原创 王自强 龚雷 等 物理与工程
摘 要
到目前为止, 高校尤其是研究性大学, 面临着一个极为重要的课题, 那就是怎样去搞定科研与教学协同发展这件事情。中国科学技术大学光镊研究组, 把科研跟教学二者相互结合起来, 开发出了名为“光的力学效应及光阱力测量实验”这样的具有物理前沿性质的教学实验。并且, 在推行实验教学的整个进程当中, 又把光镊的科研内容和光的力学效应实验教学一块儿进行结合。如此一来, 有效地激发出了学生对科研的兴趣, 还抬高了实验教学的层次, 最终收获了良好的教学成效。这可是“科教融合”的一个成功范例, 对于提高教学水准, 培育新世纪高素质的拔尖人才, 有着一定的借鉴价值。
关键词 光的力学效应；光镊；科教融合；物理实验教学
近些年来, 教育部一直致力于推行一流课程建设的“双万计划”, 该计划在2019年由教育部刊发的《关于一流本科课程建设的实施意见》里被重点提及, 其中着重指出, 课程建设必须突显创新性, 其教学内容得呈现前沿性以及时代性, 要及时把学术研究、科技前沿发展成果运用到课程。教学方法应当体现先进性和互动性, 需强力推进现代信息技术得以与教学深入融合, 要积极引导学生开展探究式跟个性化学习, 特别提一提是一流大学较高年级的本科生呀, 他们中大都是马上要正式踏入科研岗位的。故而, 探讨怎样于专业实验教学里, 培育学生的科研能力, 扩充创新思维, 这有着重要意义, 对于培养创新型人才而言。本文把“光的力学效应及光阱力测量”实验当作例子, 探寻在《光学》专业教学实验之中开展“科教融合”以及培育学生基础科研能力的方法。
1 实验背景与动机
光镊技术是一种利用光力学效应, 来捕获以及操控微观粒子的技术, 它能实现纳米位移还有皮牛力的精确测量。光镊技术在生命科学领域, 在物理领域, 以及在化学等领域都得到了广泛应用, 并且取得了重要成果。2018年, 美国贝尔实验室的A. 因为光镊的发明, 以及其在生物学中的应用, 获得了诺贝尔物理学奖。中国科学技术大学光镊研究组, 于1989年开始, 便已着手开展光镊技术及其应用研究, 历经三十多年, 在国家自然科学基金、科技部863、973等科研项目的支撑下, 研制出单光镊、双光镊、全息光镊等一系列科研设备, 其中单分子力谱仪的位移探测精度趋于亚纳米量级, 力的测量精度降至皮牛量级, 各项指标迈向国际一流水平, 在光镊的应用研究范畴, 我们的研究团队于单细胞和单分子领域收获了一系列研究成果。尤其是在2013年, 我们开拓了借助光镊对动物活体内细胞展开研究的全新领域, 实现了光镊技术应用研究范围的扩展。
进行“光的力学效应”实验教学, 对学生认识光的基本性能, 以及知晓光学前沿研究的动态有着相当重要的好处。尤其因交叉学科快速进步, 光镊做为一类微观操控器具, 在生物、物理、化学、纳米技术等诸多交叉范畴的运用越发普遍。学习光镊技术的相关基础理论知识连同实验技术, 有助于扩大学生科学思维, 为将来投身相关科学钻研奠定根基。从1999年起, 中国科学技术大学光镊课题组便针对《光学》专业教学实验展开“科教融合”探索, 而早在国内率先开发了光的力学效应实验课。二十多年以来, 我们持续坚持探索实验教学方法的改良, 运用课题研究模式以实施实验课教学, 从而调动学生对科研的兴趣, 进而培养其科研能力, 终究收获甚好的教学成效。
2 教学实验设计
2.1 教学实验设备的研制
用于光镊科研仪器运作的外界环境条件要求极为严苛, 举例来讲, 该设备具备隔振的需求, 其实现纳米位移精度操控需借助压电平台, 而且要运用CCD或者高速位置敏感探测器件来实施高精度探测。
相比于科学研究来说, 本科教学实验对设备的操控要求没那么繁杂高深, 价格也没必须那么高昂突出, 这些设备操控繁杂, 价格高昂, 明显地说不太适用于本科教学实验, 因此, 我们在对科研器具钻研的基础之上, 开展了针对教学仪器相对简便容易做的相关研究, 设计了光镊微操作仪这一种仪器, 也就是图1所展示的那种！这种设备, 采用的是国产的显微镜, 还有体积不大价格低廉的半导体激光器，通过手动平台操控的方式, 并且使用工业CMOS相机来进行探测, 以此把设备的价格给降下来, 在这个基础之上, 我们又进一步地进行了实验内容的优化, 把实验操作给简化了许多, 让本科生进行实验操作变得便利起来。
2.2 教学实验内容的设计
我们将光镊的基本操控功能, 以及光镊的两个基本特征参数测量选定为实验内容: （1）光镊进行三维捕获 ；（2）测量光阱阱域 ；（3）测量最大光阱力 （pN 量级）, 实验头一步有关样品的配制 , 此实验要求学生亲自去配制生物样品 , 像酵母细胞 , 紧接着让其自身操作光镊仪器达成对酵母细胞的捕获 , 随后又去测量光镊的阱域与最大逃逸力 , 和传统显微观测不同 , 本实验历程涵盖对微观物体的直接操控与测量 , 能够切实激发学生的实验兴趣。用实验的方式, 促使学生更直观地去认识光的力学效应中的基本原理, 进而深刻体会光的动量的基本属性 逗号 除此之外 实验借助流体力学的方法来测量光阱力 这能够培育学生分析以及解决问题的能力 逗号 在这个进程里 测量 pN（10 - 12N）量级的光阱力具备一定的挑战性 它可以增添学生的实验兴趣 激发他们探索问题的欲望。
3 实验教学实施
本实验依据科研操作流程以及要求, 谨慎且精准地设计了实验教学进程, 情况如同图2所呈现的那样。借助这个实验, 学生体验了一回完整的科研实验操作流程, 锻炼了学生的科研能力, 在培养学生的创新精神以及探索能力方面, 有着一定程度的促进作用与助力。
3.1 教学实验前预习
要求学生在预习阶段, 针对实验相关内容展开调研, 去了解光镊技术的科研现状, 以此激发学生对于实验的兴趣, 还要对学生实验预习环节予以加强, 给学生布置调研任务, 其中调研内容涵盖有光镊技术的原理以及光镊技术应用研究情况, 这个环节能培养学生的调研能力, 还能对实验的可行性作出论证, 学生借助预习对光镊技术及其应用拥有初步了解, 进而筑牢该实验的理论基础。
3.2 背景简介
在实验课之际, 那里！有着一位为大家讲！有关光的动量, 以及光的力学效应也一样, 这些属于基本物理原理的事情！并且, 还要与最新的科研成果呢相结合哎, 来对其应用作出介绍。随后！经由确切的而具体些、且为前沿性存在的科研课题方面呀的介绍哟！使得众位同学呢能够认识光镊技术呈现而出那种特点哟:
（1）光镊有着三维捕获以及操控的能力, 学生对于光镊原理的初步认知是借助光梯度力去操控微粒, 然而, 光镊拥有沿光轴方向的操控能力这方面的物理图像并非容易被理解, 实验课运用几何光学的办法去解释粒子在单光束梯度力阱中受力的情形, 依据梯度力和散射力的合力来阐明三维操控的缘由, 另外, 从能量方面把光阱视作三维势阱, 进而说明三维捕获的能力。
（2）对于光镊操控单细胞、单分子这种情况而言, 其属于非机械接触, 如此便避免了机械损伤。在实验里, 有许多同学会提出问题, 像激光带来了热损伤这类问题。在回答这些问题的过程中, 我们自然而然地引出了光波长对热吸收的关系, 进而使得学生认识到在生物应用研究中需要采用红外激光的原因所在了。
（3）能够实现隔空取物以及隔空操控单细胞、单分子的光镊, 在操作过程中无需破坏细胞膜, 而且还削减伤害, 同时降低感染的风险。
（4）光镊测力精度处于 pN 量级, 生物大分子之间的作用力范围处于 pN 到几十 pN, 在这种精度下的科学研究一直欠缺直接测量工具, 光镊的测力范围是 0 到 100pN , 刚好填补了生物学的研究空缺。
（5）光镊技术能够跟多种探测技术相融合, 在实验课里, 特别讲述了, 校友李统藏博士把真空光镊设备与高速探测技术结合起来, 于2010年的时候, 运用激光光镊首次通过实验测量了悬浮粒子布朗运动的瞬时速度, 达成了爱因斯坦在一百多年前觉得不可能达成的任务, 使得学生与该实验的距离被拉近了。
结合本实验室最新科研进展开展该实验课用于教学。介绍光镊应用于动物活体研究工作, 涵盖我们开展课题研究的方式, 课题钻研期间碰到什么样的问题, 如何将其解决, 此课题研究的收获与意义, 还有光镊活体研究的现今最新成果与进展。“科教融合”如春风化雨不声不响, 极大程度地引发了高年级大学生的科研探索兴趣, 推动他们知晓科研实验的流程以及进行实验的方法。
3.3 实验原理及其操作
光镊具备何种极为关键的特征, 为何会呈现出如此这般的特征? 光镊所依据的原理究竟是什么, 光镊的特征参数具体包括哪些内容, 我们是运用怎样的具体实验方法去进行测量的? 经由这些问题, 去探寻光所具有的基本属性——光的动量。在实验课当中借助几何光学的方式对粒子处于单光束梯度力光阱里所受的力的状况予以解释。实验将光阱的特征量标定成为光阱力度的范围以及大小, 而我们于实验过程中所测量的乃是光阱最大逃逸力, 采用的测量办法分别是陷入法以及流体力学法。
由大学生开展的实验操作, 需依据科研实验要求来进行, 包括样品的配备工作, 还有实验的操作过程, 以及涉及数据的处理事宜, 最终得出实验结论。
3.4 实验讨论
（1）在实验里, 光阱的测量是于平面上开展的, 然而事实上光阱乃是三维空间的, 这的时候我们运用图像处理办法来实施数据分析, 同学们借助对图像纵向信息予以处理, 修正所产生的实验误差, 为了降低实验复杂程度, 忽略粒子纵向影响, 采用两点法测量直径, 鼓励大学生探寻提升实验精度的方法, 像是采用拟合方法获取小球或者酵母的直径, 与此同时告知大学生在科研工作当中, 科学简化对于有效开展实验具备的必要性及特点。
（2）同学们依据自身学科方向, 提出各自想法, 围绕用光镊去解决自身专业方面的问题展开讨论, 像原子分子专业的学生, 思索着用光镊去捕获原子, 进而开展原子冷却的实验, 而生物物理专业的同学, 对用光镊来进行单分子力谱研究抱有兴趣。
（3）在数据做处理这个过程期间, 有学生察觉到, 逃逸速度能够借由帧率去开展计算, 并且, 还能够运用相机的曝光时间来予以计算。
3.5 实验报告
此次实验规定学生依照科研论文的格式去撰写实验报告, 要给出实验结果以及结论。借着撰写实验报告这事, 学生的文字表达能力获得了训练, 对于科技论文的格式、写作要求等等也存有一个初步的了解。
3.6 展望与建议
实验报告设计了相关思考题, 要求学生回答, 在未来工作中, 可能用光镊技术开展怎样的研究, 对本实验课有何种建议, 同学结合自身专业方向, 提出自己的想法, 讨论用光镊解决自身专业的问题。这些问题, 一方面能够激发学生深入思考科研课题, 培养学生发现问题、解决问题的能力, 另一方面, 学生对于实验课的建议和反馈, 有助于完善和提升实验教学质量。
3.7 实验拓展
对光镊满怀科研兴趣的同学, 我们会组织大家去参观科研实验室, 能让大家在零距离的状态下接触科研前沿, 还能进一步去探究和教学实验相关联的科研问题。并且会给他们提供多次在课程之外的实验机会, 以及加盟实验室去开展相关科学研究的机会。
3.8 课程思政
于教学实验里开展课程思政, 光镊的发明以及应用研究乃课程思政教学颇为优良的素材, 1970年, A.发觉单束激光能够使溶液中的微粒加速, 这引发了他的研究兴致, 1986年, 他借助单个强聚焦光束达成了微米小球的捕获, 从而发明了光镊, 1989年, 他把光镊应用于植物分子活体细胞质的力学特性测量, 此后持续拓展光镊的生物学应用, 光镊为研究微纳物体给予了独特的工具, 推动了生物、纳米科学、光学以及量子科学等诸多学科的发展。那个在2018年, 以96岁高龄获得诺贝尔物理学奖的A, 其从事光镊研究的经历, 极为充分详细地展现揭示了科学家精神, 是依据凭借自身存在的兴趣爱好, 大胆无畏地去探索开拓崭新未知领域, 进而发现察觉到新的奇特现象, 且始终孜孜不倦、坚持不懈地去追求寻觅科学真理。
4 实验教学效果
4.1 教学情况
理工科大三学生, 每年大概有160人参与本实验课, 每年有十多个其他年级学生要求参观实验。此外, 每年有数量不等的, 来自其他高校及研究所的交流人员慕名而来。每年有5至8名学生加盟实验室进行本科毕业设计研究, 有1至2名研究生。学生选课十分踊跃, 近两年来选课率更是抵达了100%, 实验教学情况如图3所示。
4.2 学生反馈
经过二十多年的实验教学, 从而获得学生的推崇, 表1将部分2016级学生的实验感想给列举了出来。
5 结语
光学实验教改有重要举措且是个必经之路, 是把科研成果转化成光学专业基础实验教学内容, 经此教改, 本科阶段学生能接触学科前沿内容, 且在实验里经历完整基础科研训练过程, 这对开阔学生科研视野, 训练大学生创新思维, 提升学生科学素养与科研能力, 培养大学生严谨、求实科学作风而言很重要, 能为大学生后续教学及科研工作奠定良好基础。
文中所讲的光力学效应实验教学, 是关于“科教融合”的, 一个典型十足且完全独特的、独特得不能再独特的案例范畴。这个针对于本科生的实验教学, 它具备了像此番这般的推广价值, 也就是:
（1）这个做实验的教学模式, 是把科研方面的设备转变成用在实验教学的设备, 进而处理传统教学设备存在的新颖性不够足情况, 还有实验大多是用来验证的这类问题。新的用于教学的设备, 特别有力地激发出学生做实验的兴趣, 精心呵护了拔尖人才满怀的探索热情, 切切实实地解决了传统教学内容跟科技前沿缺少关联的问题。
（2）那种实验教学模式, 能够有效地消除传统实验教学模式存在的单一性弊端, 这种弊端表现为对拔尖人才培养缺少挑战性。借助采用科研实验的模式, 能够开展简单的科研训练, 进而拓展大学生科研思维方法, 还能给大学生提供挑战自身以及发挥特长的平台。
（3）该实验教学模式, 解决了这样的问题, 即教师机械跟重复着去指导实验, 大学生被动地接受知识, 且交流互动严重欠缺不足。实验呢, 经由调研、前沿讲解以及技术展望等诸多环节, 为那些学有余力的大学生开展主动探索, 给予了相当不错的机会, 能够让他们获取到更好的提升空间。