Back to Top

建设高水平的物理实验课程——吴思诚老师谈近代物理实验教学

guo  2009.06.18   名师名课   评论关闭 总浏览数:6,007

 

摘要:吴思诚老师长期致力于近代物理实验课程的教学工作。文化大革命结束后,组织有关教师,在全国率先恢复和重建了近代物理实验室,通过近四年的努力达到了国际上一流大学的先进水平。对于实验课教学、学生的培养、物理实验课发展的现状及前景,吴老师也深有体会。本文根据对吴老师的采访整理而成。
 
 
记者:非常感谢吴老师接受我们的采访。我们知道物理实验对物理教学是非常重要的,好的物理实验有助于对物理规律的理解,并能培养学生的动手能力和科研能力。但做好实验教学并不是一件容易的事情,并由于各种原因实验教学受到一定程度的忽视。近代物理实验与科学前沿密切相关,实验设计具有相当大的挑战性,您多年从事近代物理实验的教学工作,我们想请您谈一下这方面的经验与体会。
 
一、立足于近代物理学的重要进展
 
吴老师:实验课跟一般的讲课不太一样。一般的讲课是老师主导,实验课是学生自己动手做实验,学生能有多少收获,主要取决于他的主动性和积极性。所以怎么激发学生对这门课程的兴趣,是实验课非常核心的问题。首先一个问题就是,我们开出的实验是不是能让学生感兴趣?
一方面,近代物理实验课程需要反映20世纪量子力学、相对论出现以来的一些重要的、里程碑性质的实验。近代物理主要是指20世纪以来的量子力学和相对论,学生学的时候往往觉得很难。为什么微观领域物理量的取值是量子化的?为什么光是波,又是粒子?为什么电子是粒子又有波动性?这些对学生来说都是很难接受的东西。80年我到美国大学去考察实验课的教学,就发觉我们跟国外差距太大了。国外大学开了一些能反映量子力学如何诞生的重要实验,这些实验能使得学生了解实验物理在物理学发展中的地位和作用,对于学会怎么用实验方法来研究物理问题,这是非常重要的。回国以后,经过物理系全系老师的努力,我们用两三年时间,基本上达到了国外一流大学的近代物理实验的规模和水平。我们现在开出的实验题目中1/3 以上是得诺贝尔奖的实验,1/3以上是我们首先在国内开出来的。这是动员了全系老师的力量搞起来的,取得了比较好的成绩,对得起北大这所学校。当然,实验课离不开学校经费的支持,从前的沈克琦付校长和陈守良老师,他们从经费上给了很大的支持。如果没有学校经费的支持,要把实验课开好也比较困难,等到我们把实验课弄出成果了,学校也就会继续支持。所以我老跟其他老师说,拿了钱以后必须要做出成绩来,有了成绩人家才会继续投资。
 
二、结合自身的学科建设
 
吴老师:刚才讲的只是一个方面,就是作为近代物理实验课程需要反映20世纪量子力学、相对论的一些里程碑实验。除此之外,实验课也要跟我们系里的学科建设结合起来。凝聚态、光学、核物理是我们院系的三个强项,所以这三个领域我们开设的实验也比较多。这些实验必须反映这三个学科领域最基本、最重要的物理内容和实验方法。所以我们是结合了自己的科研成果来开实验课的,有些好的实验,尽管不像诺贝尔奖的实验那么重要,但是因为跟我们自己的科研结合在一起,学生可以探讨的余地比较大,也比较受学生欢迎。再有,现在科技发达了,出现了很多先进的实验技术,这些也要在我们的课程里有所反映。
记者:根据我们自己的科研成果来开设实验课,您能够举个具体的实验例子吗?
吴老师:比如我们有一个国外没有的实验,主要研究的是由郭元恒老师在70年代研制的 “高压强的电离真空计”。这在当时的全国科学大会上得了国家发明三等奖。这个实验对于学生学习最基本的真空技术和理解电离真空计的工作原理以及如何根据实际需要来改进创新很有帮助。
郭老师:这个“高压强的电离真空计”有什么特点?
吴思诚:现在用的最多的测量真空仪表是电离真空计,它工作原理很简单,有一个灯丝作为阴极发射电子,电子向阳极运动受到电场加速,如果跟气体碰撞就会把气体电离了。气压越高呢,电子跟气体碰撞机会越多,离子越多,阴极与阳极之间的电流也越大,用这个方法测量离子流就可以测量真空度。在一定范围内离子流与气压成正比也就是有线性关系,但气压高了,会引起二次电离,线性关系被破坏,测量就不准确了。做这个实验呢,你光教一个抽真空,测量测量,学生很没兴趣,而且你要抽到10-5毫米汞柱量级,要等很长时间,学生不耐烦。郭老师研究的这个电离真空计呢,它主要的特点是能够测量压强特别高。
他怎么提高压强测量上限呢?首先把阴极阳极距离变短,由10个毫米缩短到1.3毫米,这是迄今为止国际上阴极和阳极间距最短的真空规管,1.3毫米电极间距再近也不行了,会产生直接放电。如果按这个距离算,它测量的上限能到0.2乇,而实际此规管的测量上限是1乇。当然不是缩短电极间距这么简单,它的设计思想是非常巧妙的。为了避免多次电离,规管里面设计了一个非均匀的电场分布,控制电子的加速过程。这里面包含着很多有趣和巧妙的技术设计,你提出问题并引导学生去想解决问题的思路,并用实验室提供的计算机辅助教学软件帮助学生学习规管的设计思想。这样学生他就有兴趣,会认真的去思考,然后有所收获。
记者:这个实验会对学生理解真空技术中的物理规律非常有帮助。这个真空计在压强的测量下限方面有没有什么问题?
吴老师:它经过加了两个辅助电极下限可以测到1×10-7乇, 1×10-7到1乇,7个量级,不错了。
 
三、实验课程要全系老师的参与和学校的支持
 
记者:物理实验的建设与教学工作需要大量的人力物力投入,您刚才也提到当初也是全系老师的共同努力和学校的大力支持。这方面您能具体谈一下吗?
吴老师:是的,全员参与意识不单是在实验设计与建设过程中,也反映在实验的不断完善和实验教学工作中。最近我们做了一些课程改革,不光我们组的实验课老师,整个系里的老师都可以参与实验课的建设,教学上也分担不少。原来学生做实验只是学实验方法,不学样品制备。现在我们在建立这样一个平台,对于第一学期近代物理实验课成绩为优的学生,第二学期他可以跟院里任何一个导师合作,既可以由导师出课题也可以由他自己出课题,来学样品制备和物性测量。搞一个科研的小课题,来代替第二学期的课,这样更能调动学生的积极性。
记者:这方面您能举个例子吗?
吴老师:比如高巧君老师搞金刚石薄膜研究,她就提出来能否把这个课题变成近代物理实验。我说很好啊。为什么呢?因为化学气相沉积,是一个制备薄膜的重要手段,学生应该学会。而且制备金刚石薄膜,它碰到的问题不是化学问题,都是物理问题。在衬底上长金刚石薄膜,要看碳原子的原子组态是sp2杂化还是sp3杂化,sp2杂化得到的是石墨,sp3杂化长的是金刚石。另外呢,做完薄膜以后你要上扫描电镜去看,石墨跟金刚石的形状不一样,比较简单的扫描电镜就可以观察。正好又制备薄膜又可以做扫描电镜观察,这两个实验也是我们最早开的,我觉得这两个实验都挺好。
我们最近有个冯庆荣老师,他是做高温超导的。制备高温超导的材料,要高温加热,把各种氧化物放在一起加热。以往都是加热归加热,得到什么结果回来再测。他发明了一个方法,在加热过程中间同时测这个样品的电导率,这个电导率与低温下的超导特性相关,这是他的科研成果。我们把这个方法也引入到了实验课教学中。
记者:样品制作的设备,比如MOCVD之类,包括观察的扫描电镜装置都是比较昂贵的。制备每一次实验都需要很多经费,而且学生做的次品率又比较高,经费问题怎么解决呢?
吴老师:现在经费情况已经比较好了。前段时间我们做的那个超高真空的分子束外延设备就是通过世界银行贷款,花了几十万块钱买的。另外学校设备处也有经费支持。
记者:就是说学校给予经费支持,老师又有积极性,让学生来做实验对老师的科研也会有帮助,这是一个相互促进的过程。想再问一下实验设备的问题,从国外考察回来以后,开实验,买设备,有些设备在市场上可以买到,但是有的可能买不到,这个怎么办呢?
吴老师:那时候正好是80年代初,我们学校的现代物理实验用的世界银行贷款很少,基本上所有的实验装置都是我们用国内的设备搭的。这点很重要,自己用国内设备搭的实验装置,就敢让学生动手,如果是从国外买的很贵的仪器,就不敢放手让学生做实验了。
 
四、探究型的实验课教学
 
记者:能具体谈一谈实验课的教学情况吗?
吴老师:一般来说我上课的前半个小时是把实验的目的,实验时可能碰到的问题给学生交待清楚,然后学生就可以自己动手做实验了。重要的是在实验过程中,根据学生进展的情况,做一些指导、讨论。在指导、讨论中我尽量不给学生结论,而是希望他们通过自己动手做实验,分析得出正确的结论。这种探究式的实验方式,容易调动学生的积极性。我特别强调学生不能按着讲义做实验,看一步做一步,这样的话绝对培养不出好能力。
记者:探究式的实验方式有什么特点?对学生有什么要求?
吴老师:首先要让学生知道实验研究的目的。对于具体实验条件的选择,可以给学生提示,但是绝不给答案,让他自己去想。我们现在的讲义尽量不会把实验的步骤一步一步写出来,这样做对学生没有好处。我们只是告诉学生,你要测量一些东西,但是具体怎么去测需要你自己去思考。举个例子,比如核磁共振实验。核的磁矩是很小的,我们加的磁场就几千个高斯,两个能级的分裂非常小,按照玻尔兹曼分布,上下两个能级的粒子占有数目只相差百万分之一。因此要看到吸收的信号是很难的,必须要设计一个非常灵敏的放大器,把样品放进这个放大器的震荡线圈里去。
记者:但作为学生来讲似乎没有这个概念,实验时放大器都是设计好的,参数也都调得差不多了。
吴老师:但是你要知道为什么需要放大器这个东西,这是老师要问你的。正是因为设计了高灵敏(Q值)的振荡放大器,用扫场的办法看到了核磁共振的信号,所以才得诺贝尔奖啊!我们现在用的放大器叫做边限放大器,稍微有一点Q值的变化,放大器的振幅变化就比较大。学生有所体会,他的兴趣就来了。如果没有体会,按着讲义做完了实验,报告也交给老师了,但是实际上没兴趣。他没有体会到这个实验真正需要去掌握的关键之处。
记者:关于实验课教材的编写,需要注意哪些问题呢?
吴老师:我想就是原理要写得比较透彻。实验过程中会涉及的物理问题,在讲义或者教材里一定要做交待。我们特别忌讳太长的数学推理,数学推理学生可以自己去看参考书,教材里没有太长的数学推理。但是有关物理问题的物理图像,就一定要交待清楚。实验装置也尽可能交待。实验步骤,尽量不要一步一步写出来,而是只告诉学生要完成哪些内容,可能碰到什么问题。另外还多增加一些思考题。
记者:有些学生做实验有一些困难,比如说实验时间很长,或者实验结果不太理想。这个您怎么处理呢?
吴老师:就算实验时间比较长或是实验结果不太好,只要学生学会了怎么去做实验,知道问题出在哪也就可以了。我们强调的还是要让学生学会怎么用实验的手段来研究物理现象和规律。两个学期一共有14个实验,第一个实验没做好问题不大,吸取教训,下次做另一个实验时不犯原来的错误就行了。我们看重的还是对学生能力的训练,包括怎么去动手,知道在实验过程应该怎样思考和观察分析现象,把这些现象搞清楚以后再去做一些精确地测量,然后再看测量结果对不对,能不能正确地解释,等等。
记者:那您对学生实验报告的要求是什么呢?
吴老师:报告应该跟小的科学论文一样。作图一定要规矩,基本的原理应该用自己的话说清楚,我们不希望学生大段地抄讲义,当然一般学生还是抄讲义,没办法。抄的对也还行,有的还抄错了,或者关键的几句话漏了没抄,那也反映他的水平。实验的原理、装置,实验的步骤,实验的数据,最后的思考题,对一些实验结果的讨论,包括作图、列表,这些都要写在报告里。实验报告相当于一个小论文。
记者:从改革开放之初到现在,物理系的学生的实验能力有什么变化吗?
吴老师:总的看变化不大,学生理论偏强,实验能力偏弱。这是我们一直想解决的事,一直还没解决的很好。
 
五、高校物理实验现状与建议
 
记者:您做过一个报告《高校近代物理实验课程的建设》。您在报告里提到现在高校从事实验的人才比较缺乏,带实验课的老师呢地位相对也比较低。北大物理系的这个状况是不是好些呢?
吴老师:不能这么说。我们实验中心的这十几位老师因为教学任务比较重,科研的指标就没有院里其他老师要求那么严,但在学校的体制上还是碰到问题了。比如我们有两位老师要评教授职称,院里学术委员会通过了,到学校理科大组讨论被否定掉了。为什么被否定呢?学校觉得北大所有老师的教学科研应该都用一个标准来衡量。但事实上我们实验中心的老师教学工作量非常大,我们相当于一个专职的教师队伍,既要给本系学生上实验课,还要给外系学生上实验课,教学任务很重。我们院里定了一个标准,譬如在发表科研论文这块,对我们中心的老师要求要低一些,但是学校不认可,这个就比较麻烦。
经费上现在大概是历史上最好的时期了。只要你有想法,想干活,经费上肯定给你签字,这是历来没有过的。但是提职确实不好办,被学校学术委员会否决了也没办法。
记者:实验课工作量大能不能保证质量?
吴老师:现在是这样,有一部分实验课是院里其他老师来上的,因为课太多了,我们这十几个人承担不了。基本上有一半以上的课程是请院里其他老师来开的。这样也不至于把我们这些专职老师的队伍搞得太大,搞得太大就更没出路了,以后提职更困难。
记者:那国外情况怎么样?
吴老师:国外学生没我们那么多。像哈佛、MIT也就五六十个学生,我们有二百个学生。但是他们现在也碰到了师资缺乏的问题。好多好学校普通物理实验都不开了,不是说不重要不开,而是没那么多教师去开。
记者:您能对目前中国高校物理实验的教学状况提一些建议吗?比如说现在存在哪些问题,应该在哪些方面改革?
吴老师:我觉得这些年国家投入是真不少。地方院校的实验条件比原来改善很多了,需要做的就是充分利用这些好的实验条件,让学生去做实验,提高他们的动手能力。关键还是教员怎么能够提高学生的动手能力。动手能力是一定要到实验室泡才能提高的,如果不到实验室,不具体做一件事情,是很难提高的。搞实验的老教师都知道,实验能力都是在实践中积累出来的,时间长了,碰到问题多了,慢慢积累就提高了。现在国家组织了各种科技竞赛,基金委也设立了理科基地,都是重在培养学生的科研实践能力。比如我们基地每年有20个课题,一个课题由2个学生来做,每年就有40个学生可以参与,这很重要。所以我想主要还是在于吸引学生参加各种课外的和选修课的场合来提高动手能力。现在学校这个方面做得不错,给学生充分的条件来做这个事。
记者:吴老师,教了这么多年的物理实验课,您对这个工作有什么评价?
吴老师:我觉得教员还是要把培养学生放在第一位。因为等到年纪大了再回顾这一生,发表文章多一篇少一篇问题不大,也看不出太大的经济效益,但是培养出好的学生,到国外能够胜任跟人家竞争,我想这是一个显而易见的成绩。作为教师来说,在北大这个学校,就别辜负北大这个名声。北大的学生都挺聪明,如果教员上课还没学生反应快,还怎么去带学生呢?当然现在年轻老师也很忙,又要教学又要科研,但是终究要为人师表,维护北大的声誉。我们原来有很多老先生,在国外都很有成就,50年代回来以后,不就全在搞教学嘛,那时候哪有条件搞科研,跟我们现在是没法比的。当时还有政治运动,搞了很多不公正的对待,如果你想到这些事情就会觉得,老一辈真不容易。
记者:非常感谢吴老师!
 
===================
采访记者:郭九苓
采访时间:2009年4月14日,下午2:30-4:00
录音整理:安胺
文字编辑:崔悦,郭九苓
定稿时间:2009年6月5日,由吴思诚老师审阅同意
 
附:吴思诚老师简介

吴思诚,男,1938年1月生于上海,汉族。现任北京大学物理学院教授,凝聚态物理专业博士生导师,曾任中国物理学会理事,北京市物理学会理事长,中国物理学会学术交流委员会和教学委员会委员。
吴思诚的研究方向为用低能电子衍射和同步辐射光电子谱研究固体表面的原子结构和电子结构。迄今为止在国际学术刊物上发表研究论文(英文)七十余篇。其中30篇发表在美国Phys. Rev. B杂志上。1993年经国务院学位委员会审核通过为博士生导师。
自1986年开始至今,先后承担国家自然科学基金重大项目一项,主持国家自然科学基金重点项目一项(同步辐射光电子谱研究),主持面上项目五项。

Comments are closed.