（华侨大学信息科学与工程学院 福建厦门 361021）

引言

应用物理学是将物理原理、方法应用于相关科学技术领域的应用型学科。目前，华侨大学“应用物理”本科专业一个重要培养方向就是光电技术及其应用。为了提高学生的专业知识应用能力和动手能力，本专业相应开设了《近代物理实验》课程。该课程为专业必修课，共设置12个实验。弗兰克—赫兹实验作为其中的一个重要实验，至今仍是探索原子结构的重要手段之一，实验中用的“拒斥电压”筛去小能量电子的方法，己成为广泛应用的实验技术。然而，该实验开展于100多年前，学生无法从目前的技术获得对相关装置的直观理解，而目前该实验在各大学教学中所采用的装置是集成化偏高的智能夫兰克一赫兹实验仪。从该仪器中学生也无法看到电子和原子碰撞这一关键过程是如何发生。因此，将目前最新的飞秒激光与原子相互作用这一科研前沿融入该实验的教学中，不仅可以帮助学生更好地理解该实验，也有助于培养学生专业知识应用能力和解决问题的能力。[1]

一、科研前沿融入教学

由于本实验的特殊性，在教学中采用集成程度较高的FH-2智能夫兰克一赫兹实验仪，操作简便但也使得学生淡化对所学知识的理解，缺少对动手能力的锻炼。科研前沿融入本实验教学是指在教师的指导下，学生基于本实验的基本原理，并结合自己所学知识拓展至利用类似的实验方法研究前沿问题，主动地获取知识、应用知识、解决实际问题、培养科研能力的教学模式。[2]

首先，是让学生掌握好《夫兰克一赫兹实验》的基本原理和基本方法。夫兰克一赫兹实验曾获得诺贝尔物理学奖，是基于测量电离电位的实验装置，采取慢电子与单元素气体原子碰撞的办法，发现电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级，直接证明了原子发生跃变时吸收和发射的能量是分立的、不连续的，证明了原子能级的存在。该实验涉及的知识涵盖《原子分子物理》和《量子力学》等，至今仍是探索原子结构的重要手段之一。近年来，飞秒激光技术已经取代传统的电子流，成为探索原子内部结构以及电离原子外层电子的重要手段。该技术的应用，说明了《夫兰克一赫兹实验》对后续科研前沿研究的指导意义，但也表明了该实验具有局限性。教学中，既要让学生明白该实验的重要性，同时也要让学生清楚如何突破其局限并借用最新技术开展研究工作。[3]

其次，在教学中融入基于《夫兰克一赫兹实验》的科研前沿之飞秒激光与原子分子相互作用。这里首先要结合学生所学的专业课程《激光技术》给学生介绍飞秒激光技术发展及其应用领域的概况：1.啁啾脉冲放大技术的成熟，飞秒激光脉冲的聚焦光强不断提高，目前已经达到创纪录的1022W/cm2的量级，将激光与物质相互作用的研究拓展到相对论区域；2.脉冲压缩技术的发展为人类提供了越来越短的激光脉冲，目前已经接近单个光周期；3.飞秒激光在分子动力学、化学反应控制、电子微观动力学、分子生物学等方面有着重要应用。为了使研究更具体更具有针对性，我们将融入教学的范围限制在原子分子在强激光场下的电离行为。

由于本人长期从事该实验的教学，并在教学之余致力于原子分子在强激光场中电离行为的研究，时刻关注的科研前沿，对以上领域都比较了解。本课程以课堂讲授为主，利用科研前沿相关大量的实际实验过程图片、动画、视频和数据采集分析等，生动地讲解相关知识，激发学生的学习研究兴趣。在开始的时候设计几个调研领域，要求学生课前除了预习教材之外，还要查阅相关研究领域的信息和资料，然后在课堂内容讲解结束的时候就相关科研前沿进行讨论，以此增加课堂教学互动，提高教学效果。课堂后，让有兴趣的学生参与进项目组研究工作中，直接从事相关研究工作，为后续做毕业设计或者科研论文打下基础。[4]

落实到具体的科研融入教学环节在本课程的内容中，本课程重点强调了经典实验技术推广运用的思想，以及相关的科研前沿研究内容。在科研领域的选择方面，教学实践中发现同学们对实验上的飞秒时间谱仪法测量能谱很感兴趣。我们针对性地与相关校内外实验室开展合作，让学生实地考察并具体操作，提高对相关技术的理解和运用能力。在理论上，大部分学生对利用劈裂算符法求解含时薛定谔方程比较感兴趣。该方法可以精确获得原子在外场中的电子波函数，使学生明白如何将《量子力学》等相关课程的知识用于解决实际问题，获得对专业知识应用的成就感。通过科研融入教学，让同学们更深刻的本实验及其延伸出来实验技术的基本原理和基本方法，除了掌握课本上的知识外，还了解如何基于所学知识解决激光场与原子分子相互作用等前沿科研问题。[5]

结语

总之，针对《近代物理实验》之《弗兰克—赫兹实验》教学中存在的问题，进行了科研前沿融入教学过程的改革和尝试。通过近三年对课实验课程教学实践和学生平时的学习效果来看，进行教学方法改革和融入科研前沿是非常必要的。引入讨论式和实验操作等教学方式，结合科研前沿融入课堂教学，充分利用各类科研平台开展教学与科研的融合是培养创新型人才的必经之路。