摘 要

近年来，教育部着力推进实施一流课程建设的“双万计划”。2019 年教育部发布的《关于一流本科课程建设的实施意见》中重点强调：“课程建设要突出创新性，教学内容体现前沿性与时代性，及时将学术研究、科技发展前沿成果引入课程。教学方法要体现先进性与互动性，大力推进现代信息技术与教学深度融合，积极引导学生进行探究式与个性化学习”^[1]。尤其是一流大学高年级本科生，他们多数即将走上科研岗位。因此，研究如何在专业实验教学中，培养学生的科研能力，拓展创新思维，对于培养创新型人才具有重要意义^[2-4]。本文以“光的力学效应及光阱力测量”实验为例，探索在《光学》专业教学实验中进行“科教融合”及培养学生基础科研能力的方法。

1 实验背景与动机

光镊技术是指利用光的力学效应捕获和操控微观粒子，实现纳米位移和皮牛力的精确测量技术。光镊技术在生命科学、物理以及化学等领域得到了广泛应用并取得了重要成果。2018 年，美国贝尔实验室的 A.Ashkin 因光镊的发明及其在生物学中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 年始就已经开展光镊技术及其应用研究，三十多年来在国家自然科学基金、科技部 863、973 等科研项目的支持下，研制了单光镊、双光镊、全息光镊等系列科研设备，其中单分子力谱仪的位移探测精度达到亚纳米量级，力的测量精度达到皮牛量级，各项指标达到国际一流水平。在光镊的应用研究方面，我们研究团队在单细胞和单分子领域取得了系列研究成果。特别是 2013 年我们开创了利用光镊研究动物活体内细胞的新领域，拓展了光镊技术的应用研究^[5-7]。

开展“光的力学效应”实验教学对学生认识光的基本属性和了解光学前沿研究的进展具有重要意义。特别是随着交叉学科迅速发展，光镊作为一种微观操控工具，在生物、物理、化学、纳米技术等多个交叉领域的应用越来越广泛。学习光镊技术的相关基础理论知识及实验技术，有利于拓展学生科学思维，为未来从事相关科学研究奠定基础。中国科学技术大学光镊课题组从 1999 年开始就在《光学》专业教学实验中进行“科教融合”探索，在国内首次开发了光的力学效应实验课^[8-10]。二十多年来，我们坚持探索实验教学方法的改进，采用课题研究方式，开展实验课教学，调动学生科研兴趣，培养学生科研能力，取得了很好的教学效果。

2 教学实验设计

2.1 教学实验设备的研制

光镊科研仪器的使用对外界环境的要求非常苛刻，比如设备需要隔振，需要用压电平台实现纳米位移精度操控，需要采用 CCD 或者高速位置敏感探测器件进行高精度探测。

这些设备的操控比较复杂，而且价格昂贵，显然不适合进行本科教学实验。因此，我们在科研设备的基础上进行简便的教学仪器研究，设计了图 1 所示的光镊微操作仪。该设备采用国产显微镜和低廉小巧的半导体激光器，采用手动平台操控及工业 CMOS 相机进行探测，降低设备价格。在此基础上，我们进一步优化实验内容，简化实验操作，使其方便本科生进行实验操作。

2.2 教学实验内容的设计

我们选择光镊的基本操控功能及光镊的两个基本特征参数测量作为实验内容：（1）光镊的三维捕获；（2）光阱阱域的测量；（3）最大光阱力（pN 量级）的测量。实验首先涉及样品的配制。该实验让学生亲自动手配制生物样品，如酵母细胞，接着让他们自己操作光镊仪器实现对酵母细胞的捕获，然后再测量光镊的阱域和最大逃逸力。有别于传统的显微观测，本实验过程涉及对微观物体的直接操控和测量，能够有效激发学生的实验兴趣。通过实验让学生更直观地认识光的力学效应的基本原理，从而深刻理解光的动量的基本属性。此外，实验通过流体力学的方法测量光阱力，能够培养学生分析、解决问题的能力。这个过程中，测量 pN（10^-12N）量级的光阱力具有一定的挑战性，能够增加学生实验兴趣，激发他们探索问题的欲望。

3 实验教学实施

本实验严格按照科研操作过程和要求来设计实验教学过程，如图 2 所示。通过本实验，学生经历一个完整的科研实验操作过程，训练了学生的科研能力，对于培养学生的创新精神和探索能力具有一定的提升与帮助。

3.1 教学实验前预习

预习阶段要求学生对实验相关内容进行调研，了解光镊技术科研现状，激发学生对实验的兴趣。加强学生实验预习环节，给学生提出调研的任务，调研内容包括：光镊技术的原理和光镊技术应用研究情况。该环节培养学生的调研能力，并对实验的可行性进行论证。学生通过预习对光镊技术及其应用有初步了解，筑牢该实验理论基础。

3.2 背景简介

实验课上，老师讲解光的动量和光的力学效应等基本物理原理，并结合最新的科研成果介绍其应用。通过具体的前沿科研课题的介绍，让同学认识光镊技术的特点：

（1）光镊具有三维捕获和操控能力。学生对光镊原理的初步认识是利用光梯度力操控微粒。但是，光镊具备沿光轴方向的操控能力这一点的物理图像并不容易理解。实验课采用几何光学的方法解释粒子在单光束梯度力阱中受力情况，基于梯度力和散射力的合力来阐明三维操控的原因。另外，从能量角度将光阱视为三维势阱，说明三维捕获的能力。

（2）光镊操控单细胞、单分子是非机械接触，避免了机械损伤。实验中很多同学会提出问题，如激光带来了热损伤。回答问题中，我们自然引出光波长对热吸收的关系，从而使学生认识到为什么在生物应用研究中需用采用红外激光的原因。

（3）光镊可以实现隔空取物，隔空操控单细胞、单分子，不需要破坏细胞膜，减少伤害及降低感染的风险。

（4）光镊测力精度是 pN 量级。生物大分子之间的作用力范围在 pN 到几十 pN。在这种精度下的科学研究一直缺少直接测量工具。而光镊的测力范围是 0~100pN，恰好填补了生物学的研究空缺。

（5）光镊技术可以和多种探测技术结合。实验课中特别介绍了校友李统藏博士将真空光镊设备和高速探测技术结合，在 2010 年用激光光镊首次实验测量了悬浮粒子布朗运动的瞬时速度，完成了爱因斯坦在一百多年前认为不可能完成的任务，拉近了学生与该实验的距离。

实验课结合本实验室的最新科研进展来开展教学。介绍光镊进行动物活体研究工作，包括我们如何开展这个课题的研究，研究的过程遇到怎样的问题，如何去解决的，课题研究的成果及意义，以及光镊活体研究的最新进展。“科教融合”润物细无声，极大地激发了高年级大学生的科研兴趣，促进他们了解科研实验的流程及开展科研实验的方法。

3.3 实验原理及其操作

光镊的重要特征，为什么有这样的特征？光镊的原理，光镊特征参数是什么，我们用什么实验方法去测量？通过这些问题，追溯光的基本属性——光的动量。实验课采用几何光学的方法解释粒子在单光束梯度力光阱中受力情况。实验标定光阱的特征量为光阱力的范围和大小，我们在实验中测量的是光阱最大逃逸力，采用的测量方法分别用陷入法和流体力学法。

大学生开展的实验操作按照科研实验要求进行：样品的配备、实验的操作、数据的处理、实验结论。

3.4 实验讨论

（1）实验中光阱的测量在平面上进行。然而，实际上光阱是三维空间的。我们采取图像处理方法进行数据分析。同学们通过图像的纵向信息处理，修正实验误差。为了降低实验复杂度，忽略粒子的纵向影响，采用两点法测量直径。鼓励大学生探索提高实验精度的方法，如采用拟合的方法得到小球或者酵母的直径。同时告诉大学生在科研工作中，科学的简化对有效开展实验的必要性。

（2）同学们结合自己的学科方向，提出自己的想法，讨论用光镊解决自己专业的问题。例如，原子分子专业的学生，考虑用光镊捕获原子，进行原子冷却的实验；生物物理专业的同学，对光镊进行单分子力谱研究感兴趣。

（3）数据处理中，学生发现逃逸速度可以用帧率来计算，也可以采用相机的曝光时间来进行计算。

3.5 实验报告

本实验要求学生按照科研论文的格式撰写实验报告，给出实验结果和结论。通过撰写实验报告，学生的文字表达能力得到了训练，对科技论文的格式、写作要求等也有一个初步的了解。

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的工作中可能用光镊技术开展什么样的研究？对本实验课有什么建议？同学结合自己的专业方向，提出自己的想法，讨论用光镊解决自己专业的问题。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

对于光镊具有科研兴趣的同学，我们还组织大家参观科研实验室，零距离接触科研前沿，进一步探究与教学实验相关的科研问题。并为他们提供多次课程外的实验以及加盟实验室开展相关科学研究的机会。

3.8 课程思政

在教学实验中开展课程思政。光镊的发明及应用研究是课程思政教学很好的素材。1970 年，A.Ashkin 发现单束激光能加速溶液中的微粒，这激发起他的研究兴趣。1986 年，他利用单个强聚焦光束实现了微米小球的捕获，发明了光镊。1989 年，他将光镊用于植物分子活体细胞质的力学特性测量。此后一直拓展光镊的生物学应用。光镊为研究微纳物体提供了独特的工具，推动了生物、纳米科学、光学以及量子科学等众多学科的发展。2018 年，96 岁高龄的 A.Ashkin 获得诺贝尔物理学奖。A.Ashkin 从事光镊研究的经历充分体现了科学家精神。根据兴趣大胆探索新领域，发现新现象，孜孜不倦地追求科学真理。

4 实验教学效果

4.1 教学情况

每年参与本实验课的理工科大三学生有 160 人左右，其他年级学生要求参观实验的每年有十多人。另外，每年还有慕名而来数量不等的其他高校及研究所的交流人员。每年加盟实验室进行本科毕业设计研究的学生达 5~8 人，研究生 1~2 人。学生选课非常踊跃，选课率近两年来更是达到 100%，实验教学情况如图 3 所示。

4.2 学生反馈

二十多年的实验教学，获得学生的推崇，表 1 列举了部分 2016 级学生的实验感想。

5 结语

将科研成果转化为光学专业基础实验教学内容是光学实验教学改革的一项重要措施，也是一条必经之路。通过这项教学改革，学生在本科阶段就接触到学科前沿内容，并能在实验中经历一个完整的基础科研训练过程。这对于开阔学生科研视野，训练大学生的创新思维，提高学生的科学素养和科研能力，培养大学生严谨、求实的科学作风，为大学生后续从事教学和科研工作奠定一个良好的基础。

本文所述的光的力学效应实验教学是“科教融合”的一个典型的案例。该实验教学对于本科生实验教学有如下推广价值：

（1）该实验教学模式采用科研设备转化为实验教学设备，解决传统教学设备的新颖性不足、实验多为验证性的问题。新的教学设备极大激发了学生的实验兴趣，呵护了拔尖人才的探索热情，有效解决传统教学内容与科技前沿脱节的问题。

（2）该实验教学模式能有效解除传统实验教学模式单一，对拔尖人才培养缺少挑战性的弊端。通过采用科研实验的模式，可以开展简单的科研训练，拓展大学生科研思维方法，给大学生提供挑战自己和发挥特长的平台。

（3）该实验教学模式解决了教师机械重复指导实验，大学生被动接受知识，交流互动严重不足的问题。实验通过调研、前沿讲解和技术展望等环节，给学有余力的大学生进行主动探索提供了很好机会，使他们获得更好提升空间。

参考文献

基金项目：安徽省教学研究项目（2019xjyxm075）资助；国家自然科学基金（31870759）资助。

作者简介：王自强，男，中国科学技术大学工程师，主要从事光镊及光场调控方面教学和科研工作，wzqiang@ustc.edu.cn。