
一 个 探 测 器 D 2 探 测 面 上 的 各 个 点 的 光 强 值 进 行 关 联 测 量, 对 采 集 到 的 数 据 进 行 归 一 化 关 联 计 算, 从 而 得 到 光 场 的 二 阶 关 联 HBT 值 图 3 HBT 实 验 装 置 图 He-Ne: 激 光 器 ;M: 反 射 镜 ;P 1,P 2 : 偏 振 片 ; N: 扩 束 透 镜 ; G: 毛 玻 璃 ; P 3 : 光 阑 ; BS: 分 束 器 ; D 1, D 2 : 探 测 器 ;C. C: 关 联 测 量 3.2 实 验 过 程 及 结 果 首 先 是 固 定 光 阑 P 3 的 直 径 为 3mm, 通 过 改 变 探 测 器 D 2 距 离 光 源 的 光 程, 改 变 物 光 和 参 考 光 两 光 路 的 光 程 差, 测 量 相 应 的 HBT 值 探 测 器 D 1 保 持 位 置 不 变, 距 离 分 束 器 BS 的 距 离 为 d 1 =31.8cm, 探 测 器 D 2 的 位 置 依 次 变 化 使 光 程 差 分 别 为 Δd=d 2 -d 1 =0cm,5cm,10cm 和 20cm 实 验 结 果 如 图 4 所 示 图 4 中 的 四 条 曲 线 分 别 是 光 程 差 Δd=0cm,5cm,10cm,20cm 时 所 测 得 HBT 值 当 Δd=0cm 时, 归 一 化 的 HBT 值 达 到 了 1.935, 接 近 理 想 值 2; 随 着 探 测 器 到 光 源 光 程 差 的 增 加,HBT 值 逐 渐 减 小 当 光 程 差 Δd 达 到 20cm 时, 二 阶 关 联 的 HBT 值 减 到 1.221, 二 阶 关 联 值 变 得 较 低 实 验 结 果 表 明 : 热 光 二 阶 关 联 随 着 两 个 光 路 光 程 差 的 增 大 而 下 降, 同 时 曲 线 的 半 高 宽 也 随 之 增 大, 导 致 二 阶 关 联 测 量 的 分 辨 率 降 低 所 以 在 上 述 热 光 二 阶 关 联 实 验 测 量 系 统 中, 在 光 源 尺 寸 是 直 径 为 1mm 的 圆 形 区 域 情 况 下, 物 光 和 参 考 光 两 光 路 的 光 程 差 不 能 大 于 20cm, 否 则 二 阶 关 联 特 性 将 消 失 图 4 HBT 值 随 光 程 差 变 化 曲 线 其 次, 固 定 探 测 器 D 1 和 D 2 的 位 置, 即 d 1 =d 2 =31.8cm 通 过 改 变 光 阑 P 3 的 直 径 即 热 光 源 的 横 向 尺 寸, 测 量 相 应 的 HBT 值 实 验 测 量 结 果 如 图 5 所 示 四 条 曲 线 分 别 是 光 阑 P 3 直 径 D 分 别 为 1mm,2mm,5mm,10mm 时, 所 测 得 的 HBT 值 实 验 结 果 表 明 : 当 光 阑 直 径 为 1mm 时, 关 联 值 达 到 1.797; 随 着 光 阑 直 径 的 增 大,HBT 值 逐 渐 减 小, 当 直 径 增 加 到 10mm 时, 282
二 阶 关 联 值 下 降 到 1.361 由 此 可 见, 强 度 关 联 值 随 着 热 光 源 横 截 面 尺 寸 的 增 大 而 降 低 同 时,HBT 曲 线 的 半 高 宽 随 着 光 阑 直 径 的 增 加 而 减 小, 这 说 明 热 光 二 阶 关 联 测 量 系 统 的 分 辨 率 随 着 光 阑 直 径 的 增 加 而 提 高 图 5 HBT 值 随 光 阑 直 径 变 化 曲 线 4 结 语 热 光 的 归 一 化 二 阶 关 联 HBT 值 与 物 光 和 参 考 光 光 程 差 及 光 源 的 横 截 面 尺 寸 有 紧 密 联 系 研 究 结 果 表 明, 随 着 热 光 二 阶 关 联 测 量 系 统 中 物 光 和 参 考 光 光 程 差 增 加,HBT 值 会 随 之 降 低, 而 且 曲 线 的 半 高 宽 也 随 之 增 加, 导 致 系 统 的 测 量 分 辨 率 降 低 随 着 光 源 横 截 面 尺 寸 增 加, 即 实 验 装 置 中 光 阑 P 3 直 径 增 大,HBT 值 也 会 随 之 降 低, 但 是 曲 线 的 半 高 宽 却 随 之 减 小, 系 统 的 测 量 分 辨 率 提 高 这 说 明 尽 管 光 源 横 截 面 尺 寸 的 增 加 可 以 提 高 热 光 关 联 系 统 的 测 量 分 辨 率, 但 是 要 以 降 低 图 像 可 见 度 为 代 价 本 文 的 研 究 结 果, 对 于 开 展 热 光 二 阶 关 联 实 验 教 学 和 研 究 具 有 指 导 意 义 参 考 文 献 : [1] R H Brown, R Q Twiss. Correlation between photons in two coherent beams of light[j]. Nature, 1956, 177, 27. [2] T B Pittman, Y H Shih, D V Strekalov, A V Sergienko. Optical imaging by means of two-photon quantum entanglement, Phys. Rev. A 52, 1995, R3429 R3432. [3] R S Bennink, S J Bentley, R W Boyd. Two-Photon Coincidence imaging with aclassical source, Phys. Rev. Lett., 2002,89, 113601. [4] De-Zhong Cao, Kaige Wang. Sub-wavelength Interference in macroscopic observation [J]. Phys. Lett. A, 2004, 333, 23-29. [5] GAO Lu, XIONG Jun, ZHANG Shu-Heng, WANG Wei, WANG Kai-Ge. Improving Visibility of Diffraction Pattern with Pseudo-Thermal Light, CHIN. PHYS. LETT., 2008, 25(4): 1277. [6] 李 璐, 关 东 石, 刘 宏 超, 张 素 恒, 熊 俊 光 的 偏 振 性 对 HBT 实 验 的 影 响 [J] 量 子 光 学 学 报,2009(3): 201-206 [7] 高 禄, 张 颖 涛, 汪 凯 戈 相 位 物 体 的 热 光 关 联 成 像 [J] 量 子 光 学 学 报,2006(B08) 283
Experimental Research on the influence factors of thermal light HBT (School of Science, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China) Abstract: The measured HBT value of thermal light can numerically represents the second order correlation degree of the thermal light field. The effect of the transverse size of thermal light source and the optical path difference of the two light beams on the thermal light second order correlation has been experimentally studied. The research results show that the value of HBT will decrease with the increase of the transverse size of the thermal light source, and the half height width of HBT will decrease. The value of HBT will decrease with the increase of the optical path difference between the two beams, but the half height width of HBT will increase. Key words: thermal light; second order correlation; resolution 284
基 于 聚 合 物 全 息 光 盘 的 大 容 量 体 全 息 存 储 演 示 仪 刘 鸿 鹏, 王 维 波 ( 中 国 民 航 大 学 理 学 院, 天 津 300300) 摘 要 : 依 据 体 全 息 存 储 基 本 原 理, 以 光 致 聚 合 物 作 为 记 录 介 质 开 发 高 密 度 大 容 量 体 全 息 信 息 存 储 演 示 仪 自 行 研 制 具 有 一 次 写 入 永 久 读 取 能 力 的 聚 合 物 盘 式 信 息 存 储 介 质, 并 测 试 材 料 的 存 储 性 能 与 演 示 仪 图 像 存 储 能 力 演 示 从 信 息 采 集 处 理 存 储, 到 读 取 全 过 程 使 学 生 了 解 下 一 代 信 息 存 储 技 术, 存 储 介 质 的 制 备 与 成 型 工 艺, 掌 握 信 息 记 录 的 光 化 学 机 理 关 键 词 : 全 息 存 储 ; 光 致 聚 合 物 ; 全 息 光 盘 1 引 言 二 十 一 世 纪 人 类 对 于 数 据 存 储 的 需 求, 每 年 以 指 数 形 式 增 长 二 维 面 存 储 技 术 如 磁 存 储 传 统 光 盘 存 储 和 半 导 体 存 储 等 仍 在 不 断 地 改 进 以 满 足 对 存 储 系 统 容 量 更 大 和 传 输 更 快 等 要 求, 然 而 这 些 存 储 手 段 正 逐 步 接 近 其 物 理 极 限 例 如 光 盘 存 储 由 于 其 波 长 的 衍 射 极 限 将 显 著 限 制 其 存 储 密 度 目 前 正 在 迅 速 发 展 的 一 种 有 别 于 传 统 技 术 的 方 法 就 是 三 维 信 息 存 储 技 术 体 全 息 存 储 技 术 便 是 其 中 最 引 人 注 目 的 一 种 体 全 息 信 息 存 储 是 替 代 现 今 的 CD DVD 和 蓝 光 光 盘 的 下 一 代 信 息 存 储 的 首 选 技 术, 由 于 其 存 储 容 量 大 传 输 速 率 高 而 备 受 人 们 关 注 近 些 年 国 外 一 下 发 达 国 家, 如 美 国 日 本 和 英 国 相 继 投 入 了 大 量 的 人 力 物 力 对 其 加 以 重 点 研 究 而 国 内 仅 有 少 数 几 个 单 位 在 从 事 相 关 领 域 的 研 究 工 作 目 前 国 内 市 场 还 没 有 相 关 产 品, 因 此 对 体 全 息 存 储 系 统 的 开 发 必 将 带 来 显 著 的 社 会 与 商 业 价 值 从 教 学 上 讲, 理 工 科 本 科 学 生 在 学 习 过 程 中 有 必 要 了 解 前 沿 的 数 据 存 储 技 术 并 掌 握 其 存 储 原 理 因 此 开 发 高 密 度 大 容 量 体 全 息 存 储 演 示 实 验 系 统, 能 够 直 观 展 示 现 代 数 据 存 储 领 域 的 最 新 科 技 成 果, 使 学 生 更 好 的 学 习 相 关 原 理, 掌 握 信 息 从 采 集 传 输 存 储 到 读 取 整 个 方 式, 这 将 有 助 于 提 升 学 生 的 知 识 水 平, 为 综 合 型 人 才 培 养 提 供 帮 助 2 全 息 光 盘 存 储 介 质 的 研 制 对 于 一 次 写 入 永 久 读 取 的 大 容 量 体 全 息 光 存 储 介 质 而 言, 目 前 研 究 的 较 为 广 泛 的 材 料 主 要 包 括 两 种, 分 别 是 : 以 丙 烯 酰 胺 为 单 体, 聚 乙 烯 醇 为 基 底, 掺 杂 光 敏 染 料 的 聚 合 物 存 储 体 系 [1,2] ; 及 以 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 为 聚 合 基 底, 掺 杂 菲 醌 光 敏 成 分 的 聚 合 物 存 储 系 统 [3-5] 丙 烯 酰 胺 存 储 系 统 由 于 其 高 水 溶 性 与 成 膜 性 能, 适 合 于 制 备 成 薄 膜 状, 对 于 实 现 大 容 量 多 层 存 储 是 不 利 因 素 而 菲 醌 掺 杂 的 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 光 致 聚 合 物 ( 英 文 简 称 PQ-PMMA, 其 中 PQ 代 表 菲 醌,PMMA 代 表 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 ) 能 够 制 备 较 高 的 厚 度, 适 合 于 高 密 度 大 容 量 的 信 息 存 储, 同 时 具 有 较 高 的 衍 射 效 率 与 热 稳 定 性, 近 年 来 受 到 了 研 究 人 员 的 广 泛 关 注 材 料 的 制 备 方 法 采 用 引 发 剂 热 致 聚 合 首 先 将 菲 醌 黄 色 粉 末 与 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 溶 液 ( 英 文 简 称 MMA) 照 一 定 的 质 量 百 分 比 常 温 混 合 均 匀, 而 后 向 其 中 加 入 热 引 发 剂 偶 氮 二 异 丁 氰 ( 英 文 简 称 AIBN) 通 过 孔 径 为 20μm 的 过 滤 坩 锅 将 混 合 液 体 过 滤, 滤 除 其 中 的 杂 质 与 未 溶 物, 将 澄 清 的 混 合 物 常 温 静 置 24 小 时, 使 其 排 除 内 部 气 泡 ; 然 后 将 温 度 升 至 MMA 的 聚 合 温 度, 通 过 热 引 发 剂 AIBN 引 发 MMA 单 体 的 链 式 聚 合 反 应, 在 真 空 中 精 确 控 制 温 度 使 引 发 作 者 简 介 : 刘 鸿 鹏 (1982 ), 男, 辽 宁 人, 讲 师, 博 士, 研 究 方 向 主 要 包 括 : 有 机 光 电 功 能 材 料 大 容 量 体 全 息 存 储 材 料 及 全 息 光 学 装 置 285
后 的 材 料 聚 合 均 匀 放 置 一 周 后 材 料 成 为 厚 度 为 毫 米 量 级 略 微 发 黄 色 的 透 明 固 体, 经 过 打 磨 抛 光 后 便 可 以 用 于 全 息 存 储 实 验 研 究 所 制 备 的 样 品 如 图 1 所 示 而 PQ 分 子 仅 对 波 长 小 于 550nm 的 光 敏 感, 对 热 不 敏 感, 在 热 引 发 过 程 中 没 有 参 与 反 应, 因 此 该 制 备 过 程 对 于 光 敏 剂 PQ 分 子 浓 度 没 有 影 响 图 1 实 验 室 自 行 研 制 的 基 于 PQ-PMMA 的 光 致 聚 合 物 全 息 光 盘, 及 其 吸 收 谱 3 光 化 学 反 应 机 制 分 析 与 材 料 性 能 测 试 本 节 简 要 分 析 材 料 内 部 的 光 化 学 反 应 过 程, 此 时 忽 略 光 化 学 反 应 过 程 中 复 杂 的 链 式 聚 合 反 应, 由 于 PQ 分 子 浓 度 的 改 变 是 光 栅 折 射 率 调 制 度 形 成 的 主 要 原 因, 仅 考 虑 导 致 PQ 分 子 浓 度 改 变 的 主 要 反 应 过 程 当 一 束 准 直 的 光 照 射 到 材 料 上, 其 内 部 光 化 学 反 应 过 程 描 述 如 下 [6,7] PQ k d PQ (1) k PQ HR i HPQ R (2) k HPQ R t RQPH (3) 其 中 R 代 表 组 成 聚 合 物 材 料 的 MMA 分 子 或 PMMA 大 分 子, R 代 表 分 子 吸 收 光 子 后 形 成 的 自 由 激 子,H 代 表 反 应 物 分 子 中 的 氢 原 子, 光 产 物 为 由 两 种 自 由 激 子 键 合 后 形 成 的 大 分 子 k d k i k t 分 别 是 激 子 产 生 速 率 常 数, 引 发 速 率 常 数 与 终 止 速 率 常 数 PQ 分 子 的 消 耗 与 自 由 基 产 生 和 引 发 反 应 有 关, 可 以 写 为 t PQ Rd Ri t 其 中 R d 自 由 基 产 生 速 率, R i 引 发 反 应 速 率,[PQ] 是 光 敏 剂 PQ 分 子 浓 度 在 本 文 以 后 的 各 个 章 节 中 均 采 用 符 号 [] 作 为 分 子 浓 度 的 表 示 形 式 单 体 自 由 基 产 生 速 率 远 快 于 光 吸 收 过 程 自 由 激 子 的 产 生 速 率, 因 此 引 发 反 应 速 率 可 以 写 为 R i =R d =fk d [PQ], 其 中 系 数 f 为 反 应 系 数, 代 (4) 286
表 由 于 笼 蔽 效 应 仅 有 一 部 分 自 由 基 参 与 反 应, 方 程 (4) 的 解 可 以 写 成 PQt PQ exp fk t PQ exp E E 0 d 0 其 中 E 是 曝 光 能 量,E τ =I 0 /fk d =1/κ, κ 定 义 为 聚 合 速 率 参 数,[PQ] 0 是 光 敏 剂 PQ 分 子 曝 光 初 始 时 刻 的 浓 度 因 此 相 应 的 光 产 物 浓 度 的 增 长 速 率 描 述 为 Photopolymer t PQ 1 exp E E τ (5) 0 τ (6) 根 据 Lorentz-Lorentz 关 系 [3], 材 料 空 间 任 意 一 点 的 折 射 率 调 制 度 与 材 料 主 要 成 份 的 调 制 浓 度 成 正 比, 可 以 写 为 Photopolymer E n E (7) 将 方 程 (5) 与 (6) 带 入 方 程 (7), 最 终 得 到 折 射 率 调 制 度 以 如 下 形 式 增 长 其 中 C 1,C 2 为 与 分 子 浓 度 有 关 的 常 数 C C exp E E n E (8) 1 2 τ 如 果 考 虑 到 调 制 光 照 射 过 程, 各 种 分 子 的 扩 散 将 需 要 考 虑, 此 时 的 模 型 称 作 扩 散 模 型 同 时 由 于 聚 合 物 曝 光 过 程 存 在 链 增 长 的 过 程, 因 此 光 产 物 并 不 是 局 限 于 空 间 某 一 个 点, 而 是 具 有 一 定 的 空 间 分 布, 这 里 采 用 高 斯 形 式 的 非 局 域 空 间 分 布, 从 而 得 到 聚 合 物 材 料 的 扩 散 方 程 如 下 : 描 述 自 由 PQ 分 子 链 式 聚 合 与 扩 散 的 一 维 非 局 域 扩 散 方 程 表 述 如 下 2 U ( x, t) D U U x, t DU R( x, x) E( x, t)dx 2 t U x (9) 对 于 PQ-PMMA 光 致 聚 合 物, 其 中 U(x,t) 代 表 PQ 分 子 的 浓 度,D(U(x,t)) 代 表 与 PQ 浓 度 有 关 的 扩 散 系 数,R(x,x ) 是 非 局 域 响 应 函 数, 代 表 在 x 点 的 PQ 分 子 浓 度 对 x 点 聚 合 的 PQ 分 子 的 影 响 E(x,t) 代 表 与 光 强 和 聚 合 速 率 有 关 的 聚 合 物 消 耗, 其 非 局 域 响 应 函 数 可 以 表 述 为 [8] 2 1 ( xx) R( x, x) exp 2π 2 (10) 其 中 σ 1/2 代 表 有 效 链 长 度 曝 光 t 时 间 后, 在 x 点 聚 合 的 PQ 分 子 浓 度, 相 应 的 光 产 物 浓 度 可 以 写 成 t P( x, t) R( x, x) E( x, t)dx dt 0 (11) 折 射 率 调 制 度 仍 然 能 够 依 据 方 程 (8) 的 描 述 4 高 密 度 大 容 量 体 全 息 存 储 演 示 仪 的 解 决 方 案 针 对 体 全 息 存 储 原 理 构 建 存 储 系 统, 搭 建 信 息 存 储 实 验 平 台 体 全 息 信 息 存 储 采 用 二 波 耦 合 原 理, 将 信 息 以 光 栅 形 式 记 录 于 聚 合 物 材 料 内 部 一 束 532nm 的 绿 色 激 光 由 DPSS 型 半 导 体 激 光 器 发 出 后 经 过 准 直 系 统, 然 后 通 过 偏 振 分 光 棱 镜 被 分 为 两 束 其 中 一 束 经 过 扩 束, 打 到 空 间 光 调 制 器 (SLM) 上,SLM 通 过 光 学 相 位 调 制 方 式 使 该 光 束 携 带 相 关 数 据 信 息 光 束 再 经 过 傅 立 叶 透 镜 汇 聚 于 样 品 内 部 另 外 一 束 参 考 光 经 过 反 射 后 直 接 打 在 样 品 上 这 样 两 束 相 干 光 便 能 够 在 样 品 内 部 发 生 干 涉, 将 光 强 的 空 间 调 制 记 录 于 样 品 内 部, 从 而 永 久 的 记 287
录 信 息 由 于 是 采 用 体 全 息 方 式, 高 厚 度 的 样 品 能 够 实 现 大 容 量 高 密 度 的 一 次 写 入 永 久 读 取 的 信 息 存 储 方 式 通 过 角 度 与 空 间 平 移 复 用, 能 够 有 效 提 高 存 储 容 量 与 密 度 大 容 量 体 全 息 存 储 演 示 仪 原 理 与 实 验 室 搭 建 的 装 置 如 图 2 所 示 图 2 基 于 聚 合 物 全 息 光 盘 的 大 容 量 全 息 存 储 演 示 仪 实 验 原 理 与 装 置 实 物 图 依 据 实 验 装 置, 下 面 主 要 介 绍 演 示 的 操 作 步 骤 信 息 采 集 : 信 息 的 采 集 过 程 中, 演 示 人 员 或 学 生 可 以 通 过 数 码 相 机 数 码 摄 像 机 等 将 图 片 信 息 采 集 并 转 换 成 空 间 光 调 制 器 能 够 读 取 的 信 息 格 式 也 可 以 通 过 打 印 方 式 将 图 片 信 息 直 接 打 印 在 透 明 塑 胶 片 上, 并 置 于 信 号 光 路, 用 于 直 接 将 信 号 光 调 制 使 之 携 带 信 息 预 处 理 : 预 处 理 过 程 的 目 的 是 将 通 过 数 码 相 机 采 集 的 数 字 图 片 的 分 辨 率 调 至 与 空 间 光 调 制 器 相 同, 进 而 能 够 输 入 其 中, 使 其 能 够 顺 利 调 制 信 号 光 还 包 括 将 图 像 转 换 成 黑 白 灰 度 图 像, 亮 度 调 节 等 信 息 写 入 : 信 息 的 写 入 过 程 是 整 个 全 息 信 息 存 储 演 示 过 程 的 关 键 依 据 实 验 装 置 原 理 图, 将 波 长 为 532nm 的 准 直 激 光 分 成 两 束, 一 束 作 为 信 号 光, 扩 束 后 照 射 到 空 间 光 调 制 器 ( 或 者 是 由 透 明 片 携 带 的 信 息 ), 将 光 束 进 行 调 制, 使 之 携 带 相 应 的 信 息 另 外 一 束 作 为 参 考 光, 反 射 后 直 接 照 射 到 样 品 上 两 束 光 重 叠 于 样 品 内 部, 依 据 光 学 相 关 原 理 在 样 品 内 部 形 成 光 强 度 空 间 调 制, 并 导 致 样 品 内 部 化 学 成 分 形 成 相 应 的 调 制, 从 而 形 成 相 位 型 体 光 栅, 将 信 息 记 录 该 信 息 记 录 于 材 料 内 部 是 可 永 久 保 存, 并 多 次 读 取 的 信 息 读 取 : 信 息 读 取 过 程 将 信 号 光 路 关 闭, 仅 保 留 参 考 光 路 依 据 光 栅 衍 射 原 理, 在 原 始 记 录 角 度 应 用 原 波 长 记 录 光 入 射 样 品 后, 记 录 于 材 料 内 部 的 信 息 能 够 在 原 信 号 光 方 向 完 全 再 现, 通 过 CCD 能 够 直 接 显 示 在 计 算 机 屏 幕 上, 也 可 以 通 过 屏 幕 直 接 显 示 图 案 图 3 所 示 为 材 料 的 衍 射 效 率 时 间 变 化 曲 线, 记 录 光 强 为 45mW/cm 2 右 侧 为 记 录 图 像 与 记 录 后 15 分 钟 的 再 现 图 像 可 以 看 出 材 料 有 着 较 高 的 衍 射 效 率, 到 达 稳 态 后 光 栅 是 稳 定 的 经 过 演 示 仪 再 现 的 图 像 均 匀 性 较 好, 这 说 明 该 演 示 仪 能 够 用 于 体 全 息 信 息 存 储 的 演 示 图 3 材 料 衍 射 效 率 性 能 测 试 曲 线 与 通 过 全 息 演 示 装 置 再 现 的 图 像 288
5 结 论 自 行 研 制 了 基 于 PQ-PMMA 光 致 聚 合 物 的 高 厚 度 全 息 光 盘 并 基 于 光 致 聚 合 物 全 息 光 盘, 研 制 大 容 量 体 全 息 信 息 存 储 演 示 仪 通 过 光 化 学 反 应 分 析, 对 曝 光 过 程 小 分 子 的 扩 散 与 聚 合 行 为 进 行 了 研 究 并 测 试 了 材 料 的 全 息 性 能, 获 得 了 具 有 较 高 图 像 质 量 的 演 示 仪 再 现 图 像 最 后 归 纳 总 结 了 演 示 仪 从 信 息 采 集 处 理 存 储, 到 信 息 的 读 取 全 过 程 基 于 聚 合 物 全 息 光 盘 的 大 容 量 全 息 存 储 演 示 仪 将 使 学 生 了 解 下 一 代 信 息 存 储 技 术 的 实 现 过 程, 存 储 介 质 的 制 备 与 成 型 工 艺, 掌 握 信 息 记 录 的 光 化 学 机 理 与 相 应 的 光 学 原 理 参 考 文 献 : [1] Sergi Gallego, Andrés Márquez, Stephan Marini, et al. In dark analysis of PVA/AA materials at very low spatial frequencies: phase modulation evolution and diffusion estimation. Optics Express, 2009, 17: 18279-18291. [2] Michael R. Gleeson, Shui Liu, Sean O Duill, et al. Examination of the photoinitiation processes in photopolymer materials. J. Appl. Phys., 2008, 104, 064917: 1-8. [3] A V Veniaminov, and Yu N Sedunov, Diffusion of Phenanthrenequinone in Poly (methyl methacrylate): Holographic Measurements, Polymer Sci. Ser. A., 1996, 38: 56-63. [4] G J Steckman, I Solomatine, G Zhou, and D Psaltis. Characterization of phenanthrenequinone-doped poly (methyl methacrylate) for holographic memory, Opt. Lett., 1998, 23(16): 1310-1312. [5] S H Lin, K Y Hsu, W Z Chen, et all. Phenanthrenequinone-doped poly (methyl methacrylate) photopolymer bulk for volume holographic data storage, Opt. Lett., 2000, 25(7): 451-453. [6] Hongpeng Liu, Dan Yu, Xuecong Li, et al. Diffusional enhancement of volume gratings as an optimized strategy for holographic memory in PQ-PMMA photopolymer. Optics Express, 2010, 18, 6447-6454. [7] L P Krul, V Matusevich, D Hoff, et al. Modified polymethylmethacrylate as a base for thermostable optical recording media, Opt. Express, 2007, 15(14): 8543-8549. [8] J T Sheridan, and J R Lawrence. Nonlocal-response diffusion model of holographic recording in photopolymer, J. Opt. Soc. Am. A, 2000, 17(6): 1108-1114. Liu Hong-peng, Wang Wei-bo (College of Science, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China) Abstract: Based on the principle of volume holographic storage, demonstration instrument of holographic data storage are investigated by photopolymer as a recording media. The media disc of polymer with write once read memory is prepared. The holographic storage characteristics of materials and corresponding instrument are measured and analyzed experimentally. The new demonstration instrument can demonstrate all of the process including data collection, process, storage and read. The preparation of medium, molding technics, and photochemical mechanism of the photopolymer can present to the student for understanding next information storage technology. Key words: Holographic storage; Photopolymer; Holographic disc 289
利 用 霍 尔 效 应 研 究 热 退 火 对 黑 硅 材 料 电 学 性 质 的 影 响 王 科 范, 刘 平 安 ( 河 南 大 学 物 理 与 电 子 学 院, 河 南 开 封 475004) 摘 要 : 利 用 霍 尔 效 应 来 测 量 不 同 温 度 热 退 火 后 的 黑 硅 的 霍 尔 系 数 载 流 子 浓 度 载 流 子 迁 移 率 和 电 导 率 我 们 发 现 随 着 热 退 火 温 度 的 升 高, 黑 硅 内 载 流 子 的 浓 度 缓 慢 下 降, 载 流 子 迁 移 率 却 同 步 增 加, 这 说 明 黑 硅 内 载 流 子 散 射 的 主 要 形 式 是 电 离 杂 质 散 射 关 键 词 : 黑 硅 ; 载 流 子 浓 度 ; 迁 移 率 ; 霍 尔 效 应 1 引 言 IV 族 半 导 体 材 料 硅 是 应 用 最 广 泛 工 艺 最 成 熟 的 半 导 体 材 料 由 于 它 具 有 较 强 的 耐 高 温 能 力, 价 格 低 廉 以 及 储 备 资 源 丰 富 等 优 点, 而 被 广 泛 应 用 于 现 代 半 导 体 和 大 规 模 集 成 电 路 但 是, 硅 材 料 却 并 不 特 别 适 合 用 来 制 作 光 电 子 器 件, 这 是 因 为 硅 的 折 射 率 较 高, 反 射 损 失 可 达 40% 以 上, 这 就 降 低 了 光 电 子 器 件 的 实 际 效 率 ; 硅 的 禁 带 宽 度 为 1.12eV, 这 决 定 了 它 不 能 吸 收 波 长 大 于 1.1μm 的 太 阳 光 因 此, 减 少 晶 体 硅 表 面 的 反 射 扩 展 硅 的 吸 收 波 长 一 直 是 硅 基 红 外 探 测 器 和 太 阳 电 池 的 研 究 热 点 [1] 这 方 面 的 研 究 近 期 取 得 了 突 破 性 的 进 展 1997 年 美 国 哈 佛 大 学 的 Eric Mazur 教 授 领 导 的 研 究 小 组 偶 然 发 现 了 一 种 全 新 的 硅 表 面 改 性 技 术 他 们 在 SF 6 气 氛 中, 使 用 飞 秒 激 光 扫 描 硅 片 表 面 时, 发 现 硅 表 面 由 带 光 泽 的 灰 色 转 变 为 纯 黑 色, 这 种 新 型 硅 材 料 也 因 此 得 名 黑 硅 进 一 步 的 测 试 表 明, 黑 硅 表 面 呈 现 准 规 则 的 微 米 量 级 的 尖 锥 结 构, 它 对 从 紫 外 到 中 红 外 波 长 ( 波 长 范 围 250~2500 nm) 的 光 几 乎 全 部 吸 收, 并 且 具 有 良 好 的 可 见 和 近 红 外 发 光 性 能, 它 还 可 以 辐 射 太 赫 兹 波 等 这 种 黑 硅 材 料 一 经 出 现 就 引 起 了 美 国 各 大 著 名 科 学 杂 志 的 竞 相 报 道, 他 们 认 为 黑 硅 在 遥 感 光 通 信 以 及 微 电 子 等 领 域 都 具 有 重 要 的 应 用 价 值 [2, 3] 哈 佛 大 学 的 Eric Mazur 教 授 评 论 说 : 黑 硅 拓 展 了 我 们 原 先 所 熟 知 的 技 术, 而 且 可 以 被 应 用 在 硅 原 本 无 法 涉 及 的 领 域 我 坚 信 这 是 一 种 新 材 料, 相 当 于 60 年 前 的 半 导 体 [4] 另 一 方 面, 目 前 近 代 物 理 实 验 层 次 的 霍 尔 效 应 实 验 仍 偏 重 于 验 证 性 质, 对 学 生 要 求 不 高, 这 对 于 那 些 有 志 于 继 续 深 造 的 高 年 级 本 科 生 来 讲 还 远 远 不 够 为 了 让 这 部 分 学 生 早 日 接 触 科 学 研 究 前 沿, 初 步 体 验 真 实 的 科 学 研 究 工 作, 我 们 尝 试 设 计 出 一 系 列 的 研 究 性 实 验 项 目, 希 望 通 过 这 些 实 验 项 目 来 拓 宽 他 们 的 知 识 面, 激 发 他 们 从 事 科 学 研 究 的 热 情 本 文 描 述 的 实 验 内 容 即 是 这 些 实 验 项 目 之 一 2 黑 硅 样 品 的 制 备 及 霍 尔 测 试 我 们 选 用 直 径 为 3 英 寸, 厚 度 为 390 μm, 双 面 剖 光, 晶 面 取 向 为 (001) 的 p 型 硼 掺 杂 硅 单 晶 片 作 为 衬 底 片, 电 导 率 为 1~10Ωcm 第 一 步, 我 们 把 圆 形 的 硅 单 晶 衬 底 片 切 成 1cm 1cm 的 许 多 小 方 片 ; 第 二 步, 对 这 些 硅 衬 底 小 方 片 进 行 表 面 化 学 刻 蚀 将 它 们 整 齐 放 资 助 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 (No.61204002) 作 者 简 介 : 王 科 范 (1979-), 男, 河 南 人, 河 南 大 学 物 理 与 电 子 学 院 电 子 系 副 教 授, 博 士 ( 后 ), 主 要 研 究 方 向 为 半 导 体 材 料 物 理 与 化 学 通 讯 作 者 : 刘 平 安 (1965-), 男, 河 南 人, 河 南 大 学 物 理 与 电 子 学 院 电 子 系 副 教 授, 普 通 物 理 实 验 室 主 任, 主 要 研 究 大 学 物 理 实 验 教 学 290
进 聚 四 氟 乙 烯 制 作 的 样 品 篮 内, 再 将 样 品 篮 放 进 配 制 好 的 刻 蚀 液 内 刻 蚀 液 为 氢 氧 化 钠 和 异 丙 醇 的 混 合 水 溶 液, 其 中 氢 氧 化 钠 的 质 量 百 分 含 量 为 2.5%, 异 丙 醇 的 体 积 百 分 含 量 为 6%, 刻 蚀 液 的 温 度 保 持 在 80 刻 蚀 时 间 为 40 分 钟 刻 蚀 完 成 后, 用 去 离 子 水 反 复 冲 洗 硅 衬 底 片, 再 用 高 纯 氮 气 吹 干 备 用 第 三 步, 对 刻 蚀 后 的 硅 衬 底 片 进 行 32 S + 离 子 注 入, 注 入 剂 量 为 1 10 16 cm -2, 注 入 电 压 为 200keV 为 了 避 免 沟 道 效 应, 让 衬 底 片 的 法 线 方 向 偏 离 离 子 束 方 向 7 离 子 注 入 前 后 硅 衬 底 片 的 表 面 形 貌 变 化 很 小, 但 是 它 的 表 面 层 由 于 离 子 轰 击 会 产 生 很 多 晶 格 损 伤 第 四 步, 为 了 消 除 晶 格 损 伤, 我 们 对 离 子 注 入 后 的 硅 衬 底 片 进 行 纳 秒 激 光 退 火 选 用 的 激 光 器 为 KrF 准 分 子 激 光 器, 激 光 波 长 为 248nm, 脉 冲 时 间 为 20ns, 光 斑 尺 寸 为 3mm 1mm, 能 量 密 度 为 1.0 J/cm 2 衬 底 片 上 平 均 每 点 激 光 脉 冲 数 为 4 个 至 此, 黑 硅 样 品 制 备 完 毕 为 了 研 究 热 退 火 对 黑 硅 样 品 电 学 性 质 的 影 响, 我 们 将 黑 硅 样 品 放 进 真 空 管 式 炉 内, 在 高 纯 氮 气 气 流 的 保 护 下, 在 200~800 温 度 范 围 内 以 100 为 温 度 间 隔 进 行 热 退 火, 每 个 温 度 点 热 退 火 时 间 为 30 分 钟 样 品 制 备 阶 段 的 表 面 形 貌 是 用 扫 描 电 子 显 微 镜 (Scanning Electron Microscope) 来 观 察 的, 其 型 号 为 日 本 日 立 公 司 生 产 的 JSM-6301F 样 品 的 室 温 霍 尔 效 应 是 采 用 范 德 堡 法 测 量 的 ; 磁 场 是 由 一 块 永 磁 体 产 生 的, 它 的 磁 场 强 度 为 0.5 特 斯 拉 ; 电 压 和 电 流 是 由 Keithley 6514 静 电 计 测 量 的 ; 金 属 电 极 是 由 焊 接 在 样 品 方 片 侧 边 中 点 的 金 属 铟 构 成 的 3 实 验 结 果 与 讨 论 化 学 刻 蚀 后, 衬 底 片 表 面 布 满 了 金 字 塔 结 构, 如 图 1 所 示 这 些 金 字 塔 结 构 的 形 成 是 由 于 刻 蚀 液 对 Si<001> 面 和 <111> 面 的 刻 蚀 速 率 不 同 所 致 [5] 金 字 塔 结 构 的 侧 面 是 <111> 面 在 可 见 光 波 段, 这 些 金 字 塔 结 构 可 以 将 硅 表 面 的 反 射 率 降 低 到 10% 左 右 图 1 化 学 刻 蚀 后 的 硅 衬 底 片 的 表 面 形 貌 硫 离 子 注 入 之 后, 硅 样 片 的 表 面 形 貌 没 有 明 显 变 化 离 子 注 入 后 硫 离 子 在 硅 样 片 内 部 的 浓 度 分 布 可 以 通 过 模 拟 软 件 SRIM 计 算 出, [6] 结 果 如 图 2 所 示 从 图 中 我 们 可 以 看 出, 硫 离 子 浓 度 的 深 度 分 布 为 高 斯 分 布, 最 深 处 约 在 样 品 表 面 以 下 350nm 处 291
图 2 离 子 注 入 后 硫 离 子 浓 度 在 硅 样 品 内 的 深 度 分 布 模 拟 结 果 纳 秒 激 光 退 火 之 后, 金 字 塔 结 构 转 变 为 圆 屋 型 结 构, 如 图 3 所 示 纳 秒 激 光 退 火 时, 金 字 塔 结 构 表 面 的 硅 材 料 快 速 熔 化 变 成 液 态, 这 些 液 态 的 硅 熔 体 在 表 面 张 力 的 作 用 下 使 表 面 变 得 圆 滑 前 人 的 研 究 表 明, 纳 秒 退 火 后 离 子 注 入 层 的 晶 格 损 伤 可 以 完 全 消 除 [7] 图 3 纳 秒 激 光 退 火 后 黑 硅 样 品 的 表 面 形 貌 图 所 示 黑 硅 样 品 在 不 同 的 温 度 热 退 火 后, 我 们 对 各 个 样 品 进 行 室 温 霍 尔 测 试, 测 试 结 果 如 图 4 292
(a) 霍 尔 系 数 ;(b) 载 流 子 浓 度 ;(c) 载 流 子 迁 移 率 ;(d) 电 导 率 图 4 随 着 热 退 火 温 度 的 增 加, 各 个 黑 硅 样 品 的 霍 尔 测 量 结 果 图 4(a) 显 示 所 有 热 退 火 后 的 黑 硅 样 品 的 霍 尔 系 数 都 是 负 的, 这 说 明 黑 硅 样 品 内 参 与 导 电 的 载 流 子 主 要 是 电 子 因 为 选 用 的 硅 衬 底 片 本 来 是 p 型 掺 杂 的, 这 说 明 硫 离 子 注 入 后 可 以 释 放 出 更 多 的 电 子 来 抵 消 了 空 穴 的 影 响 ; 另 外, 这 也 说 明 黑 硅 层 与 硅 衬 底 之 间 实 际 上 是 一 个 n + /p 结, 这 个 结 会 自 然 地 将 黑 硅 层 的 电 子 输 运 与 硅 衬 底 隔 离 开, 所 以 我 们 测 到 的 仅 是 黑 硅 层 的 电 子 输 运 性 质 图 4(b) 说 明 随 着 退 火 温 度 的 增 加, 电 子 的 浓 度 慢 慢 地 从 退 火 前 的 5.25 10 19 cm -3 下 降 到 退 火 温 度 为 700 的 8.9 10 19 cm -3 图 4(c) 显 示 随 着 热 退 火 温 度 从 300 增 加 到 600, 电 子 的 迁 移 率 快 速 增 加, 在 更 高 的 退 火 温 度 电 子 迁 移 率 仅 略 微 下 降 综 合 图 4(b) 和 4(c) 的 结 果, 我 们 认 为 热 退 火 使 黑 硅 样 品 内 的 硫 杂 质 从 可 以 释 放 电 子 的 状 态 转 变 为 不 能 释 放 电 子 的 状 态, 这 也 暗 示 硫 元 素 从 荷 正 电 态 转 变 为 中 性 态 值 得 注 意 的 是, 电 子 迁 移 率 的 增 加 基 本 上 与 电 子 浓 度 的 下 降 是 同 步 的, 这 表 明 黑 硅 样 品 内 载 流 子 散 射 的 主 要 形 式 是 电 离 杂 质 散 射 [8] 图 4(d) 是 黑 硅 样 品 导 电 率 随 退 火 温 度 的 变 化 电 导 率 是 载 流 子 浓 度 和 载 流 子 迁 移 率 的 乘 积 对 于 未 热 退 火 的 样 品, 由 于 电 子 的 浓 度 很 高, 尽 管 电 子 迁 移 率 有 点 低, 样 品 还 是 具 有 很 好 的 导 电 性 随 着 热 退 火 温 度 的 增 加, 电 子 浓 度 下 降, 样 品 的 电 导 率 也 随 之 下 降 4 结 束 语 将 处 于 研 究 前 沿 的 半 导 体 材 料 黑 硅 作 为 霍 尔 效 应 实 验 研 究 的 对 象, 并 辅 以 其 它 的 研 究 手 段 比 如 化 学 刻 蚀 扫 描 电 镜 离 子 注 入 软 件 模 拟 纳 秒 激 光 退 火 和 热 退 火 等, 这 可 以 拓 展 高 年 级 本 科 生 的 知 识 面, 让 他 们 早 日 熟 悉 真 实 的 科 学 研 究 方 法 和 思 路 293
参 考 文 献 : [1] 姜 晶, 吴 志 明, 王 涛, 郭 正 宇, 于 贺, 蒋 亚 东 革 命 性 的 新 材 料 黑 硅 [J] 材 料 导 报, 2010,24(4): 122-126 [2] Schechter B. Tall, dark and stranger. New Scientist, 2001, 169(2273): 34-37. [3] 赵 明, 苏 卫 锋, 赵 利 表 面 微 构 造 的 硅 材 料 一 种 新 型 的 光 电 功 能 材 料 [J] 物 理,2003, 32(7): 455-457 [4] 邹 勉 黑 硅 : 潜 力 无 穷 的 新 材 料 专 家 相 信 它 相 当 于 60 年 前 的 半 导 体 [J] 半 导 体 信 息, 2009(1):4-5 [5] Vazsonyi E, Clercq K D, Einhaus R, Kerschaver E V, Said K, Poortmans J, Szlufcik J, Nijs J. Improved anisotropic etching process for industrial texturing of silicon solar cells [J]. Solar Energy Materials & Solar cells, 1999, 57: 179-188. [6] www.srim.org [7] Tabbal M, Kim T, Warrender J M, Aziz M, Cardozo B L, Goldman R S. Formation of single crystal sulfur supersaturated silicon based junctions by pulsed laser melting [J]. Journal of Vacuum Science & Technology B, 2007, 25: 1847 1852. [8] 刘 恩 科, 朱 秉 升, 罗 晋 生, 等 半 导 体 物 理 学 [M] 北 京 : 电 子 工 业 出 版 社,2003:111 294
数 字 化 密 立 根 油 滴 实 验 仪 何 雨 华, 方 恺, 倪 晨, 郭 先 红, 陆 萍 ( 同 济 大 学 物 理 科 学 与 工 程 学 院, 上 海 200092) 摘 要 : 本 文 介 绍 了 一 种 改 进 后 的 密 立 根 油 滴 实 验 仪, 仪 器 利 用 A/D 采 样 等 技 术, 将 测 量 所 得 到 的 平 衡 电 压, 油 滴 下 降 时 间 等 数 据 及 时 记 录 保 存 并 计 算, 用 于 实 时 检 测 验 证 实 验 结 果, 并 可 上 传 至 教 学 网 站 平 台, 做 存 档 备 查 关 键 词 :A/D 采 样 ; 实 时 检 测 ; 物 理 实 验 1 引 言 密 立 根 油 滴 实 验 是 一 个 非 常 经 典 的 物 理 实 验, 其 设 计 思 想 极 富 生 命 力, 启 迪 着 千 千 万 万 青 年 学 生 依 据 的 原 理 是 基 本 的 物 理 规 律, 实 验 方 法 也 非 常 简 单, 通 过 测 量 电 压 和 时 间 这 两 个 宏 观 量, 却 能 精 确 地 得 到 基 本 电 荷 这 一 微 观 量 这 在 物 理 实 验 设 计 中 是 很 值 得 借 鉴 的 在 此 实 验 中, 捕 捉 油 滴 是 学 生 在 实 验 重 点 训 练 的 技 巧 之 一 在 过 去 的 实 验 教 学 中, 通 过 显 微 镜 目 镜 来 观 察 油 滴, 但 是 由 于 学 生 长 时 间 会 造 成 用 眼 疲 劳, 当 观 察 者 眼 睛 稍 作 休 息 调 整 时, 油 滴 非 常 容 易 丢 失 由 于 仪 器 操 作 使 用 不 当 或 由 于 静 电 的 作 用 等 原 因, 也 会 造 成 油 滴 丢 失 特 别 是 在 需 要 对 同 一 油 滴 进 行 多 次 测 量 时, 往 往 测 量 几 个 数 据 后 就 难 以 跟 踪 油 滴, 造 成 实 验 测 量 的 困 难 90 年 后 期, 随 着 CCD 技 术 的 发 展 与 普 及, 国 内 高 校 大 都 采 用 CCD 加 显 示 屏 来 替 代 原 来 的 肉 眼 直 接 观 察 这 是 这 一 实 验 装 置 的 一 个 飞 跃 把 原 来 比 较 困 难 的 跟 踪 油 滴 变 得 简 单, 所 以 该 装 置 得 以 非 常 迅 速 广 泛 推 广 但 是 目 前 存 在 的 问 题 是 : 实 验 中 如 果 学 生 操 作 不 当, 比 如 平 衡 电 压 调 节 不 适 当 ; 油 滴 下 降 时 间 与 距 离 选 择 不 合 适 ; 就 容 易 产 生 较 大 测 量 误 差, 甚 至 对 验 证 电 荷 的 量 子 化 的 结 论 有 疑 意 另 一 方 面, 现 在 一 个 教 师 同 时 要 指 导 数 十 名 学 生, 而 对 学 生 的 实 验 情 况 无 法 也 不 可 能 有 精 力 及 时 去 逐 一 计 算 更 正 而 教 师 往 往 需 要 学 生, 在 课 堂 上 尽 可 能 多 的 测 量 油 滴, 所 以 学 生 对 实 验 中 的 问 题 可 能 也 无 法 及 时 发 现 待 回 去 处 理 数 据 时 发 现 问 题 已 为 时 太 晚 了, 个 别 同 学 为 了 得 到 好 的 实 验 结 果 往 往 会 对 实 验 数 据 作 部 分 的 修 正, 而 这 恰 恰 是 物 理 实 验 中 最 忌 讳 的 2 仪 器 设 计 的 设 计 思 想 及 操 作 模 块 数 字 化 密 立 根 油 滴 实 验 仪 的 最 大 特 色 在 于 : 在 原 有 传 统 仪 器 操 作 模 式 基 本 不 变 的 前 提 下, 增 加 了 实 验 数 据 采 集 功 能 可 实 时 记 录 下 油 滴 的 平 衡 电 压, 油 滴 下 降 时 间 等 数 据, 这 一 系 统 与 仪 器 的 计 时 装 置 相 连 接, 当 电 子 计 时 秒 表 按 下 停 止 时, 数 据 自 动 采 集 完 毕 仪 器 采 用 智 能 菜 单 形 式, 实 验 者 可 根 据 自 身 的 实 验 条 件 进 行 适 当 的 设 置 对 某 一 个 油 滴 测 量 完 毕, 在 仪 器 上 显 示 屏 上, 可 显 示 出 当 前 的 油 滴 参 数, 如 认 为 这 个 数 据 是 正 确, 可 按 下 仪 器 上 的 确 认 按 键 进 行 保 存 数 据, 同 时 该 数 据 也 上 传 至 教 师 的 电 脑 中 同 一 个 油 滴 进 行 多 次 测 量 后 ( 测 量 次 数 可 自 行 设 定 ) 仪 器 可 对 当 前 的 油 滴 进 行 分 析, 计 算 出 油 滴 所 带 的 电 量 电 子 数, 以 及 误 差 等 学 生 可 根 据 该 结 果 总 结 分 析 实 验 操 作 情 况, 及 时 做 出 调 整, 便 于 下 一 作 者 简 介 : 何 雨 华 (1959-), 男, 上 海 人, 同 济 大 学 理 科 学 与 工 程 学 院 高 级 实 验 师, 学 士, 从 事 物 理 实 验 教 学 和 科 教 仪 器 研 制 295
个 油 滴 的 测 量 通 过 采 用 计 算 机 通 信 技 术, 将 学 生 实 际 操 作 测 量 到 的 实 验 数 据 实 时 地 传 送 到 计 算 机 上, 教 师 通 过 实 验 教 学 软 件, 可 以 实 现 实 验 管 理 数 据 监 察 数 据 分 析 运 算 数 据 拟 合 和 学 生 实 验 资 料 查 询 等 多 项 功 能 [1] 实 验 仪 由 主 机 CCD 成 像 系 统 油 滴 盒 监 视 器 等 部 件 组 成 其 中 主 机 包 括 可 控 高 压 电 源 计 时 装 置 A/D 采 样 视 频 处 理 等 单 元 模 块 [2] CCD 成 像 系 统 包 括 CCD 传 感 器 光 学 成 像 部 件 等 油 滴 盒 包 括 高 压 电 极 照 明 装 置 防 风 罩 等 部 件 监 视 器 是 视 频 信 号 输 出 设 备 仪 器 部 件 如 图 1 所 示 CCD 模 块 及 光 学 成 像 系 统 用 来 捕 捉 暗 室 中 油 滴 的 像, 同 时 将 图 像 信 息 传 给 主 机 的 视 频 处 理 模 块 实 验 过 程 中 可 以 通 过 调 焦 旋 钮 来 改 变 物 距, 使 油 滴 的 像 清 晰 的 呈 现 在 CCD 传 感 器 的 窗 口 内 电 压 调 节 旋 钮 可 以 调 整 极 板 之 间 的 电 压, 用 来 控 制 油 滴 的 平 衡 下 落 及 提 升 定 时 开 始 结 束 按 键 用 来 记 时 ;0V 工 作 按 键 用 来 切 换 仪 器 的 工 作 状 态 ; 平 衡 提 升 按 键 可 以 切 换 油 滴 平 衡 或 提 升 状 态 ; 确 认 按 键 可 以 将 测 量 数 据 显 示 在 屏 幕 上, 从 而 省 去 了 每 次 测 量 完 成 后 手 工 记 录 数 据 的 过 程, 使 操 作 者 把 更 多 的 注 意 力 集 中 到 实 验 本 质 上 来 1 CCD 盒 2 电 源 插 座 3 调 焦 旋 钮 4 Q9 视 频 接 口 5 光 学 系 统 6 镜 头 7 观 察 孔 8 上 极 板 压 簧 9 进 光 孔 10 光 源 11 确 认 键 12 状 态 指 示 灯 13 平 衡 提 升 切 换 键 14 0V 工 作 切 换 键 15 定 时 开 始 结 束 切 换 键 16 水 准 泡 17 电 压 调 节 旋 钮 18 紧 定 螺 钉 19 电 源 开 关 20 油 滴 管 收 纳 盒 安 放 环 21 调 平 螺 钉 (3 颗 ) 图 1 数 字 化 密 立 根 油 滴 实 验 仪 示 意 图 上 下 极 板 之 间 通 过 胶 木 圆 环 支 撑, 三 者 之 间 的 接 触 面 经 过 机 械 精 加 工 后 可 以 将 极 板 间 的 不 平 行 度 间 距 误 差 控 制 在 0.01mm 以 下 ; 这 种 结 构 基 本 上 消 除 了 极 板 间 的 势 垒 效 应 及 边 缘 效 应, 较 好 地 保 证 了 油 滴 室 处 在 匀 强 电 场 之 中, 从 而 有 效 地 减 小 了 实 验 误 差 胶 木 圆 环 上 开 有 两 个 进 光 孔 和 一 个 观 察 孔, 光 源 通 过 进 光 孔 给 油 滴 室 提 供 照 明, 而 成 像 系 统 则 通 过 观 察 孔 捕 捉 油 滴 的 像 照 明 由 带 聚 光 的 高 亮 发 光 二 极 管 提 供, 其 使 用 寿 命 长 不 易 损 坏 ; 油 雾 杯 可 以 暂 存 油 雾, 使 油 雾 不 至 于 过 早 地 散 逸 ; 进 油 量 开 关 可 以 控 制 落 油 量 ; 防 风 罩 可 以 避 免 外 界 空 气 流 动 对 油 滴 的 影 响 296
3 数 字 化 密 立 根 油 滴 实 验 教 学 管 理 系 统 数 字 化 密 立 根 油 滴 实 验 教 学 管 理 系 统 已 应 用 于 同 济 大 学 物 理 实 验 中 心 的 物 理 实 验 课 程 教 学, 其 功 能 包 括 : 实 验 管 理 资 料 查 阅 和 数 据 传 输 等 学 生 完 成 实 验 后 可 将 实 验 数 据 保 存 在 计 算 机 中, 并 备 份 数 据 需 要 时, 可 以 通 过 查 找 姓 名 学 号 实 验 时 间 或 仪 器 编 号 等 方 式 进 行 数 据 查 询 实 验 数 据 保 存 后, 可 以 预 览 和 根 据 需 要 打 印 相 应 的 实 验 报 告, 供 教 师 批 改 实 验 报 告 或 进 行 实 验 教 学 研 究 与 分 析 时 参 考 图 2 数 字 化 密 立 根 油 滴 实 验 教 学 管 理 系 统 实 验 室 照 片 系 统 还 具 有 以 下 功 能 : 1) 系 统 管 理 主 要 包 括 操 作 用 户 管 理 通 讯 参 数 设 置, 连 接 装 置 管 理 实 验 装 置 管 理 实 验 资 料 管 理, 重 置 当 前 数 据 清 除 实 验 数 据 数 据 备 份 / 恢 复 等 功 能, 只 有 具 备 系 统 管 理 员 权 限 的 操 作 用 户 才 具 有 操 作 这 些 功 能 的 权 限 2) 资 料 查 阅 主 要 包 括 实 验 原 理 实 验 内 容 背 景 资 料 等 与 实 验 有 关 的 信 息 查 阅 功 能, 以 便 于 学 生 在 做 实 验 时 遇 到 疑 问, 可 随 时 进 行 查 阅 3) 数 据 传 输 数 据 发 送 采 用 轮 询 的 集 中 控 制 方 式 机 制 计 算 机 依 照 一 定 顺 序 逐 个 访 问 各 仪 器, 询 问 是 否 有 信 息 要 发 送 如 果 有, 则 该 仪 器 立 即 占 用 线 路 并 将 信 息 发 给 计 算 机 如 果 没 有, 则 将 应 答 信 息 送 给 计 算 机, 计 算 机 再 访 问 下 一 台 仪 器 这 样 使 每 一 台 仪 器 都 有 同 等 的 机 会, 并 在 预 定 的 时 间 间 隔 内 将 数 据 安 全 有 效 地 发 送 到 计 算 机 上 本 系 统 通 信 协 议 包 括 上 行 协 议 和 下 行 协 议 ( 以 数 据 采 集 器 为 汇 集 点 ) 上 行 协 议 规 定 集 线 器 与 计 算 机 之 间 的 通 信 机 制 ; 下 行 协 议 规 定 集 线 器 与 控 制 箱 之 间 的 通 信 机 制 通 信 协 议 包 括 软 件 ( 硬 件 ) 握 手 协 议 ; 询 问 应 答 命 令 协 议 ; 请 求 传 送 数 据 协 议 等 其 中, 握 手 协 议 解 决 联 机 问 题, 命 令 协 议 解 决 链 路 问 题, 数 据 协 议 解 决 传 送 问 题 4 实 验 数 据 处 理 模 块 由 于 数 字 化 密 立 根 油 滴 实 验 仪 改 善 了 实 验 条 件, 使 实 验 者 有 更 多 时 间 及 精 力 去 测 量 油 滴, 从 而 在 单 位 时 间 内 可 以 测 量 更 多 有 效 油 滴, 大 量 的 实 验 数 据 使 得 数 据 处 理 结 果 更 可 信 数 据 处 理 方 法 有 图 解 法 最 小 二 乘 法 等 [3] 简 单 的 图 解 法 是 将 计 算 所 得 各 个 油 滴 的 电 量 值 按 大 小 标 在 数 轴 上, 通 过 图 形 可 以 直 观 地 297
看 到 数 据 形 成 疏 密 有 致 一 簇 一 簇 的 有 序 分 布 其 中 间 距 较 大 的 应 该 是 基 本 电 荷 数 n 的 差 异, 而 间 距 较 小 的 应 该 是 测 量 随 机 误 差 形 成 的 差 异 对 同 一 簇 数 据 求 平 均, 可 得 一 组 按 不 同 基 本 电 荷 数 排 列 的 数 据 q1,q2 qn 对 这 些 数 据 进 行 逐 差 处 理, 最 小 差 值 的 平 均 值 e 就 是 电 子 电 量 的 估 计 值 [4] 另 一 种 图 解 法 是 作 q~n 关 系 图, 求 出 直 线 的 斜 率 q / n, 即 电 子 电 量 e 最 小 二 乘 法 : 设 这 里 yˆ i i y q ( 电 量 测 量 值,i=1,2...m) i i ˆ ( 拟 合 直 线 上 相 应 的 电 量 值 ) (1) y i ne ne 可 看 作 直 线 方 程 ( n i 看 作 x ), 则 i 对 方 程 组 两 边 求 平 方 和 可 得 : i y y y 1 yˆ 1 q1 en1 2 yˆ 2 q2 en2 m yˆ m q m en m S m i1 2 ( y yˆ ) i i m i1 2 ( q en ) i i (2) 要 使 S 为 最 小 值, 必 须 ds de d de m i1 ( q i en i ) 2 0 求 导 数 得 : 电 子 电 量 为 2 iqi eni n 0 (3) e m i1 m i1 n q i n 2 i i (4) 其 不 确 定 度 为 U e q ( n i i e) m( m 1) 2 (5) 数 据 处 理 时 为 了 简 便,n 也 可 用 q i /e 0 取 整 数 来 得 到, 这 里 公 认 值 e 0 = 1.602 10-19 C 298
5 结 论 通 过 近 二 年 来, 对 数 千 学 生 的 教 学 实 践 获 得 非 常 好 的 效 果 经 过 问 卷 调 查, 大 部 分 学 生 都 认 为 : 提 高 了 学 习 的 兴 趣 在 单 位 时 间 内 增 加 了 测 量 了 油 滴 数 量 增 强 了 实 验 的 责 任 性 实 验 过 程 中, 教 师 能 实 时 监 察 学 生 的 实 验 过 程 与 数 据, 对 实 验 中 发 生 的 问 题 可 以 随 时 提 出 纠 正 意 见 并 可 根 据 需 要 在 批 改 实 验 报 告 等 环 节 随 时 调 用 数 据, 增 加 教 师 与 学 生 之 间 的 互 动 致 谢 : 对 成 都 世 纪 中 科 仪 器 有 限 公 司 技 术 部 的 钟 建 华 工 程 师 等 在 仪 器 研 制 中 的 合 作 和 支 持 表 示 感 谢 参 考 文 献 : [1] 何 雨 华, 方 恺, 陈 铭 南 智 能 型 气 体 比 热 容 比 测 定 实 验 教 学 网 络 的 系 统 设 计 [J] 实 验 室 研 究 与 探 索,2008,27(11): 37-40 [2] 潘 人 培 物 理 实 验 参 考 书 [M] 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社,1990:285-298 [3] 陆 廷 济, 胡 德 敬, 陈 铭 南 物 理 实 验 教 程 [M] 上 海 : 同 济 大 学 出 版 社,2000: 66-71 [4] 方 恺, 倪 晨, 马 宁 生, 等 物 理 实 验 学 习 册 [M] 上 海 : 同 济 大 学 出 版 社,2011:121-128 Digital Millikan Oil Drop Experiment Instrument HE Yu-hua, FANG kai, NI cheng, GUO Xian-hong, LU Ping (School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, Chiana) Abstract: This paper introduces an improved Millikan oil drop experiment instrument, instrument using A/D sampling technology. The measured data including the balance voltage and the falling time of the oil drop etc. will be detected, recorded and calculated to verify the experimental results. The data can be uploaded to the teaching website platform as the record. Key words: A/D sampling; real time detection; physics experiments 299
复 合 真 空 计 操 作 规 程 应 用 研 究 刘 嘉 滨, 沈 学 浩, 周 红, 杨 文 明 ( 上 海 交 通 大 学 物 理 与 天 文 系, 上 海 200240) 摘 要 : 真 空 的 获 得 与 真 空 镀 膜 实 验 是 在 一 定 真 空 度 下 进 行, 因 此, 真 空 测 量 在 实 验 中 具 有 重 要 作 用 然 而 真 空 计 不 合 理 的 操 作 规 程 会 致 使 规 管 出 现 问 题, 从 而 影 响 实 验 的 顺 利 进 行, 因 此, 需 要 根 据 实 验 原 理 与 实 验 过 程, 设 定 合 理 的 操 作 规 程 关 键 词 : 真 空 ; 复 合 真 空 计 ; 规 管 1 引 言 真 空 的 获 得 与 真 空 镀 膜 实 验 作 为 一 门 认 识 真 空 现 象 掌 握 真 空 技 术 的 专 业 实 验, 在 大 学 物 理 实 验 及 近 代 物 理 实 验 中 占 有 重 要 的 地 位 通 过 真 空 泵 对 真 空 系 统 和 真 空 镀 膜 室 持 续 地 抽 气, 当 其 空 间 中 气 体 稀 薄 到 一 定 程 度 ( 即 真 空 度 ) 时, 将 金 属 或 金 属 氧 化 物 变 成 气 态 原 子 或 分 子 并 沉 积 在 金 属 或 非 金 属 表 面 [1], 从 而 实 现 真 空 镀 膜 而 真 空 度 的 测 量, 是 由 真 空 计 来 完 成 由 于 真 空 计 的 工 作 原 理 不 同, 很 少 采 用 一 种 真 空 计 来 测 量 所 有 真 空 度 范 围 的 压 强, 在 具 体 实 验 中 通 常 会 采 用 复 合 真 空 计 来 进 行 低 真 空 与 高 真 空 测 量 高 低 真 空 分 开 测 量 不 仅 有 助 于 学 生 理 解 真 空 过 程, 而 且 也 有 助 于 真 空 设 备 良 好 的 运 转 虽 然 高 低 真 空 测 量 可 自 动 切 换, 但 在 实 验 中 由 于 需 要 对 镀 膜 室 进 行 操 作, 因 此, 再 次 进 入 高 真 空 度 时 需 要 一 个 稳 定 过 程, 如 此 时 高 低 真 空 测 量 频 繁 切 换, 则 会 容 易 致 使 测 量 器 件 损 坏 所 以, 复 合 真 空 计 需 要 一 个 正 确 的 操 作 规 程 以 保 证 实 验 设 备 与 实 验 教 学 的 顺 利 进 行 2 复 合 真 空 计 工 作 原 理 真 空 计 作 为 测 量 空 间 内 稀 薄 气 体 压 力 ( 通 常 比 大 气 压 小 得 多 ) 的 仪 器, 按 照 不 同 的 分 类 方 法 可 划 分 为 不 同 种 类 真 空 计 如 表 1 所 示 绝 对 真 空 计 可 直 接 读 取 气 体 压 力, 而 相 对 真 空 计 需 要 通 过 气 体 压 力 有 关 的 函 数 关 系 来 测 量 压 力 ; 直 接 测 量 真 空 计 可 直 接 测 量 单 位 面 积 上 的 压 力, 而 间 接 测 量 真 空 计 则 通 过 低 压 下 与 气 体 压 力 有 关 的 物 理 量 的 变 化 来 间 接 测 量 压 力 在 实 际 测 量 中 相 对 真 空 计 和 间 接 测 量 真 空 计 的 种 类 会 更 多 些 复 合 真 空 计 是 由 热 偶 真 空 计 与 热 阴 极 电 离 真 空 计 组 成, 其 测 量 范 围 可 达 10-5 Pa 在 实 验 中, 热 偶 真 空 计 是 用 来 测 量 真 空 镀 膜 机 的 低 真 空 度 热 偶 真 空 计 是 以 热 偶 规 管 为 传 感 器, 将 被 测 环 境 的 压 强 信 号 转 换 为 微 弱 的 电 信 号, 经 过 信 号 放 大 和 A/D 转 换, 送 入 单 片 机 进 行 数 据 处 理 和 显 示 [2] 工 作 时, 热 偶 规 管 中 的 加 热 丝 会 通 过 电 流 给 予 加 热, 利 用 热 电 偶 直 接 测 量 热 丝 的 温 度 变 化 [3], 温 度 升 高 时, 热 电 偶 输 出 热 电 势 越 大, 系 统 真 空 度 越 高, 反 之, 真 空 度 越 低 电 离 真 空 计 是 利 用 电 子 在 电 场 中 的 电 离 化, 即 电 子 电 离 后 会 产 生 正 离 子 和 次 级 电 子, 并 在 一 定 温 度 下 正 离 子 数 正 比 于 气 体 的 压 力, 因 此, 可 通 过 测 量 离 子 流 的 大 小 来 指 示 系 统 真 空 度, 即 I i = KI e p 式 中,I i 为 离 子 电 流,I e 为 发 射 电 子 流,p 为 气 体 压 力,K 为 规 管 系 数 作 者 简 介 : 刘 嘉 滨 (1976 ), 男, 山 西 原 平 市, 工 程 师, 硕 士, 教 育 技 术 300
表 1 真 空 计 分 类 真 空 计 分 类 分 类 方 法 真 空 度 刻 度 直 接 测 量 真 空 计 测 量 原 理 间 接 测 量 分 类 绝 对 真 空 计 相 对 真 空 计 静 态 液 位 真 空 计 弹 性 元 件 真 空 计 压 缩 式 真 空 计 热 传 导 真 空 计 热 辐 射 真 空 计 电 离 真 空 计 放 电 管 指 示 器 粘 滞 真 空 计 场 致 显 微 仪 分 压 力 真 空 计 热 阴 极 电 离 真 空 计 主 要 是 由 电 离 规 管 和 测 量 电 路 组 成, 电 离 规 管 负 责 离 子 流 的 生 成, 主 要 由 阴 极 阳 极 与 收 集 级 三 个 电 级 组 成 阴 极 是 提 供 电 子 流 I e 的 灯 丝, 阳 极 产 生 电 子 加 速 场 并 可 收 集 电 子 流, 收 集 级 负 责 收 集 离 子 流 I i 普 通 电 离 真 空 计 压 力 测 量 范 围 在 1x10-1 10-5 Pa 内, 因 此, 可 用 来 测 量 真 空 镀 膜 机 的 高 真 空 度 3 操 作 规 程 应 用 研 究 真 空 镀 膜 机 主 要 是 由 真 空 机 组 真 空 镀 膜 室 真 空 计 等 部 件 组 成, 其 中 真 空 机 组 负 责 对 系 统 与 镀 膜 室 进 行 抽 真 空, 镀 膜 室 是 镀 膜 材 料 制 备 的 工 作 场 所, 真 空 计 可 实 时 监 控 整 机 系 统 的 真 空 度 本 实 验 中 心 采 用 的 是 北 京 仪 器 厂 生 产 的 DM-240 型 真 空 镀 膜 机, 其 真 空 机 组 是 由 机 械 泵 和 油 扩 散 泵 组 成, 前 者 负 责 低 真 空 抽 气, 后 者 负 责 高 真 空 抽 气 在 实 验 中, 首 先 需 要 将 高 阀 关 闭, 将 低 阀 放 置 在 抽 钟 罩 处, 开 启 机 械 泵 对 系 统 和 镀 膜 室 进 行 低 真 空 抽 气, 复 合 真 空 计 的 热 偶 计 监 视 屏 会 实 时 显 示 抽 气 情 况 当 真 空 度 达 到 6.67Pa 以 下 时, 可 转 至 高 真 空 抽 气, 如 镀 膜 材 料 制 备 准 备 好, 达 到 镀 膜 所 需 真 空 度 时, 即 可 进 行 镀 膜 实 验 进 行 高 真 空 抽 气 时, 首 先 需 要 将 高 阀 打 开, 将 低 阀 转 至 在 抽 系 统 处, 然 后 开 启 油 扩 散 泵 及 冷 却 水 系 统, 此 时, 可 通 过 复 合 真 空 计 的 复 合 计 监 视 屏 观 察 高 真 空 抽 气 情 况 热 偶 规 管 和 电 离 规 管 作 为 复 合 真 空 计 的 测 量 前 端, 如 果 操 作 不 正 确, 容 易 使 其 出 现 问 题, 因 此, 复 合 真 空 计 需 要 设 定 合 理 的 操 作 规 程 在 实 验 中, 当 热 偶 计 读 数 达 到 6.67Pa 时, 可 以 启 动 油 扩 散 泵 进 行 高 真 空 抽 气, 如 果 复 合 真 空 计 高 低 真 空 测 量 处 于 自 动 切 换 时, 此 时, 电 离 规 管 开 始 工 作, 复 合 计 显 示 高 真 空 度 但 是, 由 于 油 扩 散 泵 开 启 前, 真 空 镀 膜 机 的 高 阀 要 开 启, 将 扩 散 泵 与 镀 膜 室 连 通, 低 阀 要 切 换 位 置, 因 此, 这 些 操 作 会 使 低 真 空 度 降 低, 电 离 规 管 又 瞬 间 停 止 工 作, 而 这 种 瞬 间 的 通 断 对 电 离 规 管 有 严 重 的 影 响 并 且, 低 真 空 度 高 于 6.67Pa 需 要 一 定 稳 定 时 间, 在 这 个 时 间 内 如 果 电 离 规 管 频 繁 通 断, 也 会 影 响 规 管 的 性 能 所 以, 不 能 将 复 合 真 空 计 高 低 真 空 测 量 一 直 处 于 自 动 切 换 状 态 这 个 过 程 应 该 要 手 动 开 启 高 真 空 测 量, 即 开 启 油 扩 散 泵 高 真 空 抽 气 时, 暂 时 先 不 启 动 电 离 规 管 测 量, 而 是 继 续 观 察 热 偶 计 读 数, 当 其 读 数 再 次 低 于 6.67Pa 以 下 时, 301
再 进 行 高 真 空 测 量, 这 样 可 使 得 电 离 规 管 持 续 工 作, 作 到 有 效 的 保 护 真 空 镀 膜 是 在 镀 膜 室 内 进 行, 在 实 验 中, 由 于 抽 真 空 需 要 一 定 的 时 间, 因 此, 可 在 真 空 镀 膜 机 抽 真 空 同 时 制 备 镀 膜 材 料 镀 膜 材 料 安 装 时 需 要 开 启 镀 膜 室, 此 时, 合 理 的 操 作 应 首 先 关 闭 高 真 空 测 量, 并 切 断 镀 膜 室 与 扩 散 泵 连 接, 然 后 对 镀 膜 室 进 行 充 气, 充 气 完 毕 后, 打 开 镀 膜 室 进 行 镀 膜 材 料 安 装 此 后, 需 要 对 镀 膜 室 再 次 进 行 高 真 空 抽 气, 该 过 程 不 能 因 前 面 已 进 行 过 抽 气, 可 直 接 开 启 高 真 空 测 量 仍 要 先 对 镀 膜 室 进 行 低 真 空 抽 气, 真 空 度 达 到 要 求 后, 开 启 高 阀 和 高 真 空 测 量 因 此, 在 真 空 镀 膜 实 验 过 程 中, 如 果 一 定 时 间 内 无 需 高 真 空 测 量 时, 应 该 停 止 电 离 规 管 工 作, 以 便 延 长 其 使 用 寿 命 同 样, 在 镀 膜 取 样 或 实 验 结 束 等 实 验 环 节, 也 应 首 先 关 闭 高 真 空 测 量, 再 进 行 其 他 实 验 操 作 步 骤 4 结 束 语 复 合 真 空 计 作 为 通 用 工 业 仪 器, 已 广 泛 应 用 于 真 空 镀 膜 真 空 冶 炼 真 空 焊 接 等 行 业, 在 实 验 教 学 中, 测 量 仪 器 稳 定 性 可 靠 性 和 易 操 作 性 更 重 要 规 管 作 为 测 量 仪 器 的 前 端, 如 果 真 空 计 操 作 不 合 理 会 使 其 性 能 降 低 或 出 现 问 题, 不 仅 会 影 响 真 空 度 的 测 量, 而 且 也 会 影 响 学 生 实 验 操 作, 导 致 真 空 镀 膜 机 故 障 因 此, 复 合 真 空 计 合 理 的 操 作 规 程 可 以 有 效 的 保 护 规 管 不 被 损 坏, 同 时, 为 真 空 的 获 得 与 真 空 镀 膜 实 验 顺 利 进 行 提 供 强 有 力 的 基 础 保 障 参 考 文 献 : [1] 黄 鸿 宏, 黄 洪 填, 黄 剑 彬, 等 真 空 镀 膜 综 述 [J] 现 代 涂 料 与 涂 装,2011,14(6):22-24 [2] 李 杨 热 偶 规 真 空 计 的 设 计 与 研 究 [D] 东 北 师 范 大 学,2011 [3] 刘 玉 岱 真 空 技 术 及 应 用 系 列 讲 座 第 六 讲 : 真 空 测 量 [J] 真 空,1996(2):46-50 Research on the operation rules of composite vacuum gauge LIU Jia-bin, SHEN Xue-hao, ZHOU Hong, YANG Wen-ming (Department of Physics and Astronomy, Shanghai JiaoTong University, Shanghai 200240, China) Abstract: Vacuum measurement plays an important role in vacuum experiment. However, the gauge causes problem because of the unreasonable operation of the vacuum gauge. Therefore, the vacuum gauge needs some reasonable rules according to the principles and experiment process. Key words: Vacuum; Compound vacuum gauge; gauge 302
流 水 式 核 磁 共 振 实 验 中 低 流 速 下 共 振 信 号 反 常 增 强 原 因 探 究 及 纵 向 弛 豫 时 间 准 确 测 量 杜 晓 波, 许 强, 孙 昕, 龙 北 玉, 付 成 伟, 周 亮, 梁 桁 楠, 韩 炜 ( 吉 林 大 学 物 理 实 验 教 学 中 心, 吉 林 长 春 130012) 摘 要 : 明 确 了 流 水 式 核 磁 共 振 实 验 中, 低 流 速 下 核 磁 共 振 信 号 幅 度 随 着 水 流 量 的 减 小 而 反 常 增 强, 是 低 流 速 下 核 磁 共 振 检 测 磁 场 二 次 磁 化 造 成 的 选 用 高 流 速 数 据 来 拟 合 纵 向 弛 豫 时 间 更 为 准 确 1 引 言 稳 态 核 磁 共 振 ( 或 固 定 样 品 核 磁 共 振 ) 实 验 中 的 宏 观 磁 矩 ( 磁 化 强 度 M ) 来 源 于 水 分 子 中 氢 原 子 核 的 磁 矩 以 50Hz 的 交 变 磁 场 作 为 扫 描 磁 场, 由 于 水 的 弛 豫 时 间 为 2.2s 左 右, 远 大 于 扫 场 周 期 的 0.02s, 导 致 出 现 共 振 饱 和 现 象, 难 以 观 察 到 核 磁 共 振 信 号 因 此 需 要 在 水 中 加 入 顺 磁 盐 (CuSO 4 或 FeCl 3 等 ) 以 减 少 驰 豫 时 间, 避 免 发 生 共 振 饱 和 流 水 式 核 磁 共 振 是 在 固 定 样 品 核 磁 共 振 基 础 上 的 扩 展, 样 品 采 用 流 动 的 纯 水 参 看 图 1, 在 固 定 样 品 核 磁 共 振 实 验 装 置 之 前 的 水 路 中 增 加 了 另 一 组 核 磁 共 振 系 统 ( 称 为 核 磁 共 振 1), 包 括 频 率 和 幅 度 可 调 的 交 变 磁 场 和 稳 恒 磁 场 ( 地 磁 场 即 可 ) 如 此 处 发 生 了 核 磁 共 振, 后 面 的 固 定 样 品 核 磁 共 振 装 置 ( 称 为 核 磁 共 振 2) 的 核 磁 共 振 信 号 会 发 生 变 化, 因 此 可 以 由 核 磁 共 振 2 共 振 信 号 的 变 化 来 确 定 核 磁 共 振 1 的 共 振 状 态 利 用 流 水 式 核 磁 共 振 实 验 可 测 量 地 磁 场 等 极 弱 和 不 均 匀 磁 场, 也 可 以 用 来 测 量 水 样 品 的 纵 向 弛 豫 时 间 t 1 图 1 流 水 式 核 磁 共 振 实 验 装 置 示 意 图 303
M (a.u.) 第 八 届 全 国 高 等 学 校 物 理 实 验 教 学 研 讨 会 论 文 集 ( 上 ) 在 磁 场 中 水 的 磁 化 强 度 M 达 到 稳 定 状 态 需 要 经 历 一 定 的 时 间, 去 掉 磁 场 后 M 的 消 失 也 要 经 历 一 定 的 时 间, 这 种 现 象 称 为 弛 豫, 通 常 以 指 数 来 描 述, 弛 豫 时 间 约 为 2.2s 水 流 经 核 磁 共 振 2 的 时 间 很 短, 不 能 被 充 分 磁 化, 信 号 的 幅 度 很 小 以 纯 水 作 为 样 品 并 仍 然 采 用 50Hz 扫 场 方 法 来 观 测 核 磁 共 振 信 号, 需 要 解 决 弛 豫 问 题 解 决 的 方 案 就 是 在 两 个 核 磁 共 振 装 置 之 前 增 加 一 个 预 磁 化 器, 该 装 置 能 保 证 水 在 比 较 强 的 磁 场 中 停 留 足 够 长 的 时 间 以 被 充 分 磁 化 离 开 预 磁 化 器 后 M 按 指 数 规 律 衰 减, 只 要 在 较 短 时 间 内 流 到 核 磁 共 振 装 置, 仍 能 保 留 一 定 的 强 度, 满 足 实 验 要 求 由 于 水 是 流 动 的, 发 生 了 核 磁 共 振 的 水 在 0.02 后 已 经 离 开 了 核 磁 共 振 系 统 的 射 频 线 圈, 新 流 过 来 的 水 是 未 发 生 共 振 的, 这 样 就 解 决 了 共 振 饱 和 问 题 1 水 从 预 磁 化 器 磁 化 饱 和 离 开 后,M 按 M A e tt 规 律 衰 减 关 闭 核 磁 共 振 1, 核 磁 共 振 2 给 出 的 共 振 信 号 的 强 度 正 比 于 水 的 磁 化 强 度 M, 因 此 可 由 信 号 幅 度 表 示 M 将 流 速 转 换 成 时 间 后, 得 到 Mt () 曲 线, 即 可 拟 出 纵 向 弛 豫 时 间 t 1, 这 是 流 水 式 核 磁 共 振 实 验 的 一 个 实 验 教 学 内 容 但 在 实 验 教 学 中 发 现 当 流 速 减 低 到 一 定 程 度, 核 磁 共 振 信 号 的 幅 度 反 而 增 强, 并 影 响 到 了 纵 向 弛 豫 时 间 的 拟 合 本 文 就 这 一 问 题 进 行 了 实 验 分 析, 探 寻 纵 向 弛 豫 时 间 拟 合 更 为 准 确 的 修 正 方 法 2 实 验 与 讨 论 实 验 中 发 现, 在 流 速 较 大 时, 信 号 的 幅 度 确 实 随 着 流 速 的 减 小 而 减 小 但 流 速 小 到 约 10l/h( 对 应 时 间 约 为 6s) 之 后, 信 号 幅 度 反 而 增 强, 如 图 2 中 的 曲 线 a 所 示 1 a b c 0 4 8 12 16 20 24 t (s) 图 2 经 预 磁 化 后 核 磁 共 振 信 号 幅 度 随 着 流 速 的 变 化 (a); 未 经 预 磁 化 核 磁 共 振 信 号 幅 度 随 着 流 速 的 变 化 ( 背 底 )(b); 扣 除 了 背 底 之 后 的 核 磁 共 振 信 号 随 着 水 流 量 的 变 化 (c) 经 预 磁 化 器 磁 化 饱 和 的 磁 矩 M 应 随 着 时 间 的 增 加 而 下 降, 核 磁 共 振 信 号 的 幅 度 也 因 此 单 调 下 降 流 速 降 低 到 5s 之 后, 信 号 反 而 随 着 时 间 的 增 加 而 增 加, 说 明 还 有 一 个 磁 场 在 对 水 进 行 磁 化 实 验 装 置 中 核 磁 共 振 2 处 还 存 在 一 个 磁 场 该 磁 场 与 预 磁 化 磁 场 相 似, 也 是 由 NdFeB 永 磁 材 料 制 成 的 永 磁 场 经 测 量, 磁 场 强 度 0.5T, 磁 场 空 间 的 半 径 34mm 水 路 直 径 为 4mm 在 流 速 较 大 时, 如 60l/s, 水 流 经 该 磁 场 的 时 间 为 0.0025s, 该 磁 场 对 水 的 磁 化 作 用 很 小 当 流 速 较 小 时, 如 1m/s, 水 流 经 该 磁 场 的 时 间 为 0.15s, 该 磁 场 对 水 的 磁 化 作 用 已 经 304
M (a.u.) 第 八 届 全 国 高 等 学 校 物 理 实 验 教 学 研 讨 会 论 文 集 ( 上 ) 比 较 显 著, 因 此 会 引 起 信 号 强 度 的 增 加 为 验 证 上 述 分 析, 我 们 将 预 磁 化 器 中 预 磁 化 磁 场 中 取 出, 不 再 进 行 预 磁 化, 得 到 了 图 2 中 的 曲 线 b 该 曲 线 横 轴 同 样 为 水 从 预 磁 化 器 流 到 核 磁 共 振 2 的 时 间, 但 水 在 核 磁 共 振 2 磁 场 中 的 停 留 的 时 间 约 为 其 1/65, 这 是 由 水 路 长 度 决 定 的 没 有 经 过 预 磁 化 磁 场 的 磁 化, 信 号 幅 度, 也 就 是 磁 化 强 度 M 仍 然 随 着 时 间 的 增 加 而 增 加, 说 明 M 确 实 是 由 第 二 个 核 磁 共 振 磁 场 的 磁 化 造 成 的 经 过 13s 左 右 信 号 幅 度 又 开 始 下 降, 主 要 是 共 振 饱 和 导 致 的 用 曲 线 a 减 掉 曲 线 b, 得 到 的 曲 线 c 没 有 了 核 磁 共 振 信 号 的 反 常 增 加, 证 明 了 我 们 的 分 析 是 正 确 的 采 用 曲 线 c 进 行 拟 合, 得 到 的 弛 豫 时 间 为 1.86s, 与 水 的 弛 豫 时 间 2.2s 有 较 大 的 偏 差 原 因 是 虽 然 进 行 了 曲 线 背 底 修 正, 仍 然 不 能 完 全 消 除 误 差 过 低 的 流 速 导 致 信 号 弱, 信 噪 比 很 低, 误 差 较 大 另 外 过 低 的 流 速 会 使 发 生 了 一 次 共 振 的 水 在 第 二 个 共 振 时 刻, 如 0.01s 之 后 不 能 全 部 流 出 核 磁 共 振 2 的 射 频 线 圈, 产 生 了 共 振 饱 和, 导 致 信 号 强 度 下 降 2.02s 2.19s 2.07s 1.93s 1.88s 1.86s 0 4 8 12 16 20 24 t (s) 图 3 弛 豫 时 间 修 正 考 虑 到 上 述 容 易 引 起 误 差 的 因 素, 弛 豫 时 间 的 拟 合 应 尽 量 不 使 用 流 速 过 低 的 数 据 如 图 3 所 示, 逐 渐 舍 弃 低 流 速 数 据, 拟 合 结 果 逐 渐 接 近 水 样 品 弛 豫 时 间 的 理 论 值 当 时 间 不 超 过 7s, 拟 合 的 结 果 为 2.19s 所 以 测 量 弛 豫 时 间 t1 时, 流 速 为 20m/s 以 上 为 宜 3 结 论 经 实 验 研 究 证 实, 流 水 式 核 磁 共 振 实 验 中 低 流 速 下 核 磁 共 振 信 号 幅 度 随 着 水 流 量 的 减 小 而 反 常 增 强, 是 低 流 速 下 核 磁 共 振 检 测 磁 场 二 次 磁 化 造 成 的 选 用 高 流 速 数 据 来 拟 合 纵 向 弛 豫 时 间 更 为 准 确 参 考 文 献 : [1] 杜 晓 波, 张 志 杰, 孙 昕 流 水 式 核 磁 共 振 实 验 系 统 介 绍 [J] 大 学 物 理,2012,29,34 [2] 房 德 慧 用 流 水 式 核 磁 共 振 磁 强 计 (NMR) 测 量 弱 磁 场 [J] 电 测 与 仪 表,1982(7): 20 [3] 王 金 山, 高 福 文, 高 维 铮 流 水 式 核 磁 共 振 磁 强 计 的 研 究 [J] 仪 器 仪 表 学 报,1981(2): 66 305
适 应 近 代 物 理 实 验 课 堂 要 求 的 高 压 实 验 装 置 的 改 进 梁 桁 楠, 周 海 宁, 李 岩, 刘 帅, 郭 茂 森 ( 吉 林 大 学 物 理 学 院, 吉 林 长 春 130012) 摘 要 : 我 们 借 鉴 了 现 代 先 进 高 压 科 学 的 实 验 技 术, 并 结 合 现 今 大 学 近 代 物 理 实 验 教 学 中 的 现 状, 改 进 了 原 有 的 高 压 设 备, 使 得 昂 贵 的 DAC 高 压 实 验 可 以 轻 松 的 走 进 大 学 的 近 代 物 理 实 验 课 堂 关 键 词 :DAC; 白 宝 石 ; 红 宝 石 测 压 ; 高 压 实 验 装 臵 大 学 近 代 物 理 实 验 课 堂 中, 引 入 高 压 科 学 的 相 关 实 验 题 目 总 是 存 在 一 系 列 困 难 其 中 教 师 高 压 实 验 技 术 的 训 练 是 可 以 通 过 大 量 练 习 弥 补 的, 而 高 压 实 验 中 耗 材 的 成 本 巨 大 才 成 为 高 压 实 验 难 以 走 进 大 学 近 代 物 理 教 学 课 堂 的 重 要 问 题 由 于 本 科 或 研 究 生 的 实 验 课 教 学 群 体 巨 大, 昂 贵 的 耗 材 不 可 能 适 应 长 期 的 繁 重 的 教 学 计 划 而 本 文 则 解 决 了 该 重 要 问 题, 成 功 找 到 了 一 种 简 单, 易 操 作, 容 错 率 低, 并 且 耗 材 成 本 低 廉 的 实 验 手 段 完 成 高 压 实 验 在 本 科 或 研 究 生 中 的 教 学 任 务 1 传 统 科 研 中 的 静 高 压 实 验 装 置 高 压 按 实 验 条 件 可 分 为 动 高 压 和 静 高 压 动 高 压 利 用 冲 击 波 作 动 力 获 得 瞬 时 高 压, 压 值 可 高 达 几 百 万 甚 至 几 千 万 个 大 气 压, 同 时 伴 随 骤 然 升 温 利 用 外 界 机 械 加 载 方 式, 缓 慢 逐 渐 施 加 负 荷 挤 压 所 研 究 的 物 体 而 使 其 内 部 产 生 很 高 的 压 力, 称 为 静 态 高 压 本 文 中 涉 及 的 高 压 相 关 的 实 验 技 术 都 指 的 是 静 高 压 范 畴 现 代 高 压 科 学 飞 速 发 展, 从 早 期 的 活 塞 - 圆 通 装 置, 布 里 奇 曼 对 顶 砧 等, 到 现 阶 段 世 界 范 围 内 承 认 最 为 适 合 产 生 高 压 并 且 广 泛 应 用 的 实 验 装 置 金 刚 石 对 顶 砧 高 压 科 学 的 发 展 一 直 与 加 压 的 实 验 装 置 密 不 可 分 [1] DAC 即 金 刚 石 对 顶 砧 高 压 实 验 装 置 DAC 最 早 模 型 : 借 助 杠 杆 原 理, 把 两 个 金 刚 石 表 面 对 压, 结 果 金 刚 石 表 面 之 间 的 样 品 很 快 被 压 碎. 这 是 DAC 最 原 始 的 简 单 模 型, 当 时 最 高 压 力 达 到 约 10 GPa 后 来 金 属 垫 圈 的 使 用 改 变 了 这 一 现 状 : 一 个 垫 圈 放 置 于 两 个 金 刚 石 砧 之 间 对 产 生 高 压 非 常 有 利, 同 时 垫 圈 的 使 用 使 DAC 有 一 个 小 腔 来 装 固 体 或 液 体 样 品 金 刚 石 对 顶 砧 的 定 位 十 分 重 要, 因 为 金 刚 石 十 分 易 碎, 工 作 平 台 必 须 平 行 而 且 直 径 吻 合 图 1 压 砧 及 垫 片 结 构 306
约 90% 的 钻 石 碎 裂 不 是 在 很 高 的 压 力 下 发 生 的, 而 是 由 于 操 作 不 当 或 压 力 槽 结 构 不 佳 ( 比 如 没 调 准 线 性 ) 等 造 成 的. 使 用 一 定 强 度 的 金 属 垫 圈 并 且 定 位 完 美 的 DAC, 才 可 以 达 到 较 高 的 压 力 高 压 科 学 发 展 到 现 在,DAC 高 压 实 验 技 术 趋 于 成 熟, 已 经 广 泛 应 用 在 最 前 沿 的 高 压 科 学 实 验 中 [2] 2 DAC 高 压 装 置 压 砧 方 面 的 改 进 我 们 为 了 得 到 百 万 大 气 压 量 级 的 高 压,DAC 装 置 采 用 金 刚 石 作 为 压 砧 [3] 众 所 周 知, 金 刚 石 是 世 界 上 最 硬 的 物 质, 它 有 着 莫 氏 硬 度 为 10 的 出 众 性 质 作 为 压 砧 无 论 是 光 学 性 质 还 是 硬 度 都 无 可 比 拟 但 是 唯 一 的 缺 点 就 是 价 格 昂 贵, 一 对 实 验 中 品 性 良 好 的 金 刚 石 至 少 要 1 万 元 人 民 币 而 且 在 科 研 中 长 期 总 结 发 现 没 有 受 过 长 期 训 练 的 实 验 操 作 者, 在 完 成 对 金 刚 石 压 砧 对 中 调 平 的 过 程 中 没 有 足 够 经 验, 或 者 不 够 细 心 的 情 况 下, 没 有 按 要 求 把 金 刚 石 对 顶 的 砧 面 完 全 调 平, 就 很 容 易 使 金 刚 石 在 加 压 的 过 程 中 碎 裂 但 是 调 试 金 刚 石 完 全 对 中 与 调 平 又 是 一 个 需 要 长 期 训 练 的 工 作 如 果 让 学 生 一 开 始 没 有 经 验 的 情 况 下 就 使 用 金 刚 石 进 行 调 试, 有 很 大 几 率 会 损 伤 金 刚 石 金 刚 石 一 旦 有 一 点 破 损, 就 无 法 继 续 进 行 高 压 实 验, 而 这 对 金 刚 石 也 就 无 法 再 利 用 了 如 果 开 设 了 相 关 实 验 课, 大 量 学 生 循 环 的 实 验 教 学 任 务 难 免 不 发 生 此 类 金 刚 石 破 损 的 事 故, 而 事 故 的 成 本 又 是 巨 大 的 正 是 因 为 这 方 面 原 因, 高 压 科 学 方 面 的 实 验 一 直 难 以 走 进 大 学 近 代 物 理 实 验 的 课 堂 而 本 文 采 用 刚 玉 ( 氧 化 铝 ) 代 替 金 刚 石 作 为 DAC 加 压 装 置 的 压 砧 则 可 以 很 好 的 解 决 这 样 的 问 题 首 先 刚 玉 是 一 种 由 氧 化 铝 (Al 2 O 3 ) 的 结 晶 形 成 的 宝 石 掺 有 金 属 铬 的 刚 玉 颜 色 鲜 红, 一 般 称 之 为 红 宝 石 ; 而 蓝 色 或 没 有 色 的 刚 玉, 普 遍 都 会 被 归 入 蓝 宝 石 的 类 别 刚 玉 的 莫 氏 硬 度 为 9, 非 常 接 近 金 刚 石 而 且 无 色 的 白 宝 石 也 完 全 对 光 学 先 关 测 试 没 有 影 响 可 以 说 是 一 种 非 常 好 的 金 刚 石 压 砧 的 替 代 品 更 主 要 的 是 它 的 价 格 并 不 高, 一 对 白 宝 石 压 砧 的 价 格 最 多 800~1000 元 而 且 可 以 反 复 利 用, 破 损 率 并 不 高 较 之 金 刚 石 的 价 格, 白 宝 石 压 砧 可 以 说 是 即 经 济 又 实 惠 但 白 宝 石 也 存 在 问 题, 它 能 承 受 的 压 强 并 高, 最 高 也 只 有 1~2GPa 左 右 但 是 在 近 代 物 理 实 验 教 学 中, 获 得 这 样 的 压 力 已 经 足 够 了 图 2 白 宝 石 压 砧 实 物 图 3 垫 片 的 选 择 我 们 传 统 金 刚 石 压 砧 的 硬 度 很 高, 与 金 刚 石 配 套 使 用 的 垫 片 是 型 号 为 T301 的 钢 片, 其 具 有 很 好 的 延 展 性 和 适 中 的 硬 度 但 是 我 们 如 果 采 用 白 宝 石 作 为 压 砧 的 时 候 垫 片 就 不 能 继 续 采 用 T301 钢 片 了 因 为 T301 钢 片 的 硬 度 过 高, 白 宝 石 预 压 过 程 中 容 易 损 坏, 难 以 与 其 搭 配 使 用 根 据 这 样 的 情 况, 我 们 找 到 了 一 种 配 合 白 宝 石 压 砧 使 用 的 垫 片, 即 铜 片 铜 片 相 对 钢 片 的 硬 度 更 适 合 搭 配 白 宝 石 但 是 这 里 要 强 调 如 果 用 纯 铜 的 话, 硬 度 相 对 较 软 最 后 采 用 307
黄 铜 或 磷 铜 片 作 为 垫 片 4 结 论 与 总 结 随 着 高 压 科 学 的 发 展, 各 大 高 校 迫 切 的 需 要 开 设 与 高 压 先 关 的 近 代 物 理 基 础 性 实 验, 但 是 面 临 资 金 有 限, 技 术 缺 乏 的 问 题 高 压 实 验 技 术 的 提 高 可 以 通 过 大 量 的 训 练 完 善, 而 实 验 中 金 刚 石 的 损 坏 则 是 成 本 巨 大 外 加 上 金 刚 石 的 价 值 问 题, 实 验 中 的 丢 失 与 管 理 也 会 相 应 存 在 巨 大 挑 战 本 文 中 找 到 了 一 种 金 刚 石 压 砧 的 替 代 品 - 白 宝 石 ( 又 名 刚 玉 ) 压 砧 利 用 这 种 价 格 低 廉 的 压 砧, 配 合 硬 度 及 韧 性 适 中 的 黄 铜 或 磷 铜 片 作 为 垫 片 这 种 组 合 的 DAC 压 机 降 低 了 成 本, 但 是 实 验 效 果 相 近, 可 以 让 学 生 简 单 方 便 的 练 习 高 压 实 验 技 术, 容 错 性 低, 便 于 广 泛 推 广 这 种 高 压 实 验 装 置 可 以 广 泛 推 广 到 各 大 高 校 的 近 代 物 理 实 验 课 堂 中 根 据 学 生 的 实 际 课 堂 反 馈 效 果 非 常 好, 让 学 生 我 对 高 压 技 术 有 了 初 步 的 了 解, 并 为 以 后 继 续 学 习 高 压 科 学 打 下 了 基 础 参 考 文 献 : [1] Zha, Chang-Sheng, Ho-kwang Mao, Hemley, Russell J. Elasticity of MgO and a primary pressure scale to 55 GPa [J]. Physical Sciences,2001. [2] 梁 桁 楠 LiMVO 4 (M=Cu,Ni,Mn) 型 锂 离 子 电 池 材 料 的 高 压 结 构 研 究 : 吉 林 大 学 博 士 学 位 论 文,2012 [3] Ho-kwang Mao, Jinfu Shu, Jingzhu Hu, Russell J. High-pressure X-ray diffraction study of diaspora [J]. SolidState Communications, 1994, 90(8): 497-500. Improvement of high-pressure experimental apparatus adapted to modern physics experiments Abstract: We learn from the modern advanced science and high-pressure experimental techniques, combined with today's college physics experiment teaching situation, improving the existing high-voltage equipment, making expensive DAC high-pressure experiments can easily go into the classroom at the University of Modern Physics Experiment. Key words: DAC; white gem; ruby; high-pressure experimental apparatus 308
水 热 法 制 备 ZnO 纳 米 棒 甄 春 阳 a, 杨 坤 b, 付 康 宁 a c, 董 敬 敬 ( 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 )a. 能 源 学 院 ; b. 工 程 技 术 学 院 ;c. 数 理 学 院, 北 京 100083) 摘 要 : 以 Zn(NO3)2 6H2O/HMT 为 反 应 物, 通 过 低 温 水 热 反 应 过 程, 在 籽 晶 衬 底 上 制 备 了 ZnO 纳 米 棒, 分 别 用 场 发 射 扫 描 电 子 显 微 镜 和 X 射 线 衍 射 仪 对 ZnO 纳 米 棒 形 貌 与 晶 体 结 构 进 行 了 表 征, 并 研 究 了 不 同 方 法 制 备 的 ZnO 籽 晶 层 以 及 籽 晶 层 厚 度 对 ZnO 纳 米 棒 形 貌 及 结 晶 质 量 的 影 响 结 果 表 明 磁 控 溅 射 籽 晶 衬 底 上 生 长 的 ZnO 纳 米 棒 结 晶 质 量 最 好, 而 籽 晶 层 的 厚 度 对 ZnO 纳 米 棒 的 垂 直 取 向 性 有 一 定 的 影 响 1 引 言 关 键 词 : 氧 化 锌 ; 水 热 法 ; 纳 米 棒 ; 籽 晶 层 一 维 ZnO 纳 米 材 料 因 高 的 结 晶 质 量 良 好 的 波 导 特 性 以 及 易 于 制 备 等 特 点, 在 制 作 纳 米 电 子 器 件 和 纳 米 光 电 子 器 件 等 领 域 表 现 出 巨 大 的 应 用 潜 力, 这 些 都 极 大 地 推 动 了 在 固 体 基 底 上 制 备 取 向 生 长 ZnO 纳 米 棒 的 研 究 [1] 目 前, 制 备 ZnO 纳 米 棒 常 用 的 方 法 有 气 相 沉 积 法 分 子 束 外 延 等, 但 这 些 方 法 需 要 复 杂 昂 贵 的 仪 器 设 备 和 较 高 的 生 长 温 度, 导 致 了 大 规 模 工 业 化 生 产 难 以 进 行 2001 年, Vayssieres [2] 采 用 简 单 的 湿 化 学 方 法, 以 Zn(NO 3 ) 2 6H 2 O HMT 为 反 应 物 在 玻 璃 衬 底 上 制 备 出 了 ZnO 微 米 管, 虽 然 这 种 方 法 简 便 易 行, 成 本 低 廉, 但 制 备 出 的 ZnO 纳 米 管 的 直 径 较 大, [3] 约 为 1~2 μm, 且 取 向 性 较 差 ;2003 年,Vayssieres 等 人 进 一 步 尝 试 了 通 过 改 变 反 应 条 件 并 引 入 籽 晶 衬 底, 成 功 的 制 备 了 不 同 直 径 的 取 向 性 较 好 的 ZnO 纳 米 棒 ;2005 年,Greene 等 人 研 究 了 以 Zn(NO 3 ) 2 6H 2 O/HMT 为 反 应 物 通 过 水 热 反 应 生 长 ZnO 纳 米 棒 的 机 理, 认 为 HMT 可 以 起 到 PH 缓 冲 剂 的 作 用, 它 可 以 缓 慢 的 提 供 OH -, 有 利 于 ZnO 纳 米 棒 的 形 成 [4] ; 之 后 几 年, 以 Zn(CH 3 COO) 2 /NaOH ZnCl 2 /HMT 以 及 Zn(NO 3 ) 2 / 氨 水 为 反 应 物, 通 过 水 热 反 应 过 程, 在 籽 晶 衬 底 上 生 长 ZnO 纳 米 棒 被 相 继 报 道 [5-7] 本 文, 我 们 以 Zn(NO 3 ) 2 6H 2 O/HMT 为 反 应 物, 通 过 低 温 水 热 反 应 过 程, 在 籽 晶 衬 底 上 制 备 了 ZnO 纳 米 棒, 并 研 究 了 不 同 的 籽 晶 层 制 备 方 法 及 籽 晶 层 厚 度 对 ZnO 纳 米 棒 形 貌 及 结 晶 质 量 的 影 响 2 实 验 2.1 ZnO 籽 晶 层 的 制 备 在 晶 格 失 配 较 大 的 衬 底 上 生 长 ZnO 纳 米 棒 时, 籽 晶 层 起 着 至 关 重 要 的 作 用 : 导 向 作 用, 有 利 于 ZnO 纳 米 棒 空 间 定 向 生 长 和 使 纳 米 棒 垂 直 于 衬 底 ; 缓 冲 层 作 用, 减 小 ZnO 纳 米 棒 与 衬 底 之 间 的 晶 格 失 配 ; 限 制 纳 米 棒 直 径, 可 以 实 现 对 纳 米 棒 密 度 和 直 径 的 调 节 [3, 8] 因 此, 我 们 首 先 用 磁 控 溅 射 溶 液 法 以 及 胶 束 法 在 Si(001) 衬 底 上 制 备 ZnO 籽 晶 层 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 : 表 面 等 离 激 元 增 强 纳 米 硅 薄 膜 太 阳 能 电 池 的 研 究 ( 批 准 号 :61106065); 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 项 目 : 石 墨 烯 电 极 ZnO 纳 米 棒 基 发 光 二 极 管 制 备 及 光 致 发 光 研 究 ( 批 准 号 :2652013067); 实 验 室 开 放 基 金 项 目 : 水 热 法 制 备 ZnO 纳 米 材 料 及 其 光 学 特 性 研 究 ( 批 准 号 :2013BXY048) 作 者 简 介 : 甄 春 阳 (1993 ), 男, 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 本 科 三 年 级 学 生 指 导 教 师 : 董 敬 敬 (1985 ), 女, 山 东 聊 城 人, 博 士, 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 数 理 学 院, 讲 师, 研 究 方 向 为 纳 米 材 料 与 器 件 309
2.1.1 磁 控 溅 射 法 溅 射 靶 采 用 纯 度 为 99.99% 的 ZnO 陶 瓷 靶, 生 长 室 内 的 本 底 真 空 可 达 到 1.0 10-5 Pa 衬 底 采 用 Si(001) 衬 底 衬 底 与 靶 之 间 的 距 离 约 为 8.0 cm 样 品 的 制 备 过 程 及 条 件 如 下 : 将 清 洗 干 净 的 衬 底 放 在 衬 底 托 上 放 入 生 长 室, 将 本 底 真 空 抽 至 1.0 10-5 Pa, 接 着 加 热 衬 底 至 所 需 的 生 长 温 度 (600 o C), 待 温 度 稳 定 以 后, 通 入 工 作 气 体 Ar, 调 整 气 体 的 流 量 和 闸 板 阀 使 生 长 室 内 的 气 压 保 持 在 1.0 Pa 射 频 源 预 热 10 min 后, 开 启 溅 射 靶 的 挡 板 和 射 频 源, 预 溅 射 10~20 min, 溅 射 掉 靶 表 面 的 污 染 层, 而 后 开 始 薄 膜 的 生 长 其 中, 射 频 功 率 为 80 W, 通 过 控 制 生 长 时 间 控 制 薄 膜 的 厚 度, 生 长 过 程 中, 为 了 获 得 比 较 均 匀 的 薄 膜, 在 样 品 的 生 长 过 程 中 保 持 样 品 自 转 通 过 改 变 溅 射 时 间 可 以 调 控 籽 晶 层 的 厚 度 2.1.2 溶 液 法 具 体 制 备 过 程 如 下 [9] : a. 溶 液 的 配 制 : 用 电 子 天 平 称 取 0.220 g 醋 酸 锌 (Zn(Ac) 2 2H 2 O), 加 入 20 ml 无 水 乙 醇, 超 声 10 min 使 醋 酸 锌 彻 底 溶 解, 得 到 0.05M 的 Zn(CH 3 COO) 2 2H 2 O/ 乙 醇 前 驱 体 溶 液 ; 然 后, 再 加 入 0.06 g 乙 醇 胺 (MEA), 并 磁 力 搅 拌 30min b. 提 拉 成 膜 : 用 自 制 的 拉 膜 机 将 清 洗 干 净 的 衬 底 垂 直 慢 慢 浸 入 镀 膜 溶 液 中, 充 分 浸 渍 10 分 钟 后 以 1 mm/s 的 速 度 匀 速 拉 出, 在 空 气 中 充 分 晾 干 之 后, 再 进 行 下 一 次 拉 膜 c. 热 分 解 : 拉 膜 结 束 后, 将 样 品 放 入 干 净 干 燥 的 瓷 舟 中, 然 后 放 入 烘 箱 中 在 250 o C 下 烧 结 10 min 烧 结 结 束 后, 便 得 到 了 覆 盖 有 ZnO 籽 晶 层 的 衬 底 2.1.3 反 胶 束 方 法 采 用 聚 合 物 PS(1760)-b-P2VP(700) 为 母 体, 以 ZnCl 2 为 金 属 盐, 负 载 L 为 0.5 (L=n(Zn)/n(PVP)) 具 体 过 程 如 下 : a. 首 先, 量 取 适 量 的 PS-PVP 和 甲 苯, 配 制 浓 度 为 0.5 wt% 的 PS-PVP 甲 苯 溶 液, 室 温 搅 拌 3 h,70 o C 搅 拌 2 h, 使 溶 液 中 形 成 以 PVP 为 核 PS 为 壳 的 球 状 胶 束 ; b. 然 后, 将 ZnCl 2 加 入 上 述 溶 液 (ZnCl 2 :PS-PVP=0.5), 再 搅 拌 至 少 24 h,zncl 2 完 全 进 入 球 状 胶 束 的 内 部 ; c. 之 后, 将 上 述 溶 胶 旋 涂 在 清 洗 好 的 Si (100) 衬 底 上 (2000 rpm), 氧 等 离 子 体 处 理 10 min (2.0 10-2 Torr), 每 个 球 状 胶 束 中 的 前 驱 体 盐 被 氧 化 为 一 个 ZnO 纳 米 颗 粒 ; 最 后,700 o C 氧 气 中 退 火 2 h, 提 高 其 结 晶 性 能 2.2 水 热 反 应 生 长 ZnO 纳 米 棒 本 实 验 利 用 水 热 法 在 低 温 条 件 下 制 备 出 ZnO 纳 米 棒, 选 用 六 水 硝 酸 锌 (Zn(NO 3 ) 2 6H 2 0, 99.5% purity, Aldrich) 和 六 亚 甲 基 四 胺 (HMTA, 99.5% purity, Aldrich) 作 为 反 应 物, 单 晶 Si(001) 作 为 衬 底, 聚 四 氟 乙 烯 衬 里 的 高 压 反 应 釜 作 为 反 应 容 器 具 体 制 备 过 程 及 条 件 如 下 : a. 衬 底 清 洗 : Si (001) 衬 底 被 切 分 为 约 1.0 1.0 cm 2 的 方 块, 用 丙 酮 乙 醇 和 去 离 子 水 依 次 超 声 清 洗 20 min, 氮 气 吹 干 ; 然 后 置 于 5% 的 氢 氟 酸 (HF) 溶 液 中 清 洗 30 s, 用 以 除 去 Si 衬 底 表 面 的 固 有 氧 化 层, 然 后 用 去 离 子 水 反 复 冲 洗 干 净, 氮 气 吹 干 b. 生 长 籽 晶 层 : 为 了 减 小 ZnO 与 Si 衬 底 的 晶 格 失 配 度, 我 们 首 先 在 清 洗 过 的 Si 衬 底 上 利 用 磁 控 溅 射 法 生 长 了 一 层 [0002] 取 向 的 ZnO 薄 膜, 作 为 生 长 的 籽 晶 层 具 体 的 制 备 方 法 及 步 骤 如 上 所 述 c. 配 制 反 应 液 : 首 先, 用 分 析 天 平 分 别 称 取 适 量 的 (Zn(NO 3 ) 2 6H 2 0 和 HMT( 二 者 的 摩 尔 浓 度 相 同, 本 文 中 统 称 水 热 反 应 浓 度 ) 并 放 于 烧 杯 中 ; 然 后, 往 烧 杯 中 加 入 适 量 去 离 子 水, 超 声 使 其 完 全 溶 解 ; 最 后, 将 烧 杯 中 的 溶 液 转 移 到 一 定 容 积 的 容 量 瓶 内, 并 加 入 去 离 子 水 至 容 量 瓶 刻 度 线, 摇 晃 使 其 混 合 均 匀, 待 用 d. 水 热 反 应 : 首 先, 将 籽 晶 衬 底 固 定 在 样 品 架 上 ( 带 有 籽 晶 层 的 一 面 朝 下, 以 避 免 溶 液 中 固 体 产 物 沉 积 ); 随 后, 将 反 应 液 注 入 到 聚 四 氟 乙 烯 的 反 应 釜 中, 注 入 釜 中 液 体 体 积 为 310
釜 体 体 积 的 4/5(~40 ml); 接 着, 将 反 应 釜 放 入 烘 箱, 恒 温 下 保 持 一 定 时 间 ; 最 后, 从 反 应 釜 中 拿 出 样 品, 用 去 离 子 水 清 洗, 红 外 灯 下 烘 干, 此 时 衬 底 表 面 覆 盖 了 一 层 ZnO 纳 米 棒 所 用 样 品 架 及 反 应 釜 如 图 1 所 示 图 1 样 品 架 与 水 热 反 应 釜 3 结 果 与 讨 论 在 Si(100) 衬 底 上 生 长 ZnO 纳 米 棒 时, 籽 晶 层 起 着 至 关 重 要 的 作 用 籽 晶 层 的 粗 糙 度 均 匀 性 以 及 结 晶 质 量 决 定 着 纳 米 棒 的 形 貌 取 向 性 和 光 学 性 质 然 而, 籽 晶 层 的 性 质 与 制 备 方 法 实 验 条 件 密 切 相 关 [10-12] 因 此, 在 ZnO 纳 米 棒 制 备 过 程 中, 首 先 需 要 选 择 合 适 的 籽 晶 层 制 备 方 法 与 实 验 条 件 本 文 分 两 个 方 面 研 究 了 籽 晶 层 对 ZnO 纳 米 棒 的 影 响 : 籽 晶 层 的 制 备 方 法 与 籽 晶 层 的 厚 度 3.1 不 同 方 法 制 备 的 籽 晶 层 对 ZnO 纳 米 棒 的 影 响 图 2 中 各 ZnO 纳 米 棒 的 水 热 法 生 长 条 件 相 同, 均 为 0.05 M Zn(NO 3 ) 2 2H 2 O 和 HMT 混 合 溶 液 作 为 反 应 溶 液, 在 95 o C 下 反 应 5 h 区 别 在 于 衬 底 的 处 理 方 式 不 同 :(a) 直 接 以 Si (100) 为 衬 底 生 长 ZnO 纳 米 棒 ;(b) 先 在 Si (100) 衬 底 上 磁 控 溅 射 5 min 生 长 ZnO 籽 晶 层 ( 粒 径 约 30 nm), 再 水 热 反 应 生 长 ZnO 纳 米 棒 ;(c) 先 在 Si(100) 通 过 溶 液 法 制 备 ZnO 籽 晶 层 ( 粒 径 约 40 nm), 之 后 进 行 水 热 反 应 ;(d) 先 在 Si(100) 利 用 反 胶 束 法 制 备 有 序 ZnO 颗 粒 作 为 籽 晶 层 ( 粒 径 约 30 nm), 接 着 水 热 反 应 生 长 ZnO 纳 米 棒 从 图 中 可 以 看 出, 四 个 衬 底 上 均 有 ZnO 晶 体 生 成, 其 中 没 有 籽 晶 层 的 Si 衬 底 上 杂 乱 分 布 着 ZnO 纳 米 花 及 纳 米 棒, 如 图 2 (a) 所 示, 这 是 由 Si (100) 与 ZnO 之 间 较 大 的 晶 格 失 配 造 成 的 从 图 2 (b) 和 (c) 可 以 看 出, 磁 控 溅 射 以 及 溶 液 法 籽 晶 衬 底 上 ZnO 纳 米 棒 的 取 向 性 及 纳 米 棒 密 度 明 显 要 好 于 单 纯 的 Si 衬 底, 并 且 磁 控 溅 射 籽 晶 衬 底 上 ZnO 的 取 向 性 以 及 表 面 平 整 度 最 好, 一 方 面 说 明 了 籽 晶 层 的 确 起 到 了 促 进 成 核 以 及 引 导 生 长, 另 一 方 面 也 说 明 纳 米 棒 的 形 貌 取 向 性 与 籽 晶 层 的 粗 糙 度 以 及 均 匀 性 有 很 大 关 系 : 据 报 道 溶 液 法 籽 晶 衬 底 具 有 大 的 粗 糙 度 以 及 差 的 均 匀 性, 从 而 导 致 了 纳 米 棒 较 差 的 取 向 性 及 平 整 度 反 胶 束 法 籽 晶 衬 底 上 仅 有 少 量 的 ZnO 纳 米 颗 粒 生 成, 造 成 纳 米 棒 无 法 成 核 生 长 主 要 有 两 方 面 原 因 : 一 方 面 反 胶 束 法 制 备 的 ZnO 籽 晶 颗 粒 结 晶 质 量 往 往 较 差 ; 另 一 方 面 反 胶 束 法 制 备 的 ZnO 籽 晶 颗 粒 覆 盖 度 往 往 较 低, 不 能 提 供 足 够 的 成 核 点, 不 利 于 ZnO 纳 米 棒 生 长 311
图 2 不 同 衬 底 上 水 热 反 应 生 长 的 ZnO 纳 米 棒 :(a) Si (100);(b) 磁 控 溅 射 籽 晶 衬 底 ; (c) 溶 液 法 籽 晶 衬 底 ;(d) 反 胶 束 法 籽 晶 衬 底 为 了 进 一 步 分 析 不 同 的 籽 晶 层 制 备 方 法 对 ZnO 纳 米 棒 结 晶 质 量 的 影 响, 我 们 对 Si 衬 底 磁 控 溅 射 籽 晶 衬 底 以 及 溶 液 法 籽 晶 衬 底 上 制 备 的 ZnO 纳 米 棒 ( 反 胶 束 籽 晶 衬 底 上 ZnO 纳 米 棒 密 度 较 低, 无 法 测 出 信 号 ) 进 行 了 XRD 测 试, 结 果 如 图 3 所 示 从 图 中 可 以 看 出 : 无 籽 晶 层 的 Si 衬 底 上 生 长 的 ZnO 纳 米 棒 取 向 是 杂 乱 的, 这 与 SEM 测 试 结 果 是 一 致 的 ; 磁 控 溅 射 籽 晶 衬 底 以 及 溶 液 法 籽 晶 衬 底 上 制 备 的 ZnO 纳 米 棒 表 现 出 很 好 的 [0002] 取 向 性, 这 说 明 籽 晶 层 对 后 续 ZnO 纳 米 棒 的 生 长 起 到 了 引 导 作 用, 改 善 了 ZnO 纳 米 棒 的 取 向 性 ; 此 外, 溶 液 _ 法 籽 晶 衬 底 上 有 微 弱 的 Zn (1011) 衍 射 峰 出 现, 而 磁 控 溅 射 籽 晶 衬 底 上 没 有 任 何 杂 峰, 说 明 磁 控 溅 射 籽 晶 层 衬 底 上 生 长 的 ZnO 纳 米 棒 取 向 性 优 于 溶 液 法 籽 晶 衬 底, 这 是 由 磁 控 溅 射 籽 晶 层 较 高 的 结 晶 质 量 均 匀 性 以 及 平 整 度 导 致 的 通 过 上 面 的 分 析, 我 们 可 以 得 出 : 磁 控 溅 射 籽 晶 衬 底 上 得 到 的 ZnO 纳 米 棒 取 向 性 平 整 度 最 好 图 3 不 同 衬 底 上 生 长 的 ZnO 纳 米 棒 的 XRD 谱, * 为 Si 衬 底 的 衍 射 峰, o 分 别 为 非 单 色 性 X 射 线 源 中 Kβ Ni W 引 起 的 衍 射 峰 312
3.2 籽 晶 层 的 厚 度 对 ZnO 纳 米 棒 的 影 响 利 用 磁 控 溅 射 法 制 备 ZnO 籽 晶 层, 籽 晶 层 厚 度 直 接 影 响 着 籽 晶 层 的 形 貌 及 结 晶 质 量, 进 而 影 响 后 续 纳 米 棒 的 生 长, 因 此 我 们 在 不 同 厚 度 的 籽 晶 衬 底 上 生 长 了 ZnO 纳 米 棒 图 4 给 出 了 籽 晶 层 厚 度 为 40 nm, 80 nm, 300 nm 以 及 1 μm 的 籽 晶 衬 底 上 得 到 的 ZnO 纳 米 棒 的 SEM 图, 水 热 生 长 的 参 数 为 0.025 M 85 o C 5 h 可 以 看 出 随 着 籽 晶 层 厚 度 的 增 大 ZnO 纳 米 棒 的 直 径 由 ~50 nm 增 大 到 ~150 nm 对 于 磁 控 溅 射 法 制 备 的 籽 晶 层, 随 着 溅 射 时 间 的 增 长 ( 厚 度 的 增 加 ), 籽 晶 颗 粒 也 会 慢 慢 长 大, 长 大 到 一 定 程 度 籽 晶 颗 粒 逐 渐 连 接 成 膜 在 水 热 生 长 过 程 中, 籽 晶 颗 粒 起 到 了 限 制 纳 米 棒 生 长 的 作 用, 通 过 改 变 籽 晶 颗 粒 的 密 度 以 及 大 小 可 以 实 现 对 纳 米 棒 密 度 及 直 径 的 调 节, 而 对 于 已 经 成 膜 的 籽 晶 层 则 不 再 能 起 到 限 制 作 用 ( 图 4 (d)) 此 外, 还 可 以 观 察 到 : 当 籽 晶 层 厚 度 为 40 nm 时,ZnO 纳 米 棒 的 垂 直 性 并 不 好, 有 明 显 的 倾 斜 ; 随 着 厚 度 的 增 大, 垂 直 性 逐 渐 提 高, 当 籽 晶 颗 粒 连 接 成 膜 后, 垂 直 性 最 好 图 4 不 同 厚 度 (a)40 nm;(b)80 nm;(c)300 nm;(d)1 μm 的 籽 晶 层 衬 底 上 生 长 的 ZnO 纳 米 棒 4 结 论 本 文 以 Zn(NO 3 ) 2 6H 2 O/HMT 为 反 应 物, 通 过 低 温 水 热 反 应 过 程, 在 籽 晶 衬 底 上 制 备 了 ZnO 纳 米 棒, 并 研 究 了 不 同 方 法 制 备 的 ZnO 籽 晶 层 以 及 籽 晶 层 厚 度 对 ZnO 纳 米 棒 形 貌 及 结 晶 质 量 的 影 响 结 果 表 明 磁 控 溅 射 籽 晶 衬 底 上 得 到 的 ZnO 纳 米 棒 取 向 性 平 整 度 最 好, 并 且, 在 一 定 范 围 内 随 着 籽 晶 层 厚 度 的 增 大,ZnO 纳 米 棒 的 垂 直 性 逐 渐 提 高 参 考 文 献 : [1] Y. C. Kong, D. P. Yu, B. Zhang, et al. Ultraviolet-emitting ZnO nanowires synthesized by a physical vapor deposition approach [J]. Appl. Phys. Lett., 2001, 78: 407-409. [2] L. Vayssieres, N. Beermann, SE Lindguist, et al. Controlled Aqueous Chemical Growth of Oriented Three-Dimensional Crystalline Nanorod Arrays: Application to Iron (III) Oxides [J]. Chem. Mater., 2001, 13: 233-237. [3] L. Vayssieres. Growth of Arrayed Nanorods and Nanowires of ZnO from Aqueous Solutions [J]. Adv. Mater., 2003, 15 (5): 464-466. [4] M. Law, L. E. Greene, J. C. Johnson, et al. Nanowire dye-sensitized solar cells [J]. Nature Mater., 2005, 4: 455-459. [5] H. L. Cao, X. F. Qian, Q. Gong, et al. 3632 Shape- and size-controlled synthesis of nanometre 313
ZnO from a simple solution route at room temperature [J]. Nanotechnology, 2006, 17: 3632-3637. [6] G. M. Hua, Y. Zhang, C. H. Ye, et al. Controllable growth of ZnO nanoarrays in aqueous solution and their optical properties [J]. Nanotechnology, 2007, 18: 145605-145609. [7] J. Liu, X. Huang, Y. Li, et al. J. Vertically Aligned 1D ZnO Nanostructures on Bulk Alloy Substrates: Direct Solution Synthesis, Photoluminescence, and Field Emission [J]. Phys. Chem. C, 2007, 111: 4990-4994. [8] Y. J. Lee, T. L. Sounart, D. A. Scrymgeour, et al. Control of ZnO nanorod array alignment synthesized via seeded solution growth [J]. J. Cryst. Growth, 2007, 304: 80-83. [9] W. B. Wu, G. D. Hu, S. G. Cui, et al. Epitaxy of Vertical ZnO Nanorod Arrays on Highly (001)-Oriented ZnO Seed Monolayer by a Hydrothermal Route [J]. Cryst. Growth. Des., 2008, 8: 4014-4018. [10] H. Wang, Z. P. Zhang, X. N. Wang, et al. Selective Growth of Vertical-aligned ZnO Nanorod Arrays on Si Substrate by Catalyst-free Thermal Evaporation [J]. Nanoscale Res. Lett., 2008, 3: 309-313. [11] X. B. Cao, X. M. Lan, C. Zhao, et al. General wet route for the growth of regular anisotropic nanostructures on silicon substrate [J]. J. Cryst. Growth, 2007, 306: 225-229. [12] L. E. Greene, M. Law, D. H. Tan, et al. General Route to Vertical ZnO Nanowire Arrays Using Textured ZnO Seeds [J]. Nano Lett., 2005, 5: 1231-1234. Preparation of ZnO Nanorods by a Hydrothermal Route ZHEN Chun-Yang a, YANG Kun b, FU Kang-Ning a, DONG Jing-Jing c (a. School of Energy Resources; b. School of Engineering and Technology, c. School of Science, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China) Abstract: ZnO nanorods was synthesized on the seeded Si substrate via a hydrothermal process, and the influence of the preparation methods and thickness of ZnO seed layer on the morphology and crystalline quality of as-grown ZnO nanorods have been systematically investigated. It was found that the seed layer prepared by magnetron sputtering leeds to high crystalline quality of resulting ZnO nanorods, and the c-axis oriented ZnO nanorods were obtained under the optimal seed layer thickness. Key words: ZnO; hydrothermal; nanorod; seed layer 314
氢 等 离 子 体 处 理 对 ZnO 光 电 性 质 的 影 响 董 敬 敬 a, 杨 坤 b b, 付 康 宁 ( 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 )a. 数 理 学 院 ; b. 地 球 物 理 与 信 息 技 术 学 院, 北 京 100083) 摘 要 : 纤 锌 矿 ZnO 由 于 其 独 特 的 性 质 而 在 光 电 器 件 领 域 具 有 极 大 的 应 用 潜 力, 与 未 掺 杂 ZnO 相 比, 氢 处 理 后 ZnO 呈 现 出 优 良 的 光 电 性 能 本 文 借 助 于 霍 尔 拉 曼 散 射 光 致 发 光 及 电 致 发 光 测 试 技 术, 系 统 研 究 了 氢 等 离 子 体 处 理 以 及 随 后 的 高 温 退 火 过 程 对 ZnO 薄 膜 及 纳 米 材 料 光 学 及 电 学 性 质 的 影 响 1 引 言 关 键 词 :ZnO; 氢 等 离 子 体 ; 光 电 性 质 近 年 来, 有 研 究 表 明 ZnO 的 n 型 电 导 来 源 于 非 故 意 掺 杂 的 氢 [1], 与 其 他 半 导 体 材 料 不 同, 氢 在 ZnO 中 总 是 表 现 为 浅 施 主, 导 致 ZnO 有 较 高 的 电 子 浓 度 据 报 道, 通 过 各 种 手 段 在 ZnO 薄 膜 中 引 入 氢, 可 以 增 加 ZnO 薄 膜 中 的 自 由 载 流 子 浓 度, 从 而 提 高 薄 膜 的 电 导 率 [2-4] 此 外, 还 有 文 献 报 道 氢 可 以 有 效 抑 制 ZnO 中 黄 光 和 绿 光 的 发 射, 提 高 紫 外 光 的 发 射 效 率 [5, 6] 因 此, 下 面 我 们 研 究 了 氢 等 离 子 体 处 理 对 ZnO 薄 膜 及 ZnO 纳 米 棒 光 电 性 能 的 影 响 2 实 验 我 们 研 究 了 氢 等 离 子 体 处 理 及 后 续 退 火 对 ZnO 光 电 性 质 的 影 响 为 了 便 于 材 料 光 电 性 能 的 测 试, 我 们 这 里 选 择 了 磁 控 溅 射 生 长 的 ZnO 薄 膜 ( 厚 度 为 ~1 μm) 具 体 的 氢 等 离 子 体 处 理 工 艺 如 下 : 将 磁 控 溅 射 生 长 的 ZnO 薄 膜 放 入 电 容 式 等 离 子 体 处 理 系 统 中, 将 等 离 子 体 刻 蚀 室 内 的 真 空 抽 到 1.0 10-4 Pa 以 下, 然 后 通 入 氢 气, 将 刻 蚀 室 内 的 气 压 保 持 在 160 Pa, 射 频 功 率 设 为 60 W 3 结 果 与 讨 论 [7, 8] 3.1 氢 等 离 子 体 处 理 对 ZnO 薄 膜 电 学 性 质 的 影 响 图 1 给 出 了 氢 等 离 子 体 处 理 前 处 理 后 以 及 不 同 的 后 续 退 火 温 度 下,ZnO 薄 膜 的 载 流 子 浓 度 及 迁 移 率 从 图 中 可 以 看 出 : 磁 控 溅 射 制 备 的 ZnO 薄 膜 电 阻 相 对 较 高, 载 流 子 浓 度 和 迁 移 率 分 别 为 1 10 17 /cm 3 和 7 cm 2 /V s; 氢 等 离 子 体 处 理 2 h 后, 载 流 子 浓 度 增 大 到 1 10 18 /cm 3, 迁 移 率 也 增 加 到 39 cm 2 /V s 氢 等 离 子 体 处 理 后 薄 膜 的 载 流 子 浓 度 急 剧 增 加, 表 明 氢 在 ZnO 薄 膜 中 起 着 浅 施 主 的 作 用 一 般 而 言, 随 着 载 流 子 浓 度 的 增 加, 将 导 致 载 流 子 之 间 强 烈 的 散 射 作 用, 这 会 使 得 载 流 子 的 迁 移 率 下 降 然 而, 在 我 们 的 实 验 结 果 中, 我 们 看 到 随 着 载 流 子 浓 度 的 增 加, 载 流 子 的 迁 移 率 也 随 之 增 加 相 似 的 结 果 在 过 去 的 文 献 中 也 有 报 道 [9] 当 ZnO 薄 膜 在 氢 气 气 氛 中 退 火 时, 载 流 子 浓 度 增 加, 载 流 子 的 迁 移 率 也 有 所 增 加 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 : 表 面 等 离 激 元 增 强 纳 米 硅 薄 膜 太 阳 能 电 池 的 研 究 ( 批 准 号 :61106065); 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 项 目 : 石 墨 烯 电 极 ZnO 纳 米 棒 基 发 光 二 极 管 制 备 及 光 致 发 光 研 究 ( 批 准 号 :2652013067); 大 学 生 创 新 项 目 :ZnO 纳 米 材 料 的 制 备 及 电 致 发 光 研 究 作 者 简 介 : 董 敬 敬 (1985 ), 女, 山 东 聊 城 人, 博 士, 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 数 理 学 院, 讲 师, 研 究 方 向 为 纳 米 材 料 与 器 件 315
如 果 氢 等 离 子 处 理 后, 氢 在 ZnO 薄 膜 中 只 是 作 为 浅 施 主 而 存 在, 则 载 流 子 迁 移 率 不 可 能 增 加 载 流 子 迁 移 率 的 增 加 表 明, 氢 还 可 以 起 到 钝 化 晶 界 缺 陷 的 作 用 因 此, 氢 在 ZnO 薄 膜 中 不 仅 充 当 浅 施 主, 而 且 还 可 以 钝 化 大 部 分 的 缺 陷 为 进 一 步 研 究 ZnO 薄 膜 中 氢 的 热 稳 定 性, 我 们 对 氢 等 离 子 体 处 理 后 的 样 品 分 别 在 300, 400, 500 C 下 进 行 了 真 空 退 火, 退 火 时 间 为 2 h 从 图 1 可 以 看 出, 随 着 退 火 温 度 的 增 加, 氢 等 离 子 体 处 理 ZnO 薄 膜 的 载 流 子 浓 度 略 有 下 降, 由 1 10 18 cm -3 减 小 到 6.5 10 17 cm -3, 仍 然 远 高 于 氢 等 离 子 体 处 理 前 的 样 品, 表 明 退 火 过 程 中 部 分 与 氢 相 关 的 浅 施 主 热 稳 定 性 较 差, 逐 渐 扩 散 出 ZnO 薄 膜, 但 是 大 部 分 与 氢 相 关 的 浅 施 主 是 稳 定 的 此 外, 由 图 1 我 们 还 可 以 看 出, 低 于 300 C 退 火 时 ZnO 薄 膜 的 载 流 子 迁 移 率 几 乎 保 持 不 变 ; 当 退 火 温 度 高 于 300 C 时, 载 流 子 迁 移 率 急 剧 减 小 ;500 C 下 退 火 2 h 后,ZnO 薄 膜 的 载 流 子 迁 移 率 已 减 小 至 氢 等 离 子 体 处 理 前 的 值, 说 明 钝 化 晶 界 的 氢 热 稳 定 性 较 差,500 C 时 已 经 完 全 扩 散 出 ZnO 薄 膜 图 1 载 流 子 浓 度 及 迁 移 率 和 退 火 温 度 的 关 系 图 3.2 氢 等 离 子 体 处 理 对 ZnO 薄 膜 光 致 发 光 性 质 的 影 响 我 们 还 研 究 了 氢 等 离 子 体 处 理 及 后 续 退 火 对 ZnO 薄 膜 光 致 发 光 性 质 的 影 响 图 2 给 出 了 氢 等 离 子 体 处 理 前 处 理 后 以 及 不 同 的 后 续 退 火 温 度 下,ZnO 薄 膜 的 室 温 光 致 发 光 谱 从 图 中 可 以 看 出, 氢 等 离 子 体 处 理 后 ZnO 薄 膜 的 近 带 边 紫 外 发 光 有 了 20 倍 的 提 高 据 文 献 报 道 非 故 意 氢 掺 杂 也 可 以 增 强 ZnO 的 紫 外 光 发 射 [10], 此 外, 氢 等 离 子 体 处 理 还 可 以 有 效 的 [5, 抑 制 ZnO 中 缺 陷 相 关 的 可 见 光 发 射 11] 随 着 退 火 温 度 的 增 加, 氢 处 理 ZnO 薄 膜 的 近 带 边 紫 外 发 光 迅 速 减 弱 光 致 发 光 测 试 结 果 再 次 证 明 氢 等 离 子 体 处 理 可 以 钝 化 晶 界 处 缺 陷 相 关 的 非 辐 射 复 合 中 心, 但 是 由 于 这 部 分 氢 并 不 稳 定, 在 500 C 退 火 下 扩 散 出 ZnO 薄 膜, 从 而 导 致 500 C 退 火 后 样 品 的 近 带 边 紫 外 发 光 迅 速 减 弱 图 2 氢 等 离 子 体 处 理 ZnO 薄 膜 在 不 同 退 火 温 度 下 的 室 温 光 致 发 光 谱 316
3.3 氢 等 离 子 体 处 理 对 ZnO 纳 米 棒 电 致 发 光 性 能 的 影 响 为 了 研 究 氢 处 理 对 ZnO 纳 米 棒 电 致 发 光 性 能 的 影 响, 我 们 对 在 GaN 衬 底 上 生 长 的 ZnO 纳 米 棒 阵 列 在 160 Pa, 60 W 下 氢 等 离 子 体 处 理 2 h, 随 后 制 备 了 纳 米 棒 基 发 光 二 极 管 图 3 给 出 了 经 氢 处 理 的 n-zno 纳 米 棒 /p-gan 发 光 二 极 管 在 注 入 电 流 为 2 ma 和 6 ma 时 的 电 致 发 光 谱, 为 了 对 比, 图 中 同 时 给 出 了 未 经 氢 处 理 的 参 考 器 件 在 相 同 注 入 电 流 下 的 电 致 发 光 谱 从 图 中 可 以 看 出 经 过 氢 等 离 子 体 处 理 的 器 件 电 致 发 光 强 度 有 了 一 定 提 高, 但 是 并 不 明 显 通 过 上 面 的 分 析 我 们 知 道 ZnO 薄 膜 光 电 性 质 的 提 高 主 要 可 归 因 于 氢 等 离 子 体 可 以 钝 化 晶 界 处 的 缺 陷, 对 于 ZnO 纳 米 棒 阵 列 由 于 缺 陷 密 度 非 常 低, 所 以 氢 处 理 的 效 果 并 不 明 显 图 3 未 经 氢 处 理 及 经 过 氢 处 理 的 n-zno 纳 米 棒 /p-gan 发 光 二 极 管 在 注 入 电 流 为 2 ma 和 6 ma 时 的 电 致 发 光 谱 4 结 论 本 文 研 究 了 氢 等 离 子 体 处 理 对 ZnO 薄 膜 及 ZnO 纳 米 棒 光 电 性 能 的 影 响, 结 果 表 明 : 氢 在 ZnO 薄 膜 中 不 仅 充 当 浅 施 主, 而 且 还 可 以 钝 化 晶 界 处 缺 陷 相 关 的 非 辐 射 复 合 中 心, 从 而 使 得 载 流 子 浓 度 及 迁 移 率 增 大 近 带 边 紫 外 发 光 增 强 然 而, 钝 化 晶 界 的 氢 热 稳 定 性 较 差, 500 C 时 已 经 完 全 扩 散 出 ZnO 薄 膜, 因 此,500 C 退 火 后 载 流 子 迁 移 率 及 近 带 边 紫 外 发 光 强 度 迅 速 减 弱 参 考 文 献 : [1] C. G. Van de Walle. Hydrogen as a cause of doping in ZnO [J]. Phys. Rev. Lett., 2000, 85: 1012-1015. [2] B. Y. Oh, M. C. Jeong, D. S. Kim, et al. Post-annealing of Al-doped ZnO films in hydrogen atmosphere [J]. J. Cryst. Growth, 2005, 281(3): 475-480. [3] Z. Zhou, K. Katoa, T. Komakia, et al. Effects of dopants and hydrogen on the electrical conductivity of ZnO[J]. J. Eur. Cera. Soc., 2004, 24(1): 139-146. [4] L. Y. Chen, W. H. Chen, J. J. Wang, et al. Hydrogen-doped high conductivity ZnO films deposited by radio-frequency magnetron sputtering [J]. Appl. Phys. Lett., 2004, 85: 5628-5630. [5] J. M. Lee, K. K. Kim, S. J. Park, et al. Low-resistance and nonalloyed ohmic contacts to plasma treated ZnO [J]. Appl. Phys. Lett., 2001, 78: 3842-3844. [6] T. Ishigaki, N. Ohashi, H. Taguchi, et al. Improved UV emission of zinc oxide through hyrogen doping in pulse-modulated high-power ICP [J]. Thin Solid Films, 2006, 506: 317
303-306. [7] P. F. Cai, J. B. You, X. W. Zhang, et al. Enhancement of conductivity and transmittance of ZnO films by post hydrogen plasma treatment [J]. J. Appl. Phys., 2009, 105: 083713-083718. [8] J. J. Dong, X. W. Zhang, J. B. You, et al. Effects of Hydrogen Plasma Treatment on the Electrical and Optical Properties of ZnO Films: Identification of Hydrogen Donors in ZnO [J]. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2010, 2: 1780-1784. [9] S. Y. Myong and K. S. Lim. Improved electrical stability and UV emission of zinc oxide thin films prepared by combination of metalorganic chemical vapor deposition technique and post-deposition hydrogen doping [J]. Org. Electron., 2007, 8: 51-54. [10] C. H. Seager and S. M. Myers. Quantitative comparisons of dissolved hydrogen density and the electrical and optical properties of ZnO [J]. J. Appl. Phys., 2003, 94: 2888-2892. [11] C. C. Lin, H. P. Chen, H. C. Liao, et al. Enhanced luminescent and electrical properties of hydrogen-plasma ZnO nanorods grown on wafer-scale flexible substrates [J]. Appl. Phys. Lett., 2005, 86: 183103-183105. Effects of Hydrogen Plasma Treatment on the Electrical and Optical Properties of ZnO DONG Jing-Jing a, YANG Kun b, FU Kang-Ning b (a. School of Science; b. School of Energy Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China) Abstract: Wurtzite ZnO has many potential applications in optoelectronic devices, and the hydrogenated ZnO exhibits excellent photoelectronic properties compared to undoped ZnO. In this article, the effects of hydrogen-plasma treatment and subsequent annealing on the electrical and optical properties of ZnO were investigated by a combination of Hall measurement, Raman scattering, and photoluminescence. Key words: ZnO; hydrogen-plasma; photoelectronic properties 318
夫 兰 克 - 赫 兹 实 验 的 改 进 冯 娟, 张 贺, 赵 飞 ( 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 物 理 实 验 教 学 示 范 中 心, 北 京 100083) 摘 要 : 对 传 统 的 测 量 氩 原 子 第 一 激 发 电 位 的 方 法 进 行 了 改 进, 利 用 示 波 器 光 标 cursor 功 能, 在 示 波 器 上 直 接 读 出 波 峰 或 波 谷 的 电 位 该 方 法 减 小 了 读 数 时 的 误 差, 提 高 了 测 量 精 度, 并 且 锻 炼 了 学 生 对 示 波 器 的 使 用, 受 到 较 好 的 教 学 效 果 关 键 词 : 氩 原 子 ; 激 发 电 位 ; 示 波 器 ; 误 差 ; 测 量 精 度 1 实 验 原 理 1914 年, 物 理 学 家 夫 兰 克 和 赫 兹 采 用 低 速 电 子 与 稀 薄 气 体 原 子 碰 撞 的 办 法, 使 原 子 从 低 能 级 激 发 到 高 能 级 通 过 测 量 电 子 与 被 碰 撞 原 子 之 间 交 换 能 量 的 特 征, 测 定 了 汞 原 子 的 第 一 激 发 电 势, 直 接 证 明 了 原 子 能 级 的 存 在 ; 并 验 证 了 原 子 发 生 跃 迁 时 吸 收 或 发 射 的 能 量 完 全 是 确 定 的, 不 连 续 的, 从 而 为 波 尔 理 论 提 供 了 直 接 而 独 立 的 实 验 证 据 实 验 中 所 用 的 夫 兰 克 [1, 2] - 赫 兹 仪 用 于 测 定 氩 原 子 的 第 一 激 发 电 位, 实 验 原 理 如 图 1 所 示 : 阴 极 K 阳 极 P I P μa 栅 极 G 1 栅 极 G 2 V f V G1 V G2 V P 图 1 夫 兰 克 - 赫 兹 实 验 原 理 图 F H 管 为 四 极 管 ( 其 中 充 以 氩 气 ), 包 括 有 阴 极 (K, 灯 丝 部 分 ), 两 个 栅 极 G 1 和 G 2, 和 一 个 板 极 P( 也 称 阳 极 ) 第 一 栅 极 G 1 靠 近 阴 极 K, 为 控 制 栅 极, 其 作 用 是 加 一 个 正 向 电 压 V G1, 用 以 消 除 电 子 在 阴 极 附 近 的 堆 积 效 应, 并 起 到 控 制 电 子 流 大 小 的 作 用 第 二 栅 极 G 2 靠 近 阳 极 P, 第 一 栅 极 与 第 二 栅 极 间 距 较 大, 这 是 为 了 保 证 在 常 温 下 气 体 原 子 有 足 够 高 的 碰 撞 机 率 阴 极 K 在 灯 丝 电 压 V f 的 加 热 下 发 射 电 子, 随 着 加 速 电 压 V G2 的 增 加, 电 子 的 能 量 逐 渐 增 加 具 有 一 定 能 量 的 电 子 主 要 在 G 1 G 2 空 间 内 与 原 子 发 生 碰 撞 交 换 能 量, 对 那 些 能 量 是 原 子 第 一 激 发 能 量 整 数 倍 的 电 子 发 生 碰 撞 后 而 失 去 其 全 部 能 量, 在 反 向 电 场 V p 的 作 用 下 基 金 项 目 :2013 年 大 学 生 创 新 实 验 项 目 (2013BXZ028) 和 中 国 地 质 大 学 教 学 研 究 与 教 学 改 革 项 目 (JGYB-201233) 联 合 资 助 作 者 简 介 : 冯 娟 (1976-), 女, 北 京 人, 讲 师, 在 读 博 士 生, 主 要 从 事 实 验 物 理 教 学 和 应 用 地 球 物 理 学 领 域 的 研 究 319
被 阻 止 而 不 能 达 到 阳 极 P, 而 对 具 有 其 它 能 量 的 电 子, 则 仍 有 足 够 能 量 穿 过 G 2 极 而 到 达 阳 极 P, 这 样 随 着 V G2 电 压 的 增 加, 电 流 I p 会 出 现 明 显 的 周 期 性 的 起 伏 变 化 和 等 间 距 的 极 大 和 极 小 值 从 相 邻 的 波 峰 或 波 谷 所 示 的 电 压 差 值, 即 可 求 得 原 子 的 第 一 激 发 电 位 2 传 统 测 量 方 法 本 实 验 采 用 FD-FH-1 夫 兰 克 赫 兹 实 验 仪, 如 图 2 所 示 : 2.1 直 接 在 夫 兰 克 赫 兹 仪 上 寻 找 极 值 点 图 2 夫 兰 克 赫 兹 实 验 仪 将 扫 描 开 关 拨 至 手 动 档, 调 节 V G2 至 最 小, 然 后 逐 渐 增 大 其 值, 寻 找 I P 的 极 大 和 极 小 值 点, 以 及 相 应 的 V G2 值, 即 找 出 对 应 的 极 值 点 (V G2,I P ) [1] 两 个 波 峰 或 波 谷 的 V G2 之 差 就 是 第 一 激 发 电 位 2.2 描 点 画 图 寻 找 极 值 点 调 节 V G2 至 最 小, 然 后 逐 渐 增 大 其 值, 每 隔 1V 测 量 一 组 数 据, 列 表 记 录 对 应 的 (V G2, I P ) 数 值, 画 出 I P V G2 曲 线 图 从 曲 线 上 寻 找 I P 值 的 极 大 或 极 小 值 点, 以 及 相 应 的 U G2 值, 即 I P V G2 关 系 曲 线 中 波 峰 或 波 谷 的 位 置, 由 图 求 出 第 一 激 发 电 位 [3] 在 教 学 实 践 中, 我 们 发 现 电 流 I P 的 读 数 不 稳 定, 会 出 现 一 直 上 升 或 下 降 的 现 象, 经 过 一 段 时 间 之 后, 电 流 变 化 趋 于 缓 慢 厂 家 的 解 释 是 : 电 子 管 受 热 后, 发 射 的 电 子 数 目 不 稳 定, 所 以 会 出 现 电 流 读 数 跳 动 的 现 象 但 这 给 学 生 测 量 带 来 了 困 扰, 不 知 该 何 时 读 数 学 生 测 量 存 在 困 难, 而 使 结 果 不 准 确 3 改 进 后 的 测 量 方 法 利 用 示 波 器 光 标 cursor 功 能 测 量 波 峰 或 波 谷 所 对 应 的 V G2 值, 在 示 波 器 上 直 接 读 出 波 峰 或 波 谷 的 电 位, 如 图 3 所 示 该 方 法 减 小 了 读 数 时 的 误 差, 提 高 了 测 量 精 度 通 过 控 制 变 量 的 方 法, 分 别 改 变 灯 丝 电 压 V f 第 一 栅 极 电 压 V G1 拒 斥 电 压 V p 的 大 小, 还 可 以 在 示 波 器 上 直 观 的 观 测 I P V G2 曲 320
线 的 变 化 [4] 有 助 于 学 生 寻 找 最 佳 的 工 作 参 数, 正 确 的 设 定 参 数 值, 得 出 精 确 地 测 量 结 果 分 析 不 同 变 量 对 实 验 结 果 的 影 响, 有 助 于 学 生 理 解 各 个 实 验 参 数 的 物 理 意 义, 更 加 深 刻 理 解 实 验 内 容 图 3 4 结 论 传 统 的 测 量 方 法 比 较 单 一, 较 为 枯 燥 改 进 后 的 测 量 方 法, 丰 富 了 实 验 内 容, 提 高 了 学 生 的 兴 趣 ; 并 且 锻 炼 了 学 生 对 示 波 器 的 使 用, 收 到 较 好 的 教 学 效 果 参 考 文 献 : [1] 周 惟 公 大 学 物 理 实 验 [M] 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社,2009 [2] 邹 莹, 姚 志, 姜 东 光, 孙 继 忠 夫 兰 克 - 赫 兹 实 验 的 计 算 机 模 拟 物 理 实 验,2014,34 (3): 17-22 [3] 张 卫 山, 杨 善 恒, 鲁 应 涤, 黄 国 蓝, 樊 江 红, 卢 方 武 基 于 Origin 的 夫 兰 克 - 赫 兹 实 验 数 据 分 析 赤 峰 学 院 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),2012,28(9): 6-7 [4] 张 里 荃, 马 艳 梅, 郝 二 娟 夫 兰 克 - 赫 兹 实 验 最 佳 实 验 条 件 及 第 一 激 发 电 位 的 研 究 物 理 实 验,2011,31(9): 37-38 Research on Balance Vibration Improvement on Franck-Hertz Experiment FENG Juan, ZHANG He, ZHAO Fei (Demonstration center of physics experiment, China University of Geosciences, Beijing 100083, China) Abstract: This paper gives some suggestions on improve the experiment of measuring the first excitation voltage. Using the "cursor" function, we can read directly potential values of peaks and troughs from the oscilloscope. This method reduces the reading error, improves the accuracy of measurement, and trains the students use of oscilloscope, with a good teaching effect. Key words: argon atom; excitation voltage; oscilloscope; error; accuracy of measurement 321
巨 磁 电 阻 效 应 实 验 的 研 究 与 应 用 郭 琳 a, 衣 岩 a, 杨 显 洁 a, 蒲 泓 羽 a b, 李 传 涛 ( 中 国 地 质 大 学 a. 信 息 工 程 学 院 ;b. 物 理 实 验 教 学 示 范 中 心, 北 京 100083) 摘 要 : 巨 磁 电 阻 材 料 是 其 中 发 展 最 快 也 是 应 用 最 迅 猛 的 新 型 磁 性 材 料, 因 其 独 特 的 性 能 而 被 用 于 各 种 电 子 产 品 和 传 感 器 中 本 文 采 用 一 定 的 实 验 方 法 测 量 巨 磁 电 阻 阻 值 与 磁 感 应 强 度 以 及 其 他 相 关 变 量 的 关 系, 阐 述 了 巨 磁 电 阻 效 应 的 作 用 机 理 和 特 性 为 更 好 的 了 解 其 应 用 搭 建 了 桥 梁, 同 时 可 作 为 大 学 物 理 实 验 教 学 内 容 关 键 词 : 巨 磁 电 阻 ; 磁 场 强 度 ; 线 圈 电 流 ; 物 理 实 验 1 引 言 2007 年 10 月, 法 国 科 学 家 阿 尔 贝. 费 尔 和 德 国 科 学 家 彼 得. 格 林 贝 格 尔 因 分 别 独 立 发 现 了 巨 磁 电 阻 效 应 而 共 同 获 得 了 2007 年 诺 贝 尔 物 理 学 奖 据 权 威 机 构 调 查, 对 于 各 种 材 料 的 研 究 和 生 产, 磁 性 材 料 一 直 名 列 前 茅, 仅 2007 年 中 国 就 生 产 了 各 种 磁 性 材 料 总 计 约 90 万 t 而 巨 磁 电 阻 材 料 是 其 中 发 展 最 快 也 是 应 用 最 迅 猛 的 新 型 磁 性 材 料, 因 其 独 特 的 性 能 而 被 用 于 各 种 电 子 产 品 和 传 感 器 中 1994 年 IBM 利 用 巨 磁 阻 效 应 成 功 研 制 了 硬 磁 盘 读 出 磁 头 原 型, 其 磁 盘 记 录 密 度 和 单 位 面 积 存 储 的 数 据 点 有 了 质 的 提 高 随 着 对 其 研 究 的 深 入, 巨 磁 电 阻 效 应 将 更 多 地 应 用 于 实 际 生 活 中 巨 磁 电 阻 传 感 器 应 用 广 泛, 可 用 来 测 量 弱 磁 场 角 度 转 速 位 移 电 流 等, 与 各 向 异 性 磁 电 阻 传 感 器 相 比, 具 有 灵 敏 度 更 高 线 性 范 围 宽 可 靠 性 高 寿 命 长, 抗 恶 劣 环 境 等 优 点 巨 磁 电 阻 传 感 器 可 制 成 测 速 仪 定 向 仪 验 钞 机 等, 可 用 于 汽 车 无 人 驾 驶 卫 星 定 位 安 全 检 查 等 各 种 自 动 控 制 系 统, 另 外 巨 磁 电 阻 传 感 器 在 医 疗 方 面 也 有 很 大 应 用 2 原 理 2.1 巨 磁 电 阻 效 应 实 验 原 理 [1-5] 所 谓 巨 磁 阻 效 应, 是 指 磁 性 材 料 的 电 阻 率 在 有 外 磁 场 作 用 时 较 之 无 外 磁 场 作 用 时 存 在 巨 大 变 化 的 现 象 巨 磁 阻 是 一 种 量 子 力 学 效 应, 它 产 生 于 层 状 的 磁 性 薄 膜 结 构 这 种 结 构 是 由 铁 磁 材 料 和 非 铁 磁 材 料 薄 层 交 替 叠 合 而 成 当 铁 磁 层 的 磁 矩 相 互 平 行 时, 载 流 子 与 自 旋 有 关 的 散 射 最 小, 材 料 有 最 小 的 电 阻 当 铁 磁 层 的 磁 矩 为 反 平 行 时, 与 自 旋 有 关 的 散 射 最 强, 材 料 的 电 阻 最 大 巨 磁 电 阻 效 应 可 以 由 二 流 体 模 型 来 解 释 在 铁 磁 金 属 中, 导 电 的 s 电 子 要 受 到 磁 性 原 子 磁 矩 的 散 射 作 用, 散 射 的 几 率 取 决 于 导 电 的 s 电 子 自 旋 方 向 与 薄 膜 中 磁 性 原 子 磁 矩 方 向 的 相 对 取 向 即 自 旋 方 向 与 磁 矩 方 向 一 致 的 电 子 受 到 的 散 射 作 用 很 弱, 自 旋 方 向 与 磁 矩 方 向 相 反 的 电 子 则 受 到 强 烈 的 散 射 作 用, 而 传 导 电 子 受 到 的 散 射 作 用 的 强 弱 直 接 影 响 到 材 料 电 阻 的 大 小 根 据 二 流 体 模 型, 传 导 电 子 分 成 自 旋 向 上 和 自 旋 向 下 两 种, 由 于 多 层 膜 中 非 磁 性 金 属 层 基 金 项 目 : 教 学 实 验 室 开 放 项 目 (2013) 资 助 作 者 简 介 : 郭 琳, 女, 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 信 息 工 程 学 院 学 生 指 导 教 师 : 李 传 涛, 男, 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 物 理 实 验 教 学 中 心 讲 师, 博 士, 从 事 地 球 物 理 学 科 研 和 物 理 实 验 教 学 工 作 322
对 两 组 自 旋 状 态 不 同 的 传 导 电 子 的 影 响 是 相 同 的, 所 以 只 考 虑 磁 层 的 影 响 外 加 磁 场 为 零 时, 相 邻 铁 磁 层 的 磁 矩 方 向 相 反, 两 种 电 子 都 在 穿 过 与 其 自 旋 方 向 相 同 的 磁 层 后, 在 下 一 磁 层 受 到 强 烈 的 散 射, 宏 观 上 看, 巨 磁 电 阻 材 料 处 于 高 电 阻 状 态 当 外 加 磁 场 足 够 大 时, 原 本 反 平 行 排 列 的 各 磁 层 磁 矩 都 沿 外 磁 场 方 向 排 列, 一 半 电 子 可 以 穿 过 许 多 磁 层 只 受 到 很 弱 的 散 射, 另 一 半 在 每 一 层 都 受 到 很 强 的 散 射, 宏 观 上, 材 料 处 于 低 电 阻 状 态 这 样 就 产 生 了 巨 磁 电 阻 现 象 2.2 巨 磁 电 阻 实 验 内 容 及 结 论 分 析 2.2.1 磁 场 与 巨 磁 电 阻 阻 值 的 关 系 了 解 巨 磁 电 阻 效 应 原 理, 测 量 不 同 磁 场 下 的 巨 磁 电 阻 阻 值 R, 作 求 电 阻 相 对 变 化 率 R B R 0 / R0 的 最 大 值 B R B / R B 关 系 图, 在 磁 场 不 断 增 强 的 过 程 中, 巨 磁 电 阻 阻 值 会 不 断 减 小, 由 图 1 可 见, 最 终 会 趋 于 平 稳 此 时 由 实 验 数 据 可 知 RB 即 为 最 小 值 4.270KΩ, 计 算 得 出 :R B R 0 / R0 max=-11.4% 从 本 质 上 来 看, 电 阻 达 到 极 限 最 小 值, 即 是 因 为 当 外 磁 场 足 够 大 时, 原 本 反 平 行 的 各 层 磁 矩 都 沿 外 场 方 向 排 列, 此 时 为 极 限 状 态, 另 一 方 面, 可 以 看 到 磁 场 强 度 跟 电 阻 之 间 不 成 线 性 关 系 0 图 1 R B / R0 与 磁 场 B 的 关 系 图 2 传 感 器 输 出 电 压 V 输 出 与 磁 场 B 关 系 2.2.2 巨 磁 电 阻 灵 敏 度 的 计 算 压 学 习 巨 磁 电 阻 传 感 器 定 标 方 法, 计 算 巨 磁 电 阻 传 感 器 灵 敏 度, 由 巨 磁 电 阻 传 感 器 输 出 电 V 输 出, 得 到 电 阻 相 对 变 化 率 R B R 0 / R0 的 最 大 值 由 传 感 器 技 术 指 标 知 传 感 器 线 性 范 围 为 0.15mT-1.05mT, 只 取 此 部 分 数 据 作 图, 得 到 图 2 由 最 小 二 乘 法 拟 合 得 到 V = 0.133 B, 相 关 系 数 为 0.991 因 为 传 感 器 工 作 电 压 V + 为 5V, 得 到 传 感 器 灵 敏 度 为 30.8mV/V/mT ( 传 感 器 技 术 指 标 中 传 感 器 灵 敏 度 为 30.0mV/V/mT - 42.0mV/V/mT ) 由 R B / R0 = ( V V输 出 ) /( V V输 出 ) R B R 0 / R 0 =-11.6%, 可 求 得 max 2.2.3 巨 磁 电 阻 传 感 器 输 出 电 压 V 输 出 与 其 工 作 电 压 V 的 关 系 由 最 小 二 乘 法 拟 合 得 V 输 出 = 0.029V, 相 关 系 数 为 0.999 即 在 相 同 磁 感 应 强 度 条 件 下, 输 出 323
传 感 器 输 出 电 压 V 输 出 与 传 感 器 的 工 作 电 压 V 成 正 比 说 明 在 一 定 范 围 内, 工 作 电 压 不 是 影 响 巨 磁 电 阻 值 的 因 素 图 3 传 感 器 输 出 电 压 与 其 工 作 电 压 的 关 系 图 4 传 感 器 输 出 电 压 与 被 测 电 流 的 关 系 2.2.4 巨 磁 电 阻 传 感 器 输 出 电 压 V 输 出 与 通 电 导 线 电 流 I 的 关 系 由 最 小 二 乘 法 拟 合 得 到 V = 0.026 I, 相 关 系 数 为 0.999, 即 巨 磁 电 阻 传 感 器 的 输 出 输 出 电 压 V 与 被 测 电 流 I 成 正 比 因 此, 可 以 用 巨 磁 电 阻 传 感 器 测 量 未 知 电 流 输 出 2.2.5 巨 磁 电 阻 传 感 器 工 作 电 压 V 与 输 出 电 压 V 输 出 的 关 系 测 定 待 测 直 流 电 流 时, 传 感 器 电 源 电 压 对 于 传 感 器 输 出 的 影 响 图 5 传 感 器 输 出 电 压 传 感 器 工 作 电 压 的 关 系 由 最 小 二 乘 法 拟 合 得 V 输 出 = 0.039V, 相 关 系 数 为 0.999 即 在 被 测 电 流 一 定 的 条 件 下, 传 感 器 输 出 电 压 V 输 出 与 传 感 器 的 工 作 电 压 V 成 正 比 3 结 束 语 近 年 来, 各 种 不 同 类 型 的 巨 磁 电 阻 传 感 器 相 继 被 研 发 成 功 它 们 可 应 用 于 位 移 角 度 [6-8] 电 流 及 磁 场 等 物 理 量 的 测 量 本 实 验 即 是 采 用 了 多 层 膜 巨 磁 电 阻 进 行 实 验 多 层 膜 巨 磁 电 阻 线 性 范 围 较 其 他 种 类 巨 磁 电 阻 最 宽, 因 此 适 合 用 作 测 量 譬 如 位 移 传 感 器 本 文 从 磁 场 与 巨 磁 电 阻 阻 值 的 关 系 巨 磁 电 阻 灵 敏 度 的 计 算, 巨 磁 电 阻 传 感 器 输 出 电 压 与 其 工 作 电 压 的 关 系 通 电 导 线 电 流 I 输 出 电 压 的 关 系 进 行 了 研 究 该 仪 器 可 为 高 校 物 理 实 验 提 供 一 种 研 究 磁 电 阻 传 感 器 磁 阻 特 性 和 应 用 的 新 手 段, 帮 助 学 生 了 解 巨 磁 电 阻 效 应 的 原 理 及 应 用, 将 在 物 理 实 验 教 学 中 发 挥 积 极 作 用 324
参 考 文 献 : [1] 李 国 栋 当 代 磁 学 [M] 北 京 : 科 学 技 术 出 版 社,1999 [2] 姜 宏 伟 巨 磁 电 阻 效 应 [J] 首 都 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),2007,28(6):1-3 [3] 赖 武 彦 巨 磁 电 阻 引 发 硬 盘 的 高 速 发 展 2007 年 诺 贝 尔 物 理 学 奖 简 介 [J] 自 然 杂 志,2007, 29(6):348-352 [4] 张 朝 民 巨 磁 电 阻 效 应 实 验 仪 的 研 制 与 应 用 [J] 物 理 实 验,2009,29(6):16-28 [5] 郭 皓 20 世 纪 物 理 学 的 奇 葩 - 磁 电 子 学 [J] 现 代 物 理 知 识,1999,11(6): 2-5 [6] 周 勋 磁 电 阻 效 应 的 研 究 进 展 [J] 物 理 实 验,2000,20(9):13-14 [7] 倪 敏, 许 美 新, 时 晨 新 型 磁 电 阻 效 应 实 验 仪 研 制 及 应 用 [J] 实 验 技 术 与 管 理,2012, 29(5):76-79 [8] 李 文 涛, 谢 致 薇, 杨 元 政, 陈 先 朝 薄 膜 巨 磁 电 阻 效 应 及 其 研 究 进 展 [J] 材 料 导 报,2010, 24(15):29-38 Research and application on FD-GMR-B-type experimental instrument Guo Lin a, YI Yan a, YANG Xian-jie a, PU Hong-yu a, Li Chuan-tao b (a. School of information engineering; b. Demonstration Center of Physics Experiment, China University of Geosciences, Beijing 100083, China) Abstract: GMR material is one of the fastest and most rapid development of new magnetic materials, because of its unique properties and is used in various electronic products and sensors. In this paper, we use experimental methods for measuring the relationship between GMR and magnetic induction density and other relevant variables to explain the mechanism and characteristics of the giant magnetoresistance effect. Building a bridge to better understand its applications,and can be used in college physics experiment teaching. Key words: GMR; magnetic induction density; coil current; physics experiment 325
基 于 T 型 表 面 等 离 子 体 波 导 的 双 向 分 光 器 陈 靖, 陈 宗 强, 钱 钧, 孙 骞 ( 南 开 大 学 物 理 科 学 学 院 实 验 中 心, 天 津 300071) 摘 要 : 利 用 时 域 有 限 差 分 法 (Finite-Difference Time-Domain, FDTD) 研 究 了 基 于 金 属 - 绝 缘 体 - 金 属 (metal-insulator-metal, MIM) 结 构 的 T 形 表 面 等 离 子 体 波 导 的 分 光 特 性 研 究 结 果 表 明, 调 节 入 射 光 波 长 可 以 实 现 左 右 两 个 方 向 分 光 改 变 结 构 中 圆 形 共 振 腔 的 直 径 可 以 使 双 向 分 光 比 均 达 到 100:1 以 上 本 文 中 设 计 的 结 构 具 有 良 好 的 双 向 分 光 效 果 关 键 词 : 表 面 等 离 子 体 ; 双 向 分 光 器 ; 时 域 有 限 差 分 法 1 引 言 当 代 信 息 科 技 日 新 月 异 的 发 展 对 光 子 器 件 的 尺 寸 和 集 成 度 都 有 着 很 高 的 要 求, 这 要 求 器 件 在 亚 波 长 尺 度 上 完 成 信 息 的 传 输 和 处 理 传 统 的 光 学 器 件 由 于 衍 射 极 限 的 限 制, 无 法 满 足 这 一 需 求 基 于 表 面 等 离 子 体 的 光 子 器 件 可 以 突 破 衍 射 极 限, 实 现 亚 波 长 尺 度 上 的 光 信 息 传 输 这 为 纳 米 集 成 光 子 器 件 的 设 计 开 发 带 来 了 曙 光 和 机 遇 分 光 器 是 光 子 集 成 回 路 中 最 重 要 的 无 源 器 件 之 一 目 前 的 分 光 器 件 按 照 原 理 主 要 分 为 熔 融 拉 锥 型 和 平 面 波 导 型, 它 们 的 尺 寸 过 大, 不 利 于 器 件 的 集 成 化 本 文 提 出 基 于 表 面 等 离 子 体 波 导 的 T 型 分 光 器, 实 现 了 微 纳 尺 度 下 的 大 角 度 双 向 分 光 本 实 验 作 为 研 究 型 实 验 题 目, 以 前 沿 科 学 研 究 热 点 为 实 验 教 学 内 容, 有 利 于 本 科 生 了 解 当 代 科 研 热 门 方 向 学 习 逐 步 细 化 问 题 的 科 研 方 法, 培 养 创 新 能 力 科 研 技 能 等 综 合 实 验 素 质 2 基 本 原 理 表 面 等 离 子 体 (surface plasmon polaritons, SPPs) 是 局 域 在 金 属 表 面 的 一 种 自 由 电 子 和 光 子 相 互 作 用 形 成 的 混 合 激 发 态 [1,2] 在 这 种 相 互 作 用 下, 自 由 电 子 在 与 其 共 振 频 率 相 同 的 光 波 照 射 下 发 生 集 体 振 荡 这 种 表 面 电 荷 振 荡 与 光 波 电 磁 场 之 间 的 相 互 作 用 就 构 成 了 具 有 独 特 性 质 的 SPPs, 光 能 被 束 缚 在 空 间 尺 寸 远 远 小 于 其 自 由 空 间 波 长 的 区 域 利 用 SPPs 的 这 种 特 性 设 计 高 集 成 度 的 纳 米 光 子 器 件, 可 以 实 现 纳 米 尺 度 的 光 子 集 成 基 于 SPPs 模 式 的 MIM 结 构 相 比 于 其 他 结 构, 具 有 更 小 的 模 式 尺 寸, 是 目 前 被 研 究 者 们 广 泛 研 究 的 结 构 之 一 基 于 MIM 结 构 的 光 子 器 件 的 开 发, 例 如 : 光 开 关 [3,4] 光 传 感 [5,6] 滤 波 器 [7,8] [9,10] 分 光 器 等, 在 理 论 研 究 和 实 验 研 究 方 面 都 取 得 了 众 多 突 破, 成 为 新 一 代 纳 米 集 成 光 路 的 重 要 元 件 本 文 采 用 FDTD 法 模 拟 T 型 波 导 的 分 光 特 性 FDTD 是 一 个 常 用 的 模 拟 技 术 [11], 其 方 法 主 要 是 将 时 间 与 空 间 网 格 化, 在 格 点 间 距 很 小 的 极 限 情 况 下, 将 函 数 的 微 分 运 算 转 换 成 差 分 运 算 运 用 在 麦 克 斯 韦 方 程 时, 给 定 一 初 始 场, 可 模 拟 电 磁 波 与 材 料 的 相 互 作 用, 与 此 电 磁 波 随 时 间 的 演 化 行 为 FDTD 方 法 是 直 接 对 于 麦 克 斯 韦 方 程 组 求 解, 并 且 除 了 在 时 间 和 空 间 上 的 数 值 离 散 处 理 以 外, 没 有 采 用 任 何 物 理 上 的 近 似, 这 表 明 了 FDTD 方 法 在 理 论 上 是 基 金 资 助 : 教 育 部 物 理 学 基 地 人 才 培 养 基 金 (No.J0730315), 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 ( 新 教 师 类 )( No. 20110031120005 ), 国 家 基 础 科 学 人 才 培 养 基 金 (No.J1103208,No.J1210027) 作 者 简 介 : 陈 靖 (1980-), 女, 天 津 市 人, 南 开 大 学 物 理 科 学 学 院 讲 师, 博 士, 研 究 方 向 为 : 纳 米 光 子 学 非 线 性 光 学 326
一 个 非 常 精 确 的 方 法 迄 今 为 止,FDTD 法 作 为 基 本 的 模 拟 方 法 被 研 究 工 作 大 量 的 使 用 3 结 构 及 模 拟 分 析 本 文 中 环 形 谐 振 器 由 一 个 T 型 MIM 波 导 一 个 圆 形 共 振 腔 和 一 个 方 形 共 振 腔 组 成, 如 图 1 所 示 灰 色 和 白 色 区 域 分 别 表 示 Ag 和 空 气 ;T 型 MIM 波 导 宽 度 W=200nm; 圆 形 共 振 腔 直 径 D=200nm; 方 形 共 振 腔 边 长 L=200nm 波 导 和 环 形 波 导 的 耦 合 距 离 均 为 d=5nm 空 气 的 折 射 率 n=1,ag 的 介 电 常 数 可 以 由 Lorentz-Drude 模 型 给 出 [12] : m G, (1) 5 2 m m 2 2 m0 m i m 其 中 为 频 率 无 限 大 时 对 应 的 相 对 介 电 常 数, G m 为 振 子 强 度, m 为 等 离 子 体 频 率, m 为 谐 振 腔 共 振 频 率, 献 [12] 为 阻 尼 因 数, 为 入 射 光 角 频 率 上 述 所 有 的 参 数 的 选 取 均 来 源 于 文 m 图 1 结 构 示 意 图 入 射 光 从 T 型 波 导 底 端 沿 X 轴 方 向 以 TM 模 式 入 射, 入 射 光 电 场 量 的 振 幅 为 1V/m, 其 半 高 全 宽 为 (FWHM) 与 MIM 波 导 宽 度 相 等 利 用 FDTD 方 法 模 拟 T 型 波 导 的 分 光 特 性, 根 据 计 算 经 验,FDTD 模 拟 计 算 中 使 用 的 元 胞 大 小 dx=dz=2nm 这 样 的 元 胞 不 但 可 以 达 到 所 需 的 计 算 精 度, 同 时 在 数 值 模 拟 所 需 要 的 时 间 也 是 可 以 接 受 的 当 入 射 波 长 满 足 T 型 波 导 与 方 形 共 振 腔 耦 合 条 件 时, 光 波 向 左 传 输 ; 当 入 射 波 长 满 足 T 型 波 导 与 圆 形 共 振 腔 耦 合 条 件 时, 光 波 向 右 传 输 利 用 这 一 特 性, 可 以 实 现 不 同 波 长 下 的 双 向 分 光 图 2 为 T 型 双 向 分 光 器 的 双 向 透 射 情 况 光 向 左 传 输 的 透 射 率 为 T(L), 光 向 右 传 输 的 透 射 率 为 T(R) 由 透 射 谱 图 2. (a) 可 知 在 波 长 为 690nm 时 ( 分 光 波 长 ),T 型 波 导 和 矩 形 共 振 腔 有 强 耦 合 作 用, 光 波 向 左 传 输, 该 结 构 的 分 光 比, 即 左 右 透 过 率 之 比 为 T(L):T(R) = 32:1 当 波 长 为 807nm 时,T 型 波 导 和 圆 形 共 振 腔 具 有 强 耦 合 作 用, 光 波 向 右 传 输, 分 光 比 为 T(R):T(L) = 307:1 它 们 的 场 强 分 布 如 图 2. (b)-(c) 所 示 由 此, 我 们 设 计 的 分 光 器 具 有 明 显 的 分 光 效 果 327
图 2. T 型 分 光 器 的 双 向 透 射 谱 (a); 磁 场 Hy 分 布 图 (b) 入 射 波 长 =695nm, (c) 入 射 波 长 =807nm 下 面, 通 过 改 变 圆 形 共 振 腔 直 径 D 来 优 化 分 光 器 的 双 向 分 光 比 改 变 圆 形 共 振 腔 直 径 为 D=160nm,180nm,120 和 240nm, 其 他 结 构 参 数 保 持 不 变, 其 双 向 透 射 谱 如 图 3 所 示 分 光 波 长 及 分 光 比 见 表 1, 模 拟 结 果 表 明, 随 着 D 的 减 小, 光 在 共 振 腔 中 的 传 播 长 度 将 会 减 小, 欧 姆 损 耗 也 会 随 之 减 小 因 此, 向 左 方 向 的 透 射 率 将 会 增 大 这 种 情 况 下, 分 光 波 长 发 生 蓝 移 向 左 传 输 的 分 光 比 增 大, 向 右 传 输 的 分 光 比 减 小 随 着 D 的 增 大, 光 在 共 振 腔 中 的 传 播 长 度 将 会 增 大, 欧 姆 损 耗 也 会 随 之 增 大 因 此, 向 右 方 向 的 透 射 率 将 会 减 小 这 种 情 况 下, 分 光 波 长 发 生 红 移, 向 左 传 输 情 况 下 和 向 右 传 输 情 况 下 的 分 光 比 都 会 降 低 根 据 表 1 综 合 考 虑 分 析, 在 圆 形 共 振 腔 直 径 D=160nm 时, 左 右 两 个 方 向 具 有 最 好 的 分 光 效 果, 两 个 方 向 的 分 光 比 都 可 以 达 到 100:1 以 上 图 3 T 型 分 光 器 双 向 透 射 谱, 圆 形 共 振 腔 直 径 :(a) D=160nm, (b) D=180nm, (c) D=220nm, (d) D=240nm 328
表 1 T 型 分 光 器 双 向 分 光 比 D (nm) 向 左 传 输 向 右 传 输 分 光 波 长 (nm) T(L):T(R) 分 光 波 长 (nm) T(R):T(L) 160 643 101:1 797 109:1 180 666 45:1 798 116:1 200 690 32:1 807 307:1 220 710 14:1 809 184:1 240 738 7:1 810 77:1 4 结 束 语 本 实 验 利 用 FDTD 方 法 模 拟 了 基 于 T 型 MIM 波 导 的 分 光 器 的 分 光 特 性 研 究 结 果 表 明, 通 过 调 节 入 射 波 长, 可 以 实 现 双 向 分 光 调 整 结 构 中 的 圆 形 共 振 腔 直 径, 可 以 优 化 左 右 两 个 方 向 的 分 光 比 均 达 到 100:1 以 上 基 于 SPPs 的 分 光 器 具 有 强 局 域 性 小 尺 度 等 特 点 这 些 特 性 显 示 了 其 在 纳 米 光 子 集 成 中 应 用 的 巨 大 潜 力 学 生 通 过 本 实 验 的 学 习, 深 入 理 解 基 于 SPPs 的 T 形 双 向 分 光 器 的 基 本 原 理 通 过 对 结 构 参 数 的 分 析 研 究, 学 习 科 研 的 基 本 思 维 方 式, 掌 握 分 析 实 验 数 据 和 推 断 实 验 结 果 的 方 法, 培 养 学 生 的 创 新 能 力 科 研 技 能 等 综 合 实 验 素 质 参 考 文 献 : [1] Barnes W L, Dereux A, Ebbesen T W. Surface plasmon subwavelength optics [J]. Nature, 2003, 424 (6950): 824 830. [2] Lezec H J, Degiron A, Devaux E, et al. Beaming light from a subwavelength aperture [J] Science, 2002, 297 (5582): 820 822. [3] Veronis G and Fan S. Bends and splitters in metal-dielectric-metal subwavelength plasmonic waveguides [J]. Appl Phys Lett, 2005, 87 (13): 131102-1-3 [4] Zhou W, Huang X. Active Control of Optical Signals in the Plasmonic Waveguides [J]. Inte J Electr Energ, 2013, 1 (4): 304-307. [5] Brolo A G, Gordon R, Leathem B, et al. Surface Plasmon Sensor Based on the Enhanced Light Transmission through Arrays of Nanoholes in Gold Films [J]. Langmuir, 2004, 20 (12): 4813-4815. [6] Lee D, Yim H, Lee S, et al. Tiny surface plasmon resonance sensor integrated on silicon waveguide based on vertical coupling into finite metal-insulator-metal plasmonic waveguide [J]. Opt. Express, 2011, 19 (21): 19895-19900. [7] Lu H, Liu X, Mao D, et al. Tunable band-pass plasmonic waveguide filters with nanodisk resonators [J]. Opt. Express, 2010, 18 (17): 17922-17927 [8] 陈 靖, 陆 文 强, 孙 骞 表 面 等 离 子 体 环 形 共 振 器 的 滤 波 性 质 [J] 物 理 实 验,2012,32(7): 6-9 [9] Zhang X, Li Z, Chen J, et al. A dichroic surface-plasmon-polariton splitter based on an asymmetric T-shape nanoslit [J]. Opt. Express, 2013, 21 (12): 14548-14554. 329
[10] Wang G, Lu H. Unidirectional excitation of surface plasmon polaritons in T-shaped waveguide with nanodisk resonator [J]. Opt. Commun, 2012, 285 (21): 4190-4193. [11] Yee K. Numerical solution of initial boundary value problems involving maxwell's equations in isotropic media. Antennas and Propagation [J]. IEEE Transactions on, 1966, 14(3): 302-307. [12] Rakic A D, Djurisic A B, Elazar J M, et al. Optical properties of metallic films for verticacavitiy optoelectric devices [J]. Appl Opt, 1998, 37 (22):5271-5283. A bidirectional splitter based on a surface-plasmon-polariton T-shape waveguide Abstract: The splitter characteristic of a T-shape waveguide base on metal-insulator-metal (MIM) structures is simulated by using finite-difference time-domain method. A bidirectional splitting effect can be obtained by adjusting incident wavelength. Splitting ratios are tunable by changing the diameter of the disk resonator. With proper selection of the diameter, bidirectional splitting ratios of our structures can be achieved up to 100:1. Key words: surface plasmon polaritons; bidirectional splitter; finite-difference time-domain method 330
针 对 不 同 类 型 样 品 的 原 子 力 显 微 镜 实 验 教 学 研 究 王 中 平, 谢 宁, 张 宪 峰, 张 增 明, 孙 腊 珍 ( 中 国 科 学 技 术 大 学 物 理 学 院 物 理 实 验 教 学 中 心, 安 徽 合 肥 230026) 摘 要 : 利 用 磁 控 溅 射 法 在 硅 衬 底 沉 积 金 属 铝 作 为 光 学 薄 膜 样 品, 硅 衬 底 表 面 制 备 单 分 散 的 国 家 标 准 物 质,DNA 分 散 在 云 母 片 表 面 的 生 物 样 品, 作 为 不 同 组 的 学 生 进 行 实 验 的 研 究 样 品, 在 室 温 下 以 不 同 型 号 原 子 力 显 微 镜 的 轻 敲 模 式 进 行 样 品 的 图 像 扫 描, 然 后 不 同 组 的 同 学 对 实 验 结 果 进 行 比 较 讨 论, 进 一 步 学 习 掌 握 原 子 力 显 微 镜 的 表 征 内 容 本 实 验 结 合 了 近 代 的 样 品 制 备 技 术, 标 准 化 的 知 识 以 及 生 物 样 品 的 制 备 方 法 和 现 代 化 的 表 征 测 试 手 段, 其 内 容 设 臵 合 理, 实 验 先 进, 适 合 拓 展 学 生 的 认 知 领 域, 非 常 适 合 本 科 生 的 研 究 型 实 验 教 学 关 键 词 : 原 子 力 显 微 镜 ; 标 准 样 品 ; 金 属 薄 膜 ;DNA 1 引 言 显 微 镜 具 有 很 高 的 分 辨 本 领 和 放 大 倍 数, 是 研 究 物 质 宏 观 结 构 的 有 力 工 具 17 世 纪 初 应 用 于 科 学 研 究, 显 微 镜 的 发 明 大 大 扩 展 了 人 类 的 视 野, 把 人 类 的 视 野 从 宏 观 引 入 到 微 观, 直 接 导 致 了 19 世 纪 细 胞 学 微 生 物 学 等 学 科 的 建 立 显 微 镜 的 发 展 大 致 可 分 为 三 代 : 第 一 代 显 微 镜 光 学 显 微 镜 (Optical Microscopy, OM):17 世 纪 末 荷 兰 人 L. Antoni van 首 先 研 制 成 功 了 第 一 台 光 学 显 微 镜, 把 人 们 带 进 了 五 彩 缤 纷 的 微 观 世 界 但 由 于 光 波 的 性 质, 光 学 显 微 镜 的 分 辨 能 力 非 常 有 限, 光 的 衍 射 效 应 使 尺 寸 小 于 光 波 长 一 半 的 物 体 的 细 节 变 得 不 清 晰 第 二 代 显 微 镜 电 子 显 微 镜 (Electron Microscopy, EM): 在 1924 年 法 国 物 理 学 家 德 布 罗 意 提 出 物 质 波 概 念 的 思 想 指 导 下, 采 用 高 能 电 子 束 代 替 光 束,1931 年 鲁 斯 卡 研 制 成 功 世 界 上 第 一 台 电 子 显 微 镜, 开 创 了 人 类 研 究 微 观 世 界 的 新 纪 元 但 电 子 显 微 镜 也 存 在 着 很 多 不 足, 例 如 高 速 电 子 容 易 透 入 物 质 深 处, 低 速 电 子 又 容 易 被 样 品 的 电 磁 场 偏 折, 故 电 子 显 微 镜 很 少 能 对 表 面 结 构 有 所 揭 示, 表 面 物 理 的 迅 速 发 展 又 急 需 一 种 能 够 观 测 物 质 表 面 结 构 的 显 微 术, 因 此 80 年 代 诞 生 了 第 三 代 显 微 镜 扫 描 隧 道 显 微 镜 (Scanning Tunneling Microscopy, STM) [1-5], 1982 年 IBM 公 司 苏 黎 世 实 验 室 的 G Bining 博 士 和 H Rohrer 博 士 研 制 成 功 了 世 界 第 一 台 STM, 其 工 作 原 理 是 基 于 量 子 力 学 中 的 隧 道 效 应 STM 的 出 现, 使 人 类 能 够 实 时 观 察 单 个 原 子 在 物 质 表 面 的 排 列 状 态 和 与 表 面 电 子 行 为 有 关 的 物 理 化 学 性 质 STM 具 有 高 分 辨 率, 能 够 获 得 表 面 三 维 图 像, 可 工 作 在 大 气 真 空 溶 液 环 境 下, 工 作 温 度 可 以 改 变 STM 工 作 时 要 检 测 针 尖 和 样 品 之 间 隧 道 电 流 的 变 化, 因 此 它 只 能 直 接 观 察 导 体 和 半 导 体 的 表 面 结 构, 不 能 在 绝 缘 表 面 工 作 为 了 弥 补 STM 的 这 一 不 足,1986 年 Bining Quate 和 Gerber 发 明 了 第 一 台 原 子 力 显 微 镜 (Atom force microscopy, AFM) [6-10] 原 子 力 显 微 镜 (AFM) 是 继 扫 描 隧 道 显 微 镜 (STM) 之 后 发 明 的 一 种 具 有 原 子 级 高 分 辨 的 新 型 仪 器 它 是 观 察 表 面 形 貌 的 一 种 新 型 扫 描 探 针 显 微 镜 (Scanning Probe Microscopy, SPM), 即 使 用 一 个 尖 锐 的 探 针 在 样 品 表 面 扫 描, 在 扫 描 过 程 中 记 录 探 针 与 样 品 的 相 互 作 用, 从 而 得 到 样 品 的 表 面 信 息 在 AFM 的 基 础 上, 又 相 继 发 明 了 扫 描 扫 到 近 场 光 学 显 微 镜 (SNOM) 摩 擦 力 显 微 镜 (FFM) 等 一 系 列 的 显 微 镜 表 1 给 出 了 扫 描 探 针 显 微 镜 家 族 的 各 显 微 镜 之 间 的 比 较 [2, 5] 作 者 简 介 : 王 中 平 (1976-), 男, 山 东 临 沂 人, 副 教 授, 博 士, 凝 聚 态 物 理 331
表 1 扫 描 探 针 显 微 镜 家 族 成 员 之 比 较 扫 描 探 针 显 微 镜 SPM 名 称 检 测 信 号 分 辨 率 扫 描 隧 道 显 微 镜 (STM) 原 子 力 显 微 镜 (AFM) 探 针 - 样 品 间 的 隧 道 电 流 探 针 - 样 品 间 的 原 子 力 0.1 nm( 原 子 级 分 辨 率 ) 横 向 力 显 微 镜 (LFM) 探 针 - 样 品 间 相 对 运 动 横 向 作 用 力 磁 力 显 微 镜 (MFM) 磁 性 探 针 - 样 品 间 的 磁 力 10 nm 静 电 力 显 微 镜 (EFM) 带 电 荷 探 针 - 带 电 样 品 间 静 电 力 1 nm 近 场 光 学 显 微 镜 (SNOM) 光 探 针 接 收 到 样 品 近 场 的 光 辐 射 100 nm 原 子 力 显 微 镜 不 但 具 有 高 分 辨 率, 能 从 原 子 尺 度 观 察 导 体 和 半 导 体 表 面 的 原 子 形 貌, 而 且 几 乎 可 以 对 所 有 的 表 面 ( 导 体 半 导 体 以 及 绝 缘 体 ) 成 像, 包 含 聚 合 物 陶 瓷 复 合 材 料 玻 璃 和 生 物 样 品, 并 可 以 在 大 气 和 液 体 环 境 下 无 损 伤 地 直 接 观 察 物 体, 对 各 种 材 料 和 样 品 进 行 纳 米 区 域 的 物 质 性 质 包 括 形 貌 进 行 探 测, 现 已 广 泛 应 用 于 半 导 体 纳 米 功 能 材 料 生 物 化 工 食 品 医 药 等 研 究 领 域, 成 为 科 学 研 究 的 基 本 工 具, 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 和 强 大 的 生 [2-5, 命 力 11-14] AFM 是 以 STM 基 本 原 理 发 展 起 来 的 扫 描 探 针 显 微 镜 AFM 扫 描 能 提 供 各 种 类 型 样 品 的 表 面 状 态 信 息, 其 优 点 是 在 大 气 条 件 下, 以 高 倍 率 观 察 样 品 表 面, 可 用 于 几 乎 所 有 样 品 ( 对 表 面 光 洁 度 有 一 定 要 求 ), 而 不 需 要 进 行 其 他 制 样 处 理, 就 可 以 得 到 样 品 表 面 的 三 维 形 貌 图 像 并 可 对 扫 描 所 得 的 三 维 形 貌 图 像 进 行 粗 糙 度 计 算 厚 度 步 宽 方 框 图 或 颗 粒 度 分 析 结 合 AFM 样 品 制 备 技 术 与 AFM 表 征 技 术 的 近 代 物 理 实 验, 融 入 研 究 性 实 验 的 各 个 环 节, 采 用 不 同 组 别 的 学 生 制 备 不 同 类 型 的 样 品, 利 用 AFM 进 行 表 面 形 貌 的 表 征, 再 结 合 实 验 结 果 进 行 课 堂 讨 论, 让 学 生 掌 握 AFM 的 基 本 原 理 的 同 时, 掌 握 了 样 品 制 备 技 术 和 学 习 了 AFM 测 试 表 征 的 表 面 状 态 信 息 2 实 验 原 理 AFM 是 一 种 以 物 理 学 原 理 为 基 础, 通 过 扫 描 探 针 与 样 品 表 面 原 子 的 相 互 作 用 而 成 像 的 新 型 表 面 分 析 仪 器 AFM 与 STM 最 大 的 差 别 在 于 并 非 利 用 电 子 隧 道 效 应, 而 是 利 用 原 子 之 间 的 范 德 华 力 的 作 用 来 呈 现 样 品 的 表 面 特 性 [2] 假 设 两 个 原 子 中, 一 个 处 在 悬 臂 的 探 针 尖 端, 另 一 个 是 在 样 品 的 表 面 原 子, 它 们 之 间 的 范 德 华 作 用 力 会 随 距 离 的 改 变 而 变 化, 其 作 用 力 与 距 离 的 关 系 曲 线 如 图 1 所 示, 当 原 子 与 原 子 相 互 接 近 时, 彼 此 电 子 云 斥 力 的 作 用 大 于 原 子 核 与 电 子 云 之 间 的 吸 引 力 作 用, 所 以 整 个 合 力 表 现 为 斥 力 的 作 用 ; 反 之 若 两 原 子 分 开 有 一 定 距 离 时, 其 电 子 云 斥 力 的 作 用 小 于 彼 此 原 子 核 与 电 子 云 之 间 的 吸 引 力 作 用, 故 整 个 合 力 表 现 为 引 力 的 作 用 利 用 这 个 力 的 性 质, 可 以 让 针 尖 与 样 品 处 于 不 同 的 间 距, 从 而 实 现 AFM 不 同 的 工 作 模 式 如 图 1 的 下 图 (a),(b),( c) 所 示,(a) 接 触 模 式 (contact mode): 探 针 针 尖 始 终 与 样 品 表 面 保 持 紧 密 的 接 触, 而 相 互 作 用 力 表 现 为 排 斥 力 扫 描 时, 悬 臂 施 加 在 针 尖 上 的 力 有 可 能 破 坏 样 品 的 表 面 结 构, 因 此 力 的 大 小 范 围 在 10-10 ~10-6 N 若 样 品 表 面 柔 嫩 而 不 332
能 承 受 这 样 的 力, 便 不 宜 选 用 接 触 模 式 对 样 品 表 面 进 行 成 像 (b) 非 接 触 模 式 ( non-contact mode): 针 尖 距 离 样 品 表 面 上 方 5~10 nm 的 距 离 处 振 荡 样 品 与 针 尖 之 间 的 相 互 作 用 由 范 德 华 力 控 制, 原 子 之 间 表 现 为 吸 引 力, 力 的 大 小 在 10-12 N 左 右, 样 品 不 会 被 破 坏, 而 且 针 尖 也 不 会 被 污 染, 特 别 适 合 于 研 究 柔 嫩 物 体 的 表 面 (c) 轻 敲 模 式 ( tapping mode): 针 尖 和 样 品 的 间 相 距 几 到 十 几 纳 米, 原 子 间 表 现 为 吸 引 力, 针 尖 在 样 品 表 面 上 方 以 其 共 振 频 率 振 荡, 针 尖 仅 仅 是 周 期 性 地 短 暂 地 接 触 或 敲 击 样 品 表 面 这 就 意 味 着 针 尖 接 触 样 品 时 所 产 生 的 侧 向 力 被 明 显 地 减 小 了 因 此 当 检 测 柔 嫩 的 样 品 时,AFM 的 敲 击 模 式 是 最 好 的 选 择 之 一 表 2 清 楚 地 给 出 AFM 的 三 种 扫 描 模 式 ( 接 触 模 式 轻 敲 模 式 非 接 触 模 式 ) 的 相 互 作 用 力 分 辨 率 以 及 对 样 品 的 影 响 的 比 较 在 原 子 力 显 微 镜 的 系 统 中, 是 利 用 微 小 探 针 与 待 测 物 之 间 交 互 作 用 力, 来 呈 现 待 测 物 的 表 面 之 物 理 特 性 针 尖 和 样 品 之 间 的 作 用 力 F 与 微 悬 臂 的 形 变 d 之 间 遵 循 虎 克 定 律 : F kd (1) 式 中,k 代 表 微 悬 臂 的 弹 性 常 数,d 为 微 悬 臂 的 弯 曲 形 变 距 离 图 1 原 子 力 显 微 镜 的 针 尖 - 样 品 间 距 离 与 范 德 华 力 及 工 作 模 式 [(a) 接 触 模 式 ; [1] (b) 非 接 触 模 式 ;(c) 轻 敲 模 式 )] 的 关 系 图 表 2 不 同 扫 描 模 式 的 相 互 作 用 力 分 辨 率 以 及 对 样 品 的 影 响 比 较 项 目 接 触 模 式 非 接 触 模 式 轻 敲 模 式 针 尖 与 样 品 作 用 力 恒 定 变 化 变 化 分 辨 率 最 高 最 低 较 高 对 样 品 影 响 可 能 损 伤 样 品 无 损 伤 无 损 伤 333
图 2 给 出 了 原 子 力 显 微 镜 的 结 构 简 图 它 是 将 一 个 对 微 弱 力 极 敏 感 的 微 悬 臂 一 端 固 定, 另 一 端 有 一 微 小 的 针 尖, 针 尖 与 样 品 的 表 面 轻 轻 接 触 由 于 针 尖 尖 端 原 子 与 样 品 表 面 原 子 间 存 在 极 微 弱 的 排 斥 力, 通 过 扫 描 时 控 制 这 种 力 的 作 用, 使 带 有 针 尖 的 微 悬 臂 对 应 于 针 尖 与 样 品 表 面 原 子 间 作 用 力 的 等 位 面 而 在 垂 直 于 样 品 的 表 面 方 向 起 伏 运 动 测 出 表 面 的 形 貌 利 用 激 光 反 射 检 测 法, 可 以 测 得 微 悬 臂 对 应 于 扫 描 各 点 的 位 置 变 化, 从 而 可 以 获 得 样 品 的 表 面 形 貌 的 信 息 AFM 的 关 键 组 成 部 分 是 一 个 头 上 带 有 一 个 用 来 扫 描 样 品 表 面 的 尖 细 探 针 的 微 小 悬 臂 (cantilever) 这 种 悬 臂 大 小 在 数 十 至 数 百 微 米, 通 常 由 硅 或 者 氮 化 硅 构 成, 其 上 载 有 探 针, 探 针 之 尖 端 的 曲 率 半 径 则 在 纳 米 量 级 当 探 针 被 放 置 到 样 品 表 面 附 近 的 地 方 时, 悬 臂 上 的 探 针 头 会 因 为 受 到 样 品 表 面 的 力 而 遵 从 胡 克 定 律 弯 曲 偏 移 激 光 二 极 管 的 光 线 聚 焦 在 悬 臂 的 背 面 上 当 悬 臂 在 力 的 作 用 下 弯 曲 时, 反 射 光 产 生 偏 转, 使 用 位 敏 光 电 检 测 器 偏 转 角 然 后 通 过 计 算 机 对 采 集 到 的 数 据 进 行 处 理, 从 而 得 到 样 品 表 面 的 三 维 图 像 完 整 的 悬 臂 探 针, 置 放 于 在 受 压 电 陶 瓷 扫 描 器 控 制 的 样 品 表 面, 在 三 个 方 向 上 以 精 度 水 平 0.1 nm 或 更 小 的 步 宽 进 行 扫 描 [11-16] 当 在 样 品 表 面 详 细 扫 绘 (XY 轴 ) 时, 悬 臂 的 位 移 反 馈 控 制 的 Z 轴 作 用 下 保 存 固 定 不 变 以 对 扫 描 反 应 是 反 馈 的 Z 轴 值 被 输 入 计 算 机 处 理, 得 出 样 品 表 面 的 观 察 图 像 (3D 图 像 ) 3 实 验 装 置 和 方 法 [1] 图 2 原 子 力 显 微 镜 结 构 简 图 用 于 实 验 教 学 使 用 的 原 子 力 显 微 镜 有 两 种 型 号 : 分 别 为 国 产 的 扫 描 探 针 显 微 镜 系 统 ( 广 州 本 原,CSPM5500 型 ) 和 进 口 原 子 力 显 微 镜 ( 日 本 精 工,Nanocute II) 其 中 国 产 的 CSPM 型 扫 描 探 针 显 微 镜 可 以 作 为 扫 描 隧 道 显 微 镜 (STM, 横 向 0.1 nm, 垂 直 0.01nm) 教 学 科 研 实 验 使 用 ; 也 可 以 作 为 原 子 力 显 微 镜 (AFM, 横 向 0.2nm, 垂 直 0.1nm) 教 学 实 验 科 研 使 用 轻 敲 模 式 的 探 针 购 买 自 BudgetSensors, 悬 臂 弹 性 系 数 40 N/m, 共 振 频 率 300 khz 样 品 在 室 温 下 以 轻 敲 模 式 在 空 气 中 成 像 所 有 图 像 采 集 的 扫 描 频 率 为 1 Hz 金 属 铝 薄 膜 样 品 制 备 采 用 磁 控 溅 射 法 制 备 ( 北 京 泰 科 诺 科 技 有 限 公 司 的 高 真 空 磁 控 溅 射 镀 膜 机 JCP-350M3) 聚 苯 乙 烯 微 球 粒 度 标 准 物 质 (350 nm 和 60 nm) 采 购 自 中 国 石 油 大 学 334
( 北 京 ) 标 准 化 研 究 室 DNA 分 散 到 云 母 片 上 的 样 品 采 用 直 接 稀 释 分 散 处 理 和 冰 水 冷 却 结 合 的 方 法 4 分 析 讨 论 图 3 给 出 了 通 过 磁 控 溅 射 方 法 控 制 时 间 沉 积 的 不 同 厚 度 的 金 属 铝 薄 膜 的 AFM 图 像, 图 中 (a) 的 沉 积 薄 膜 厚 度 为 20 nm, 图 (a) 正 下 方 对 应 的 是 其 三 维 图 像 ; 图 中 (b) 的 沉 积 薄 膜 厚 度 为 10 nm, 图 (b) 正 下 方 对 应 的 是 其 三 维 图 像 ; 图 中 (c) 的 沉 积 薄 膜 厚 度 为 5 nm, 图 (b) 正 下 方 对 应 的 是 其 三 维 图 像 由 图 中 可 以 分 析 得 出, 随 着 沉 积 时 间 的 增 加, 沉 积 厚 度 相 应 增 加, 图 (c) 的 金 属 铝 的 纳 米 颗 粒 尺 寸 较 小, 大 概 7-10 nm 左 右, 表 面 起 伏 较 大, 均 匀 性 较 差, 图 (b) 的 纳 米 颗 粒 尺 寸 增 加 到 10-15 nm 左 右, 表 面 粗 糙 度 仍 然 很 大, 均 匀 性 差, 图 (a) 的 纳 米 颗 粒 尺 寸 增 加 到 15-20 nm 左 右, 颗 粒 的 均 匀 性 较 好 从 图 中 可 以 得 出, 通 过 AFM 图 像, 可 以 直 观 的 得 出 表 面 的 纳 米 颗 粒 的 尺 寸 大 小 颗 粒 均 匀 分 布 情 况 以 及 表 面 粗 糙 程 度 根 据 不 同 沉 积 时 间 或 沉 积 厚 度 的 控 制, 通 过 AFM 图 像 的 扫 描 观 察, 可 以 确 定 所 制 备 的 薄 膜 的 沉 积 的 具 体 工 艺 参 数, 可 以 更 好 的 控 制 薄 膜 的 质 量 这 样 学 生 既 学 习 了 薄 膜 样 品 制 备 的 技 术 手 段, 同 时 也 掌 握 关 于 薄 膜 材 料 的 表 面 表 征 的 方 法 图 3 沉 积 在 硅 衬 底 上 的 金 属 铝 薄 膜 的 原 子 力 显 微 镜 (Nanocute II) 扫 描 图 像,(a) 厚 度 20 nm; (b) 厚 度 10 nm;( c) 厚 度 5 nm 图 4 给 出 了 国 家 级 标 准 物 质 聚 苯 乙 烯 微 米 纳 米 球 颗 粒 的 AFM 图 像, 图 中 (a) 为 350 nm 的 聚 苯 乙 烯 微 球 的 AFM 图 像 和 图 中 (b) 为 60 nm 聚 苯 乙 烯 纳 米 球 而 标 准 物 质 reference material(rm) 是 一 种 已 经 确 定 了 具 有 一 个 或 多 个 足 够 均 匀 的 特 性 值 的 物 质 或 材 料, 作 为 分 析 测 量 行 业 中 的 量 具 ", 在 校 准 测 量 仪 器 和 装 置 评 价 测 量 分 析 方 法 测 量 物 质 或 材 料 特 性 值 和 考 核 分 析 人 员 的 操 作 技 术 水 平, 以 及 在 生 产 过 程 中 产 品 的 质 量 控 制 等 领 域 起 着 不 可 或 缺 的 作 用 通 过 利 用 原 子 力 显 微 镜 表 征 单 分 散 的 标 准 物 质, 可 以 由 已 知 的 标 准 物 质 的 颗 粒 尺 寸, 对 原 子 力 显 微 镜 扫 描 图 像 的 标 度 进 行 标 定, 保 证 测 量 结 果 的 准 确 性 图 中 给 出 的 350 nm 的 标 准 物 质 的 粒 径 均 匀 性 非 常 好, 但 是 60 nm 的 标 准 物 质 的 粒 径 均 匀 性 就 相 对 较 差, 这 就 说 明 在 制 备 标 准 物 质 时 粒 径 越 小, 其 均 匀 性 就 越 难 保 证, 其 不 确 定 度 就 会 增 大 通 过 这 个 实 验 让 335
学 生 掌 握 如 何 确 定 扫 描 图 像 的 标 度 的 准 确 性, 以 及 学 会 正 确 操 作 使 用 原 子 力 显 微 镜 图 4 标 准 物 质 的 原 子 力 显 微 镜 (Nanocute II) 扫 描 图 像,(a)350 nm 的 聚 苯 乙 烯 微 球 和 (b)60 nm 聚 苯 乙 烯 纳 米 球 AFM 对 生 物 材 料 样 品 制 备 有 一 定 的 要 求, 包 括 : 表 面 平 整, 高 度 起 伏 10μm, 衬 底 表 面 具 有 一 定 的 硬 度 且 表 面 平 滑, 如 用 新 鲜 解 离 的 云 母 片 等, 样 品 在 基 底 表 面 要 求 相 对 均 匀 分 散 氮 气 展 平, 吹 干 固 定 好 的 样 品 置 于 AFM 的 扫 描 器 上, 即 可 进 行 生 物 大 分 子 表 面 形 态 结 构 的 成 像 观 测 图 5 给 出 了 双 螺 旋 结 构 的 DNA 扭 转 形 成 DNA 超 螺 旋 结 构 的 三 级 结 构 的 AFM 图 像 相 当 于 其 三 级 结 构 图 6 给 出 了 DNA 分 子 伸 展 状 态 的 AFM 图 像, 内 插 图 给 出 了 局 部 选 择 放 大 得 到 的 DNA 分 子 的 精 细 结 构 的 AFM 图 像, 其 单 节 点 的 尺 寸 在 30 nm 左 右 采 用 滴 加 Ni 2+ 在 云 母 片 上 来 固 定 与 展 开 DNA 分 子, 在 一 定 程 度 上 能 破 坏 DNA 超 螺 旋 结 构, 便 于 DNA 分 子 的 舒 展, 有 利 于 成 像 该 实 验 既 能 让 学 生 掌 握 原 子 力 显 微 镜 的 原 理 和 使 用 方 法, 同 时 学 习 一 些 基 本 的 生 物 样 品 制 备 方 法, 以 及 如 何 利 用 原 子 力 显 微 镜 表 征 生 物 样 品 利 用 原 子 力 显 微 镜 在 不 同 的 工 作 模 式, 不 同 的 环 境 下 可 以 得 到 生 物 样 品 的 表 面 形 貌, 表 面 特 性 以 及 动 力 学 过 程 等 信 息 通 过 不 同 组 的 学 生 对 不 同 样 品 的 制 备 和 原 子 力 显 微 镜 扫 描 观 察, 各 组 的 学 生 都 有 各 自 对 原 子 力 显 微 镜 的 测 试 表 征 的 认 识 以 及 相 关 样 品 的 制 备 知 识, 以 各 自 的 实 验 结 果 为 基 础, 进 行 相 互 讨 论, 加 深 学 生 对 原 子 力 显 微 镜 的 基 本 原 理 和 操 作 的 理 解 和 掌 握, 同 时 学 习 不 同 样 品 的 制 备 技 术 和 方 法 把 实 验 教 学 与 实 验 技 能 实 验 知 识 贯 穿 起 来, 活 跃 课 堂 教 学 氛 围, 充 分 调 动 学 生 的 学 习 兴 趣 和 爱 好, 并 体 现 在 整 个 教 学 的 各 个 环 节 中 去 336
图 5 分 散 在 云 母 片 上 的 DNA 的 原 子 力 显 微 镜 (CSPM5500) 扫 描 图 像 图 6 分 散 在 云 母 片 上 的 伸 展 开 来 的 DNA 样 品 的 原 子 力 显 微 镜 (CSPM5500) 扫 描 图 像 ( 内 插 图 为 选 定 区 域 的 原 子 力 显 微 镜 扫 描 图 像 ) 337
5 结 束 语 原 子 力 显 微 镜 几 乎 可 以 对 所 有 的 物 体 进 行 研 究, 其 具 有 原 子 级 高 分 辨 率, 可 以 观 察 单 个 原 子 层 的 局 部 表 面 结 构, 因 而 可 直 接 观 察 到 表 面 缺 陷, 表 面 重 构 表 面 吸 附 体 的 形 态 和 位 置 等, 可 实 时 得 到 实 空 间 中 样 品 表 面 的 三 维 图 像, 这 种 可 实 时 观 察 的 性 能 可 用 于 表 面 扩 散 等 动 态 过 程 的 研 究 近 年 来, 随 着 科 学 技 术 的 不 断 改 进 和 发 展, 许 多 新 型 原 子 力 显 微 镜 工 作 模 式 不 断 涌 现, 与 其 他 技 术 ( 如 拉 曼 光 谱 等 光 学 技 术 ) 联 用, 将 会 进 一 步 拓 展 在 各 学 科 的 应 用, AFM 的 功 能 以 及 应 用 范 围 也 将 不 断 的 扩 大 和 深 入, 必 将 推 动 科 学 技 术 的 巨 大 进 步 在 大 学 物 理 实 验 教 学 中, 先 后 面 向 本 科 生 开 设 扫 描 隧 道 显 微 镜 实 验 和 原 子 力 显 微 镜 实 验, 在 把 近 代 物 理 实 验 技 术 引 进 实 验 教 学 课 堂 的 同 时, 使 用 现 代 化 的 实 验 教 学 方 法 优 化 实 验 教 学 模 式, 加 以 拓 宽 学 生 的 知 识 层 面, 使 学 生 在 课 堂 上 所 学 的 理 论 知 识 和 实 验 中 观 察 的 现 象 有 机 结 合 在 一 起, 从 而 激 发 学 生 对 研 究 性 实 验 学 习 的 兴 趣, 提 高 了 对 理 论 知 识 探 究 的 积 极 性, 为 学 生 发 挥 创 造 性 思 维 奠 定 了 基 础 参 考 文 献 : [1] 严 隽 珏 扫 描 隧 道 显 微 镜 [J] 物 理 实 验,1989,9(4): 177-179 [2] 彭 昌 盛, 宋 少 先, 谷 庆 宝 扫 描 探 针 显 微 技 术 理 论 与 应 用 [M] 北 京 : 化 学 工 业 出 版 社, 2007 [3] 冉 诗 勇, 王 艳 伟, 杨 光 参 原 子 力 显 微 镜 扫 描 成 像 DNA 分 子 [J] 物 理 实 验,2011,31 (11): 1-4 [4] 白 春 礼 扫 描 隧 道 显 微 术 及 其 应 用 [M] 上 海 : 上 海 科 技 出 版 社,1992 [5] 白 春 礼, 田 芳, 罗 克 扫 描 力 显 微 镜 [M] 北 京 : 科 学 出 版 社,2000 [6] 杨 旭 刚, 杨 潇 原 子 力 显 微 术 及 其 应 用 [M] 北 京 : 化 学 工 业 出 版 社,2012 [7] 蔡 德 斌, 刘 方 新, 谢 宁, 等 STM 教 学 实 验 样 品 的 拓 展 [J] 物 理 实 验,2007,27(6): 11-13 [8] 熊 正 烨, 丘 翠 环, 张 鸿, 等 用 扫 描 隧 道 显 微 镜 (STM) 观 察 纳 米 粉 体 的 形 貌 [J] 物 理 实 验,1999,20(6): 3-5 [9] 冉 诗 勇, 王 艳 伟, 杨 光 参 DNA 分 子 力 学 性 质 的 测 量 [J] 物 理 实 验,2011,31(7): 1-4 [10] 白 春 礼 原 子 力 显 微 镜 的 研 制 和 应 用 [J] 中 国 科 学 院 院 刊,1990,4:340-343 [11] 马 孜, 吕 百 达, 肖 琦, 等 光 学 薄 膜 表 面 形 貌 的 原 子 力 显 微 镜 观 察 [J] 电 子 显 微 学 报, 2000,19(5): 704-708 [12] 王 中 平, 张 权, 朱 玲, 等 CCD 成 像 辅 助 激 光 散 斑 实 验 [J] 物 理 实 验,2010,30(10): 11-14 [13] 王 琦, 周 肇 伟 扫 描 隧 道 效 应 显 微 镜 的 发 展 [J] 物 理 实 验,1988,8(8): 136-138 [14] 王 中 平, 张 权, 朱 玲, 等 激 光 散 斑 照 相 法 测 量 压 电 陶 瓷 管 的 电 压 响 应 位 移 特 性 [J] 物 理 实 验,2013,33(3): 39-42 [15] 谷 坤 明, 汤 皎 宁, 李 冀, 等 扫 描 探 针 显 微 镜 应 用 于 材 料 纳 米 摩 擦 学 研 究 的 若 干 技 术 问 题 [J] 物 理 实 验,2007,27(2): 11-15 [16] 林 璋, 王 琛, 冯 喜 增, 白 春 礼 亚 精 胺 诱 导 DNA 凝 聚 的 有 序 性 的 AFM 研 究 [J] 电 子 显 微 学 报,1999,18(1): 106-110 338
The Experimental Teaching Study Aimed at Different kinds of Samples by Atom Force Microscopy WANG Zhong-ping, XIE Ning, HU Yong, ZHANG Zeng-ming, SUN La-zhen (Physics Experiment Teaching Center, School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China) Abstract: The students in different groups perform the experiments of atom force microscopy using different kinds of samples including metal or metal oxide optical thin film samples deposited on silicon substrate by magnetron sputtering, the reference materials sample dispersed on surface of silicon substrate, DNA or biological samples dispersion on mica surface etc at the same time. The different groups obtain different types of sample image by atom force microscopy with at room temperature by tapping mode or contact mode, and then they compare the experimental results and discuss each other, further study and master the characterization of atomic force microscopy. The experiment combines the technology of modern sample preparation, standardization of knowledge as well as the biological sample preparation methods and the characterization of modern testing means, its content is arranged reasonably, advanced, suitable for development of cognitive field of students, research experiment teaching for undergraduates. Key words: Atom force microscopy; Reference material; Metal thin film; DNA 339
利 用 有 限 元 法 模 拟 MIM 波 导 的 光 传 输 特 性 陈 宗 强, 刘 丽 军, 陈 靖, 孙 骞 ( 南 开 大 学 物 理 科 学 学 院 实 验 中 心, 天 津 300071) 摘 要 : 利 用 有 限 元 法 模 拟 金 属 - 绝 缘 体 - 金 属 (MIM) 波 导 的 光 传 输 性 质, 研 究 了 MIM 波 导 中 加 入 矩 形 谐 振 腔 后 的 不 同 表 面 等 离 基 元 模 式 间 的 干 涉 特 性 结 果 表 明 : 通 过 在 MIM 波 导 中 引 入 矩 形 腔 可 以 调 控 透 射 光 的 波 型, 实 现 纳 米 尺 度 上 的 高 度 灵 敏 光 学 折 射 率 传 感 器 关 键 词 : 表 面 等 离 基 元 ; 有 限 元 法 ; 传 感 器 1 引 言 纳 米 光 子 学 通 常 是 指 研 究 结 构 在 亚 微 米 尺 度 ( 特 别 在 小 于 100nm 尺 度 ) 下, 光 子 与 物 质 或 者 器 件 相 互 作 用 的 科 学 表 面 等 离 激 元 (Surface plasmon polaritons, SPPs) 是 在 介 电 常 数 符 号 相 反 的 两 种 介 质 面 ( 通 常 用 金 属 与 绝 缘 体 ) 上 存 在 的 一 种 电 磁 表 面 波 的 模 式, 可 以 打 破 衍 射 极 限 的 限 制 在 适 当 的 金 属 与 介 质 组 成 的 光 波 导 结 构 中, 光 可 以 被 束 缚 在 亚 波 长 的 尺 度 之 下 因 此, 利 用 金 属 与 介 电 界 面 上 的 表 面 等 离 基 元 可 以 制 作 高 度 集 成 的 纳 米 器 件 目 前, 对 表 面 等 离 激 元 的 研 究 已 经 被 称 为 表 面 等 离 子 体 学 (Plasmonics), 是 当 前 纳 米 光 子 学 的 主 要 分 支 之 一 金 属 - 绝 缘 体 - 金 属 (metal-insulator-metal, MIM) 结 构 是 一 种 典 型 的 表 面 等 离 激 元 波 导, 利 用 这 种 波 导 结 构 的 特 性, 人 们 已 经 在 理 论 或 实 验 中 设 计 了 多 种 表 面 等 离 激 元 光 学 器 件 [1] 我 们 知 道, 真 空 中 光 的 速 度 为 3 108m/s, 远 远 高 于 自 由 电 子 的 速 率, 所 以 用 光 子 进 行 通 讯, 可 以 极 大 地 提 高 通 信 的 效 率 为 了 满 足 人 们 日 益 增 长 的 对 信 息 处 理 的 需 求, 集 成 光 路 替 代 现 有 的 集 成 电 路 是 一 种 可 行 的 办 法 这 需 要 人 们 可 以 像 控 制 电 子 一 样 操 控 光 子, 并 在 微 小 尺 度 下 制 作 出 各 种 性 能 的 光 学 器 件, 以 实 现 微 型 化 高 密 度 的 集 成 光 路, 随 着 科 技 的 进 步, 以 前 纳 米 技 术 领 域 中 只 能 进 行 理 论 研 究 的 光 子 学 的 一 些 原 理 与 器 件, 现 在 可 以 进 行 设 计 与 制 作 随 着 计 算 机 的 广 泛 应 用 以 及 计 算 功 能 的 强 大, 人 们 可 以 在 这 些 设 备 制 造 之 前, 将 这 些 纳 米 光 子 学 器 件 进 行 精 确 的 设 计 基 于 变 分 原 理 的 有 限 元 法 是 研 究 纳 米 光 子 学 的 强 大 工 具, 在 目 前 的 大 学 物 理 试 验 中, 并 没 有 关 于 设 置 MIM 波 导 中 光 传 输 的 相 关 实 验 在 当 今 的 科 技 前 沿 里, 纳 米 光 子 学 是 热 点 之 一, 我 们 的 想 法 是 将 本 单 位 的 科 研 成 果 转 化 成 以 研 究 性 为 目 的 实 验 教 学 将 大 学 物 理 实 验 与 科 技 前 沿 相 结 合, 有 利 于 培 养 学 生 的 创 新 能 力, 开 阔 学 生 的 视 野, 锻 炼 学 生 的 科 研 技 能 等 综 合 素 质 2 基 本 原 理 如 图 1(a), MIM 波 导 是 结 构 的 三 层 平 板 光 波 导 [2,3] 在 这 种 波 导 中, 表 面 等 离 激 元 的 光 场 能 很 好 地 束 缚 在 介 质 层 里, 从 而 打 破 衍 射 极 限 在 一 定 波 长 下, 当 介 质 层 厚 度 大 于 表 面 等 离 基 元 基 模 所 支 持 的 最 小 厚 度 时, 会 产 生 高 阶 模 式, 波 导 对 光 的 束 缚 能 力 变 差 ; 当 介 质 层 比 较 薄 ( 仅 支 持 表 面 等 离 激 元 的 基 模 ) 时, 波 导 对 光 的 束 缚 能 力 可 达 到 深 亚 波 长 的 尺 寸, 光 基 金 资 助 : 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 ( 新 教 师 类 )(No. 20110031120005); 国 家 基 础 科 学 人 才 培 养 基 金 (No.J1103208,No.J1210027) 作 者 简 介 : 陈 宗 强 (1986-), 男, 山 东 省 平 邑 县 人, 南 开 大 学 物 理 科 学 学 院 教 师, 博 士, 研 究 方 向 为 : 纳 米 光 子 学 340
斑 比 较 小 如 在 波 长 为 1550nm, 波 导 宽 度 为 50nm, 传 输 距 离 约 在 百 微 米 量 级, 而 光 斑 尺 寸 小 于 100nm 这 种 波 导 只 支 持 表 面 等 离 激 元 的 横 磁 波 (TM) 模 式, 基 模 的 磁 场 分 量 如 图 1 (b) 所 示 这 种 波 导 结 构 已 经 满 足 微 纳 光 子 集 成 的 需 要, 并 且 由 于 其 弯 曲 损 耗 也 比 较 小, 被 广 泛 的 应 用 于 纳 米 光 子 学 器 件 的 研 究 金 属 的 介 电 常 数 可 以 用 Drude 模 型 描 述 : 其 中, p 2 p ( ). 2 i (1) 为 金 属 的 等 离 子 体 频 率, 金 属 的 碰 撞 频 率 用 表 示, 用 来 表 征 材 料 的 损 耗, 描 述 电 子 带 件 跃 迁 引 起 的 介 电 常 数 常 用 的 贵 金 属 采 用 的 银, 银 的 各 个 参 数 分 别 为 =3.7, p =9.1eV, =18MeV [4] 图 1 (a) MIM 波 导 结 构 示 意 图,(b) MIM 波 导 中 支 持 基 模 的 磁 场 Hz 分 量 共 振 现 象 是 经 典 力 学 与 量 子 力 学 的 一 个 普 遍 特 征 在 光 与 物 质 的 相 互 作 用 中, 有 一 类 共 振 对 频 率 的 依 赖 性 可 以 用 Lorentzian 公 式 来 表 示 : 2 T( ). (2) 2 2 ( ) 0 式 中 γ 表 示 共 振 的 宽 度,ω 0 表 示 共 振 的 位 置 由 于 这 种 共 振 只 是 强 度 之 和 的 简 单 叠 加, 因 此 它 的 谱 线 是 对 称 的 最 早 观 察 到 非 对 称 线 型 的 现 象 要 追 溯 到 1902 年 发 现 的 Wood 异 常 [5] 1935 年 Beutler 在 Rydberg 的 原 子 谱 线 中 也 发 现 了 非 对 称 的 线 型 [6] 后 来,Fano 基 于 量 子 干 涉 理 论 提 出 了 著 名 的 Beutler-Fano 公 式, 从 理 论 上 完 美 的 解 释 了 这 一 现 象 Fano 指 出 从 基 态 自 离 子 化 到 分 立 态 的 跃 迁 模 式 与 从 基 态 到 连 续 态 的 跃 迁 模 式 发 生 的 干 涉, 导 致 了 这 种 非 对 称 的 线 型 [7,8] 关 于 Fano 共 振 的 微 观 机 制, 通 常 解 释 为 孤 立 态 与 连 续 态 之 间 发 生 的 干 涉 与 耦 合, 由 此 引 发 的 相 消 或 者 相 长 与 公 式 (2) 相 比,Fano 共 振 对 频 率 的 依 赖 性 可 以 表 示 为 [8] : ( F ) T( ) ( ) 2 0 2 2 0. (3) 其 中,F 是 所 谓 的 Fano 系 数, 用 来 衡 量 谱 线 的 非 对 称 度 产 生 的 机 制 是 由 在 孤 立 态 的 共 振 位 置 两 侧 的 相 位 是 相 反 的, 所 以 当 孤 立 态 与 连 续 态 ( 或 者 宽 谱 ) 发 生 耦 合 与 干 涉 的 时 候, 会 341
产 生 相 干 相 长 与 相 干 相 消, 从 而 产 生 不 对 称 的 陡 峭 线 型 在 现 代 光 信 息 处 理 的 领 域, 特 别 是 纳 米 光 子 学 器 件 与 集 成 光 路 的 研 究 中, 理 论 分 析 和 数 值 模 拟 是 加 快 设 计 过 程 与 降 低 开 发 成 本 的 一 个 有 效 的 手 段 分 析 计 算 求 解 实 际 物 理 环 境 中 的 麦 克 斯 韦 方 程 组 边 值 问 题, 通 常 只 有 一 些 经 典 的 问 题 有 解 析 解 由 于 实 际 环 境 的 复 杂 性, 往 往 需 要 数 值 解 来 研 究 在 实 际 环 境 下 的 电 磁 波 的 特 性 随 着 计 算 机 技 术 的 迅 速 发 展, 有 限 元 法 (Finite Element method,fem) 是 数 值 计 算 中 一 中 很 重 要 的 方 法, 近 年 来 被 越 来 越 多 的 研 究 人 员 所 利 用 其 核 心 思 想 是, 以 变 分 原 理 为 基 础, 把 实 际 中 需 要 求 解 的 电 磁 场 的 Maxwell 方 程 组 微 分 方 程 转 化 为 相 应 的 变 分 问 题, 即 泛 函 求 极 值 问 题 需 要 把 要 分 析 的 区 域 划 分 为 许 多 三 角 形 ( 每 个 三 角 形 成 为 一 个 基 元 ), 每 个 基 元 内 的 场 用 多 项 式 来 表 达, 然 后 加 入 不 同 基 元 间 场 的 连 续 条 件, 就 可 得 到 整 个 横 截 面 的 场 分 布 有 限 元 法 的 计 算 步 骤 主 要 分 为 以 下 : 1) 确 定 实 际 问 题 所 定 义 的 区 域 激 励 和 边 界 条 件, 根 据 具 体 情 况 决 定 问 题 的 描 述 方 程 2) 对 整 个 区 域 离 散 化, 即 将 区 域 用 节 点 和 有 限 元 ( 二 维 中 通 常 为 三 角 形 或 者 矩 形 单 元, 三 维 中 通 常 为 四 面 体 或 者 长 方 体 ) 表 示 3) 对 于 有 限 元 依 次 进 行 局 部 处 理, 即 根 据 特 殊 的 函 数 求 得 某 个 有 限 元 局 部 激 励 矩 阵 和 局 部 系 数 矩 阵 4) 将 某 个 单 元 的 局 部 激 励 矩 阵 和 局 部 系 数 矩 阵 的 各 个 元 素 相 加, 代 入 到 整 体 激 励 矩 阵 和 整 体 系 数 矩 阵 中, 从 而 形 成 求 解 节 点 势 函 数 数 值 的 矩 阵 方 程 5) 对 如 此 形 成 的 矩 阵 方 程 用 线 性 代 数 的 方 法 加 以 求 解, 便 能 得 到 各 个 节 点 的 势 函 数 值 6) 利 用 有 限 元 法 的 势 函 数 分 布 进 行 后 处 理 有 限 元 计 算 是 一 个 比 较 复 杂 与 费 时 的 过 程, 本 实 验 用 到 的 是 有 限 元 的 商 用 软 件 COMSOL Multiphysics 4.3a 的 版 本, 给 研 究 人 员 以 很 大 的 方 便, 使 得 大 家 从 编 程 和 数 据 图 像 处 理 中 解 放 出 来, 将 更 多 的 时 间 和 精 力 放 在 改 进 算 法 与 解 决 实 际 问 题 中 去 3 数 值 模 拟 计 算 利 用 有 限 元 法 研 究 二 维 MIM 波 导 结 构 如 图 2 波 导 的 宽 度 为 D, 矩 形 腔 的 长 度 为 L, 高 度 为 H 整 个 结 构 是 上 下 对 称 的 介 电 材 料 选 取 的 是 水, 金 属 选 取 的 是 银 入 射 光 从 图 2 中 左 边 入 射, 光 从 右 边 出 射, 为 了 激 发 表 面 等 离 基 元, 入 射 光 选 取 的 是 TM 模 式 的 平 面 波 图 2 MIM 波 导 与 矩 形 腔 的 耦 合 结 构 示 意 图 图 3 是 利 用 有 限 元 法 计 算 的 图 2 对 称 结 构 ( 参 数 取 D=50nm,L=220nm,H=760nm) 的 透 射 谱 线 由 于 TM 模 式 的 电 磁 波 磁 场 只 有 z 方 向 的 分 量, 我 们 这 里 定 义 透 射 率 T: 342
2 2 z, out / z, in T H H. (4) 这 里, Hz,in 和 Hz,out 分 别 为 入 射 光 与 出 射 光 的 磁 场 模 的 强 度 这 个 谱 线 是 个 典 型 的 Fano 共 振 谱 线, 包 含 一 个 极 大 值 点 (i=736nm) 与 一 个 极 小 值 点 (i=727nm) 其 中, 最 大 值 点 与 最 小 值 点 的 波 长 差 别 仅 有 9nm 图 3(b) 展 示 了 Fano 共 振 谱 线 中 最 大 值 点 与 最 小 值 点 的 磁 场 模 的 分 布 (a)fano 共 振 的 透 射 谱 线 ;(b) 谱 线 的 透 射 i=727nm 以 及 i=736nm 处 的 磁 场 模 的 分 布 图 3 Fano 共 振 的 透 射 谱 线 与 场 分 布 图 4 给 出 了 金 属 矩 形 腔 的 尺 寸 的 变 化 对 Fano 共 振 的 透 射 谱 线 的 影 响 图 4(a) 代 表 当 H 固 定 为 760nm,L 分 别 为 220nm,225nm 以 及 230nm 时,Fano 共 振 峰 的 变 化 这 说 明, 在 L 变 化 较 小 时, 共 振 峰 位 置 会 发 生 变 化, 并 且 峰 位 的 移 动 是 线 性 变 化 的 图 4(b) 则 代 表 当 L 固 定 为 760nm,H 分 别 为 500nm,600nm 以 及 760nm 时,Fano 共 振 峰 的 变 化 与 仅 改 变 L 不 同,H 对 Fano 共 振 的 谱 线 的 影 响 比 较 大 图 中 宽 谱 共 振 的 峰 位 改 变 的 很 大, 窄 谱 共 振 峰 位 几 乎 不 变 当 宽 谱 共 振 的 峰 位 等 于 窄 谱 共 振 峰 位 时, 透 射 谱 线 出 现 了 类 EIT 的 谷 ( 对 应 图 中 H=500nm); 当 宽 谱 共 振 峰 位 远 离 窄 谱 共 振 峰 位 时, 透 射 谱 线 出 现 了 一 个 陡 峭 的 下 降 ( 对 应 图 中 H=600nm); 当 宽 谱 共 振 峰 位 进 一 步 远 离 窄 谱 共 振 峰 位 时, 透 射 谱 线 出 现 了 一 个 极 大 值 与 极 小 值 ( 对 应 图 中 H=760nm) 出 现 不 同 谱 线 的 物 理 机 制 是 宽 谱 共 振 模 式 与 窄 谱 共 振 模 式 的 干 涉 与 耦 合, 出 现 类 EIT 的 谷 的 原 因 归 因 于 法 珀 腔 谐 振 子 [9] (a) 固 定 H=760nm 下,L 的 影 响 ;(b) 固 定 L=760nm 下,H 的 影 响 图 4 矩 形 腔 的 尺 寸 对 Fano 共 振 的 透 射 谱 线 的 影 响 343
我 们 利 用 了 MIM 波 导 与 金 属 矩 形 谐 振 腔 直 接 耦 合 激 发 的 方 式, 在 矩 形 谐 振 腔 中 激 发 出 宽 谱 共 振 模 式 与 窄 谱 共 振 模 式, 通 过 这 两 种 模 式 的 干 涉 与 耦 合, 实 现 了 Fano 共 振 通 常 把 能 收 集 测 量 并 传 递 信 息 的 器 件 称 为 传 感 器 由 于 这 种 结 构 的 共 振 谱 线 对 其 填 充 介 质 有 敏 感 的 依 赖 关 系, 并 且 由 于 Fano 共 振 独 特 的 陡 峭 线 型, 下 面 我 们 研 究 这 种 结 构 在 折 射 率 传 感 器 上 的 应 用 纳 米 传 感 器 对 折 射 率 的 灵 敏 度 (sensitivity), 这 里 我 们 表 示 为 S λ 纳 米 传 感 器 的 灵 敏 度 的 单 位 是 nm/riu, 它 表 示 每 改 变 1 个 单 位 的 折 射 率 共 振 峰 位 改 变 的 大 小 图 5(a) 表 示 的 是 矩 形 腔 中 填 充 改 变 介 质 0.01 折 射 率 单 位 的 频 谱 响 应, 图 5(b) 的 斜 率 代 表 灵 敏 度, 它 是 线 性 变 化 的 我 们 所 提 出 的 纳 米 传 感 器 灵 敏 度 约 为 530nm/RIU 图 5(a) 矩 形 腔 中 填 充 不 同 折 射 率 的 介 质 的 频 谱 响 应 ;(b) 共 振 峰 位 与 折 射 率 变 化 的 线 性 关 系 4 结 束 语 本 实 验 利 用 有 限 元 法 模 拟 MIM 波 导 的 光 传 输 性 质, 研 究 了 MIM 波 导 中 引 入 矩 形 谐 振 腔 后 的 不 同 表 面 等 离 基 元 模 式 间 的 干 涉 特 性 结 果 表 明 : 通 过 在 MIM 波 导 中 引 入 矩 形 腔, 可 以 实 现 窄 带 共 振 模 式 与 宽 带 共 振 模 式 的 耦 合 与 干 涉, 从 而 实 现 Fano 共 振 来 调 控 透 射 光 的 波 型 ; 通 过 Fano 共 振 的 陡 峭 线 型 可 以 实 现 纳 米 尺 度 上 的 高 度 灵 敏 光 学 折 射 率 传 感 器, 传 感 器 的 灵 敏 度 为 530nm/ RIU 学 生 通 过 该 实 验 的 学 习, 可 以 深 刻 理 解 Fano 共 振 干 涉 峰 的 特 点, 并 利 用 Fano 共 振 的 原 理 来 设 计 光 学 折 射 率 传 感 器 这 有 利 于 培 养 学 生 研 究 纳 米 尺 度 下 光 学 微 结 构 方 法, 有 利 于 培 养 学 生 分 析 问 题 解 决 问 题 的 能 力, 有 利 于 培 养 学 生 创 新 能 力 以 及 科 学 思 维 参 考 文 献 : [1] Zalevsky Z. Abdulhalim I. Integrated Nanophotonic Devices [M]. UK: Elsevier, 2010:175-233. [2] Kurokawa Y, Miyazaki H T. Metal-insulator-metal plasmon nanocavities: Analysis of optical properties [J]. Phys Rev B, 2007, 75(3): 035411-1-13. [3] Verhagen E, Dionne J A, Kuipers L, et al. Near-field visualization of strongly confined surface plasmon polaritons in metal-insulator-metal waveguides [J]. Nano Lett, 2008, 8(9): 2925-2929. [4] Zhanghua H, Forsberg E, Sailing H. Surface Plasmon Bragg Gratings Formed in Metal-Insulator-Metal Waveguides [J]. IEEE Photonics Tech L, 2007, 19(2): 91-93. [5] Wood R W. On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating spectrum [J]. Phil Mag, 1902, 4(396): 696-402. [6] Beutler H. Über Absorptionsserien von Argon, Krypton und Xenon zu Termen zwischen den beiden Ionisierungsgrenzen 2 P 2/0 3 und 2 P 2/0 1 [J]. Z Physik, 1935, 93(3-4): 177-196. [7] Fano U. Sullo spettro di assorbimento dei gas nobili presso il limite dello spettro d arco [J]. Nuovo Cim, 1935, 12(3): 154-161 344
[8] Fano U. Effects of Configuration Interaction on Intensities and Phase Shifts [J]. Phys Rev, 1961, 124(6): 1866-1878. [9] Chen Z, Qi J, Chen J, et al. Fano resonance based on multimode interference in metal-insulator-metal waveguide and its application to plasmonic nanosensor [J]. Chin. Phy. Lett., 2013, 30(5): 057301-1-3. Simulation on interference characteristic of metal-insulator-metal structure by finite element method CHEN Zong-qiang, LIU Li-jun, CHEN Jing, SUN Qian (School of Physics, Nankai University, Tianjin 310071, China) Abstract: The interference characteristic of metal-insulator-metal (MIM) structure and the rectangular resonant cavity is simulated by using finite element method. The results show that the line-shape of output light can be modulated in the structure of introduction of a rectangular cavity embedded in MIM waveguide. The highly sensitive optical refractive index sensor can be realized in nano-scale. Key words: Surface plasmon polaritons; finite element method; Sensor 345
钠 原 子 光 谱 漫 线 系 的 研 究 李 斯, 毕 超, 戴 继 福, 冯 洁, 杨 卫 平 ( 云 南 师 范 大 学 a. 物 理 与 电 子 信 息 学 院 b. 国 家 物 理 实 验 教 学 示 范 中 心, 云 南 昆 明 650500) 摘 要 : 本 文 在 对 钠 原 子 光 谱 漫 线 系 进 行 精 确 测 量 的 基 础 上, 较 为 全 面 地 研 究 了 该 线 系 的 一 些 特 点, 如 波 数 波 数 差 固 定 项 量 子 缺 和 该 线 系 双 重 结 构 不 同 成 分 的 强 度 比 等, 特 别 地, 在 计 算 固 定 项 和 量 子 缺 时 运 用 Excel 软 件, 使 繁 杂 的 求 解 过 程 得 到 简 化 通 过 对 钠 原 子 光 谱 漫 线 系 的 研 究, 既 有 利 于 加 深 我 们 对 该 线 系 的 认 识 和 理 解, 又 有 助 于 采 用 相 同 的 方 法 来 学 习 和 研 究 其 他 线 系 关 键 词 : 钠 原 子 ; 光 谱 ; 漫 线 系 1 引 言 光 谱 学 研 究 已 经 有 两 百 多 年 的 历 史, 钠 原 子 光 谱 则 是 物 理 教 学 中 的 重 要 内 容 之 一, 作 为 近 代 物 理 实 验 中 一 个 相 当 重 要 的 实 验, 详 细 分 析 该 实 验 对 学 生 认 识 和 理 解 谱 线 特 点, 特 别 是 训 练 学 生 进 行 光 谱 研 究 都 有 重 要 意 义 目 前, 大 部 分 研 究 是 针 对 钠 原 子 光 谱 的 精 细 结 构 [1], 少 有 单 独 就 某 一 具 体 线 系 进 行 研 究 本 文 通 过 实 验, 在 对 钠 原 子 光 谱 进 行 精 确 测 量 的 基 础 上, 选 取 了 谱 线 中 的 漫 线 系 并 对 其 特 点 进 行 较 为 全 面 的 研 究 2 实 验 原 理 2.1 理 论 分 析 2.1.1 原 子 光 谱 的 线 系 对 于 钠 原 子, 我 们 可 以 用 有 效 量 子 数 n * 来 统 一 描 述 原 子 实 极 化 和 轨 道 贯 穿 的 总 效 果 若 不 考 虑 电 子 自 旋 和 轨 道 运 动 的 相 互 作 用 引 起 的 能 级 分 裂, 可 把 光 谱 项 表 示 为 T nl R R * n ( n ) 2 2 l (1) 上 式 的 称 为 量 子 缺 ; 理 论 计 算 和 实 验 观 测 都 表 明, 当 n 不 很 大 时, 量 子 缺 的 大 小 主 要 取 l 决 于 l, 而 与 n 的 关 系 很 小, 在 本 实 验 中 近 似 认 为 它 是 一 个 与 n 无 关 的 量 [2] 由 上 能 级 跃 迁 到 下 能 级 时, 发 射 线 的 波 数 可 表 示 为 R R R R v n ( m ) ( n ) 1 n 2 2 2 * * 2 2 l l (2) 式 中 n 与 n 分 别 为 上 下 能 级 的 有 效 量 子 数, n 与 m 分 别 为 上 下 能 级 的 主 量 子 * 2 * 1 数 与 量 子 缺,l 和 l 分 别 为 上 下 能 级 所 属 轨 道 量 子 数 l l 基 金 项 目 :2013 年 地 方 高 校 国 家 级 大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 项 目 (201310681004, 201210681005) 资 助 课 题 作 者 简 介 : 李 斯 (1991-), 男, 本 科 生, 云 南 大 理 人, 主 要 从 事 物 理 实 验 方 面 研 究 通 信 作 者 : 杨 卫 平 (1958-), 男, 博 士, 教 授, 云 南 昆 明 人, 主 要 从 事 多 光 谱 成 像 技 术 应 用 颜 色 科 学 与 工 程 方 面 的 研 究 346
在 式 (2) 中 m, l 是 不 变 的, 第 一 项 称 为 固 定 项, 以 因 此 式 (2) 可 写 成 Aml 表 示 ; 第 二 项 称 为 可 变 项, v A ml R ( n ) l 2 (3) 若 令 m,l 固 定, 而 n 依 次 改 变 ( l 的 选 择 定 则 为 l l 1), 则 可 得 到 一 系 列 的 v 值, 从 而 构 成 一 个 光 谱 线 系 在 光 谱 学 中 通 常 用 ml nl 这 种 符 号 表 示 线 系, 当 l 0,1,2,3 时, 分 别 以 S, P, D, F 表 示 因 此, 钠 原 子 光 谱 漫 线 系 表 示 为 3 P nd( n 3,4,5 ) 2.1.2 钠 原 子 光 谱 漫 线 系 精 细 结 构 的 相 对 强 度 比 在 实 验 室 中, 我 们 通 常 使 用 电 等 光 源 拍 摄 原 子 光 谱, 因 此 在 这 种 情 况 下 谱 线 的 强 度 就 只 考 虑 自 发 辐 射 跃 迁 钠 原 子 从 上 能 级 m 自 发 跃 迁 至 下 能 级 n 的 辐 射 光 谱 强 度 为 : I N A hv (4) mn m mn mn 式 中 N 为 处 于 上 能 级 的 原 子 数 目, hv m 上 能 级 m 自 发 跃 迁 到 下 能 级 n 的 跃 迁 几 率 2 2 漫 线 系 光 谱 是 在 3 P n P mn 3/2,1/2 5/2,3/2 为 上 下 能 级 的 能 量 差, A mn 为 单 位 时 间 内 原 子 从 之 间 跃 迁 辐 射 所 形 成 的 光 谱, 它 的 上 下 能 级 都 是 双 重 线 结 构, 如 图 1 所 示 [3] A B C I1 I2 I3 n 2 D5/ 2 n 2 D3/ 2 3 P 2 3/ 2 3 P 2 1/ 2 图 1 漫 线 系 能 级 跃 迁 图 设 图 1 中 的 三 个 谱 线 分 别 为 A B C, 为 了 便 于 讨 论, 将 漫 线 系 跃 迁 图 分 解 为 图 2(a) 2 2 (b) 图 2(a) 是 将 A B 谱 线 合 为 nd 跃 迁 到 3 P 的 一 条 谱 线,C 为 nd 跃 迁 到 3 P 的 谱 线 这 两 条 谱 线 为 双 重 能 级 跃 迁 到 单 层 能 级, 类 似 于 主 线 系 的 跃 迁 模 型 跃 迁 到 同 一 能 级 的 所 有 谱 线 的 强 度 和 正 比 于 该 能 级 的 统 计 权 重 g, 即 为 电 弧 或 辉 光 放 A B I 1 I 2 C I 3 n D 3 P 2 3/ 2 3/2 A C I 1 I 3 B I 2 n 2 D5/ 2 n 2 D3/ 2 1/2 ( a) 2 3 P1/ 2 (b) 图 2 漫 线 系 能 级 跃 迁 图 分 解 图 3P 347
I A I N j g B 1 j j 1 I N g 2 j 1 21/ 2 1 C j2 j2 2 1 1 2 3 / 2 1 2 :1 2 (5) 2 为 nd 2 图 2(b) 则 是 将 A C 谱 线 视 为 nd 5/2 3/2 能 级 跃 迁 到 3P 能 级 所 辐 射 的 一 条 光 谱 线,B 谱 线 能 级 跃 迁 到 3P 能 级 所 辐 射 的 谱 线 这 个 跃 迁 过 程 与 锐 线 系 的 跃 迁 过 程 相 似, 均 为 单 层 能 级 跃 迁 到 双 重 能 级 过 程, 可 得 上 式 (5)( 6) 联 立 得 : IA I A c j g 1 j j 1 I A g j B j2 j2 2 1 1 2 3 / 2 1 2 :3 2 2 1 25 / 2 1 (6) IA : IB : IC 1:9:5 (7) 但 由 于 和 相 距 很 近, 通 常 无 法 分 开, 两 个 成 分 合 二 为 一, 其 波 长 用 A B 分 比 C 的 波 长 要 长, 这 时 有 : AB 表 示, 这 个 成 I I C AB 5 5 1: 2 1 9 10 (8) 即 漫 线 系 双 重 短 波 成 分 与 长 波 成 分 的 强 度 比 是 1:2 2.2 数 据 处 理 根 据 实 验 测 得 的 漫 线 系 的 波 长, 分 别 计 算 出 它 们 的 平 均 波 长 波 数, 这 些 波 数 可 表 示 如 下 : 将 (9) 变 形 为 : R R v ( m ) ( n ) l 2 2 l (9) R R v ( m ) ( n ) l 2 2 l (10) 上 式 中 左 边 为 固 定 项, 右 边 为 可 变 项 Aml 对 于 漫 线 系 (3P nd) 而 言,n=4,5, 有 : R v v R 4 2 5 2 (4 D) (5 D) (11) 式 (11) 等 于 固 定 项 A 3P, 要 求 出 式 (11) 的 D, 使 等 式 两 边 的 值 之 差 的 绝 对 值 最 小 ( 或 满 足 一 定 要 求 ), 利 用 Excel 的 单 变 量 求 解 功 能, 可 轻 松 解 决 此 问 题 [4] 3 实 验 仪 器 和 内 容 WGD-8/8A 型 多 功 能 光 栅 光 谱 仪 汞 灯 钠 灯 及 电 源, 本 实 验 使 用 的 WGD-8A 型 多 功 能 348
光 栅 光 谱 仪, 属 于 反 射 式 光 栅 光 谱 仪, 光 路 见 图 3 本 实 验 用 WGD-8A 型 光 栅 光 谱 仪, 钠 灯, 汞 灯, 计 算 机 以 及 光 电 倍 增 管 软 件 记 录 钠 原 子 光 谱 实 验 系 统 框 图 如 图 4 所 示 将 汞 灯 放 置 在 WGD-8A 光 栅 光 谱 仪 入 口 狭 缝 前, 使 发 出 的 光 直 接 进 入 狭 缝, 狭 缝 宽 度 0.30mm, 调 节 高 压 在 300-900V 之 间, 软 件 增 益 在 2-6 之 间, 采 集 次 数 在 1-50 之 间, 点 击 单 程 进 行 整 体 采 集 汞 原 子 光 谱, 正 常 情 况 下, 在 570nm-585nm 会 出 现 双 峰, 以 左 边 缘 作 为 起 始 波 长, 右 边 缘 作 为 终 止 波 长, 点 击 单 程, 实 现 从 起 始 波 长 到 终 止 波 长 的 扫 描 扫 描 结 束 后, 读 出 汞 的 相 邻 两 个 峰 值, 已 经 理 论 值 分 别 为 576.96nm 和 579.07nm, 根 据 测 得 的 数 值 与 标 准 值 比 较, 对 差 值 进 行 校 正, 至 此 完 成 了 校 正 校 正 结 束 后, 接 下 来 进 行 测 量 钠 原 子 漫 线 系 的 波 长, 首 先 要 将 汞 灯 换 为 钠 灯, 波 长 的 扫 描 间 隔 设 置 为 0.01nm, 将 钠 灯 放 在 WGD-8A 光 栅 光 谱 仪 入 口 狭 缝 前, 狭 缝 宽 度 0.30mm, 高 压 调 节 在 300V-1000V 之 间 要 测 量 漫 线 系 的 峰 位, 根 据 波 长 参 考 表 来 进 行 设 置 起 始 波 长 和 终 止 波 长 在 调 节 的 过 程 中, 如 果 得 到 的 波 长 效 果 不 佳, 要 适 当 的 调 节 高 压, 狭 缝, 增 益, 采 集 次 数, 以 适 应 不 同 强 度 的 峰 WGD-8A 光 栅 光 谱 仪 是 采 用 平 面 反 射 光 栅 作 为 分 光 原 件, 具 有 光 电 倍 增 管 和 CCD 两 种 接 受 原 件, 通 过 光 电 转 换 将 数 据 送 至 单 片 机 进 行 预 处 理 后, 再 将 数 据 传 递 给 计 算 机 通 过 软 件 分 析, 最 终 绘 出 光 谱 分 析 所 需 曲 线 [5] 图 3 光 学 原 理 图 图 4 系 统 框 图 4 数 据 处 理 与 结 果 分 析 传 统 的 数 据 处 理 的 方 法 是 借 助 于 计 算 器 里 德 伯 表, 计 算 平 均 波 长 波 数 波 数 差 量 子 缺 和 光 谱 项 等, 具 体 操 作 如 下 所 示 我 们 将 测 得 的 平 均 波 长 值 换 算 成 波 数, 在 每 一 个 线 系 中, 相 邻 两 条 谱 线 的 波 数 差 为 ~ R v ( m l ) 2 R ( n ) l 2 R ( n ) l 2 R ( n 1 ) 为 了 方 便 起 见, 另 n- =m+a, 其 中 m 为 整 数,a 为 正 小 数, 则 上 式 可 以 改 写 为 l l 2 (12) v~ v~ n1 v~ n R ( m a) 2 R ( m 1 a) 2 (13) 1 既 已 求 出 (R=109737.31 cm ), 则, 根 据 上 式 即 可 算 出 (m+a) 为 了 方 便 起 见, 借 助 里 德 伯 表 直 接 读 出 m 和 a 表 中 列 出 了 所 有 各 m 和 a 对 应 的 光 谱 项 值 a 已 经 相 同 而 m 相 差 1 的 两 个 项 值 之 差 故 可 由 所 求 的, 用 内 插 法 求 出 对 应 的 m 和 a, 然 后 由 n- l =m+a 求 出 量 子 数 亏 损 l 349
整 个 数 据 的 处 理 过 程 比 较 繁 琐, 费 时 费 力 此 次 我 们 将 通 过 利 用 Excel 软 件 来 处 理 钠 原 子 光 谱 的 实 验 数 据, 具 体 处 理 方 法 如 附 录 中 所 示 通 过 电 脑 软 件, 我 们 可 以 采 集 到 漫 线 系 的 波 长, 并 且 计 算 出 对 应 的 平 均 波 长 和 波 数 表 1 钠 原 子 光 谱 漫 线 系 实 验 数 据 记 录 表 序 号 跃 迁 能 级 波 长 (nm) 平 均 波 长 (nm) 波 数 (cm -1 ) 1 3P-4D 2 3P-5D 3 3P-6D 4 3P-7D 568.12 568.66 497.87 498.22 466.88 466.71 449.40 449.69 568.39 17593.55 498.01 20079.92 466.71 21426.58 449.69 22237.54 将 测 得 的 平 均 波 长 换 算 为 波 数 后, 我 们 将 通 过 利 用 Excel 软 件 求 解 出 波 数 差 固 定 项, 并 利 用 其 单 变 量 求 解 功 能 求 解 出 量 子 缺, 求 解 的 结 果 如 表 2 所 示 表 2 利 用 Excel 软 件 处 理 数 据 结 果 记 录 序 号 跃 迁 能 级 n 波 数 (cm -1 ) 波 数 差 (cm -1 ) 固 定 项 量 子 缺 1 3P-4D 4 17593.55 24487.51 0.0102 2486.36 2 3P-5D 5 20079.92 24487.51 0.0102 1346.66 3 3P-6D 6 21426.58 24485.31 0.0102 810.96 4 3P-7D 7 22237.54 24483.67 0.0102 在 理 论 上, 我 们 可 以 利 用 谱 线 跃 迁 的 强 度 和 定 则 来 估 算 出 漫 线 系 的 相 对 强 度, 即 漫 线 系 双 重 线 的 短 波 成 分 和 长 波 成 分 的 强 度 比 为 1:2 在 实 验 中, 我 们 则 可 以 利 用 该 实 验 的 电 脑 软 件, 根 据 谱 线 图 采 用 积 分 的 方 法 计 算 出 每 个 线 系 下 面 的 面 积, 求 得 的 相 应 的 面 积 就 是 该 谱 线 相 应 的 强 度, 进 而 再 算 出 强 度 比, 计 算 结 果 如 表 3 所 示 通 过 实 验 我 们 可 以 得 知, 在 误 差 允 许 的 范 围 内, 漫 线 系 短 波 成 分 和 长 波 成 分 的 光 谱 强 度 比 满 足 1:2, 与 理 论 值 基 本 相 符 350
表 3 漫 线 系 强 度 比 理 论 值 与 实 验 值 数 据 记 录 序 号 跃 迁 能 级 理 论 值 短 波 与 长 波 强 度 比 实 验 值 1 3P-4D 0.5 0.4985 2 3P-5D 0.5 0.4953 3 3P-6D 0.5 0.5035 4 3P-7D 0.5 0.4943 5 总 结 本 文 基 于 钠 原 子 光 谱 实 验, 对 光 谱 中 的 漫 线 系 进 行 较 为 全 面 的 分 析 和 研 究 通 过 测 量 漫 线 系 3P-4D,3P-5D,3P-6D,3P-7D 这 四 个 能 级 跃 迁 的 波 长, 从 而 计 算 出 波 数 波 数 差 固 定 项 量 子 缺 和 双 重 结 构 短 波 成 分 和 长 波 成 分 的 强 度 比, 在 计 算 的 过 程 中 有 力 地 借 助 了 Excel 软 件, 特 别 是 在 求 固 定 项 和 量 子 缺 时, 使 繁 杂 的 计 算 过 程 更 为 简 便 最 后, 对 谱 线 图 进 行 积 分 计 算 出 每 个 线 系 下 的 面 积, 在 误 差 允 许 范 围 内 较 为 精 确 地 验 证 了 钠 原 子 光 谱 漫 线 系 双 重 结 构 短 波 成 分 和 长 波 成 分 的 强 度 比 满 足 1:2 在 对 钠 原 子 光 谱 进 行 精 确 测 量 的 基 础 上, 我 们 采 用 Excel 软 件 简 化 计 算 过 程 提 高 计 算 精 度, 这 也 为 今 后 学 习 和 研 究 其 他 线 系 有 一 定 意 义 参 考 文 献 : [1] 黄 创 高, 莫 其 逢, 黄 国 文, 高 英 俊 钠 原 子 光 谱 与 精 细 结 构 [J] 广 西 物 理,2007,1 [2] 吴 先 球, 熊 予 莹 近 代 物 理 实 验 教 程 [M] 2 版 北 京 : 科 学 出 版 社,2009:41~48 [3] 葛 芳 芳, 朱 旭 森, 喻 平 碱 金 属 原 子 光 谱 精 细 结 构 的 相 对 强 度 [J] 重 庆 师 范 学 院 学 报 : 自 然 科 学 报,2001,12 [4] 郭 金 水, 曹 慧 珍 利 用 Excel 快 捷 处 理 钠 原 子 光 谱 实 验 数 据 [J] 赣 南 师 范 学 院 学 报 : 自 然 科 学 报,2003,3 [5] 吴 先 球, 熊 予 莹 近 代 物 理 实 验 教 程 [M] 2 版 北 京 : 科 学 出 版 社,2009:41~48 Research of sodium atomic spectrum diffuse series LI Si, BI Chao, DAI Ji-fu, ZHENG Yong-gang, FENG Jie, YANG Wei-ping (School of Physics and Electronic Information, Yunnan Normal University, Yunnan 650500, China) Abstract: This paper comprehensively studied the characteristics of the sodium atomic spectrum diffuse series on the basis of accurate measurement of it,such as wave number,wave number difference,fixed items,quantum defect,diffuse series intensity of dual structure of different composition ratio;in particular,calculating the fixed items and quantum defect by use of Excel software,the calculation procedure is greatly simplified.through the study of the sodium atomic spectrum diffuse series,it help us to deepen our understanding of the diffuse series,it also help us to use the same method to study and research the other series. Key words: sodium atomic; spectrum; spectrum diffuse series 351
软 X 射 线 光 学 表 面 散 射 检 测 陈 淑 妍, 程 丽, 张 杨, 苏 丽 萍, 李 昆 ( 哈 尔 滨 工 程 大 学 物 理 实 验 中 心, 黑 龙 江 哈 尔 滨 150001) 摘 要 : 本 文 应 用 自 行 研 制 的 软 X 射 线 反 射 率 计, 分 别 针 对 不 同 的 反 射 镜 样 品, 在 不 同 的 工 作 波 段 及 掠 射 角 的 情 况 下 进 行 软 X 射 线 波 段 掠 入 射 光 学 表 面 散 射 的 实 验 研 究 经 过 数 据 处 理 后, 从 实 验 的 角 度 分 别 分 析 了 掠 射 角 波 长 和 粗 糙 度 几 个 因 素 对 软 X 射 线 掠 入 射 表 面 散 射 的 影 响, 给 出 相 应 的 实 验 结 果 关 键 词 : 软 X 射 线, 表 面 散 射, 表 面 粗 糙 度, 掠 入 射 光 学 系 统 1 引 言 光 学 表 面 散 射 一 直 是 光 学 研 究 领 域 一 个 重 要 的 基 本 问 题, 近 年 来 由 于 科 学 技 术 的 迅 速 发 展, 人 们 对 所 用 仪 器 性 能 指 标 的 要 求 越 来 越 高, 光 散 射 现 象 越 来 越 受 到 人 们 的 关 注 所 谓 光 散 射 就 是 一 束 光 通 过 介 质 时, 其 中 一 部 分 光 偏 离 主 要 传 播 方 向 的 现 象 如 图 1 所 示, 当 一 束 光 入 射 到 粗 糙 表 面 上, 反 射 光 中 除 了 镜 向 反 射 光 以 外, 还 有 散 射 光 散 射 光 主 要 通 过 以 下 几 方 面 降 低 光 学 系 统 性 能 :1. 一 些 散 射 光 根 本 无 法 传 播 到 焦 平 面, 因 此 减 小 了 到 达 像 面 的 光 通 量 ;2. 大 角 度 散 射 会 产 生 杂 光, 从 而 降 低 了 图 像 对 比 度 或 信 噪 比 ;3. 小 角 度 散 射 会 使 图 像 变 得 模 糊, 降 低 了 光 学 系 统 的 分 辨 率 图 1 光 学 表 面 入 射 光 的 反 射 示 意 图 表 面 缺 陷 表 面 污 染 可 带 来 光 学 散 射, 另 外 光 子 之 间 的 相 互 作 用 自 由 电 子 或 表 面 等 离 子 体 干 扰 都 会 造 成 散 射 然 而, 散 射 光 对 光 学 系 统 性 能 的 影 响 和 它 的 来 源 无 关 0~0 一 般 来 说, 任 何 一 个 光 学 系 统 中, 偏 离 主 光 线 方 向 上 的 几 乎 所 有 其 他 方 向 都 存 在 散 射 光 在 大 多 数 的 光 学 应 用 场 合, 光 散 射 是 光 学 系 统 的 非 设 计 因 素, 对 整 体 的 光 学 性 能 起 负 面 影 响 同 时, 光 学 散 射 的 分 布 与 反 射 光 和 透 射 光 主 光 线 分 布 一 同 构 成 了 光 波 与 各 种 光 学 元 件 相 互 作 用 后 的 所 有 宏 观 信 息 分 布, 从 而 为 研 究 光 学 系 统 的 一 些 性 质 提 供 了 客 观 途 径 长 期 以 来, 各 国 研 究 人 员 在 光 学 散 射 方 面 作 了 很 多 尝 试 和 工 作, 一 方 面 通 过 合 理 的 设 计 和 加 工, 来 减 少 光 学 散 射 对 光 学 系 统 性 能 的 负 面 影 响, 另 一 方 面 又 利 用 光 学 散 射 来 了 解 光 学 系 统 本 身 的 一 些 性 质 这 两 方 面 的 工 作 是 相 辅 相 成 的, 也 正 是 由 于 这 个 原 因, 长 期 以 来 光 学 散 射 研 究 一 直 受 到 人 们 的 重 视 随 着 高 新 技 术 的 发 展 和 推 动, 无 论 是 理 论 上 还 是 实 际 应 用 上, 资 助 项 目 : 哈 尔 滨 工 程 大 学 实 验 教 学 改 革 与 实 验 技 术 研 究 立 项 (SYJG20131102) 作 者 简 介 : 陈 淑 妍, 女, 吉 林 省 吉 林 市 人, 讲 师, 主 要 研 究 方 向 : 短 波 段 望 远 镜 关 键 技 术 352
人 们 对 于 光 学 散 射 的 认 识 和 掌 握 也 在 不 断 深 化 中 本 文 采 用 自 行 研 制 的 软 X 射 线 反 射 率 计, 分 别 在 不 同 条 件 下 对 两 块 不 同 的 样 品 进 行 了 掠 入 射 光 学 表 面 散 射 实 验, 得 到 丰 富 的 实 验 数 据, 并 对 这 些 实 验 数 据 进 行 处 理, 给 出 相 应 的 实 验 结 果 2 表 面 散 射 的 测 量 实 验 2.1 实 验 仪 器 : 软 X 射 线 反 射 率 计 在 光 学 表 面 散 射 的 实 验 中, 表 面 散 射 对 反 射 镜 的 影 响 体 现 在 反 射 镜 的 有 效 面 积 上 基 于 现 有 的 设 备 和 实 验 条 件, 我 们 采 用 软 X 射 线 反 射 率 计 来 对 掠 入 射 光 学 表 面 散 射 进 行 测 量 软 X 射 线 反 射 率 计 由 激 光 等 离 子 体 光 源 掠 入 射 光 栅 单 色 仪 样 品 室 真 空 系 统 光 电 探 测 电 路 及 计 算 机 控 制 软 件 等 几 个 部 分 组 成, 其 结 构 示 意 图 如 下 图 2 所 示 激 光 等 离 子 体 光 源 产 生 的 软 X 射 线 经 过 掠 入 射 光 栅 单 色 仪, 获 得 需 要 的 工 作 波 长 的 单 色 光 ; 然 后 经 过 准 直 并 进 入 样 品 室 内 ; 样 品 室 内 的 样 品 工 作 台 可 以 实 现 平 动 和 旋 转 ; 准 直 光 经 过 待 测 反 射 镜 的 反 射 后, 通 过 转 动 通 道 电 子 倍 增 器, 便 可 以 实 现 对 光 散 射 分 布 的 测 量 同 时, 还 有 一 个 监 视 探 测 器 对 光 源 不 稳 定 性 进 行 监 测 和 校 正 0 图 2 软 X 射 线 反 射 率 计 结 构 示 意 图 2.2 样 品 本 次 实 验 中, 根 据 光 学 材 料 和 表 面 形 态, 选 用 了 两 块 不 同 的 反 射 镜 样 品 两 块 样 品 都 是 平 面 镜, 一 块 是 微 晶 玻 璃 材 料 的, 另 一 块 是 硅 片 一 般 来 说, 光 学 镜 面 材 料 应 该 具 有 如 下 几 个 特 点 :(1) 极 好 的 形 状 稳 定 性, 使 镜 面 获 得 并 长 期 保 持 十 分 精 确 的 镜 面 形 状 (2) 热 膨 胀 系 数 接 近 于 零, 使 镜 面 形 状 不 受 环 境 温 度 的 变 化 而 变 化 (3) 应 该 具 有 一 定 硬 度 和 强 度, 以 承 受 加 工 及 运 输 时 的 应 力 (4) 应 该 可 以 抛 光 并 在 真 空 室 中 进 行 镀 膜 微 晶 玻 璃 由 于 具 有 极 低 的 热 膨 胀 系 数 良 好 的 热 稳 定 性 尺 寸 稳 定 性 及 高 的 机 械 强 度 而 成 为 大 型 光 学 仪 器 反 射 镜 的 优 质 材 料 ; 而 硅 片 则 是 一 种 常 用 的 光 学 镜 面 材 料 就 软 X 射 线 光 学 系 统 而 言, 低 频 面 形 误 差 的 散 射 使 像 核 的 能 量 传 递 到 邻 近 的 几 格 衍 射 环 中, 但 不 使 点 扩 散 函 数 的 中 心 宽 度 加 大, 只 是 降 低 了 弥 散 斑 的 中 心 强 度, 因 此 低 频 面 形 误 差 对 于 掠 入 射 光 学 表 面 散 射 的 影 响 通 常 可 以 忽 略 不 计 在 进 行 表 面 散 射 实 验 之 前, 我 们 首 先 采 用 WYKO 表 面 轮 廓 仪 分 别 针 对 两 块 测 试 样 品 的 表 面 粗 糙 度 进 行 了 测 定, 测 定 的 结 果 如 图 3 所 示, 其 中 (a) 为 硅 反 射 镜 待 测 样 品,(b) 为 微 晶 玻 璃 反 射 镜 待 测 样 品 从 两 个 图 中 可 以 看 出, 硅 待 测 样 品 的 总 体 表 面 粗 糙 度 均 方 根 值 为 1.3nm, 而 微 晶 玻 璃 待 测 样 品 的 总 体 粗 糙 度 均 方 根 值 为 1.5nm 另 外, 我 们 测 定 了 两 块 样 品 的 表 面 自 相 关 函 数 (ACV), 如 图 4 所 示,(a) 为 硅 反 射 镜 待 测 样 品,(b) 为 微 晶 玻 璃 待 测 样 品 同 时, 我 们 也 测 得 了 两 块 样 品 的 功 率 谱 密 度 函 数 (PSD), 如 图 5 所 示, 其 中 选 用 的 低 频 截 止 空 间 频 率 为 :20.000(1/m), 高 频 截 止 空 间 频 率 为 :1.000 (1/um) 下 面 我 们 简 单 介 绍 一 下 光 学 表 面 散 射 的 实 验 过 程 353
(a) Si 片 反 射 镜 样 品 图 3 WYKO 测 得 的 表 面 微 粗 糙 度 (b) 微 晶 玻 璃 反 射 镜 片 样 品 (a) Si 片 反 射 镜 样 品 (b) 微 晶 玻 璃 反 射 镜 片 样 品 图 4 样 品 的 表 面 自 相 关 函 数 (ACV) (a) i 片 反 射 镜 样 品 (b) 微 晶 玻 璃 反 射 镜 片 样 品 图 5 功 率 谱 密 度 函 数 (PSD) 2.3 实 验 过 程 在 表 面 散 射 实 验 进 行 之 前, 首 先 要 将 整 个 软 X 射 线 反 射 率 计 系 统 调 整 好, 对 好 光 路, 同 时 也 要 把 待 测 样 品 的 方 位 调 整 好 ; 然 后 开 始 抽 真 空, 一 般 抽 到 10-3 pa 压, 高 压 至 少 要 加 到 1000v, 随 后 开 始 进 行 表 面 散 射 实 验 实 验 时, 保 持 待 测 样 品 方 位 不 变, 转 动 探 测 器 扫 描 入 射 光 束 入 射 到 待 测 样 品 后 散 射 光 的 分 布, 如 图 6 所 示, 主 探 测 器 在 半 圆 周 上 转 动 的 角 度 是 散 射 角 和 入 射 角 0 ( 即 掠 射 角 的 余 角 ) 的 差, 其 中 方 向 余 弦 座 标 和 0 分 别 为 : sin( ), sin( ) 0 0 354
因 为 探 测 器 是 具 有 1mm 中 心 孔 的 通 道 电 子 倍 增 器, 为 了 避 免 实 验 中 因 为 数 据 重 叠 而 带 来 处 理 上 的 麻 烦, 自 制 了 一 个 狭 缝, 放 在 主 探 测 器 前 面, 狭 缝 的 宽 度 应 在 满 足 光 强 的 条 件 下 根 据 弥 散 斑 的 直 径 来 取 本 次 实 验 中 取 狭 缝 的 宽 度 为 0.6mm, 而 探 测 器 所 在 圆 周 的 半 径 为 175mm, 因 此 宽 度 为 0.6mm 的 狭 缝 相 当 于 探 测 器 转 动 0.2 所 走 的 弧 长, 刚 好 和 试 验 中 探 测 器 转 动 的 步 长 一 致 另 外, 测 量 过 程 中, 主 探 测 器 转 动 的 角 度 总 是 样 品 转 动 角 度 的 二 倍 实 验 中, 两 个 探 测 器 对 应 两 个 不 同 的 数 据 通 道, 一 组 是 入 射 光 经 反 射 镜 掠 入 射 后 的 光 强, 另 一 组 是 监 控 探 测 器 的 数 据, 用 来 校 正 光 源 的 不 稳 定 性 在 测 量 过 程 中, 首 先 将 待 测 样 品 从 光 路 中 移 开, 记 录 下 入 射 光 被 监 控 探 测 器 测 量 的 信 号 和 主 探 测 器 测 量 的 信 号, 并 用 监 测 探 测 器 的 信 号 归 一 化 主 探 测 器 的 信 号 来 消 除 光 源 的 不 稳 定 性, 即 二 者 的 比 值 对 于 光 源 来 说 是 稳 定 的, 可 以 看 作 是 入 射 光 信 号 ; 然 后, 将 待 测 样 品 移 入 光 路, 记 录 下 入 射 光 束 被 监 控 探 测 器 测 量 的 信 号, 及 光 束 上 部 分 被 待 测 样 品 散 射 后 主 探 测 器 测 量 的 信 号, 同 样 使 用 监 测 探 测 器 的 信 号 来 归 一 化 主 探 测 器 的 信 号, 即 二 者 的 比 值 可 以 看 作 散 射 光 信 号 把 入 射 光 信 号 和 散 射 光 信 号 相 对 比, 以 此 来 分 析 待 测 样 品 的 表 面 散 射 特 性 在 实 验 进 行 中, 首 先 测 量 不 同 波 长 的 表 面 散 射 角 度 分 布, 即 针 对 同 一 待 测 样 品, 在 掠 射 角 不 变 的 情 况 下, 对 不 同 波 长 的 入 射 光 进 行 表 面 散 射 的 实 验 ; 然 后 改 变 掠 射 角, 再 继 续 测 量 不 同 波 长 的 表 面 散 射 分 布 ; 当 几 个 掠 射 角 分 别 测 量 完 后, 关 掉 系 统, 更 换 不 同 的 待 测 样 品, 重 新 抽 真 空, 加 高 压 至 少 到 1000v, 重 复 前 一 块 待 测 样 品 的 实 验 过 程 图 6 散 射 测 量 的 几 何 结 构 示 意 图 3 实 验 数 据 实 验 测 得 的 数 据 分 别 为 两 组 不 同 通 道 的 数 据, 通 道 1 是 主 探 测 器 对 应 的 数 据 通 道, 通 道 2 为 监 控 探 测 器 对 应 的 数 据 通 道, 用 通 道 2 的 数 据 对 通 道 1 的 数 据 进 行 归 一 化 后, 得 到 光 的 相 对 光 强 分 布 根 据 测 得 数 据 归 一 化 后 的 相 对 光 强 ( 即 最 后 一 列 ) 得 到 图 7(a), 其 中 横 座 标 是 探 测 器 的 扫 描 角 度 η 根 据 同 样 的 处 理 方 式 得 到 图 (b) 和 图 (c), 分 别 是 波 长 11nm 掠 射 角 为 1.5 和 波 长 16nm 掠 射 角 为 2 条 件 下 两 块 样 品 的 相 对 光 强 分 布 图 8 分 别 表 示 了 不 同 样 品 在 同 样 波 长 和 掠 射 角 条 件 下 表 面 散 射 的 相 对 光 强 分 布 ; 图 9 为 相 同 掠 射 角 和 表 面 形 态 的 条 件 下, 不 同 波 长 的 表 面 散 射 角 度 分 布, 图 a 是 硅 样 品 在 掠 射 角 为 1.5 条 件 下, 13nm 14nm 15nm 16nm 四 个 波 段 的 表 面 散 射 角 度 分 布 及 入 射 光 的 分 布 ; 图 b 和 图 c 是 微 晶 玻 璃 样 品 在 掠 射 角 为 1 和 2 条 件 下, 8nm 9nm 10nm 11nm 四 个 波 段 和 13nm 14nm 15nm 16nm 四 个 波 段 的 散 射 光 角 度 分 布 355
(a) (a) (b) (b) (c) 图 7 不 同 表 面 粗 糙 度 的 相 对 光 强 分 布 (c) 图 8 不 同 波 长 的 相 对 光 强 356
(a) (b) (c) 图 9 不 同 掠 射 角 的 相 对 光 强 分 布 4 实 验 结 论 从 图 7 可 以 看 出, 在 软 X 射 线 波 段, 随 着 表 面 粗 糙 度 的 增 加, 掠 入 射 光 学 表 面 散 射 越 来 越 严 重 这 样, 我 们 从 实 验 的 角 度 充 分 证 明 了 增 加 表 面 粗 糙 度 会 加 重 掠 入 射 光 学 表 面 散 射 程 度, 严 重 影 响 了 掠 入 射 光 学 成 像 系 统 的 成 像 质 量 既 然 表 面 粗 糙 度 对 表 面 散 射 的 影 响 很 大, 对 于 工 作 波 段 很 短 的 光 学 系 统 来 说, 提 高 光 学 表 面 加 工 工 艺 水 平, 降 低 表 面 粗 糙 度, 以 便 降 低 由 散 射 造 成 的 光 损 失, 来 提 高 光 学 系 统 成 像 质 量 尤 为 重 要 从 图 8 中 可 以 看 出, 对 于 表 面 粗 糙 度 σ 相 同 的 光 学 表 面, 在 掠 射 角 ø 不 变 的 情 况 下, 随 着 掠 入 射 光 波 长 的 减 小, 光 学 表 面 散 射 呈 现 越 来 越 严 重 的 趋 势, 由 表 面 散 射 所 造 成 的 光 损 失 也 越 来 越 大, 严 重 降 低 了 光 学 性 能 我 们 可 以 看 出, 当 入 射 光 工 作 波 段 减 小 时, 几 何 像 差 对 光 学 性 能 的 影 响 不 变, 衍 射 对 光 学 系 统 光 学 性 能 的 影 响 降 低, 而 光 学 表 面 散 射 对 光 学 系 统 光 学 性 能 的 影 响 却 在 增 加, 因 此 对 于 工 作 波 段 很 短 的 光 学 系 统, 特 别 是 软 X 射 线 或 极 紫 外 光 学 系 统, 光 学 表 面 散 射 的 研 究 非 常 重 要 从 图 9 中 可 以 看 出, 随 着 掠 射 角 的 增 大, 掠 入 射 光 学 表 面 散 射 程 度 越 来 越 严 重, 因 此 也 可 以 通 过 减 小 掠 射 角 来 降 低 由 于 光 学 散 射 所 带 来 的 掠 入 射 光 学 成 像 系 统 成 像 质 量 的 降 低 357
参 考 文 献 : [1] 赵 择 卿, 陆 大 年, 杨 定 超 光 散 射 技 术 [M] 纺 织 工 业 出 版 社,1987:1-2 [2] J E Harvey. Light-scattering characteristics of optical surfaces, Ph. D. Dissertation, U. Arizona, 1976: 1-4. [3] J E Harvey. Modeling the image quality of enhanced reflectance X-Ray multilayers as a surface power spectral density filter function, Applied Optics,1995,Vol. 34,3715-3726. [4] P. L Thompson,J E Harvey. Systems Engineering Analysis of Aplanatic Wolter Type I X-ray Telescopes, Opt. Eng, 2000, 39: 1677-1691. [5] James E. Harvey, Cynthia L. Vernold Andrey Krywonos etc,diffracted radiance: a fundamental quantity in nonparaxial scalar diffraction theory. Applied Optics, 1999, 38: 6469-6481. [6] James E Harvey, Kristin L Lewotsky, Anita Kotha. Effects of surface scatter on the optical performance of x-ray synchrotron beam-line mirrors. Applied Optics, 1995, 34: 3024-3032. Soft X-Ray optical surface scattering phenomena CHEN Shu-yan, CHENG Li, ZHANG Yang, SU Li-ping, LI Kun (The physics experiment center, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China) Abstract: In this paper, Soft X-ray optical scattering distribution is measured by a soft X-ray reflectometer installed by my lab, for different sample mirrors, wavelenth and grazing angle. By dealing with experimental data, surface microroughness,wavelength and grazing angle effects on surface scattering is computered and analysized, and get corresponding experimental result. Key words: soft X-ray; surface scatter phenomena; surface profiles; grazing incidence imaging systems 358
微 波 布 拉 格 衍 射 中 立 方 晶 体 晶 面 衍 射 测 量 与 模 型 选 取 讨 论 徐 春 阳, 陈 文 婷, 王 晓 栋, 张 志 华, 方 恺, 赫 丽 ( 同 济 大 学 物 理 科 学 与 工 程 学 院, 上 海 200092) 摘 要 : 在 微 波 布 拉 格 衍 射 实 验 中, 通 过 对 立 方 晶 体 模 型 晶 格 常 数 参 数 选 取, 测 定 (110) 面 入 射 角 与 衍 射 强 度 变 化 关 系, 来 验 证 衍 射 极 大 值 在 随 入 射 角 变 化 而 变 化 的 过 程 是 否 满 足 布 拉 格 定 律 同 时 可 在 一 定 入 射 角 变 化 范 围 内, 限 定 衍 射 级 数 的 大 小, 讨 论 只 改 变 接 收 端 角 度 时,(100) 面 与 (110) 面 衍 射 极 大 值 时 晶 格 常 数 所 在 范 围, 并 从 理 论 上 给 出 同 时 测 定 两 晶 面 可 限 定 的 衍 射 级 数 与 晶 格 常 数 的 范 围 关 键 词 : 微 波 ; 布 拉 格 衍 射 ; 立 方 晶 体 ; 晶 面 布 拉 格 衍 射, 又 称 X 射 线 衍 射 的 布 拉 格 形 式, 最 早 由 威 廉 劳 伦 斯 布 拉 格 及 威 廉 亨 利 布 拉 格 于 1913 年 提 出, 他 们 早 前 发 现 了 固 体 在 反 射 X 射 线 后 产 生 的 晶 体 线, 而 这 项 定 律 正 好 解 释 了 这 样 一 种 效 应 他 们 发 现, 这 些 晶 体 在 特 定 的 波 长 及 入 射 角 时, 反 射 出 来 的 辐 射 会 形 成 集 中 的 波 峰, 称 布 拉 格 尖 峰 布 拉 格 衍 射 这 个 概 念 同 样 适 用 于 中 子 衍 射 及 电 子 衍 射 [1] 用 微 波 模 拟 X 射 线, 入 射 到 晶 体 模 型 时 衍 射 的 现 象, 同 X 射 线 对 晶 体 的 布 拉 格 衍 射 现 象 相 似 微 波 模 拟 布 拉 格 衍 射 实 验 中, 通 过 入 射 一 定 频 率 的 微 波, 投 射 到 相 应 点 阵 组 成 的 晶 面 上, 发 生 布 拉 格 衍 射, 接 收 测 定 相 应 衍 射 波 强 度 来 反 应 衍 射 强 度 本 文 以 晶 格 常 数 变 化 验 证 立 方 晶 体 中 (110) 晶 面 衍 射 极 大 值 对 应 入 射 角 由 布 拉 格 公 式 得 到 微 波 波 长, 与 讨 论 探 究 接 收 端 同 时 测 定 (100) 面 与 (110) 面 衍 射 波 晶 格 常 数 范 围 为 两 主 要 目 的, 对 微 波 布 拉 格 衍 射 实 验, 进 行 一 定 程 度 的 拓 展 与 补 充 1 仪 器 与 原 理 概 述 1.1 实 验 仪 器 实 验 采 用 微 波 分 光 计 装 置 进 行 实 验, 按 示 意 图 ( 如 图 1) 组 装 仪 器 微 波 信 号 源 选 用 等 幅 工 作 状 态, 提 供 单 一 波 长 微 波,λ=32.02mm 衰 减 器 改 变 发 射 微 波 幅 度, 刻 度 盘 指 数 越 大, 对 微 波 衰 减 越 大, 输 出 信 号 越 小 振 荡 器 波 导 口 输 出 微 波 信 号 由 发 射 喇 叭 发 射, 发 射 喇 叭 发 射 信 号 的 电 矢 量 偏 振 方 向 与 发 射 喇 叭 窄 边 平 行, 安 装 在 固 定 臂 上 经 过 晶 面 衍 射, 调 整 活 动 臂 角 度 接 收 喇 叭 可 接 收 到 相 应 微 波 信 号, 由 二 极 管 整 流 后 输 出 直 流 信 号, 微 安 表 可 显 示 经 整 流 输 出 的 直 流 电 信 号 [2] 资 助 项 目 : 同 济 大 学 教 学 改 革 研 究 与 建 设 项 目, 同 济 大 学 精 品 实 验 项 目 作 者 简 介 : 徐 春 阳 (1993-), 男, 北 京 人, 同 济 大 学 物 理 科 学 与 工 程 学 院 应 用 物 理 专 业 2011 级 本 科 生 通 讯 作 者 : 王 晓 栋 (1984-), 男, 江 苏 江 阴 人, 同 济 大 学 物 理 科 学 与 工 程 学 院 助 理 教 授, 博 士, 主 要 从 事 材 料 物 理 方 面 研 究 和 大 学 物 理 教 学 工 作 359
1 微 波 信 号 源 2 固 定 臂 3 衰 减 器 4 发 射 喇 叭 5 立 方 晶 体 模 型 6 接 收 喇 叭 1.2 实 验 原 理 7 检 波 器 8 活 动 臂 9 微 安 表 图 1 微 波 布 拉 格 实 验 装 置 示 意 图 当 电 磁 辐 射 或 亚 原 子 粒 子 波 的 波 长, 与 进 入 的 晶 体 样 本 的 原 子 间 距 长 度 相 若 时, 就 会 产 生 布 拉 格 衍 射, 入 射 物 会 被 系 统 中 的 原 子 以 镜 面 形 式 散 射 出 去, 并 会 按 照 布 拉 格 定 律 所 示, 进 行 相 长 干 涉 对 于 晶 质 固 体, 波 被 晶 格 平 面 所 散 射, 各 相 邻 平 面 间 的 距 离 为 d 当 被 各 平 面 散 射 出 去 的 波 进 行 相 长 干 涉 时, 它 们 的 相 位 依 然 相 同, 因 此 每 一 波 的 路 径 长 度 皆 为 波 长 的 整 数 倍 进 行 相 长 干 涉 两 波 的 路 径 差 为 2dsinθ, 其 中 θ 为 散 射 角 由 此 可 得 布 拉 格 定 律 产 生 [3] 相 长 干 涉 的 条 件 : 2 dsin k, k=1,2,3 (1) 整 数 时, 才 是 极 大 干 涉 方 程 (1) 称 为 晶 体 衍 射 的 布 拉 格 公 式 实 验 中 选 取 最 简 单 晶 体 结 构 ( 如 图 2 所 示 ), 两 种 易 于 进 行 测 量 的 晶 面,(100) 面 和 (110) 面 一 般 而 言, 晶 面 指 数 为 n n 1 2n3 2 2, 其 相 邻 的 两 个 晶 面 间 距 为 d a / n n n 1 2 2 [4] 3,a 为 晶 格 常 数, 即 晶 胞 边 长 实 验 中 通 过 设 置 一 定 的 参 数 a 选 取 适 合 3 厘 米 微 波 布 拉 格 衍 射 的 晶 体 模 型 (100) (110) 图 2 最 简 立 方 晶 面 示 意 图 2 参 数 讨 论 与 实 验 探 究 2.1 (100) 面 和 (110) 面 测 定 异 同 (100) 面 和 (110) 面 在 本 实 验 中 成 45 角 关 系, 当 选 取 法 线 方 向 垂 直 于 (110) 时, 各 个 晶 面 与 法 线 方 向 角 度 关 系 如 图 3 所 示 360
[5] 图 3 (100) 面 和 (110) 面 衍 射 时 角 度 关 系 (1) 式 中 当 用 入 射 角 β 代 替 散 射 角 θ 时,(1) 式 改 写 为 2 dcos k, k=1,2,3 (2) 在 测 定 (100) 晶 面 衍 射 极 大 值 时, 晶 面 即 平 行 于 相 应 点 阵 组 成 的 外 表 面, 在 选 定 一 定 范 围 内 的 入 射 角 时, 相 应 法 线 与 反 射 角 组 成 的 平 面 与 晶 体 模 型 (100) 面 点 阵 组 成 表 面 垂 直, 测 定 (100) 面 入 射 角 β 与 衍 射 强 度 I 关 系 时 在 20 ~70 间 可 以 得 到 一 级 衍 射 极 大 值 与 二 级 衍 射 极 大 值 对 应 k=1,2 代 入 (2) 式, 得 到 衍 射 级 数 对 应 的 入 射 角 以 a=4.0cm 晶 体 模 型 为 例 时 计 算 (100) 晶 面 一 级 衍 射 极 大 二 级 衍 射 极 大 所 对 应 的 入 射 角 β 理 论 值 为 66.4 与 36.8 在 测 定 (110) 晶 面 衍 射 极 大 值 时, 法 线 方 向 与 测 定 (100) 晶 面 时 法 线 方 向 相 差 45 由 (2) 式 移 项 可 得 kλ cos 1, 2 d k=1,2,3 (3) 即 衍 射 级 数 与 晶 面 间 距 需 满 足 的 条 件 现 有 a=3.4cm 与 a=4.0cm 晶 体 模 型, 对 应 晶 面 间 距 d 设 为 d 1,d 2, 此 时 d a,d 1 =2.4cm, 2 d 2 =2.8cm λ=32.02mm: 当 k=1 时, 1 2d 1 与 2d 1 2 均 满 足 (3) 式 条 件 ; 当 k=2 时, 2 1与 2 2d 2d 1, 均 不 满 足 (3) 式 条 件 由 此 可 得 当 k=3,4,5 均 不 能 满 足 (3) 式 1 2 条 件, 即 所 选 取 两 个 不 同 晶 格 常 数 的 晶 体 模 型, 测 定 (110) 面 衍 射 极 大 值 时, 只 有 一 级 衍 射 极 大 2.2 不 同 晶 格 常 数 的 (110) 面 衍 射 极 大 值 测 定 选 取 a=3.4cm 晶 体 模 型, 当 法 线 方 向 垂 直 于 晶 体 模 型 (110) 面 时, 调 整 入 射 角, 通 过 旋 转 活 动 臂 使 之 与 法 线 方 向 夹 角 与 入 射 角 相 等, 测 定 入 射 角 与 衍 射 波 强 度 关 系, 得 到 表 1 变 化 关 系 通 过 作 图 软 件 得 到 (110) 面 入 射 角 β 与 衍 射 强 度 I 关 系 曲 线 ( 如 图 4 所 示 ) 表 1 a=3.4cm(110) 面 入 射 角 β 与 衍 射 强 度 I 变 化 关 系 β/ 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 I/μA 2 0 2 6 7 7 8 11 16 25 37 β/ 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 I/μA 37 47 44 42 36 25 18 12 7 6 361
图 4 a=3.4cm(110) 面 入 射 角 β 与 衍 射 强 度 I 关 系 曲 线 微 波 波 长 由 (3) 式 通 过 射 角 β 与 衍 射 强 度 I 关 系 曲 线 可 得 一 级 衍 射 极 大 值 对 应 入 射 角 所 求 得 的 相 对 误 差 为 : 1 2d1cos 2a1cos 33.69mm 1 - E 1 100% 5% 选 取 a=4.0cm 晶 体 模 型, 入 射 波 经 (110) 晶 面 衍 射 后 透 过 挡 板 到 达 接 收 喇 叭, 通 过 旋 转 活 动 臂 使 之 与 法 线 方 向 夹 角 与 入 射 角 相 等, 通 过 微 安 表 读 出 示 数, 测 定 测 定 入 射 角 与 衍 射 波 强 度 关 系 得, 到 表 2 变 化 关 系 通 过 作 图 软 件 得 到 (110) 面 入 射 角 β 与 衍 射 强 度 I 关 系 曲 线 ( 如 图 5 所 示 ) 表 2 a=4.0cm(110) 面 入 射 角 β 与 衍 射 强 度 I 变 化 关 系 β/ 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 I/μA 0 0 0 0 0 0 0 1 2 1 4 β/ 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 I/μA 6 6 12 22 44 84 97 60 51 25 图 5 a=4.0cm(110) 面 入 射 角 β 与 衍 射 强 度 I 关 系 曲 线 362
由 (3) 式 通 过 射 角 β 与 衍 射 强 度 I 关 系 曲 线 可 得 一 级 衍 射 极 大 值 对 应 入 射 角 所 求 得 的 微 波 波 长 相 对 误 差 2 2d2cos 2a2cos 33.25mm 2 - E 2 100% 4% a=3.4cm 与 a=4.0cm 两 个 晶 格 常 数 不 同 的 晶 体 模 型 在 微 波 布 拉 格 衍 射 中 测 定 (110) 面 一 级 衍 射 极 大 值 对 应 入 射 角 计 算 所 得 的 微 波 波 长 与 理 论 波 长 吻 合 较 好, 在 实 验 仪 器 与 测 量 精 度 允 许 误 差 范 围 内, 实 验 结 果 符 合 布 拉 格 衍 射 定 律 2.3 接 收 端 同 时 测 定 (100) 面 与 (110) 面 衍 射 波 参 数 讨 论 2.3.1 角 度 限 定 与 参 数 讨 论 对 于 每 一 入 射 角 β, 当 不 改 变 晶 体 模 型 角 度, 只 旋 转 接 收 喇 叭, 欲 接 收 (100) 面 与 (110) 面 衍 射 强 度 由 图 3 分 析, 当 入 射 波 为 CO 时, 设 OB 为 起 始 边, 图 示 θ 角 度 值 在 (0,45 ) 间 当 测 定 (110) 面 时,θ 取 值 范 围 在 (0,90 ) 间, 入 射 角 β 为 (90 -θ); 当 测 定 (100) 面 时,θ 取 值 范 围 在 (-45,45 ) 间, 入 射 角 β 为 (45 -θ) 则 θ 取 值 范 围 限 定 在 (0,45 ) 内,(100) 面 满 足 (110) 面 满 足 π 2acos 2acos k1 2a, (4) 4 2acos 2acos 2 π 2 2 k 2 0, a (5) 由 (4) 式 (5) 式 限 定 关 系, 讨 论 k 1 k 2 取 值 关 系 1)k 1 =k 2 =1 测 量 情 况 讨 论 当 k 1 =k 2 =1 时,(5) 式 极 大 值 a 小 于 (4) 式 极 小 值, 不 可 能 满 足 晶 面 角 度 不 变, 同 时 测 量 (100) 面 与 (110) 面 一 级 衍 射 极 大 值 2)k 1 =2,k 2 =1 测 量 情 况 讨 论 当 k 1 =2,k 2 =1 时, 发 现 满 足 同 时 测 量 两 晶 面 衍 射 极 大 值 条 件, 即 (4) 式 满 足 2 2a, 2a (5) 式 满 足 0,a (100) 面 测 定 二 级 衍 射 极 大 值,(110) 面 测 定 一 级 衍 射 极 大 值 时, 晶 格 常 数 可 满 足 范 围 为 a 32.02, 45.29mm 可 以 同 时 测 定 (100) 面 二 级 衍 射 极 大 与 (110) 面 一 级 衍 射 极 大 在 可 限 定 衍 射 级 数 范 围 内 k 1 =2,k 2 =1 已 满 足 实 验 理 论 需 要, 故 可 选 定 上 述 参 数 进 行 两 晶 面 的 同 时 测 定 363
2.3.2 同 时 测 定 两 晶 面 衍 射 波 意 义 与 局 限 性 对 于 每 一 入 射 角 β, 当 采 用 不 改 变 模 型 角 度, 只 旋 转 接 收 喇 叭, 测 定 (100) 面 和 (110) 面 衍 射 极 大 时, 可 以 减 少 因 模 型 角 度 转 动 造 成 的 误 差, 在 测 定 微 波 波 长 过 程 中, 可 以 提 高 测 量 效 率, 为 观 测 带 来 便 利 同 时, 因 模 型 转 动 角 度 有 限, 在 观 测 微 波 布 拉 格 衍 射 取 较 大 范 围 散 射 角 衍 射 强 度 变 化 情 况 时, 并 不 适 用 3 结 论 本 文 通 过 对 立 方 晶 体 中 (110) 面 晶 体 模 型 尺 寸 参 数 选 取, 测 定 入 射 角 与 衍 射 强 度 变 化 关 系, 结 果 较 好 的 满 足 了 实 验 预 期 不 同 晶 格 常 数 的 改 变 符 合 布 拉 格 定 律 反 应 的 衍 射 级 数 与 微 波 波 长 的 关 系 同 时 本 文 另 一 重 要 目 的, 探 究 接 收 端 同 时 测 定 (100) 面 与 (110) 面 衍 射 波 参 数 讨 论 也 给 出 了 相 应 衍 射 级 数 与 晶 格 常 数 所 取 范 围 的 关 系, 在 微 波 布 拉 格 散 射 实 验 中, 为 测 定 与 探 究 (100) 面 与 (110) 面 衍 射 极 大 值 与 测 定 微 波 波 长 提 供 新 思 路 参 考 文 献 : [1] John M. Cowley. Diffraction physics (North-Holland, Amsterdam) ISBN 0-444-10791-6. [2] 近 代 物 理 实 验 讲 义 [Z]. 同 济 大 学 物 理 科 学 与 工 程 学 院, 2014: 35-40. [3] H P Myers. Introductory Solid State Physics. Taylor & Francis, 2002. ISBN 0-7484-0660-3. [4] 陆 栋, 蒋 平, 徐 至 中 固 体 物 理 学 [M] 上 海 市 : 上 海 科 学 技 术 出 版 社,2003:8-10 [5] 何 颖 卓, 香 莲, 等 关 于 微 波 布 拉 格 衍 射 实 验 中 (110) 晶 面 衍 射 极 大 值 测 量 的 探 讨 [J] 长 春 理 工 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),2013:62-64 Study on Measuring the Cubic Crystal Diffraction and Choosing the Cubic Crystal Mode in Microwave Bragg Diffraction XU Chun-yang, CHEN Wen-ting, WANG Xiao-dong, ZHANG Zhi-hua, FANG Kai, HE Li (School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China) Abstract: In microwave Bragg diffraction experiments, through changing the conditions of the cubic crystal lattice constant, and measuring the relationship between the incident angle and diffraction intensity of (110) face, we prove that the range of the diffraction maximum conforms to the Bragg s law. Meanwhile, with the limited diffraction orders, we discuss the range of crystal lattice constants of (100) and (110) face if only changing the receiver angle, and also present the limited range of the diffraction orders and the crystal lattice constant in detail. Key Words: Microwave; Bragg Diffraction; Cubic Crystal; Crystal Face 364
X-ray Computed Tomography(X-CT) 分 辨 率 的 研 究 周 震, 苏 卫 锋, 冀 敏 ( 复 旦 大 学 物 理 教 学 实 验 中 心, 上 海 200433) 摘 要 : 研 究 了 X-CT 成 像 仪 器 (Leybold Didactic 554800, 554821) 的 使 用 方 法, 并 且 用 直 接 测 试 方 法 测 试 了 本 台 仪 器 的 系 统 空 间 分 辨 率, 得 到 了 符 合 标 示 参 数 的 结 果 分 析 了 影 响 观 察 者 对 图 像 清 晰 度 感 受 的 一 些 因 素 关 键 词 :X-CT; 空 间 分 辨 率 ; 密 度 分 辨 率 1 引 言 X 射 线 计 算 机 断 层 扫 描 成 像 是 医 学 四 大 成 像 技 术 之 一, 对 于 医 学 院 学 生 或 者 将 来 从 事 与 医 学 影 像 相 关 工 作 的 学 生 来 说, 了 解 其 工 作 原 理 是 非 常 有 用 而 且 必 要 的 我 校 在 医 学 物 理 实 验 课 程 ( 上 海 市 精 品 课 程 ) 中 开 设 了 此 实 验, 并 且 深 受 学 生 欢 迎 分 辨 率 是 描 述 X-CT 成 像 的 一 个 重 要 指 标, 在 临 床 上 体 现 出 对 细 小 病 灶 或 生 理 结 构 的 观 察 诊 断 能 力 分 辨 率 越 高, 对 细 节 的 观 察 力 越 强 然 而 在 实 验 过 程 中 发 现, 不 少 学 生 对 于 分 辨 率 的 概 念 还 不 够 清 晰, 因 此 对 于 本 仪 器 的 分 辨 率 的 研 究 有 助 于 教 学 工 作 的 进 一 步 开 展 2 实 验 仪 器 及 原 理 X-CT 像 与 传 统 的 X 射 线 透 射 像 不 同, 透 射 像 是 从 一 个 方 向 上 投 影, 得 到 的 是 重 叠 像, 而 X-CT 像 则 是 利 用 多 方 向 的 投 影 数 据, 重 建 出 的 断 层 图 像, 图 像 清 晰 没 有 重 叠 X-CT 运 用 了 X 线 扫 描 和 采 集 投 影 值 的 物 理 技 术, 依 据 物 质 关 于 X 射 线 的 吸 收 规 律 建 立 物 理 模 型, 采 用 一 定 的 算 法, 经 计 算 机 运 算 处 理, 求 解 出 衰 减 系 数 值 在 某 断 层 的 二 维 分 布 矩 阵 后, 再 转 为 图 像 上 的 灰 度 分 布 从 而 实 现 建 立 断 层 解 剖 图 像 的 现 代 医 学 成 像 技 术 实 验 仪 器 图 如 图 1 所 示, 左 侧 的 仪 器 是 X 光 机, 由 X 光 管 荧 光 屏 控 制 区 以 及 操 作 区 ( 样 品 摆 放 区 ) 构 成 ; 右 侧 则 是 装 有 照 相 机 的 暗 箱, 实 验 需 确 保 在 暗 箱 关 闭 的 状 态 下 进 行 连 接 计 算 机 后, 可 以 通 过 计 算 机 设 置 实 验 参 数, 并 自 动 扫 描 获 取 实 验 数 据 ( 如 图 2 所 示 ) 图 1 X-CT 成 像 仪 365
图 2 计 算 机 操 作 界 面 在 X-CT 成 像 中, 分 辨 率 是 评 价 成 像 质 量 的 一 个 重 要 指 标 分 辨 率 主 要 分 为 两 种 : 1) 空 间 分 辨 率 : 也 称 几 何 分 辨 率, 是 指 从 CT 图 像 中 能 够 分 辩 特 定 的 最 小 几 何 细 节 的 能 力, 它 定 量 的 表 示 为 能 分 辨 的 两 个 细 节 特 征 的 最 小 间 距 2) 密 度 分 辨 率 : 表 示 不 同 物 质 密 度 差 异 或 对 X 射 线 透 射 度 微 小 差 异 的 量 常 用 百 分 比 表 示, 即 可 分 辨 的 对 比 度 本 文 着 重 讨 论 最 佳 密 度 分 辨 率 下 影 响 空 间 分 辨 率 的 因 素 3 实 验 设 计 与 方 法 仪 器 的 说 明 书 上 标 注 的 分 辨 率 是 0.25mm, 为 实 验 验 证 是 否 能 分 辨 出 线 度 为 0.25mm 的 物 体, 首 先 要 找 出 获 得 最 佳 分 辨 率 的 实 验 条 件, 为 此, 需 要 如 下 几 个 步 骤 1) 最 佳 仪 器 参 数 设 置 参 数 的 设 置 主 要 有 3 个 方 面 : a. X 光 机 工 作 参 数 设 置, 包 括 管 电 压 (High Voltage) 及 阳 极 电 流 (Anode Current); b. 图 像 调 整 与 矫 正, 包 括 失 真 度 矫 正 (Distortion correction) 水 平 平 移 (Horizontal Shift) 垂 直 平 移 (Vertical Shift) 荧 光 屏 尺 寸 (Size of fluorescent screen) 屏 幕 垂 直 平 移 (Vertical shift of screen); c. CT 图 像 的 参 数 设 置, 包 括 投 影 数 目 (Number of projections) 投 影 尺 寸 (Projection size) 及 再 构 图 像 尺 寸 (Reconstruction Size) 的 设 置 实 验 中 需 要 根 据 样 品 材 质 大 小, 合 理 设 置 以 上 参 数, 让 每 一 次 测 量 样 品 都 能 得 到 力 所 能 及 最 清 晰 的 成 像 2) 样 品 材 质 的 选 择 充 分 考 虑 到 材 料 的 易 加 工 性 精 细 程 度 X 光 在 此 材 料 内 的 衰 减 状 况 X 光 透 射 性 是 否 良 好 等 3) 样 品 形 状 的 设 计 测 试 空 间 分 辨 率 通 常 用 对 具 有 周 期 性 结 构 的 标 准 试 件 进 行 扫 描 成 像, 分 析 CT 图 像 中 按 一 定 规 律 排 布 的 像, 通 常 有 圆 孔 线 对 条 形 孔 等 分 辨 成 排 圆 孔 大 小 法 : 等 大 等 间 距 的 圆 孔 依 次 排 列, 每 列 圆 孔 直 径 逐 渐 由 小 增 大, 观 察 能 分 辨 的 最 小 圆 孔 直 径 分 辨 线 对 数 法 : 线 对 间 距 逐 渐 由 小 增 大, 观 察 能 分 辨 的 最 小 线 对 间 距 4 实 验 结 果 与 分 析 1) 最 佳 仪 器 参 数 的 设 置 366
对 于 不 同 的 样 品, 需 要 设 置 不 同 的 失 真 度 矫 正 以 期 最 佳 效 果 如 小 夹 子 为 +3%, 而 青 蛙 标 本 为 -7% 对 于 其 它 参 数 的 设 置, 保 证 照 相 机 镜 头 与 取 景 屏 幕 最 切 合 即 可 图 3 小 夹 子 X-CT 成 像 图 图 4 小 青 蛙 X-CT 成 像 图 2) 样 品 材 质 的 选 择 有 机 玻 璃 与 铜 丝 有 机 玻 璃 平 滑 清 晰, 对 X 光 的 衰 减 系 数 较 为 合 适, 成 像 清 晰, 缺 点 为 加 工 较 难 铜 丝 易 精 细 加 工, 但 密 度 过 大, 成 像 时 会 产 生 放 射 状 或 带 状 伪 影 好 在 因 为 足 够 细, 实 验 中 并 未 出 现 伪 影 现 象 3) 样 品 形 状 的 设 计 因 加 工 困 难, 在 设 计 时 采 用 了 成 角 度 铜 丝 和 成 排 线 对 数 两 种 方 法 计 算 最 小 分 辨 率, 模 版 形 状 如 图 5 所 示 图 5 设 计 样 品 图 4) 结 果 分 析 成 角 度 铜 丝 : 如 表 1 所 示, 通 过 测 量 铜 丝 交 合 处 的 长 度 l 与 角 度 θ 计 算 可 分 辨 的 最 小 间 距 d 2l sin, 2 d =0.31mm 线 对 : 间 距 d=0.2mm 无 法 分 辨 间 距 d=0.4mm 可 分 辨 单 根 铜 丝 d=0.2mm 可 以 分 辨 367
表 1 成 角 度 铜 丝 分 辨 率 计 算 数 据 表 θ/ l/mm d/mm 17 1.1 0.32 16 1.1 0.31 16 1.0 0.28 15 1.2 0.31 15 1.2 0.31 15 1.1 0.29 15 1.2 0.31 16 1.2 0.33 14 1.3 0.32 5 实 验 结 论 和 分 析 对 于 不 同 的 样 品, 需 要 设 置 不 同 的 失 真 度 矫 正 以 期 最 佳 效 果 实 验 仪 器 能 分 辨 出 0.2mm 的 铜 丝, 仪 器 参 数 中 所 标 注 出 的 空 间 分 辨 率 约 为 0.25mm 可 以 接 受 对 小 青 蛙 标 本 等 材 质, 因 为 薄 厚 各 部 分 的 衰 减 系 数 也 不 尽 相 同, 影 响 了 密 度 分 辨 率, 使 得 原 本 能 分 辨 出 的 部 分 无 法 分 辨 为 了 减 少 检 测 分 辨 率 过 程 中 的 人 为 干 预, 也 可 通 过 CT 的 调 制 传 递 函 数 (Modulation Transfer Function,MTF) 进 行 测 量 影 响 空 间 分 辨 率 的 因 素 : 1) 与 仪 器 设 备 有 关 空 间 分 辨 力 受 到 探 测 器 的 数 量 和 质 量 因 素 的 影 响, 探 测 器 排 列 越 多, 间 隔 越 小, 数 据 采 集 点 也 就 越 多 另 外, 射 线 源 尺 寸 探 测 器 孔 径 机 械 系 统 精 度 等 也 是 影 响 因 素 2) 与 图 像 重 建 的 演 算 法 有 关 不 同 的 重 建 矩 阵 大 小 数 据 采 集 系 统 和 重 建 算 法 也 会 导 致 图 像 的 空 间 分 辨 率 不 同 通 常, X-CT 图 像 重 建 方 法 为 滤 波 反 投 影 法, 即 将 投 影 函 数 卷 积 处 理 使 之 更 平 滑 选 取 的 滤 波 越 精 细, 图 像 也 更 易 被 分 辨 影 响 密 度 分 辨 率 的 因 素 : 1) 与 信 噪 比 有 关 CT 的 X 线 信 息 量 和 噪 声 是 影 响 图 像 分 辨 率 的 重 要 因 素 信 息 量 即 X 线 穿 过 样 品 后 到 达 探 测 器 的 光 子 数 量 光 子 量 减 少, 噪 声 增 加 增 加 X 线 量 也 就 增 加 图 像 信 息 量, 同 时 也 就 降 低 了 图 像 的 噪 声 2) 与 断 层 厚 薄 有 关 影 响 CT 图 像 密 度 分 辨 率 的 另 一 重 要 因 素 即 样 品 的 几 何 尺 寸 断 层 厚, 探 测 器 可 接 收 到 较 多 的 X 线 光 子 数, 也 就 得 到 了 很 好 的 密 度 显 示 6 小 结 X-CT 的 空 间 分 辨 率 近 似 为 0.25mm, 标 注 的 参 考 值 可 以 接 受 观 察 者 无 法 分 辨 原 因 有 参 数 设 置 不 佳 和 低 密 度 分 辨 率 影 响 观 测 等 在 排 除 人 为 影 响, 仪 器 精 度 得 到 保 证 的 情 况 下, 重 建 算 法 是 否 高 效 精 确 是 很 大 的 影 响 因 素 之 一 368
参 考 文 献 : [1] 苏 卫 锋, 冀 敏 物 理 实 验 [J] 2012,32( 增 刊 ):57-59 [2] 冀 敏, 陆 申 龙 医 学 物 理 实 验 [M] 北 京 : 人 民 卫 生 出 版 社,2009 [3] Operating instructions. Leybold Didactic, 554821 [4] 郭 志 敏, 倪 培 军 兵 器 材 料 与 工 程 [J] 2010,33(2):113-117 Resolution of X-ray computed tomography (X-CT) ZHOU Zhen, SU Wei-feng, JI Min (Department of Physics, Fudan University) Abstract: The operating instructions of computed tomography module (Leybold Didactic 554800, 554821) were cleared. The spatial resolution of this apparatus is measured in a direct way, and a reasonable result was gained. Finally, some factors which affect the observation were studied. Key words: X-CT; spatial resolution; contrast resolution; 369
垂 直 磁 场 对 光 抽 运 信 号 的 影 响 陈 森 a, 王 点 庄 b, 曹 庆 睿 b, 张 师 平 a a, 吴 平 ( 北 京 科 技 大 学 a. 数 理 学 院 应 用 物 理 系 ;b. 材 料 科 学 与 工 程 学 院, 北 京 100083) 摘 要 : 保 持 扫 场 和 垂 直 磁 场 合 成 的 叠 加 磁 场 大 小 一 定, 定 量 研 究 了 地 磁 场 的 垂 直 分 量 抵 消 不 同 时 叠 加 磁 场 方 向 变 化 角 度 θ 对 光 抽 运 信 号 幅 度 的 影 响 规 律 结 果 表 明 : 光 抽 运 信 号 幅 度 随 叠 加 磁 场 方 向 变 化 角 度 θ 的 增 大 而 增 大, 当 θ = 180 时, 即 地 磁 场 的 垂 直 分 量 完 全 抵 消 时, 光 抽 运 信 号 幅 度 最 大, 并 从 量 子 理 论 的 观 点 解 释 了 这 一 规 律, 解 决 了 光 泵 磁 共 振 实 验 教 学 过 程 中 的 一 个 难 点 关 键 词 : 光 抽 运 ; 扫 场 幅 度 ; 垂 直 磁 场 1 引 言 光 抽 运 是 借 助 于 光 辐 射 获 得 原 子 基 态 超 精 细 结 构 能 级 或 塞 曼 子 能 级 间 粒 子 数 的 非 热 平 衡 分 布 的 实 验 方 法, 作 为 一 种 非 常 有 用 的 实 验 手 段, 对 于 精 确 频 率 测 量 能 级 的 精 细 和 超 精 细 结 构 研 究 以 及 激 光 的 发 现 等 方 面 起 着 重 要 的 作 用 [1-2] 在 光 泵 磁 共 振 实 验 中, 光 抽 运 改 变 了 磁 能 级 上 的 粒 子 数 分 布, 使 更 多 的 粒 子 参 与 磁 共 振, 另 一 方 面 采 取 光 探 测 的 方 法 而 不 直 接 测 量 射 频 量 子, 从 而 克 服 了 磁 共 振 信 号 弱 的 缺 点, 把 探 测 灵 敏 度 提 高 了 七 八 个 数 量 级 [3-4] 光 抽 运 信 号 的 强 弱 对 磁 共 振 实 验 的 结 果 至 关 重 要, 是 进 行 磁 共 振 实 验 的 关 键 条 件, 目 前 在 实 验 教 学 中 均 是 利 用 垂 直 线 圈 完 全 抵 消 地 磁 场 垂 直 分 量 的 条 件 下 观 察 光 抽 运 信 号, 而 地 磁 场 垂 直 分 量 抵 消 不 同 时 对 光 抽 运 信 号 幅 度 的 影 响 过 程 关 注 较 少, 尤 其 是 光 抽 运 信 号 幅 度 变 化 规 律, 这 不 仅 是 学 生 学 习 理 解 光 泵 磁 共 振 过 程 遇 到 的 一 个 难 点, 也 是 教 学 中 的 一 个 难 点 本 文 定 量 研 究 了 地 磁 场 垂 直 分 量 抵 消 不 同 时, 扫 场 和 垂 直 磁 场 合 成 的 叠 加 磁 场 对 光 抽 运 信 号 的 影 响, 并 用 量 子 理 论 观 点 给 出 了 解 释 2 实 验 现 象 以 气 态 87 Rb 为 例, 它 在 受 左 旋 圆 偏 振 光 D 1 σ + 照 射 时, 遵 循 光 跃 迁 选 择 定 则 : F = 0, ±1; M F = +1 激 发 5 2 S 1 2 5 2 P 1 2 能 级 的 跃 迁, 由 于 5 2 P 1 2 各 塞 曼 子 能 级 磁 量 子 数 最 高 为 M F = +2, 因 此 基 态 M F = +2 子 能 级 上 的 粒 子 不 能 发 生 跃 迁 而 由 5 2 P 1 2 5 2 S 1 2 的 向 下 跃 迁 中, M F = 0, ±1 的 各 跃 迁 都 是 可 能 的, 对 M F = +2 能 级 也 不 例 外 这 样 经 过 若 干 循 环 之 后, 基 态 F = 2 M F = +2 子 能 级 上 的 粒 子 数 就 将 大 大 增 加, 这 就 是 光 抽 运 效 应 经 过 一 定 弛 豫 时 间 后, 原 子 会 保 持 在 偏 极 化 的 状 态, 此 时 如 若 改 变 磁 场 方 向, 原 子 偏 极 化 被 打 破, 再 次 发 生 上 述 光 抽 运 过 程 当 铷 原 子 气 体 处 于 垂 直 方 向 磁 场 为 0, 水 平 方 向 存 在 方 波 扫 场 时, 可 观 察 到 标 准 光 抽 运 信 号 如 图 1 所 示 基 金 项 目 : 北 京 科 技 大 学 研 究 型 教 学 示 范 课 建 设 项 目 (KC2014YJX30); 北 京 科 技 大 学 教 育 教 学 改 革 与 研 究 项 目 (JG20112M39,JG20112M57) 作 者 简 介 : 陈 森 (1978-), 男, 河 南 濮 阳 人, 北 京 科 技 大 学 物 理 系 工 程 师, 硕 士, 主 要 从 事 物 理 实 验 教 学 工 作 370
图 1 光 抽 运 信 号 实 验 中 发 现 垂 直 磁 场 对 光 抽 运 信 号 有 很 大 影 响, 当 垂 直 方 向 磁 场 B = 0 时, 即 地 磁 场 的 垂 直 分 量 被 抵 消, 光 抽 运 信 号 有 最 大 值 如 果 不 抵 消 地 磁 场 的 垂 直 分 量, 无 论 增 大 或 减 小 垂 直 方 向 亥 姆 霍 兹 线 圈 的 输 出 信 号, 都 会 使 光 抽 运 信 号 减 弱, 此 时 原 子 所 处 环 境 磁 场 如 下 图 2 所 示,B // 是 扫 场 上 半 周 期 磁 场,B // 是 扫 场 下 半 周 期 磁 场,B 是 垂 直 方 向 总 磁 场,B B 是 扫 场 和 垂 直 磁 场 合 成 的 叠 加 磁 场, θ 是 扫 场 在 一 个 完 整 周 期 内 与 垂 直 场 合 成 的 叠 加 磁 场 方 向 变 化 的 角 度 B B B θ B // O B // 图 2 磁 场 矢 量 图 由 图 2 可 以 看 出, 垂 直 方 向 磁 场 不 为 零 时, 在 一 个 完 整 的 扫 场 周 期 内 扫 场 和 垂 直 磁 场 合 成 的 叠 加 磁 场 不 再 沿 水 平 方 向 变 化, 叠 加 磁 场 方 向 变 化 的 角 度 θ 小 于 180 0, 说 明 扫 场 和 垂 直 磁 场 合 成 的 叠 加 磁 场 方 向 变 化 角 度 影 响 光 抽 运 信 号 幅 度 3 研 究 方 法 实 验 所 用 仪 器 为 大 华 无 线 电 仪 器 厂 生 产 的 DH807A 型 光 泵 磁 共 振 实 验 仪, 通 过 减 小 扫 场 幅 度, 增 加 垂 直 线 圈 电 流, 保 持 叠 加 磁 场 B 大 小 一 定, 测 量 叠 加 磁 场 方 向 变 化 不 同 角 度 θ 对 应 的 光 抽 运 信 号 幅 度, 数 据 如 下 表 1 所 示 叠 加 磁 场 等 效 电 流 :0.220A, 叠 加 磁 场 方 向 变 化 角 度 θ:180 ~30, 步 长 :10,I 为 光 抽 运 信 号 幅 度, 垂 直 磁 场 线 圈 净 电 流 指 抵 消 地 磁 场 垂 直 分 量 (0.071A) 后 的 电 流 表 1 叠 加 磁 场 方 向 变 化 不 同 角 度 时 的 光 抽 运 信 号 幅 度 θ/ 垂 直 磁 场 线 圈 净 电 流 /A 扫 场 幅 度 /A I/mV 180 0.000 0.220 81.2 170 0.019 0.219 80.4 160 0.038 0.217 78.4 150 0.057 0.213 69.4 140 0.075 0.207 58.0 130 0.093 0.199 48.2 120 0.110 0.191 39.5 371
I/mV I/mV 第 八 届 全 国 高 等 学 校 物 理 实 验 教 学 研 讨 会 论 文 集 ( 上 ) 110 0.126 0.180 32.2 100 0.141 0.169 24.2 90 0.156 0.156 19.3 80 0.169 0.141 14.1 70 0.180 0.126 12.7 60 0.191 0.110 11.6 50 0.199 0.093 9.9 40 0.207 0.075 8.7 30 0.213 0.057 6.4 由 表 1 得 到 光 抽 运 信 号 幅 度 与 叠 加 磁 场 方 向 变 化 不 同 角 度 θ 的 关 系, 如 图 3 所 示 : 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 30 60 90 120 150 180 θ/ 图 3 光 抽 运 信 号 幅 度 与 叠 加 磁 场 方 向 变 化 角 度 关 系 图 由 图 3 可 以 看 出, 光 抽 运 信 号 幅 度 随 叠 加 磁 场 方 向 变 化 角 度 θ 的 增 大 而 增 大, 当 θ = 180 时, 即 地 磁 场 的 垂 直 分 量 完 全 抵 消 时 光 抽 运 信 号 幅 度 最 大 为 了 进 一 步 描 述 光 抽 运 信 号 幅 度 与 叠 加 磁 场 方 向 变 化 角 度 θ 的 关 系, 将 横 坐 标 由 θ 改 为 1 cos θ, 得 到 如 图 4 所 示 拟 合 曲 线 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 0.5 1 1.5 2 1 cos θ 图 4 光 抽 运 信 号 幅 度 与 1 cos θ 拟 合 曲 线 372
由 图 4 可 以 看 出, 光 抽 运 信 号 幅 度 与 (1 cos θ) 存 在 指 数 函 数 关 系 : I = 5.5691e 1.3259(1 cos θ) (R 2 = 0.992), 即 光 抽 运 信 号 幅 度 正 比 于 e 1 cos θ 考 虑 到 θ = 0, 即 叠 加 磁 场 方 向 不 发 生 改 变 时, 原 子 始 终 处 于 偏 极 化 的 状 态, 此 时 光 抽 运 信 号 幅 度 I = 0, 对 拟 合 方 程 进 行 修 正, 可 得 到 下 面 I 与 θ 的 关 系 : I = k 1 e k 2 1 cos θ 1 其 中 k 1 k 2 为 独 立 的 待 定 系 数, 与 叠 加 磁 场 B 有 关 为 了 更 清 晰 地 表 示 I 与 θ 的 规 律, 再 令 A = k 1 e k 2 B = k 2 C = k 1, 则 上 式 可 改 写 为 : I = Ae Bcos θ + C 其 中 A B C 亦 为 待 定 系 数 ( 只 有 两 个 是 独 立 的 ) 此 式 即 为 光 抽 运 信 号 幅 度 随 叠 加 磁 场 方 向 变 化 角 度 θ 的 规 律 关 系 方 程 4 分 析 与 讨 论 由 上 述 可 知, 光 抽 运 信 号 幅 度 随 叠 加 磁 场 方 向 变 化 角 度 θ 的 增 大 而 增 大 对 于 这 一 规 律, 可 从 量 子 理 论 出 发 加 以 解 释 87 经 过 一 定 弛 豫 时 间 后, Rb 原 子 达 到 偏 极 化 的 平 衡 态, 取 叠 加 磁 场 B 的 方 向 为 z 轴 正 向, 量 子 数 M z 有 5 种 不 同 的 取 值, 此 时 L 2, L z 构 成 一 组 力 学 量 完 全 集, 对 应 本 征 函 数 Ψ miz (i = 1,2,3,4,5), 原 子 的 波 函 数 可 表 示 为 Ψ = C 1 Ψ m 1z + C 2 Ψ m 2z + C 3 Ψ m 3z + C 4 Ψ m 4z + C 5 Ψ m 5z 其 中, Ψ miz 为 一 组 基 矢 量, 构 成 一 个 希 尔 伯 特 空 间 C i (i = 1,2,3,4,5) 为 归 一 化 后 的 概 率 振 幅, C i 2 表 示 原 子 处 于 相 应 Ψ miz 态 的 概 率, 从 宏 观 上 讲, 它 可 反 映 处 于 各 塞 曼 子 能 级 上 的 原 子 的 个 数 假 设 Ψ m 1z 为 M F = +2 对 应 的 本 征 函 数, 则 由 原 子 的 偏 极 化 可 知, C 1 2 C i 2 (i = 2,3,4,5) 设 t 时 刻 叠 加 磁 场 方 向 改 变 了 θ 角, 取 变 化 后 叠 加 磁 场 B 的 方 向 为 z 轴 正 向, 原 有 的 希 尔 伯 特 空 间 转 动 一 定 的 角 度, 新 空 间 的 基 矢 量 为 Ψ miz, 同 样 对 应 原 子 处 于 各 子 能 级 的 本 征 态 此 时 原 子 的 波 函 数 可 表 示 为 Ψ = C 1 Ψ m + C 1z 2 Ψ m + C 2z 3 Ψ m + C 3z 4 Ψ m + C 4z 5 Ψ m 5z 由 于 原 子 的 状 态 随 时 间 的 变 化 是 连 续 的, 则 t 时 刻 叠 加 磁 场 方 向 改 变 时, 有 Ψ = Ψ 因 此 波 函 数 在 新 的 希 尔 伯 特 空 间 中 各 基 矢 量 上 的 投 影 发 生 改 变, 即 C i C i, 此 时 能 量 的 可 能 取 值 仍 是 不 变 的, 即 θ 角 未 使 原 子 能 级 发 生 变 动, 却 使 原 子 处 于 各 能 级 的 概 率 发 生 变 化, 导 致 原 子 的 偏 极 化 被 打 破, 引 发 宏 观 上 的 光 抽 运 现 象 以 θ = 180 时 为 例, 此 时 磁 量 子 数 完 全 相 反, C 2 i 到 C 2 i 的 改 变 最 剧 烈, 原 子 偏 极 化 被 打 破 的 程 度 最 大, 因 此 光 抽 运 信 号 的 幅 度 最 强 ; 而 当 θ < 180 时, 磁 量 子 数 并 非 完 全 相 反, C 2 i 到 C 2 i 的 改 变 不 如 θ = 180 时 剧 烈, 原 子 偏 极 化 被 打 破 的 程 度 较 小, 得 到 的 光 抽 运 信 号 的 幅 度 变 小 5 结 束 语 在 经 典 的 光 泵 磁 共 振 实 验 的 基 础 上, 保 持 扫 场 和 垂 直 磁 场 合 成 的 叠 加 磁 场 大 小 一 定, 定 量 研 究 了 地 磁 场 的 垂 直 分 量 抵 消 不 同 时 叠 加 磁 场 方 向 变 化 角 度 θ 对 光 抽 运 信 号 幅 度 的 影 响, 373
给 出 了 光 抽 运 信 号 幅 度 随 叠 加 磁 场 方 向 变 化 角 度 θ 的 变 化 规 律, 得 到 了 光 抽 运 信 号 幅 度 与 θ 的 关 系 方 程 光 抽 运 信 号 幅 度 随 叠 加 磁 场 方 向 变 化 角 度 θ 的 增 大 而 增 大, 当 θ = 180 时, 即 地 磁 场 的 垂 直 分 量 完 全 抵 消 时 光 抽 运 信 号 幅 度 最 大, 并 从 量 子 理 论 的 观 点 解 释 了 这 一 规 律, 解 决 了 光 泵 磁 共 振 实 验 教 学 过 程 中 的 一 个 难 点 参 考 文 献 : [1] 贺 凌 翔, 王 育 竹 光 抽 运 效 应 的 实 验 演 示 [J] 中 国 激 光,2004,31(1):25-28 [2] 于 力, 张 永 生, 刘 晶 儒, 等 光 抽 运 XeF(C-A) 蓝 绿 激 光 器 [J] 中 国 激 光,2001,28(3): 205-208 [3] 吴 平 理 科 物 理 实 验 教 程 [M] 北 京 : 冶 金 工 业 出 版 社,2010:239-248 [4] 侯 清 润, 曾 蓓, 张 薇 薇, 等 磁 场 对 光 抽 运 信 号 的 影 响 [J] 物 理 实 验,2001,21(12): 9-12 Influence of vertical magnetic field on optical pumping signal CHEN Sen a, WANG Dian-zhuang b, CAO Qing-rui b, ZHANG Shi-ping a, WU Ping a (a.department of applied Physics, School of Mathematics And Physics; b. Materials Science and Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China) Abstract: The influence of superimposed magnetic field on optical pumping signal amplitude was studied quantitatively with superimposed magnetic field direction change angle θ when the vertical component of geomagnetic field isn t completely offset, keeping superimposed magnetic field formed by scanning field and vertical magnetic field in a certain size. Results showed that optical pumping signal amplitude increases with superimposed magnetic field direction change angle θ increases, When θ =180, namely the vertical component of geomagnetic field completely offset, optical pumping signal range is the biggest, and explain this rule from the view of quantum theory, a difficult problem of optical pumping magnetic resonance experiment teaching process was solved. Key words: optical pumping; amplitude of sweep field; vertical magnetic field 374
核 磁 共 振 及 其 成 像 实 验 姚 红 英 ( 复 旦 大 学 物 理 学 系, 上 海 200433) 摘 要 : 介 绍 了 复 旦 大 学 物 理 教 学 实 验 中 心 用 0.5 T 上 海 纽 迈 NMI20 核 磁 共 振 分 析 仪 所 做 的 饱 和 恢 复 法 测 大 豆 油 的 纵 向 弛 豫 时 间 T 1,CPMG 方 法 测 量 大 豆 油 的 横 向 弛 豫 时 间 T 2 及 猪 肉 的 自 旋 回 波 成 像 实 验. 关 键 词 : 核 磁 共 振 成 像 ; 弛 豫 时 间 ; 自 旋 回 波 1 引 言 核 磁 共 振 系 指 受 电 磁 波 作 用 的 原 子 核 系 统 在 外 磁 场 中 磁 能 级 之 间 发 生 共 振 跃 迁 的 现 象.1939 年 首 次 被 拉 比 (I.I Rabi) 在 高 真 空 中 的 氢 分 子 束 实 验 观 察 到, 并 用 于 测 量 核 磁 矩, 为 此 他 获 得 了 1944 年 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖. 1946 年 伯 赛 尔 (E.M. Purcell) 和 布 洛 赫 (F. Bloch) 两 个 小 组 独 立 地 用 吸 收 法 和 感 应 法 分 别 在 石 蜡 和 水 这 类 一 般 状 态 的 物 质 中 观 察 到 氢 核 ( 1 H, 质 子 ) 的 核 磁 共 振, 这 项 重 大 发 明 使 得 他 们 分 享 了 1952 年 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖. 20 世 纪 70 年 代 初, 保 罗 劳 特 布 尔 通 过 引 入 梯 度 场 获 得 二 维 核 磁 共 振 图 像, 彼 得 曼 斯 菲 尔 德 又 进 一 步 发 展 了 有 关 梯 度 场 的 理 论, 由 于 上 述 贡 献 他 们 二 人 荣 获 2003 年 诺 贝 尔 生 物 学 医 学 奖. 1977 年 研 制 成 人 体 核 磁 共 振 断 层 扫 描 仪 (NMR-CT), 获 得 人 体 软 组 织 的 清 晰 图 像. 本 实 验 通 过 对 纵 向 弛 豫 时 间 常 数 T 1 及 横 向 弛 豫 时 间 常 数 T 2 的 测 定 以 及 自 旋 回 波 成 像 的 研 究, 使 学 生 对 NMR 的 基 本 原 理 有 一 清 晰 的 了 解, 对 核 磁 共 振 成 像 作 一 初 步 接 触. 2 实 验 原 理 及 仪 器 2.1 核 磁 共 振 现 象 原 子 核 系 统 在 外 磁 场 中 发 生 能 级 分 裂, 在 一 定 射 频 场 作 用 下 吸 收 其 能 量 发 生 能 级 跃 迁 的 现 象, 叫 做 核 磁 共 振. 由 物 理 学 理 论 得 知 核 磁 共 振 的 条 件 是 射 频 场 的 频 率 等 于 0 = B 0 (1) 0 为 外 磁 场 中 原 子 核 所 做 的 拉 莫 尔 进 动 的 频 率, 为 旋 磁 比, 代 表 原 子 核 的 本 性,B 0 为 外 磁 场 大 小 2.2 磁 化 强 度 矢 量 M 在 核 磁 共 振 过 程 中 会 有 一 个 物 理 量 产 生, 它 是 个 矢 量, 在 没 有 加 射 频 场 时, 这 个 矢 量 方 向 在 外 磁 场 B 0 方 向 上, 即 Z 轴 方 向. 这 个 矢 量 被 称 为 磁 化 强 度 矢 量 M, 如 图 1 所 示. 图 1 磁 化 强 度 矢 量 M 图 2 M 向 xoy 平 面 翻 转 375
在 x 轴 加 上 一 个 射 频 场 之 后, 磁 化 强 度 矢 量 M 会 向 xoy 平 面 偏 转, 如 图 2 所 示. 偏 转 的 角 度 与 脉 冲 作 用 时 间 脉 冲 磁 场 的 强 度 B 1 和 质 子 的 旋 磁 比 有 关. = B 1 (2) 使 M 0 偏 转 到 xoy 平 面 上 的 射 频 脉 冲 称 为 90 脉 冲, 使 M 0 偏 转 到 z 轴 负 方 向 上 的 射 频 脉 冲 称 为 180 脉 冲. 2.3 弛 豫 时 间 受 到 射 频 脉 冲 激 励 的 体 系 由 于 系 统 的 弛 豫 作 用 将 逐 渐 返 回 热 平 衡 状 态 : 纵 向 磁 化 矢 量 M z 因 自 旋 体 系 与 晶 格 发 生 相 互 作 用 释 放 能 量, 使 布 居 数 返 回 平 衡 态, 衡 量 这 一 过 程 时 间 的 长 短 称 为 自 旋 - 晶 格 弛 豫 时 间 T 1 ; 横 向 磁 化 矢 量 M xy 则 由 于 发 生 在 自 旋 体 系 之 间 的 相 互 作 用 而 失 去 相 干 性, 强 度 逐 渐 降 低, 衡 量 这 一 过 程 的 时 间 称 为 自 旋 - 自 旋 弛 豫 时 间 T 2. 由 于 弛 豫 现 象 的 存 在, 脉 冲 核 磁 共 振 获 得 的 拍 频 信 号 无 法 永 远 保 持, 而 是 将 以 指 数 的 方 式 衰 减, 这 种 信 号 称 为 FID 信 号, 信 号 强 度 可 表 示 为 sincos 0 0 * tt / 2 * I I t e, 其 中 t 2 为 观 测 横 向 弛 豫 时 间, 主 要 由 磁 场 不 均 匀 性 及 自 旋 - 自 旋 相 互 作 用 组 成. 2.4 自 旋 回 波 (spin echo) 信 号 (SE 信 号 ) 由 于 磁 场 的 不 均 匀 性,FID 信 号 会 迅 速 衰 减 掉, 导 致 图 像 质 量 下 降, 为 此 在 90 脉 冲 之 后 再 加 一 个 180 脉 冲, 使 已 经 开 始 衰 减 的 横 向 磁 化 的 相 位 再 重 新 聚 集 在 一 起 而 形 成 一 个 自 旋 回 波 (spin echo) 信 号, 它 是 FID 信 号 的 恢 复 的 再 现 具 体 形 成 过 程 如 下 : 一 部 分 质 子 因 磁 场 化 学 位 移 的 非 均 匀 性 使 其 进 动 频 率 变 大 一 点 + 0, 如 图 3 中 的 矢 量 4, 而 有 些 频 率 变 小 一 点 - 0, 如 图 3 中 的 矢 量 1 在 横 向 磁 化 强 度 产 生 之 初, 它 们 具 有 相 同 相 位, 见 图 3(a), 之 后 在 回 波 时 间 (time of echo)te 的 一 半 (TE / 2) 时 间 内, 由 于 它 们 的 进 动 角 频 率 不 同, 使 质 子 迅 速 失 相 位, 横 向 磁 化 强 度 迅 速 衰 减 为 零, 见 图 3(b) 在 TE / 2 时 刻 施 加 一 180 脉 冲, 结 果 使 各 质 子 磁 矩 的 横 向 分 量 在 xoy 平 面 内 绕 x 轴 旋 转 180 达 到 其 镜 像 位 置, 见 图 3(c), 各 质 子 仍 保 持 原 来 的 进 动 方 向, 这 样 快 慢 质 子 换 位 之 后 的 TE / 2 内, 进 动 快 的 质 子 又 追 上 进 动 慢 的 质 子, 到 TE 时 刻, 他 们 的 相 位 又 变 为 相 同 的 了, 如 图 3(d) 180 脉 冲 也 可 以 从 质 子 进 动 的 方 向 反 转 来 理 解 在 180 脉 冲 作 用 后, 接 收 自 旋 回 波 的 信 号 形 状 是 首 先 按 指 数 余 弦 规 律 增 加, 然 后 按 指 数 余 弦 规 律 衰 减, 如 图 4 所 示 (a) (b) (c) (d) 图 3 180 脉 冲 使 失 相 位 质 子 获 得 相 位 一 致 图 4 自 旋 回 波 信 号 图 形 376
2.5 实 验 仪 器 我 们 1995 年 买 了 第 一 台 核 磁 共 振 成 像 仪, 试 用 了 之 后, 同 年 又 买 了 第 二 台 核 磁 共 振 分 析 仪, 用 于 三 年 级 近 代 物 理 实 验 选 作 实 验. 1997 年 又 买 了 两 台 核 磁 共 振 分 析 仪, 这 样 四 台 仪 器 用 于 这 个 选 作 实 验. 实 验 可 以 做 3 ~ 5 周, 每 周 6 学 时 同 时 也 用 这 四 台 仪 器 给 医 学 物 理 实 验 做 成 像 实 验 内 容. 2010 年 又 买 了 四 台 核 磁 共 振 分 析 仪. 现 在 一 共 有 八 台 仪 器, 其 中 四 台 专 门 用 于 医 学 物 理 实 验. 仪 器 如 图 5 所 示, 图 中 右 面 为 磁 体 单 元, 提 供 实 验 所 需 磁 场,0.5 T 左 右 ; 磁 场 均 匀 度 在 15 ppm 以 下, 直 径 为 10 mm 样 品 试 管 放 在 磁 场 中 心 位 置 射 频 线 圈 中 ; 图 中 中 间 上 中 下 分 别 为 射 频 控 制 单 元 梯 度 放 大 器 和 横 卧 式 计 算 机 主 机, 射 频 控 制 单 元 产 生 射 频 信 号 和 脉 冲 序 列, 梯 度 放 大 器 提 供 梯 度 场 和 电 子 匀 场 ; 图 中 左 面 的 为 计 算 机 显 示 器. 3 实 验 内 容 及 结 果 分 析 3.1 横 向 弛 豫 时 间 T 2 的 测 定 图 5 NMI20 台 式 核 磁 共 振 分 析 仪 硬 脉 冲 CPMG 序 列 是 在 自 旋 回 波 脉 冲 序 列 基 础 上, 多 次 施 加 180 度 脉 冲, 从 而 得 到 多 个 回 波 信 号 的 回 波 脉 冲 序 列, 其 序 列 结 构 和 回 波 情 况 如 图 6 所 示. 在 90 脉 冲 之 后, 经 过 时 间 的 散 相 之 后, 再 加 上 180 的 重 聚 脉 冲, 在 t =2 时 刻 得 到 第 一 个 回 波 信 号, 之 后 又 开 始 散 相 运 动, 在 t=3 时, 再 施 加 第 二 个 180 的 重 聚 焦 脉 冲, 同 样 会 在 t=4 时, 横 向 磁 化 矢 量 又 会 汇 聚 而 形 成 第 二 个 回 波 信 号, 如 此 重 复, 可 产 生 多 个 回 波 信 号, 不 过 回 波 信 号 的 幅 度 在 逐 步 减 小. 这 样 可 以 得 到 一 个 回 波 波 列, 由 每 个 回 波 峰 值 M y t = M 0 e 2n/T 2, 形 成 的 指 数 衰 减 曲 线 就 是 T 2 衰 减 曲 线, 因 此 可 以 利 用 这 个 峰 值 衰 减 规 律 来 测 得 样 品 的 T 2 值 图 6 CPMG 序 列 示 意 图 图 7 所 示 是 吴 凡 同 学 大 豆 油 的 测 量 结 果. 他 分 别 测 量 了 10 个 回 波 图 7(a) 和 100 个 回 波 图 7(b) 的 数 据. 在 用 Origin 拟 合 的 过 程 中 发 现 需 要 加 入 一 个 常 数 项, 数 据 才 会 符 合 得 比 较 好. 数 据 如 图 7(c) 和 图 7(d) 所 示. 由 图 中 数 据 可 以 得 到 10 个 回 波 时 大 豆 油 横 向 弛 豫 时 间 为 T 2 =(49±4) ms,100 个 回 波 时 大 豆 油 横 向 弛 豫 时 间 为 T 2 =(48±1) ms. 从 结 果 来 看 回 波 数 多 时, 不 确 定 度 要 小 些. 之 所 以 有 个 常 数 项 是 由 于 信 号 中 有 直 流 成 份 的 叠 加. [1] 377
(a) (b) (c) 3.2 纵 向 弛 豫 时 间 T 1 的 测 定 图 7 CPMG 方 法 10 个 回 波 和 100 个 回 波 带 常 数 项 的 拟 合 结 果 饱 和 恢 复 法 的 脉 冲 序 列 如 下 图 8 所 示. 饱 和 恢 复 法 的 脉 冲 序 列 中 的 两 个 射 频 脉 冲 都 是 90 射 频 脉 冲, 在 第 一 个 90 脉 冲 激 发 之 后, 宏 观 磁 化 矢 量 立 刻 倒 向 xoy 水 平 面 上, 纵 向 和 横 向 弛 豫 同 时 开 始. 但 由 于 磁 场 不 均 匀 性 的 影 响, 横 向 弛 豫 要 比 纵 向 弛 豫 快 很 多, 所 以 饱 和 恢 复 序 列 只 能 适 合 测 量 纵 向 弛 豫 时 间 T 1. 由 纵 向 磁 化 矢 量 表 达 式 M z t = M 0 (1 e t T1) 可 知, 当 第 一 个 90 脉 冲 之 后, 间 隔 一 定 时 间 T R 后, 施 加 第 二 个 90 射 频 脉 冲, 纵 向 磁 化 矢 量 可 表 示 为 M z t = M 0 (1 e T R T 1 ), 记 录 此 时 产 生 的 FID 信 号 幅 值. 然 后 通 过 改 变 时 间 间 隔 T R, 就 可 以 测 得 一 系 列 FID 信 号 幅 值, 如 图 9 所 示. 再 将 这 些 数 据 进 行 曲 线 拟 合, 就 可 以 得 到 样 品 的 T 1 值. 脉 冲 序 列 为 了 克 服 射 频 不 均 匀 性 对 测 量 精 度 的 影 响, 施 加 了 散 相 梯 度 G x. 图 10 为 吴 凡 同 学 测 的 大 豆 油 的 数 据. (d) 图 8 饱 和 恢 复 法 序 列 图 图 9 磁 化 矢 量 随 时 间 间 隔 变 化 示 意 图 378
由 图 10 所 示 数 据 可 以 得 到 大 豆 油 的 纵 向 弛 豫 时 间 为 T 1 =(150±6) ms. 考 虑 到 信 号 磁 矩 基 线 的 偏 离, 同 样 采 用 带 常 数 项 的 指 数 函 数 来 拟 合. 图 10 饱 和 恢 复 法 测 纵 向 弛 豫 时 间 3.3 猪 肉 自 旋 回 波 序 列 成 像 首 先 对 仪 器 进 行 电 子 匀 场 的 调 节 ; 其 次 调 节 射 频 场 频 率, 找 出 拉 莫 尔 共 振 频 率, 记 下 此 频 率 ; 第 三, 进 行 软 脉 冲 序 列 90 脉 冲 和 180 脉 冲 的 调 节, 找 出 形 成 这 两 个 脉 冲 的 脉 冲 幅 度 值 RFAmp1(%); 第 四, 选 择 自 旋 回 波 成 像 序 列 进 行 成 像. 通 过 此 实 验 研 究 成 像 参 数 对 图 像 的 影 响, 下 面 是 居 慧 雯 同 学 的 实 验 结 果. 图 11 给 出 了 选 层 厚 度 对 信 号 强 度 的 影 响. 选 层 厚 度 与 选 层 梯 度 场 成 负 相 关. 当 选 层 梯 度 GsAMP=60 时, 选 层 厚 度 比 GsAMP=80 时 选 层 厚 度 厚, 成 像 样 品 就 多, 因 而 信 号 就 强. 信 号 强, 图 像 就 比 较 亮 图 11(b). 对 于 自 旋 回 波 成 像, 选 层 厚 度 决 定 了 图 像 的 分 辨 率 和 信 号 的 强 弱. 为 了 提 高 分 辨 率 减 小 选 层 厚 度 的 话, 那 么 信 号 强 度 也 会 减 弱, 所 以 要 折 中 选 择 层 厚. (a) GsAMP = 80 (b) GsAMP = 60 图 11 层 厚 对 信 号 的 影 响 : 选 层 梯 度 小 60, 层 厚 厚, 信 号 强 图 12 显 示 了 累 加 次 数 的 影 响 对 信 噪 比 的 影 响. 累 加 次 数 越 多, 信 噪 比 就 越 大 图 12(b). (a) NS = 4 (b) NS = 8 图 12 累 加 次 数 对 信 噪 比 的 影 响 379
图 13 给 出 了 不 同 脉 冲 重 复 时 间 D0 的 影 响. D0 长, 猪 肉 在 下 一 个 脉 冲 序 列 来 时 有 了 充 分 的 弛 豫, 信 号 增 强 ; 由 于 信 号 强 度 S(T E, T R ) AN(H)(1 e T R /T 1 )e T E/T 2, 当 D0 很 长, 即 当 TR T1,1 e T R /T 1 1,T1 的 影 响 减 小. 肥 肉 的 T1 小 于 瘦 肉 的 T1, 但 当 D0=1000 ms 时, 它 们 的 信 号 区 别 变 小. D 0 = 50 ms D 0 = 200 ms D 0 = 1000 ms 图 13 不 同 脉 冲 重 复 时 间 D 0 的 影 响 图 14 观 察 到 了 猪 肉 的 卷 褶 伪 影 的 图 像. 若 选 择 的 视 野 太 小, 未 能 把 所 有 的 样 品 都 包 含 在 内, 则 视 野 以 外 的 样 品 也 会 产 生 信 号. 这 个 信 号 同 样 会 被 线 圈 采 集 到, 这 个 信 号 由 于 采 样 定 理 和 A/D 转 换 将 会 被 折 叠 到 设 定 的 采 样 谱 宽 内, 形 成 卷 褶 伪 影. 图 14 卷 褶 伪 影 图 15 给 出 了 不 同 的 切 片 位 置 图 像 仪 器 空 间 的 磁 场 均 匀 性 为 10 mm 10 mm 10mm, 样 品 试 管 直 径 10 mm, 样 品 切 片 位 置 为 ±5 mm. 用 SlicePos 表 示. SlicePos = +0.2 mm SlicePos = +2 mm SlicePos = +5 mm 图 15 不 同 切 片 位 置 的 图 像 380
4 实 验 结 论 实 验 测 出 大 豆 油 的 纵 向 弛 豫 时 间 T1 为 150 ms; 大 豆 油 的 横 向 弛 豫 时 间 T2 为 48 ms; 猪 肉 的 自 旋 回 波 成 像 信 号 强 度 与 选 层 厚 度 正 相 关, 信 噪 比 与 累 积 次 数 NS 正 相 关, 随 着 脉 冲 重 复 时 间 D0 增 加, 信 号 增 加, 而 瘦 肉 和 肥 肉 的 对 比 度 随 着 D0 的 进 一 步 加 长 差 别 减 小, 自 旋 回 波 成 像 可 以 选 择 不 同 层 面 成 像, 如 果 视 野 选 择 太 小, 可 以 出 现 卷 褶 伪 影. 这 是 自 旋 回 波 成 像 要 避 免 的. 参 考 文 献 : [1] 臧 充 之, 张 洁 天, 彭 培 芝, 等 核 磁 共 振 弛 豫 时 间 测 量 数 据 处 理 方 法 的 讨 论 [J] 物 理 实 验,2005,25(5):45~47 [2] 熊 国 欣, 李 立 本 核 磁 共 振 成 像 原 理 [M] 北 京 : 科 学 出 版 社,2007,8 [3] 汪 红 志, 张 学 龙, 武 杰, 等 核 磁 共 振 成 像 技 术 实 验 教 程 [M] 北 京 : 科 学 出 版 社,2008,1 [4] 赵 喜 平 磁 共 振 成 像 [M] 北 京 : 科 学 出 版 社,2004,11 [5] 戴 乐 山, 戴 道 宣 近 代 物 理 实 验 [M] 北 京 : 高 等 出 版 社,2006:170-176;358-370 381
扩 展 发 光 微 生 物 检 测 急 性 毒 物 应 用 范 围 的 算 法 研 究 魏 胜 非, 李 忠 民, 陈 彩 云, 夏 彬 ( 东 北 师 范 大 学 物 理 学 院, 吉 林 长 春,130024) 摘 要 : 为 了 使 发 光 微 生 物 检 测 急 性 毒 物 的 方 法 可 以 在 更 大 的 温 度 范 围 内 应 用, 需 要 对 其 算 法 进 行 研 究 通 过 对 发 光 微 生 物 在 不 同 的 温 度 条 件 下, 毒 物 对 发 光 微 生 物 的 发 光 强 度 的 影 响 实 验, 得 到 了 相 应 的 实 验 数 据 对 这 些 数 据 分 别 采 用 曲 面 拟 合 算 法 查 表 法 查 表 曲 面 拟 合 算 法 快 速 查 表 均 值 估 算 法, 进 行 了 分 析, 分 析 结 果 表 明 : 曲 面 拟 合 算 法 和 查 表 曲 面 拟 合 算 法 均 不 适 合 于 在 线 监 测 ; 查 表 法 和 快 速 查 表 均 值 估 算 法 均 适 合 于 在 线 监 测 关 键 词 : 发 光 微 生 物 ; 急 性 毒 物 ; 曲 面 拟 合 算 法 ; 查 表 法 1 引 言 水 环 境 安 全 是 关 系 到 人 类 社 会 健 康 发 展 的 大 事 近 年 来, 多 次 发 生 急 性 污 染 物 污 染 水 环 境 的 事 件, 特 别 是 污 染 饮 用 水 源, 造 成 极 大 的 安 全 隐 患 污 染 事 件 一 旦 发 生, 对 其 进 行 快 速 预 警 是 减 少 财 产 损 失 及 人 员 伤 亡 的 重 要 步 骤, 因 而 对 水 环 境 的 毒 物 污 染 预 警, 特 别 是 急 性 毒 物 污 染 的 预 警 是 非 常 重 要 的 [1] 对 水 环 境 污 染 急 性 污 染 物 的 检 测 方 法 可 以 分 为 化 学 方 法 和 生 物 方 法 化 学 法 检 测 结 果 精 确, 但 是 费 用 高, 时 间 长 ( 一 般 需 要 24h 以 上 ), 且 需 要 将 样 品 送 往 实 验 室 生 物 方 法 可 以 快 速 定 性, 因 而 是 经 常 使 用 的 手 段 生 物 方 法 可 以 细 分 为 鱼 水 蚤 发 光 微 生 物 等 方 法, 其 中 发 光 微 生 物 法 应 用 最 为 普 遍 发 光 细 菌 是 一 类 在 正 常 的 生 理 条 件 下 能 够 发 射 可 见 荧 光 的 细 菌, 这 种 可 见 荧 光 波 长 在 450~490nm 之 间 发 光 机 理 的 研 究 表 明, 不 同 种 类 的 发 光 细 菌 的 发 光 机 理 是 相 同 的, 是 由 特 异 性 的 荧 光 酶 (L E) 还 原 性 的 黄 素 ( FMNH 2 ) 八 碳 以 上 长 链 脂 肪 醛 (RCHO) 氧 分 子 (O 2 ) 所 参 与 的 复 杂 反 应 : FMNH 2 +LE FMNH 2 LE+O 2 LE FMNH 2 O 2 +RCHO LE FMNH 2 O 2 RCHO LE+FMN+H 2 O+RCOOH+ 光 细 菌 生 物 发 光 反 应 是 由 分 子 氧 作 用, 胞 内 荧 光 酶 催 化, 将 还 原 态 的 黄 素 单 核 苷 酸 (FMNH 2 ) 及 长 链 脂 肪 醛 氧 化 为 FMN 及 长 链 脂 肪 酸, 同 时 释 放 出 最 大 发 光 强 度 在 波 长 为 450~ 490nm 处 的 蓝 绿 光 [2] 当 发 光 微 生 物 遇 到 水 中 急 性 毒 物 时, 生 理 机 能 受 到 影 响 其 发 光 强 度 减 弱 急 性 毒 物 含 量 愈 高 发 光 强 度 愈 小, 将 发 光 强 度 变 化 的 信 号 提 取 出 来 即 可 测 量 毒 物 的 含 量 [3] 利 用 发 光 微 生 物 进 行 急 性 毒 物 检 测 时, 温 度 一 般 需 要 在 室 温 下 进 行, 可 是 当 在 室 外 检 测, 特 别 是 进 行 实 时 监 测 时, 温 度 条 件 不 能 满 足 要 求 [4] 为 了 可 以 使 发 光 微 生 物 检 测 毒 性 方 法 的 应 用 范 围 更 大 一 些, 特 别 能 够 满 足 室 外 实 际 监 测 条 件 的 要 求, 本 文 探 讨 非 室 温 条 件 下, 温 度 因 素 对 发 光 微 生 物 检 测 急 性 毒 物 的 影 响, 以 期 通 过 去 除 影 响, 扩 大 应 用 范 围 2 设 备 及 材 料 青 海 湖 菌 Q67 冻 干 粉 购 自 华 东 师 范 大 学, 复 苏 液 为 0.8%NaCl 溶 液 稀 释 液, 购 于 北 京 滨 松 公 司 苯 酚 等 化 学 试 剂 均 采 用 分 析 纯 温 度 计 WNG 常 新 仪 表 厂 资 助 项 目 : 吉 林 省 科 技 厅 自 然 基 金 项 目 (201215004) 作 者 简 介 : 魏 胜 非 (1964 ), 吉 林 省 吉 林 市 人, 副 教 授, 博 士 研 究 生, 从 事 传 感 器 环 境 工 程 方 面 的 研 究 382
3 研 究 方 法 分 别 采 用 二 维 回 归 分 析 法 ( 曲 面 拟 合 算 法 ) 查 表 法 查 表 曲 面 拟 合 算 法 快 速 查 表 均 值 估 算 法 对 发 光 微 生 物 毒 性 及 温 度 对 其 检 测 结 果 影 响 进 行 理 论 分 析 分 别 研 究 在 室 温 下, 污 染 物 的 急 性 毒 性 对 发 光 微 生 物 发 光 强 度 的 影 响 ; 不 同 温 度 对 发 光 微 生 物 发 光 强 度 的 影 响 对 利 用 四 种 方 法 的 优 劣 进 行 比 较 3.1 发 光 微 生 物 检 测 急 性 毒 物 的 曲 面 拟 合 算 法 不 仅 急 性 毒 物 的 含 量 对 发 光 微 生 物 的 光 强 变 化 具 有 影 响, 而 且 环 境 温 度 对 其 也 具 有 影 响, 因 而 二 者 的 因 素 都 需 考 虑 发 光 微 生 物 的 发 光 强 度 通 过 光 电 倍 增 管 转 化 为 电 信 号 输 出, 以 U 表 示 其 输 出 的 电 压 用 U 表 示 的 输 出 电 压, 反 应 了 光 强 的 变 化, 因 而 可 以 表 示 光 强 的 改 变 毒 物 含 量 以 D 表 示 ; 温 度 以 T 表 示 以 a 0 - a 5 b 0 - b 5 表 示 常 系 数,e 1 e 2 表 示 高 价 无 穷 小, 则 急 性 毒 物 含 量 D 可 以 用 下 式 表 示 : D=f(U,T) (1) 光 电 倍 增 管 的 输 出 电 压 U 可 以 用 下 式 表 示 : U=g(D,T) (2) 由 二 维 坐 标 (U i,t i ) 决 定 的 D i 可 用 二 次 曲 面 拟 合 方 程 表 示 : D=a 0 +a 1 U+a 2 T+a 3 U 2 +a 4 UT+a 5 T 2 +e 1 (3) 由 二 维 坐 标 (D i,t i ) 决 定 的 U i 可 用 二 次 曲 面 拟 合 方 程 表 示 : U=b 0 +b 1 D+b 2 T+b 3 D 2 +b 4 DT+b 5 T 2 +e 2 (4) 根 据 最 小 二 乘 法 求 得 的 系 数 满 足 均 方 误 差 最 小 条 件 由 二 次 曲 面 拟 合 方 程 计 算 得 到 的 2 D(U k,t k ) 与 标 定 值 D k 之 间 存 在 误 差 k, 其 方 差 k 为 : 2 k =[D k - D(U k,t k )] 2 (5) K=1,2,...,m n 总 计 有 m n 个 标 定 点, 其 均 方 误 差 R 1 应 最 小 : R 1 (6) mn 2 2 2 1 [ Dk (a 0+a1U+a 2T+a3U +a 4UT+a 5T )] m n k 1 可 见 均 方 误 差 R1 是 常 系 数 a 0 - a 5 的 函 数 根 据 多 元 函 数 求 最 小 极 值 条 件 得 出 如 下 式 : R a 1 5 R 0; a 1 1 0; R a 1 2 0; R a 1 3 0; R a 1 4 0; R a 1 5 0 设 m n=c, 求 得 下 述 方 程 : c c c c c c 2 2 0 1 k 2 k 3 k 4 k k 5 k k k1 k1 k1 k1 k1 k1 (7) a c a U a T a U a U T a T D c c c c c c c 2 3 2 2 0 k 1 k 2 k k 3 k 4 k k 5 k k k k k1 k1 k1 k1 k1 k1 k1 (8) a U a U a U T a U a U T a U T U D c c c c c c c 2 2 2 3 0 k 1 k k 2 k 3 k k 4 k k 5 k k k k1 k1 k1 k1 k1 k1 k1 (9) a T a U T a T a U T a U T a T T D c c c c c c c 2 3 2 4 3 2 2 2 0 k 1 k 2 k k 3 k 4 k k 5 k k k k k 1 k 1 k 1 k 1 k 1 k 1 k 1 (10) a U a U a U T a U a T U a U T U D 383
c c c c c c c 2 2 3 2 2 3 0 k k 1 k k 2 k k 3 k k 4 k k 5 k k k k k k1 k1 k1 k1 k1 k1 k1 (11) a U T a U T a U T a U T a T U a U T U T D c c c c c c c 2 2 3 2 2 3 4 2 0 k 1 k k 2 k 3 k k 4 k k 5 k k k k1 k1 k1 k1 k1 k1 k1 (12) a T a T U a T a U T a T U a T T D 上 述 六 式 a 0 -a 5 为 未 知 数, 其 余 为 已 知 数, 代 入 相 应 数 据 即 可 解 出 a 0 -a 5 系 数,(3) 式 即 可 确 定, 同 理 可 以 列 出 关 于 b 0 -b 5 六 个 方 程 式, 解 出 b 0 -b 5 系 数, 即 可 确 定 (4) 式 温 度 对 发 光 微 生 物 发 光 强 度 的 影 响 可 以 通 过 上 述 计 算 得 以 抑 制, 这 样 就 相 当 于 在 一 定 范 围 内 展 宽 了 发 光 微 生 物 检 测 污 染 物 急 性 毒 性 的 应 用 温 度 范 围 3.2 查 表 法 所 谓 查 表 法 就 是 列 出 在 某 一 温 度 下, 毒 物 浓 度 对 应 的 发 光 微 生 物 发 光 强 度 的 列 表 例 如 : 温 度 为 19 的 毒 物 浓 度 对 应 发 光 微 生 物 发 光 强 度 的 列 表, 通 过 发 光 微 生 物 的 发 光 强 度 就 可 以 确 定 毒 物 浓 度 这 需 要 对 应 于 不 同 的 温 度 建 立 一 个 数 据 库 该 方 法 简 单 易 行, 但 是 需 要 做 大 量 的 相 应 毒 物 与 发 光 微 生 物 发 光 强 度 的 标 定 实 验, 以 建 立 数 据 库 该 方 法 的 缺 点 是 对 于 在 两 个 温 度 之 间 没 有 建 立 列 表 的 发 光 强 度, 其 毒 物 浓 度 值 没 有 办 法 处 理, 只 能 估 算 如 列 表 有 19.7 和 19.9 时, 毒 物 与 发 光 微 生 物 发 光 强 度 的 标 定 实 验 值, 而 此 时 温 度 传 感 器 测 得 的 温 度 值 为 19.8, 表 中 没 有 列 出 相 应 的 值, 只 能 估 算 3.3 查 表 曲 面 拟 合 算 法 查 表 曲 面 拟 合 算 法 是 基 于 查 表 法 的 一 种 算 法 当 在 应 用 查 表 法 时, 没 有 列 出 的 温 度 及 发 光 强 度 时, 以 此 列 出 的 最 近 的 两 个 值 为 区 间, 结 合 曲 面 拟 合 算 法 进 行 拟 合 该 方 法 可 以 较 精 确 的 接 近 真 值, 但 计 算 量 较 大 3.4 快 速 查 表 均 值 估 算 法 快 速 查 表 线 性 估 算 法 是 查 表 法 的 扩 展 它 基 于 查 表 法 当 查 表 法 中 未 列 出 所 查 的 温 度 及 发 光 强 度 时, 估 算 时 以 最 近 两 个 值 的 中 间 值 为 所 查 值 该 法 可 以 快 速 取 得 所 测 值, 计 算 量 相 对 较 小, 但 误 差 较 大 4 实 验 发 光 微 生 物 的 标 定 实 验 分 为 两 个 部 分 第 一 部 分 进 行 在 不 同 温 度 下 的 发 光 微 生 物 发 光 强 度 实 验 ; 第 二 部 分 为 不 同 毒 物 含 量 下 的 发 光 微 生 物 发 光 强 度 的 实 验 急 性 毒 物 选 用 苯 酚, 将 苯 酚 配 置 成 0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5(mg/mL), 实 验 温 度 选 择 18-28 每 隔 0.2 实 验 过 程 为 将 发 光 微 生 物 冻 干 粉 从 冰 箱 取 出 后, 配 置 成 溶 液 放 入 恒 温 箱, 温 度 分 别 调 至 实 验 温 度, 相 应 加 入 苯 酚 溶 液, 每 组 实 验 取 3 个 平 行 样, 结 果 取 其 均 值 由 于 篇 幅 所 限 仅 列 出 18-28 每 隔 2 的 值, 如 表 1 所 示 表 1 18-28 每 隔 2 发 光 微 生 物 不 同 温 度 及 不 同 毒 物 浓 度 发 光 强 度 表 U(P) D 0(mg/mL) 0.1(mg/mL) 0.2(mg/mL) 0.3(mg/mL) 0.4(mg/mL) 0.5(mg/mL) T 18 4152 3360 2981 2368 1662 1198 20 4724 3772 3412 3071 1899 1371 22 4936 4022 3613 2774 2032 1184 24 4897 3960 3498 2793 1957 1120 26 4756 3818 3428 2711 1912 1359 28 4554 3691 3370 2607 1821 1301 384
5 数 据 分 析 通 过 表 1 可 以 看 出, 当 温 度 不 同 时, 发 光 微 生 物 的 发 光 强 度 不 同 接 近 室 温 时 发 光 强 度 最 强 距 离 室 温 距 离 越 大, 其 发 光 强 度 下 降 越 大 其 原 因 在 于 发 光 微 生 物 的 生 长 需 要 一 定 的 温 度 环 境, 可 能 是 酶 的 作 用 需 要 满 足 一 定 条 件 的 结 果 随 着 苯 酚 含 量 的 增 加, 微 生 物 的 发 光 强 度 减 弱 不 论 环 境 温 度 的 高 低 都 呈 现 这 一 现 象, 可 能 是 苯 酚 破 坏 了 微 生 物 的 细 胞 膜 结 构, 以 及 对 酶 的 活 动 造 成 影 响 所 致 分 别 采 用 发 光 微 生 物 检 测 急 性 毒 物 的 曲 面 拟 合 算 法 查 表 法 查 表 曲 面 拟 合 算 法 快 速 查 表 均 值 估 算 法 对 6 个 浓 度 毒 物 下,18-28 每 隔 0.2 数 值 进 行 处 理 采 用 matlab 解 方 程 曲 面 拟 合 算 法 在 超 过 2 区 间, 误 差 大 于 20%, 计 算 量 大, 不 适 合 于 在 线 监 测 误 差 产 生 的 原 因 主 要 为 计 算 误 差 和 实 验 误 差, 特 别 是 计 算 误 差, 主 要 是 计 算 机 的 截 断 误 差 所 致 查 表 法 快 速 计 算 量 小, 但 需 要 组 建 数 据 库, 误 差 可 以 小 于 20%, 满 足 在 线 监 测 的 要 求 在 未 列 出 数 据 处 理 上 仅 能 给 出 数 值 范 围, 不 够 精 确, 但 是 能 满 足 定 性 监 测 要 求 查 表 曲 面 拟 合 算 法, 误 差 小 于 10% 计 算 量 大, 速 度 较 慢, 不 适 于 快 速 检 测 快 速 查 表 均 值 估 算 法, 误 差 小 于 20% 速 度 快, 计 算 量 小, 适 合 于 在 线 监 测, 满 足 定 性 监 测 要 求, 该 算 法 的 依 据 是 室 温 下, 毒 物 对 发 光 微 生 物 法 发 光 强 度 的 影 响 为 直 线 [5] 6 结 论 通 过 以 上 实 验 可 以 得 出 如 下 结 论 : 1) 当 温 度 不 同 时, 发 光 微 生 物 的 发 光 强 度 不 同 接 近 室 温 时 发 光 强 度 最 强 距 离 室 温 距 离 越 大, 其 发 光 强 度 下 降 越 大 ; 2) 曲 面 拟 合 算 法 在 超 过 2 区 间, 误 差 大 于 20%, 计 算 量 大, 不 适 合 于 在 线 监 测 ; 3) 查 表 法 快 速 计 算 量 小, 但 需 要 组 建 数 据 库, 误 差 可 以 小 于 20%, 满 足 在 线 监 测 的 要 求 ; 4) 查 表 曲 面 拟 合 算 法, 误 差 小 于 10% 计 算 量 大, 速 度 较 慢, 不 适 于 快 速 检 测 ; 5) 快 速 查 表 均 值 估 算 法, 误 差 小 于 20% 速 度 快, 计 算 量 小, 适 合 于 在 线 监 测, 满 足 定 性 监 测 要 求 参 考 文 献 : [1] 魏 胜 非, 陈 彩 云, 许 德 玄 基 于 青 海 弧 菌 Q67 的 饮 用 水 取 水 环 境 虚 拟 检 测 仪 器 [J] 东 北 师 大 学 报 : 自 然 科 学 版,2010,42(2): 143-146 [2] 朱 文 杰, 郑 天 凌, 李 伟 民 发 光 细 菌 与 环 境 毒 性 检 测 [M] 中 国 轻 工 业 出 版 社,2009: 208-209 [3] Bulich A A. Use of luminescent bacteria for determining toxicity in aquatic environments [J]. InL.L.Marking&R. Akimerle, eds, Aquatic Toxicology STP667. Philadelphia, PA, American Society for Testing and Materials, 1979: 98-106. [4] William H. van der Schalie, Tommy R. Shedd, Paul L. Knechtges, Mark W. Widder Using higher organisms in biological early warning systems for real-time toxicity detection [J] Biosensors & Bioelectronics 16 (2001): 457 465. [5] Wanger V O, Blevins R D. Chemically-Induced Histone Modification as a Predictor of Carcinogenicity [J]. Arch Environ Contam Toxicol, 2002, 25(2): 260-265. 385
The Research for Algorithms to Extend Applicable Range of the Way to Detect Acute Toxicity by Luminous Microorganisms Wei Sheng-fei, Li Zhong-min, Chen Cai-yun, Xia Bin (School of physics, Northeast Normal University, Changchun 130024, China) Abstract: It is necessary to study its algorithm to make the way to detect acute toxicity by microbe applied in larger temperature range. The corresponding experimental data had been obtained by the experiment that the acute toxicity affects the luminous intensity of luminous microorganisms at different temperatures. These data had been respectively analyzed by four kinds of ways. These ways respectively are the methods of fitting curved surface, look-up table method, method of a look-up table and fitting surface, method of fast table lookup and average estimate. The analysis results show that a method of fitting curved surface and a method of look-up table and fitting surface are not suitable for on-line monitoring; the method of Look-up table and the method of the fast look-up table and average estimation are suitable for on-line monitoring. Key words: luminous microorganisms; acute toxicity; fitting curved surface algorithm; Look-up table method 386
用 X 射 线 衍 射 仪 测 量 普 朗 克 常 量 王 合 英, 孙 文 博 ( 清 华 大 学 物 理 系, 北 京 100084) 摘 要 : 本 文 讨 论 了 用 X 射 线 衍 射 仪 测 量 普 朗 克 常 量 h 的 误 差 来 源 和 改 进 方 法. 由 于 仪 器 结 构 和 所 用 透 明 单 晶 样 品 对 谱 线 的 展 宽 效 应 使 不 同 电 压 对 应 的 最 短 波 长 测 量 值 减 小, 在 计 算 普 朗 克 常 量 时 应 对 实 验 测 量 的 各 最 短 波 长 进 行 修 正. 结 果 表 明 用 修 正 的 最 短 波 长 拟 合 得 到 的 普 朗 克 常 数 与 理 论 值 基 本 一 致. 关 键 词 : 普 朗 克 常 量 ;X 射 线 衍 射 仪 ;X 射 线 谱 线 展 宽 1 引 言 普 朗 克 常 量 是 人 类 探 索 自 然 的 过 程 中 最 伟 大 的 发 现 之 一, 在 物 理 学 发 展 史 上 是 一 个 重 要 的 里 程 碑, 它 是 联 系 经 典 物 理 和 近 代 物 理 的 桥 梁 我 国 各 高 等 院 校 普 遍 开 设 了 用 光 电 效 应 法 测 量 普 朗 克 常 数 的 实 验, 但 实 验 误 差 较 大 不 少 文 献 对 此 进 行 了 分 析 与 讨 论 [1-3] 叶 企 孙 先 生 曾 于 1921 年 在 Harvard 大 学 用 x 射 线 测 量 普 朗 克 常 量 的 值 [4] 本 文 介 绍 用 x 射 线 衍 射 仪 测 量 普 朗 克 常 数 的 方 法, 并 讨 论 其 误 差 来 源 和 改 进 方 案 2 实 验 原 理 X 射 线 的 产 生 是 利 用 高 速 电 子 和 物 质 原 子 的 碰 撞 来 实 现. 从 X 射 线 管 发 出 的 X 射 线 分 为 连 续 光 谱 和 特 征 光 谱. 高 速 电 子 到 达 阳 极 靶 表 面 时, 电 子 的 运 动 突 然 受 阻. 根 据 电 磁 场 理 论, 这 种 电 子 产 生 轫 致 辐 射, 向 外 发 射 电 磁 波. 由 于 电 子 的 数 量 很 多, 它 们 到 达 阳 极 靶 上 的 条 件 和 时 间 不 同, 而 且 入 射 电 子 的 能 量 未 完 全 转 化 为 x 射 线 或 转 化 程 度 不 一 样, 因 而 形 成 具 有 各 种 波 长 的 连 续 x 射 线 谱 连 续 谱 中 的 最 短 波 长 相 当 于 最 大 的 电 子 能 量, 即 短 波 限 波 长 或 截 止 波 长 min. 截 止 波 长 与 靶 材 料 的 种 类 无 关, 仅 取 决 于 外 加 电 压 U 的 大 小. X 射 线 管 高 压 越 高 最 短 波 长 越 短. 1915 年 美 国 物 理 学 家 William Duane 和 Franklin L. Hunt 发 现 最 短 波 长 的 倒 数 与 所 加 高 压 成 正 比, 称 为 Duane-Hunt 关 系. Duane-Hunt 关 系 可 以 用 量 子 理 论 解 释 : 能 量 为 eu 的 电 子 和 物 质 碰 撞 产 生 光 量 子 时, 量 子 的 能 量 最 多 等 于 电 子 的 能 量, 因 此 辐 射 必 定 有 一 个 频 率 上 限 ν max, 对 应 最 短 波 长 min, 则 有 : hc h max eu (1) min 式 中 h 为 普 朗 克 常 量,c 为 光 速,e 为 电 子 电 荷. 由 此 可 得 : hc 1 min (2) e U (2) 式 为 Duane-Hunt 关 系. 本 实 验 利 用 x 射 线 衍 射 测 量 经 NaCl 单 晶 反 射 不 同 电 压 下 产 生 作 者 简 介 : 王 合 英 (1965-), 女, 山 东 单 县 人, 博 士, 清 华 大 学 物 理 系 副 教 授, 主 要 从 事 近 代 物 理 实 验 教 学 工 作 387
R ( s -1 ) 第 八 届 全 国 高 等 学 校 物 理 实 验 教 学 研 讨 会 论 文 集 ( 上 ) 的 x 射 线 连 续 谱, 根 据 连 续 谱 强 度 的 变 化 确 定 不 同 电 压 对 应 的 最 短 波 长, 对 min - 1 U 直 线 拟 合, 求 出 Duane-Hunt 关 系 式 中 比 例 系 数, 进 而 求 出 普 朗 克 常 数 h. X 射 线 连 续 谱 波 长 的 确 定 依 据 布 拉 格 公 式 n 2d sin (3) 式 中 为 掠 射 角,d 为 NaCl 晶 面 间 距 已 知 NaCl(100) 的 晶 面 间 距 d = 282.01pm, 根 据 测 量 的 衍 射 角 用 公 式 (3) 计 算 相 应 的 x 射 线 连 续 谱 波 长 3 实 验 本 实 验 用 德 国 leybold 教 学 仪 器 厂 生 产 的 X 射 线 衍 射 仪 通 过 NaCl 单 晶 反 射 得 到 不 同 电 压 下 x 射 线 连 续 谱, 求 出 不 同 电 压 下 x 射 线 连 续 谱 的 最 短 波 长. 所 用 x 射 线 由 电 子 轰 击 Mo 靶 产 生. 测 量 时 首 先 对 x 射 线 衍 射 仪 的 测 角 仪 用 NaCl 单 晶 衍 射 进 行 校 准, 以 保 证 测 量 角 度 的 准 确 性, 进 而 保 证 计 算 出 最 短 波 长 的 准 确 性. 测 量 普 朗 克 常 量 时 x 光 管 的 电 压 变 化 范 围 为 22 35 KV, 电 流 1mA, 测 量 角 度 范 围 为 2.5-6.5, 角 步 幅 0.1, 以 耦 合 扫 描 方 式, 使 传 感 器 与 靶 台 转 角 按 2:1 耦 合 转 动, 用 计 算 机 进 行 数 据 采 集 和 处 理 4000 2000 0 0 5 10 15 20 25 30 图 1 NaCl 单 晶 (100) 晶 面 的 X 射 线 衍 射 谱 4 结 果 分 析 与 讨 论 图 1 给 出 用 耦 合 扫 描 方 式 得 到 NaCl 单 晶 样 品 (100) 晶 面 的 X 射 线 衍 射 谱 从 图 1 可 以 看 出 X 射 线 谱 是 由 连 续 谱 上 叠 加 两 个 特 征 峰 K β 和 K α 组 成 的, 六 个 衍 射 峰 分 别 对 应 x 射 线 特 征 谱 线 K β 和 K α 在 NaCl(100) 晶 面 的 一 级 二 级 和 三 级 衍 射. K α 的 一 级 衍 射 峰 对 应 的 入 射 角 为 7.2º, 与 理 论 值 相 符, 说 明 仪 器 的 角 度 测 量 准 确. 用 此 NaCl 单 晶 作 为 样 品, 改 变 电 压, 在 2.5º- 6.5º 范 围 分 别 测 量 不 同 电 压 下 X 射 线 连 续 谱 如 图 2 所 示. 388
R ( s -1 ) 1500 1000 500 0 35V 34V 32V 30V 28V 26V 24V 22V 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 pm) 图 2 不 同 电 压 下 NaCl 单 晶 反 射 得 到 的 X 射 线 连 续 谱 根 据 上 图 利 用 线 性 拟 合 得 到 不 同 电 压 对 应 的 x 射 线 的 最 短 波 长 如 表 1 表 1 不 同 电 压 下 x 射 线 连 续 谱 的 最 短 波 长 U / kv 22 24 26 28 30 32 34 35 λ min (pm) 55 50.1 46.2 43.2 40.2 37.2 35.2 34.3 将 λ min 和 1/U 进 行 线 性 拟 合, 得 到 拟 合 直 线 斜 率 A=1215.6 pm KV. 由 (2) 式 知 A = hc e 由 (4) 式 计 算 得 到 普 朗 克 常 数 h=6.49 10-34 Js, 小 于 理 论 值 h=6.63 10-34 Js. (4) 用 线 性 拟 合 方 法 确 定 最 短 波 长, 与 实 验 者 选 取 拟 合 的 线 性 区 间 有 很 大 关 系, 造 成 一 定 的 随 机 误 差. 但 从 学 生 做 实 验 的 结 果 看, 几 乎 所 有 学 生 用 这 种 方 法 计 算 出 的 普 朗 克 常 数 都 略 小 于 理 论 值, 说 明 这 种 方 法 测 量 普 朗 克 常 数 的 误 差 不 仅 来 源 于 拟 合 数 据 取 值 的 随 机 误 差, 还 应 有 其 它 误 差 来 源. X 射 线 衍 射 仪 的 谱 线 峰 型 既 和 仪 器 的 构 造 实 验 条 件 有 关, 也 和 实 验 所 用 样 品 的 结 构 有 关. 本 实 验 所 用 的 x 射 线 衍 射 仪 结 构 比 较 简 单,X 射 线 入 射 斜 缝 和 出 射 狭 缝 是 固 定 斜 缝, 且 有 一 定 宽 度, 同 时 仪 器 的 响 应 函 数 并 不 是 Delta 函 数, 导 致 测 得 的 谱 线 有 一 定 展 宽. 最 重 要 的 是 所 用 NaCl 单 晶 样 品 是 透 明 晶 体, 即 使 不 考 虑 晶 体 内 缺 陷 或 应 力 的 影 响, 透 明 晶 体 对 射 线 吸 收 系 数 小, 使 得 入 射 到 样 品 的 x 射 线 不 仅 在 样 品 表 面 发 生 反 射, 样 品 内 部 的 晶 面 也 发 生 较 强 的 反 射, 导 致 峰 宽 增 加. 以 上 因 素 都 使 在 不 同 电 压 下 得 到 的 截 止 波 长 min 比 实 际 的 截 止 波 长 小, 从 而 导 致 普 朗 克 常 量 h 的 测 量 值 偏 小. 为 了 较 精 确 地 测 量 普 朗 克 常 数, 就 应 对 谱 线 展 宽 造 成 的 截 止 波 长 变 小 的 影 响 进 行 修 正. 据 文 献 报 道,Mo 原 子 所 产 生 的 x 射 线 特 征 谱 中 的 K 71.08 pm 谱 线 的 自 然 展 宽 约 为 FWHM=0.026pm [5], 而 从 图 1 NaCl 单 晶 衍 射 图 中 的 实 验 数 据 测 得 一 级 衍 射 峰 的 半 峰 宽 FWHM (Full width at half maximum) 约 为 2.4 pm(35 kv 加 速 电 压 ), 比 自 然 展 宽 大 近 两 个 数 量 级, 说 明 谱 线 展 宽 对 实 验 结 果 有 重 要 的 影 响. 我 们 可 以 利 用 NaCl 单 晶 产 生 的 一 级 布 拉 格 衍 射 峰 测 量 该 仪 器 在 实 验 中 产 生 的 两 条 特 征 谱 线 的 展 宽, 利 用 该 展 宽 值 对 极 限 波 长 法 测 h 389
中 测 得 的 min 进 行 修 正, 以 得 到 比 较 真 实 的 最 短 波 长 min. 表 2 不 同 电 压 对 应 的 Kα 特 征 谱 线 的 FWHM 以 及 对 应 min 的 修 正 值 * min U / kv I / ma FWHM of K / pm min / pm * min / pm 35 1.00 2.4 34.3 35.5 34 1.00 2.4 35.2 36.4 32 1.00 2.4 37.2 38.5 30 1.00 2.4 40.2 41.4 28 1.00 2.4 43.2 44.6 26 1.00 24 46.2 47.4 24 1.00 2.4 50.1 51.3 22 1.00 2.2 55.0 56.1 由 于 最 短 波 长 与 电 压 有 关, 要 对 不 同 电 压 下 的 最 短 波 长 进 行 修 正, 应 测 量 不 同 电 压 下 的 NaCl 晶 体 X 射 线 衍 射 峰 的 FWHM 的 大 小, 然 后 用 拟 合 得 到 的 min 值 加 上 这 些 FWHM 的 一 半 就 可 以 得 到 修 正 后 的. * min 在 不 同 加 速 电 压 下 测 量 得 到 的 特 征 谱 线 Kα 的 半 峰 宽 FWHM 最 短 波 长 min 及 最 短 波 长 修 正 值 * min 见 表 2. 表 2 中 前 两 列 数 据 分 别 为 X 射 线 管 的 电 压 和 电 流, 第 三 列 是 不 同 电 压 条 件 下 Mo 原 子 的 特 征 谱 K 线 经 NaCl 单 晶 (100) 晶 面 衍 射 形 成 的 一 级 衍 射 峰 的 半 峰 宽 FWHM 值 ; 第 四 列 min 为 不 同 电 压 下 测 量 x 射 线 连 续 谱 的 最 短 波 长 值, 第 五 列 峰 宽 对 谱 线 展 宽 效 应 修 正 后 的 最 短 波 长 谱 线 展 宽 效 应 的 修 正 方 法 由 (5) 式 给 出 : * min min FWHM /2 * min 为 用 半 (5) * 1 过 原 点 作 表 2 中 min 的 直 线 拟 合 图, 如 图 3 所 示. 得 到 线 性 拟 合 系 数 为 A* = 1237.7 U pm KV. 将 A* = 1237.7 pm KV 代 入 (4) 式, 计 算 出 普 朗 克 常 数 h = 6.61 10-34 Js. 可 见 对 最 短 波 长 修 正 后 得 到 的 普 朗 克 常 量 较 修 正 之 前 更 接 近 真 实 值 h=6.63 10-34 Js. 这 表 明 用 x 射 线 衍 射 仪 测 量 普 朗 克 常 数 时 应 考 虑 仪 器 结 构 和 透 明 单 晶 样 品 反 射 所 造 成 的 谱 线 展 宽 的 影 响. 用 衍 射 峰 半 峰 宽 对 x 射 线 连 续 谱 的 最 短 波 长 加 以 修 正, 是 用 x 射 线 衍 射 仪 精 确 测 量 普 朗 克 常 数 的 有 效 方 法. 390
70 min ( pm ) 60 50 40 30 20 10 Equation y = a + Adj. R-S 0.999 Value Standard B Interce 0 -- B Slope 1237.7 2.5671 0 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 1/U ( kv-1 ) 5 结 论 图 3 * 1 min 过 原 点 的 直 线 拟 合 图 U 本 实 验 用 x 射 线 衍 射 仪 通 过 测 量 不 同 电 压 下 x 射 线 连 续 谱 的 最 短 波 长, 利 用 Duane-Hunt 关 系 测 算 普 朗 克 常 量. 考 虑 到 因 仪 器 结 构 和 所 用 透 明 单 晶 样 品 对 谱 线 的 展 宽 效 应 使 不 同 电 压 对 应 的 最 短 波 长 测 量 值 减 小, 我 们 用 衍 射 方 法 得 到 该 仪 器 相 同 实 验 条 件 下 的 谱 峰 展 宽 值, 然 后 对 实 验 测 量 的 各 最 短 波 长 进 行 修 正. 结 果 表 明 最 短 波 长 修 正 后 得 到 的 普 朗 克 常 数 与 理 论 值 基 本 一 致. 因 此, 用 测 量 x 射 线 截 止 波 长 的 方 法 精 确 地 测 量 普 朗 克 常 数 时, 应 考 虑 实 验 仪 器 和 实 验 条 件 所 产 生 的 谱 线 展 宽 效 应 并 对 其 加 以 修 正 参 考 文 献 : [1] 汪 志 刚, 施 寿 生 光 电 效 应 法 测 定 普 朗 克 常 数 实 验 的 几 个 问 题 [J] 乐 山 师 范 学 院 学 报, 2004,19(12):36-38 [2] 袁 俊 辉 普 朗 克 常 数 测 定 的 研 究 [D] 硕 士 学 位 论 文 [3] 张 杰. 普 朗 克 常 数 的 测 量 和 作 图 误 差 分 析 [J]. 物 理 实 验,1998,18(3):21-22 [4] W. Duane, H. H. Palmer, and C. S. Yeh. A Remeasurement of the Radiation Constant h by Means of X-rays [J]. Proc. N. A. S. 1921, (7): 237. [5] J. A. Bearden. X-Ray Wavelengths [J]. Rev. Mod. Phys. 1967, (39): 78. Measurement of Planch constant by x-ray diffraction apparatus Wang He-ying, Sun Wen-bo (Department of Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: The cause of the measurement error and the improved approach for measuring the well-known Planck constant h by using an x-ray diffraction apparatus have been discussed in this paper. The minimum wavelength in the x-ray spectra decreases with increasing the applied voltage on the X-ray tube, because of the x- ray lines broadening due to the apparatus structure and the transparent single crystal sample used for diffraction, so that the value of the measured minimum wavelength should be revised for calculating the Planck constant. The results show that the value of the Planck constant calculated using the revised data is consistent with the theoretical value of h. Key words: Planck constant; X-ray diffraction apparatus; broadening of the x ray line 391
利 用 光 栅 单 色 仪 测 量 红 宝 石 晶 体 的 吸 收 和 发 射 光 谱 的 教 学 实 验 研 究 朱 玲, 郑 虹, 王 中 平, 张 权, 张 增 明, 孙 腊 珍 ( 中 国 科 学 技 术 大 学 物 理 学 院 物 理 实 验 教 学 中 心, 安 徽 合 肥 230026) 摘 要 : 以 光 栅 单 色 仪 为 平 台, 测 量 红 宝 石 晶 体 的 吸 收 光 谱 和 发 射 光 谱, 使 学 生 了 解 单 色 仪 的 工 作 原 理 掌 握 使 用 方 法 的 同 时, 也 让 学 生 了 解 光 的 测 量 方 法 及 光 致 发 光 材 料 的 光 谱 特 性, 为 学 生 从 事 相 关 的 实 验 研 究 奠 定 基 础 关 键 词 : 光 栅 单 色 仪 ; 红 宝 石 晶 体 ; 吸 收 光 谱 ; 发 射 光 谱 1 引 言 光 栅 单 色 仪 是 用 光 栅 衍 射 的 方 法 获 得 单 色 光 的 仪 器, 它 可 以 从 复 色 光 源 ( 不 同 波 长 的 混 合 光 ) 中, 通 过 光 栅 偏 转 一 定 的 角 度 获 得 特 定 波 长 的 单 色 光, 测 量 该 单 色 光 的 光 强, 获 得 该 单 色 光 的 光 谱 它 的 主 要 功 能 有 两 个 方 面 : 一 是 从 复 色 光 源 中 提 取 单 色 光 ; 二 是 测 量 复 色 光 源 的 光 谱 可 用 来 研 究 物 质 的 辐 射 特 性, 光 与 物 质 的 相 互 作 用, 物 质 的 结 构 ( 原 子 分 子 能 级 结 构 ), 遥 远 星 体 的 温 度 质 量 运 动 速 度 和 方 向 等 每 种 光 源 都 有 各 自 独 特 的 谱 线, 通 过 对 光 源 光 谱 线 的 测 量, 可 以 进 一 步 了 解 光 源 的 发 光 特 点, 分 析 发 光 机 制 在 实 验 室 中, 如 用 光 栅 单 色 仪 对 低 压 钠 灯 汞 灯 等 进 行 光 谱 测 量, 得 到 离 散 的 线 性 光 谱, 可 以 了 解 钠 蒸 汽 汞 蒸 汽 等 气 体 放 电 产 生 光 的 特 点 ; 对 溴 钨 灯 进 行 谱 线 测 量, 得 到 连 续 光 谱 线, 学 生 可 以 了 解 固 态 光 源 因 热 辐 射 而 发 光 的 特 点 ; 也 可 以 对 各 种 由 光 致 发 光 的 材 料 如 罗 丹 明 溶 液 红 宝 石 晶 体 等 进 行 光 谱 线 的 测 定, 来 了 解 光 致 发 光 材 料 的 光 谱 特 性 等 [1] 本 实 验 使 用 WDS-8 型 光 栅 单 色 仪, 对 光 致 发 光 材 料 - 红 宝 石 晶 体 进 行 光 谱 测 量 实 验 目 的 包 括 两 个 方 面 : 一 是 让 学 生 了 解 光 栅 单 色 仪 的 结 构 及 工 作 原 理, 并 能 够 熟 练 操 作 ; 二 是 让 学 生 了 解 红 宝 石 晶 体 对 光 的 吸 收 和 发 射 现 象, 从 而 理 解 物 质 的 原 子 ( 离 子 ) 能 级 跃 迁 所 呈 现 的 光 谱 特 性 2 实 验 原 理 2.1 单 色 仪 的 结 构 及 工 作 原 理 图 1 给 出 光 栅 单 色 仪 的 结 构 框 图 光 栅 单 色 仪 的 结 构 主 要 由 以 下 三 部 分 组 成 : 前 置 光 路 部 分 - 照 明 系 统, 包 括 光 源 和 凸 透 镜 ; 单 色 仪 内 部 光 路 部 分 - 分 光 系 统, 包 括 入 射 狭 缝 离 轴 抛 物 镜 闪 耀 光 栅 平 面 全 反 镜 出 射 狭 缝 ; 数 据 采 集 部 分 - 接 收 系 统, 包 括 光 电 倍 增 管 和 计 算 机 作 者 简 介 : 朱 玲 (1972 ), 女, 安 徽 霍 邱 人, 中 国 科 学 技 术 大 学 物 理 实 验 教 学 中 心 实 验 师, 学 士, 主 要 从 事 物 理 实 验 教 学 和 实 验 技 术 工 作 392
(S 1 - 入 射 狭 缝 ;S 2 - 出 射 狭 缝 ;M 1 - 离 轴 抛 物 镜 ;G- 闪 耀 光 栅 ; M 2 - 平 面 全 反 镜 ;PMT- 光 电 倍 增 管 ) 图 1 光 栅 单 色 仪 的 结 构 简 图 及 光 路 照 明 系 统 中 的 光 源 发 出 的 复 合 光 经 凸 透 镜 会 聚 于 入 射 狭 缝 S 1,S 1 位 于 离 轴 抛 物 镜 M 1 的 焦 面 上, 光 通 过 M 1 变 成 平 行 光 照 射 到 闪 耀 光 栅 G, 并 经 过 闪 耀 光 栅 的 衍 射 返 回 到 M 1, 经 M 1 反 射 的 光 经 过 M 2 反 射 会 聚 到 出 射 狭 缝 S 2, 照 射 在 接 受 系 统 的 光 电 倍 增 管 PMT 上, 将 光 信 号 转 换 为 电 信 号,PMT 与 计 算 机 相 连, 在 计 算 机 上 通 过 关 联 软 件 采 集 数 据 闪 耀 光 栅 G 转 动 时, 从 S 2 出 射 的 光 由 短 波 到 长 波 依 次 出 现, 从 而 在 接 收 系 统 中 获 取 单 色 光 2.2 红 宝 石 晶 体 的 能 级 跃 迁 红 宝 石 晶 体 化 学 成 分 为 Al 2 O 3 :Cr 3+, 它 是 Al 2 O 3 单 晶 中 掺 有 少 量 的 Cr,Cr 的 外 层 电 子 构 型 为 3d 5 4s 1 掺 入 Al 2 O 3 晶 格 后, 失 去 外 层 三 个 电 子, 变 成 三 价 的 Cr 3+, 红 宝 石 晶 体 的 光 谱 就 是 Cr 3+ 离 子 在 3d 壳 上 三 个 电 子 发 生 能 级 跃 迁 的 反 应 Cr 3+ 属 3d 电 子 组 态, 4 F 为 基 态 光 谱 项, 2 G 为 第 一 激 发 态, 4 P 为 与 基 态 自 旋 态 相 同 的 激 发 态 Cr 3+ 处 在 八 面 体 对 称 晶 场 中 [3], 4 F 2 G 两 个 光 谱 项 晶 场 又 各 自 劈 裂 为 若 干 能 级 4 F 晶 场 劈 裂 为 : 4 T 1 (F) 4 T 2 (F) 4 A 2 ( 基 态 ) 三 个 能 级 ; 2 G 晶 场 劈 裂 为 : 2 T 1 2 T 2 2 E 2 A 1 四 个 能 级 4 P 晶 场 无 劈 裂, 但 能 态 转 变 为 4 T 1 (P) 红 宝 石 晶 体 的 吸 收 光 谱, 是 反 应 电 子 由 基 态 4 A 2 向 高 能 级 跃 迁 产 生 的 跃 迁 吸 收 现 象 处 于 基 态 4 A 2 电 子 向 高 能 级 跃 迁, 它 要 遵 循 跃 迁 规 则, 即 S=0( 一 般 四 重 项 只 能 跃 迁 到 四 重 项 ), 跃 迁 允 许, 也 即 4 A 2 到 4 T 1 (F) 4 T 2 (F) 4 T 1 (P) 跃 迁 是 允 许 的 4 T 1 (F) 4 T 2 (F) 4 T 1 (P) 能 级 分 别 为 4 T 1 (F): 25000 cm -1 4 T 2 (F):17000 cm -1 4 T 1 (P):39000 cm -1, 对 应 波 长 范 围 : 4 T 1 (F) 4 T 2 (F) 在 可 见 光 区 域, 4 T 1 (P) 在 紫 外 区 域 4 A 2 4 T 1 (P) 4 A 2 4 T 1 (F) 4 A 2 4 T 2 (F) 产 生 三 个 强 吸 收 带 因 S 0( 低 能 态 是 四 重 项, 高 能 态 是 二 重 项 ), 4 A 2 到 2 T 1 2 T 2 2 E 的 跃 迁 是 禁 阻 的, 只 能 产 生 禁 阻 跃 迁 线, 出 现 很 弱 吸 收 线 红 宝 石 晶 体 的 发 射 光 谱 是 吸 收 光 谱 的 逆 过 程 跃 迁 到 高 能 级 4 T 1 (F) 4 T 2 (F) 4 T 1 (P) 上 的 电 子 ( 处 于 高 能 级 上 的 电 子 是 不 稳 的 ) 无 辐 射 跃 迁 到 激 发 态 2 E, 2 E 态 又 称 为 亚 稳 态, 能 级 为 14400 cm -1, 寿 命 比 较 长, 约 5 ms 由 于 晶 体 场 以 及 自 旋 - 轨 道 耦 合 因 素, 2 E 又 劈 裂 为 间 隔 29 cm -1 双 重 能 级 处 在 双 重 能 级 上 的 电 子, 再 返 回 跃 迁 到 基 态 4 A 2 上 ( 整 个 跃 迁 过 程, 打 破 了 S=0 的 跃 迁 规 则, 这 是 晶 场 的 作 用 和 自 旋 - 轨 道 相 互 作 用 的 结 果 ), 在 返 回 跃 迁 的 过 程 中 通 过 慢 的 自 发 辐 射 释 放 能 量 而 产 生 光 [4-5] 在 可 见 光 区 域 中 红 宝 石 晶 体 Cr 3+ 能 级 及 相 关 跃 迁 过 程 如 图 2 在 图 中, 4 A 2 为 基 态, 4 T 1 (F) 4 T 2 (F) 是 两 个 强 吸 收 带, 2 E 是 亚 稳 态, R 1 R 2 是 2 E 态 双 重 能 级 和 4 A 2 能 级 之 间 产 生 跃 迁 对 应 的 两 条 强 荧 光 线 [6] [2] 393
Intensity (a.u) 第 八 届 全 国 高 等 学 校 物 理 实 验 教 学 研 讨 会 论 文 集 ( 上 ) 图 2 红 宝 石 晶 体 中 Cr 3+ 能 级 及 相 关 跃 迁 过 程 3 实 验 结 果 与 讨 论 3.1 光 栅 单 色 仪 波 长 校 准 在 对 红 宝 石 晶 体 的 光 谱 进 行 测 量 之 前, 首 先 要 对 光 栅 单 色 仪 校 准, 以 减 小 测 量 误 差 利 用 已 知 钠 灯 的 主 线 系 的 两 条 分 离 谱 线 ( 理 论 波 长 为 589.0 nm,589.6 nm), 作 为 已 知 波 长, 对 单 色 仪 测 量 波 长 进 行 校 准, 校 正 在 使 用 过 程 中 产 生 的 波 长 位 置 误 差, 最 大 程 度 保 证 测 量 波 长 位 置 的 准 确 性 具 体 过 程 : 实 验 光 路 如 图 1, 光 源 为 钠 灯, 入 射 狭 缝 宽 度 为 0.15 mm, 出 射 狭 缝 宽 度 为 0.1 mm, 光 电 倍 增 管 的 高 压 为 -316 V, 利 用 计 算 机 关 联 软 件 程 序 设 定 合 理 的 测 量 范 围 获 取 钠 灯 的 双 谱 线, 测 得 峰 值 位 置 数 据, 与 理 论 值 比 较 大 小, 对 波 长 校 准 校 准 后 的 测 量 谱 线 ( 峰 值 位 置 :589.0 nm,589.58 nm) 如 图 3 所 示 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 3.2 测 红 宝 石 晶 体 的 吸 收 光 谱 0 588.0 588.5 589.0 589.5 590.0 590.5 591.0 Wavelength (nm) 图 3 钠 灯 主 线 系 光 谱 红 宝 石 晶 体 对 不 同 波 长 的 入 射 光 吸 收 不 同, 吸 收 系 数 随 入 射 光 波 长 ( 或 频 率 ) 变 化 叫 吸 收 光 谱, 它 表 明 在 每 一 波 长 ( 或 频 率 ) 上 所 吸 收 或 透 过 的 辐 射 量 纵 坐 标 是 吸 收 度 ( 或 光 密 度 ), 横 坐 标 是 波 长 ( 或 频 率 ) 吸 收 度 ( 或 光 密 度 ) 用 O.D 表 示 [7], 可 以 用 如 下 公 式 求 得 : O.D=log 10 (I 0 /I) (1) I 0 是 入 射 光 强 度,I 是 出 射 光 强 度 实 验 光 源 为 溴 钨 灯, 测 量 范 围 从 350 nm 到 700 nm 先 测 量 无 红 宝 石 晶 体 时 的 溴 钨 灯 发 射 光 谱 光 强 数 据, 作 为 入 射 光 强 度 I 0, 用 origin 绘 图 软 件 绘 出 溴 钨 灯 发 射 光 谱, 实 验 光 路 如 图 1, 透 镜 焦 距 f=100 mm, 入 射 狭 缝 宽 度 为 0.15 mm, 出 射 狭 缝 宽 度 为 0.1 mm, 光 电 倍 增 管 高 压 为 -605 V, 光 谱 如 图 5 然 后, 在 同 等 测 量 条 件 下, 改 变 前 置 光 路 部 分, 将 红 宝 石 晶 体 放 置 在 入 射 狭 缝 与 透 镜 之 间, 经 透 镜 后 的 会 聚 光 束 正 入 射 红 宝 石 晶 体 光 学 面, 测 放 入 红 宝 石 晶 体 后 的 出 射 光 谱 光 强 数 据, 作 为 出 射 光 强 度 I, 用 origin 绘 图 软 件 绘 出 放 入 红 宝 石 晶 体 后 的 出 射 光 谱, 光 谱 如 图 6, 放 入 红 宝 石 晶 体 实 验 光 路 如 图 4 394
Absorbance (a.u.) Intensity (a.u) Intensity (a.u) 第 八 届 全 国 高 等 学 校 物 理 实 验 教 学 研 讨 会 论 文 集 ( 上 ) 图 4 测 量 红 宝 石 晶 体 的 吸 收 光 谱 的 光 路 图 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 1800 0 350 400 450 500 550 600 650 700 Wavelength (nm) 图 5 溴 钨 灯 的 发 射 光 谱 1500 1200 900 600 300 1.0 0.9 0.8 0 350 400 450 500 550 600 650 700 Wavelength (nm) 图 6 溴 钨 灯 透 过 红 宝 石 晶 体 的 光 谱 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 350 400 450 500 550 600 650 700 Wavelength (nm) 图 7 红 宝 石 晶 体 的 吸 收 光 谱 395
Intensity (a.u) 第 八 届 全 国 高 等 学 校 物 理 实 验 教 学 研 讨 会 论 文 集 ( 上 ) 将 测 得 的 入 射 光 强 度 I 0 和 出 射 光 强 度 I, 在 origin 绘 图 软 件 里 用 公 式 (1) 进 行 处 理, 得 到 吸 收 度 O.D 的 值, 以 O.D 的 值 为 纵 坐 标, 波 长 为 横 坐 标, 绘 出 红 宝 石 晶 体 的 吸 收 光 谱 曲 线, 光 谱 如 图 7 在 图 7 中, 红 宝 石 晶 体 出 现 两 个 强 吸 收 带, 吸 收 峰 位 置 分 别 在 406.9 nm 557.5 nm( 理 论 峰 值 位 置 :404.7 nm 576.3 nm), 两 个 强 吸 收 带 分 别 对 应 图 2 中 强 吸 收 带 4 T 1 (F) 4 T 2 (F) 两 个 吸 收 带 的 带 宽 有 100 nm 左 右,Cr 3+ 吸 收 两 个 带 宽 中 任 一 波 长 的 光, 都 能 激 发 Cr 3+ 跃 迁, 产 生 跃 迁 吸 收 现 象 3.3 测 红 宝 石 晶 体 的 发 射 光 谱 用 波 长 为 532 nm 功 率 为 50 mw 的 半 导 体 激 光 器 作 为 激 发 光 源 改 变 前 置 光 路 部 分, 将 红 宝 石 晶 体 放 置 在 透 镜 与 光 源 之 间, 并 使 激 光 束 与 红 宝 石 晶 体 光 学 面 成 一 定 角 度 ( 从 保 护 光 电 倍 增 管 角 度 出 发, 避 免 经 透 镜 会 聚 后 的 强 光 进 入 入 射 狭 缝, 损 坏 光 电 倍 增 管 ), 实 验 光 路 如 图 8, 测 量 范 围 从 691 nm 到 696 nm, 透 镜 焦 距 f=100 mm, 入 射 狭 缝 宽 度 为 0.15 mm, 出 射 狭 缝 宽 度 为 0.1 mm, 光 电 倍 增 管 高 压 为 -305 V 测 得 红 宝 石 晶 体 发 射 光 谱 光 强 数 据, 用 origin 绘 图 软 件, 绘 出 红 宝 石 晶 体 的 发 射 光 谱 图 9 给 出 红 宝 石 晶 体 的 发 射 光 谱, 发 射 谱 中 出 现 两 个 发 射 峰, 峰 值 位 置 分 别 在 692.9 nm 694.3 nm( 理 论 峰 值 位 置 :692.8 nm 694.3 nm) 两 尖 峰 分 别 对 应 图 1 中 两 个 强 荧 光 线 R 2 R 1 当 红 宝 石 晶 体 被 波 长 为 532 nm 的 绿 光 照 射 后,Cr 3+ 吸 收 能 量, 被 激 发 到 4 T 2 (F), 并 很 快 损 失 一 部 分 能 量 通 过 无 辐 射 跃 迁 到 亚 稳 态 2 E, 处 在 2 E 态 的 粒 子 返 回 跃 迁 到 基 态 4 A 2 在 返 回 跃 迁 的 过 程 中, 自 发 辐 射 产 生 荧 光 线 R 2 R 1 图 8 测 量 红 宝 石 晶 体 的 发 射 光 谱 的 光 路 图 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 691 692 693 694 695 696 Wavelength (nm) 图 9 532 nm 的 激 光 器 (50 mw) 激 发 的 红 宝 石 晶 体 的 发 射 光 谱 红 宝 石 晶 体 的 吸 收 光 谱 是 反 应 Cr 3+ 对 光 的 吸 收 现 象, 发 射 光 谱 是 反 应 Cr 3+ 作 为 发 光 中 心 对 光 的 发 射 现 象, 它 们 是 相 互 联 系 的 两 种 相 反 过 程 当 处 于 基 态 的 Cr 3+ 被 光 激 发 后, 获 得 能 量 跃 迁 至 T(F) 态, 在 这 个 过 程 中 产 生 跃 迁 吸 收 处 于 T(F) 态 受 激 Cr 3+ 无 辐 射 跃 迁 至 亚 稳 态 2 E, 通 过 自 发 辐 射 返 回 跃 迁 到 基 态 4 A 2, 在 返 回 跃 迁 的 过 程 中 释 放 能 量, 发 射 光 子 396
4 结 束 语 在 大 学 物 理 实 验 教 学 中, 对 本 科 生 开 设 该 实 验, 在 使 用 现 代 化 的 实 验 教 学 方 法 优 化 实 验 教 学 模 式 的 同 时, 也 拓 宽 了 学 生 的 知 识 层 面, 使 学 生 在 课 堂 上 所 学 的 理 论 知 识 和 实 验 中 观 察 的 现 象 有 机 结 合 在 一 起, 从 而 激 发 学 生 对 实 验 的 兴 趣, 提 高 对 理 论 知 识 探 究 的 积 极 性, 为 学 生 发 挥 创 造 性 思 维 奠 定 了 基 础 学 生 可 以 以 光 栅 单 色 仪 为 平 台 从 事 多 领 域 多 学 科 相 互 交 叉 的 实 验 研 究, 如 对 一 未 知 的 材 料, 进 行 光 谱 研 究, 来 探 知 材 料 的 发 光 物 质 及 其 化 学 成 分 ; 可 以 通 过 光 纤 耦 合, 将 太 阳 光 采 集 到 单 色 仪 内, 了 解 太 阳 光 谱 中 夫 琅 禾 费 谱 线 ( 暗 线 ) 相 关 知 识 ; 可 以 对 电 致 发 光 的 半 导 体 材 料 LED 发 光 特 性 进 行 探 究 ; 有 学 生 在 此 平 台 上 已 做 出 实 验 [8] 结 果, 实 验 名 称 为 用 琼 斯 矩 阵 方 法 研 究 透 明 胶 带 的 光 学 性 质, 并 发 表 文 章 等 等 在 进 行 实 验 研 究 的 过 程 中, 学 生 加 强 了 创 新 意 识, 提 高 了 提 出 问 题 解 决 问 题 的 能 力, 并 发 扬 了 小 组 成 员 间 的 协 同 合 作 的 团 队 精 神, 同 时 在 探 求 知 识 的 过 程 中, 培 养 了 学 生 认 真 严 谨 的 科 学 态 度 参 考 文 献 : [1] 杨 志 平, 李 志 强 发 光 与 显 示 技 术 [M] 河 北 : 河 北 大 学 出 版 社,2007:71-72 [2] 谢 行 恕, 康 士 秀, 霍 剑 青 大 学 物 理 实 验 [M] 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社,2005:151-153 [3] 方 容 川 固 体 光 谱 学 [M] 合 肥 : 中 国 科 学 技 术 大 学 出 版 社,2001:139-143 [4] 陈 伟, 罗 红 宇 云 南 红 宝 石 的 激 发 和 发 光 光 谱 [J] 无 机 材 料 学 报,1993,8(4):409-416 [5] T.H. 梅 曼, 龚 旗 煌 译 红 宝 石 中 的 受 激 辐 射 [J] 北 京 大 学 学 报,2002,38( 增 刊 ):63-65 [6] 王 彦 吉, 宋 增 福 光 谱 分 析 与 色 谱 分 析 [M] 北 京 : 北 京 大 学 出 版 社,1995:70-72 [7] ( 英 )R.G. 伯 恩 斯, 任 觉, 郭 其 悌 译 晶 体 场 理 论 的 矿 物 学 应 用 [M] 北 京 : 科 学 出 版 社, 1977:56-58 [8] 盛 欣 力, 顾 帅, 张 权, 等 用 琼 斯 矩 阵 方 法 研 究 透 明 胶 带 的 光 学 性 质 [J] 物 理 实 验,2012, 32( 增 刊 ):111-114 The study of teaching experiment for measurement of absorbance and emission spectra of ruby crystal by grating monochromator ZHU Ling, ZHENG Hong, WANG Zhong-ping, ZHANG Quan, ZHANG Zeng-ming, SUN La-zhen (Physics Experiment Teaching Center, School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China) Abstract:Grating monochromator as the platform, measuring the absorption spectrum and emission spectrum of ruby crystal, enable students to understand the working principle of monochromator, master the using method of monochromator at the same time, also let the students understand the optical and spectral properties of photoluminescence materials, lay the foundation for students to engage in related experiments. Key words : Grating monochromator; Ruby crystal; Absorbance spectrum; Emission spectrum 397
巨 磁 电 阻 效 应 实 验 仪 吴 春 姬, 纪 红, 徐 智 博, 张 剑 楠, 王 文 全 ( 吉 林 大 学 物 理 学 院, 吉 林 长 春 130012) 摘 要 : 介 绍 了 巨 磁 电 阻 效 应 的 基 本 原 理, 利 用 自 制 的 巨 磁 电 阻 效 应 实 验 仪 测 量 了 不 同 的 外 磁 场 和 工 作 电 压 下 巨 磁 阻 传 感 器 输 出 电 压 的 变 化 研 究 了 巨 磁 阻 传 感 器 敏 感 轴 与 外 磁 场 间 夹 角 与 传 感 器 输 出 电 压 间 关 系, 传 感 器 输 出 电 压 的 与 偏 离 角 度 成 余 弦 关 系 研 制 巨 磁 电 阻 效 应 实 验 仪, 不 仅 充 实 了 学 生 实 验 内 容, 更 是 提 高 了 教 师 和 实 验 技 术 人 员 的 素 质 和 能 力 关 键 词 : 巨 磁 电 阻 效 应 ; 传 感 器 输 出 电 压 ; 外 磁 场 1 引 言 [1] 法 国 科 学 家 阿 尔 贝 费 尔 和 德 国 科 学 家 彼 得 格 林 贝 格 尔 因 分 别 独 立 发 现 巨 磁 阻 效 应 而 共 同 获 得 了 2007 年 诺 贝 尔 物 理 学 奖 近 些 年, 它 的 发 展 异 常 迅 速, 应 用 领 域 不 断 扩 大, 到 目 前 为 止, 巨 磁 阻 技 术 已 经 成 为 全 世 界 几 乎 所 有 电 脑 数 码 相 机 MP3 播 放 器 的 标 准 技 术 目 前 利 用 巨 磁 电 阻 (Giant Magneto Resistive,GMR) 材 料 制 成 的 生 物 传 感 器, 在 生 命 科 学 研 究 领 域 具 有 重 要 的 作 用 另 外, GMR 传 感 器 在 汽 车 电 子 技 术 机 电 一 体 化 控 制 家 用 电 器 卫 星 定 位 导 航 系 统 以 及 精 密 测 量 技 术 中 都 将 具 有 广 阔 的 开 发 与 应 用 价 值 [2] 为 了 使 理 科 学 生 能 够 接 触 和 感 受 到 物 理 学 科 的 发 展, 经 常 将 物 理 学 科 尤 其 是 获 得 诺 贝 尔 奖 的 一 些 实 验 内 容 纳 入 实 验 教 学 体 系, 不 断 的 融 入 近 现 代 的 先 进 科 技 成 果 对 提 高 学 生 的 综 合 素 质, 实 验 动 手 能 力, 使 得 我 们 的 毕 业 生 走 入 社 会 能 够 很 快 的 适 应 当 今 社 会 高 技 术 发 展 的 环 境 中 去, 研 制 巨 磁 电 阻 效 应 实 验 仪 是 非 常 有 意 义 的 一 项 工 作 所 以 无 论 是 充 实 实 验 内 容 提 高 实 验 教 学 水 平, 还 是 提 高 教 师 和 实 验 技 术 人 员 的 素 质 和 能 力 都 是 非 常 有 意 义 的 一 项 工 作 本 实 验 仪 已 经 运 用 到 学 生 实 验 教 学 当 中, 取 得 了 很 好 的 教 学 效 果 2 实 验 基 本 原 理 2.1 巨 磁 电 阻 效 应 所 谓 巨 磁 阻 效 应, 是 指 磁 性 材 料 的 电 阻 率 在 有 外 磁 场 作 用 时 较 之 无 磁 场 作 用 时 存 在 巨 大 变 化 的 现 象, 巨 磁 阻 是 一 种 量 子 力 学 效 应, 它 产 生 于 层 状 的 磁 性 薄 膜 结 构, 这 种 结 构 是 由 铁 磁 材 料 和 非 铁 磁 材 料 薄 层 交 替 叠 合 而 成 一 般 用 二 流 体 模 型 来 解 释 巨 磁 电 阻 效 应, 铁 磁 金 属 中 的 电 流 由 自 旋 向 上 和 自 旋 向 下 的 电 子 分 别 传 输 ( 图 1), 自 旋 磁 矩 方 向 与 区 域 磁 化 方 向 平 行 的 传 导 电 子 所 受 的 散 射 小, 因 而 电 阻 率 低 当 磁 性 多 层 膜 相 邻 磁 层 的 磁 矩 反 铁 磁 耦 合 时, 自 旋 向 上 向 下 的 传 导 电 子 在 传 输 过 程 中 分 别 接 受 周 期 性 的 强 弱 散 射, 因 而 均 表 现 为 高 电 阻 态 R1; 当 多 层 膜 中 的 相 邻 磁 层 在 外 加 磁 场 作 用 下 趋 于 平 行 时 ( 图 2), 自 旋 向 上 的 传 导 电 子 受 到 较 弱 的 散 射 作 用, 构 成 了 低 电 阻 通 道 R3, 而 自 旋 向 下 的 传 导 电 子 则 因 受 到 强 烈 的 散 射 作 用 形 成 高 电 阻 通 道 R2, 因 为 有 一 半 电 子 处 于 低 阻 通 道, 所 以 此 时 的 磁 性 多 层 膜 表 现 为 低 电 阻 态 这 就 是 磁 性 多 层 膜 巨 磁 电 阻 效 应 的 起 因 [3] 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 (No.11074092); 国 家 基 础 科 学 人 才 培 养 基 金 (No.J1103202) 对 本 文 的 资 助 398
图 1 无 磁 场 时 处 于 高 阻 态 图 2 外 加 磁 场 时 处 于 低 阻 态 2.2 亥 姆 霍 兹 线 圈 载 流 圆 线 圈 磁 场 : 根 据 毕 奥 - 萨 法 尔 定 律, 半 径 为 R 通 以 电 流 为 I 的 圆 线 圈 在 线 圈 圆 心 O 点 的 磁 感 应 强 度 为 B NI 2R 其 中 I 是 励 磁 电 流, 0 是 真 空 磁 导 率,N 0 是 线 圈 的 匝 数 0 0 0 (1) 亥 姆 霍 兹 线 圈 是 一 对 彼 此 平 行 且 连 通 的 共 轴 圆 形 线 圈 ( 如 图 所 示 ), 两 线 圈 内 的 电 流 方 向 一 致, 大 小 相 同, 线 圈 之 间 的 距 离 正 好 等 于 圆 形 线 圈 的 半 径 R 这 种 线 圈 的 特 点 是 能 在 其 公 共 轴 线 中 点 附 近 产 生 较 广 的 均 匀 磁 场 区 域, 设 x 为 亥 姆 霍 兹 线 圈 中 轴 线 上 某 点 离 中 心 点 处 的 距 离, 则 亥 姆 霍 兹 线 圈 轴 线 上 任 意 一 点 的 磁 感 应 强 度 为 强 度 为 2 2 2 2 R 2 R 1 B 0NIR R x R x 2 2 2 3/ 2 3/ 2 本 实 验 中 取 N 0 =200,R =10cm 因 此, 在 亥 姆 霍 兹 线 圈 轴 线 上 的 中 心 点 O 处 的 磁 感 应 2.3 巨 磁 电 阻 传 感 器 的 工 作 原 理 B 0 0 3/ 2 (2) NI 8 (3) R 5 本 实 验 中 的 巨 磁 电 阻 传 感 器 由 四 个 电 阻 构 成 惠 斯 通 电 桥 结 构 ( 图 3), 这 是 为 了 消 除 温 度 变 化 等 环 境 因 素 对 传 感 器 输 出 稳 定 性 的 影 响, 增 加 传 感 器 的 灵 敏 度 我 们 把 巨 磁 电 阻 传 感 器 放 在 亥 姆 霍 兹 线 圈 磁 场 中 ( 图 4), R1 和 R2 是 磁 屏 蔽 电 阻,R3 和 R4 是 巨 磁 电 阻, 当 传 感 器 感 应 出 磁 场 后 会 使 R1 和 R2 值 不 变,R3 和 R4 磁 电 阻 值 发 生 变 化, 从 而 在 AB 两 侧 感 应 出 电 压 差, 不 同 的 磁 场 对 应 不 同 的 磁 电 阻 变 化 而 引 起 的 电 压 差, 所 以 磁 场 与 传 感 器 输 出 电 压 间 有 一 一 对 应 关 系 图 3 巨 磁 阻 传 感 器 原 理 图 图 4 巨 磁 阻 实 验 仪 原 理 图 399