本科生科研训练课题指南

本科生科研训练课题指南

北京师范大学物理系

2008.12

I．思路与方案

科学研究最根本的特征是创新。如何从学生进入大学之初由应试教育过渡到研究性和创新教育，是我国当前大学教育面临的严峻课题。在大学里，科研与教学有机地相结合，以科研促教学，以教学促科研，为此课题开辟了一条蹊径；物理学是以实验为基础的学科，理论与实验密切相结合，理论可以为实验提供指导和预期，实验则推动着理论的发展和我们对自然规律的深刻理解。为此，可以采取各种方法和手段让本科生在大学四年当中可以得到良好的科学素养的熏陶和科学兴趣的培养，并让其中一些物理基础好、有潜力的本科生通过循序渐进和适当的学习和训练，具备从事科研工作的基础知识能力和前沿洞察力，使学生的知识、能力和素质全面协调发展。

本科生科研训练具有自己的特点：一方面，它是本科生课堂循序渐进学习的延伸和补充，是学习和了解何为“研究”及如何“研究”的过程，是学习如何发现问题、解决问题、团结协作攻关的过程；另一方面，它不同于正常的科技项目研究或科技攻关，学生通过参与科研训练，重在训练，重在引导，重在探索，重在参与。因此，本科生科研训练应强调过程，而非以发表论文为目的，它允许学生失败，失败对于参与的学生来说也是“财富”。通过为学生提供科研训练的舞台，可以使学生插上科学梦想和腾飞的翅膀。

北师大物理学科和物理学理科基地自90年代开始一直致力于本科生科学素养和兴趣的培养，从课程、导师、实验室、政策机制等诸多方面都进行了长期不懈的建设和探索，取得了一系列成绩，形成了以物理学国家理科基地、物理北京市实验示范中心、理论物理重点学科、凝聚态物理北京市重点学科以及985、211研究团队和创新群体等多级基地为基础的本科生科研训练基地，培养了一批目前已经在物理学和其他学科研究方面崭露头角的优秀的本科生。作为本科生科研训练建设项目，我们将利用本项目的支持，根据我校物理学科的科研现状、教学体系及其学生情况，进一步构建如下5个科学训练平台：

(1) 理论物理与计算模拟；(2) 当代光学理论实验与应用；(3) 凝聚态物理理论与实验；（4）非线性物理与交叉学科; (5) 物理教育研究科研训练平台。各科研训练平台设置一系列滚动式的子课题供学生参考指南，学生可以通过参与子课题的训练活动提高自身素养和水平。课题指南并不限于学生与指导教师的自拟题目，鼓励学生自己提出科研训练课题并申请资助。

为了能使训练项目顺利实施，我们将为学生科研素养培养和训练提供一系列准备和保障。具体的思路是：大力鼓励本科生在基础课和专业课学习期间进行探究性学习，并相应建立一系列常规制度如：（1）本科生导师制度；（2）科研系列报告制度；（3）实验室开放制度；（4）科研项目滚动制度、指导教师接待日制度；（5）文献检索培训制度；（5）课程探究性教学制度；（6）科研加分制度，以确保学生得到实质性的基本科研训练。在这个平台上，我们将充分利用我们优秀的教学资源、已经形成规模的各级实验

室和实验中心，及其几个具有很强科研实力的研究团队和研究群体，开展一系列形成常规的科研训练活动（包括课程、系列讲座、学生科研立项等），充分发挥研究与教学的结合，使得学生处于探究性的学习氛围当中。

在学生经过大学前两年的科研素养和科学兴趣培养后，从二年级下学期（少数优秀及非常有兴趣的同学可以提前）开始，学生可以根据自己的兴趣选择进入到不同的科研训练平台，以3-5人组成科研小组（成员可以跨年级，对于非线性物理和交叉学科，还可以跨院系进行组合），根据各个科研训练平台提供的科研立项指南，在指导教师的引领下，进入课题研究训练阶段。在此阶段，学生在导师指导下开始涉猎专业的文献、书籍，并逐步学习解决问题的方法、手段和实验、计算模拟技能。在这个平台上，充分考虑到物理学的理论与实验结合的规律，考虑到学生广泛的兴趣，我们设置的四个方向平台既有理论，又有实验，既有物理学本身的题目，又有一系列交叉性课题，大大扩展了学生的选择面。

我们强调的是以人为本，即如何让学生有效并愿意参与科研训练，如何通过科研训练让学生养成探究性的习惯，如何成为未来的后备人才。因此，我们不把发表论文数量等当作衡量项目执行好坏的绝对标准，更不会通过让学生发表大量论文来提升物理学科的地位。学生科研应注重过程，训练更应注重质量，注重本科生的参与。我们鼓励学生将高质量论文投送高水平杂志发表，但坚决杜绝急功近利和违反科研规范的做法。

II．5个科学训练平台31个子课题

一. 理论物理与计算模拟训练平台 (子课题6项, 负责人：包景东教授 朱建阳教授)

1. 引力理论和宇宙学的研究

z 指导教师：马永革教授 高思杰副教授 周彬副教授

z 课题简介：（1）爱因斯坦的广义相对论建立以来，已经被广泛应用到科学技术的各个领域，但

满足爱因斯坦场方程的严格解仍非常有限，这些解对研究引力塌缩，黑洞或虫洞的形成等有重要意义。 我们将探讨典型场方程解构造以及它们的几何和物理性质。孤立视界和动力学视界理论是对传统黑洞理论的发展， 它们提供了研究黑洞局部性质的有效方法，近年来在研究黑洞的几何及热力学性质方面已取得很大成功。目前这一领域仍有许多有趣而待完善的问题。（2）广义相对论建立以后，以其为基本思路的各种探索性理论相继被提出。Poincare规范引力理论的时空不仅有曲率而且有挠率，该理论将广义相对论的思想与规范理论的思想美妙地融合在一起；另一方面，高维引力理论以巧妙的额外维构想，提供了将四种基本相互作用统一为高维时空的几何效应的可能性。但这些理论一直没有得到有力的实验支持。现代天文观测确认了暗能量、暗物质的存在，而Poincare规范引力和高维引力理论在解释暗能量和暗物质的起源上都显示出巨大的潜力，Poincare规范引力的挠率很有可能从几何上成功解决暗能量和暗物质问题；高维引力理论经过维数约化后而得到的标量场极有可能成功解释Higgs场和暗能量。如何用上述理论来迎接天文观测的挑战将是引人入胜的课题。（3）作为物理学基础的前沿理论，圈量子引力将广义相对论与量子力学相结合，导出了时空的量子性，并且提供了研究量子黑洞物理和量子宇宙

学的新的理论框架，对圈量子引力的对称模型的研究将会帮助我们理解某些物理学的最根本问题。

z 研究训练内容：学生可自由选择下列课题中的1至2个：（1）球对称引力塌缩过程的严格解，（2）

孤立视界与动力学视界的几何与热力学性质，（3）探讨虫洞与时间机器，（4）Poincare规范引力及其宇宙学应用，（5）高维引力理论及其宇宙学应用，（6）圈量子引力的对称模型（圈量子宇宙学和黑洞）。

z 参与本科生具备条件：适合（准备）选修“微分几何与广义相对论”的相关课程的二年级（含）

以上学生。

z 课题目标：通过本项目的研究训练，可以增加学生对广义相对论相关领域的了解和研究兴趣，

提高数理修养和理论思维能力，表现出色者可望完成并发表高水平的学术论文。

2. 黑洞及其相关前沿问题的研究

z 指导教师：赵峥教授 刘文彪教授 朱建阳教授

z 课题简介：黑洞是广义相对论和天体物理理论预言的一种“神秘”天体，近年来越来越为人们所

关注和了解。对黑洞的研究不仅具有重要的理论意义，而且对天文理论研究和天文观测的深入开展具有重要的指导意义。天文学家们对黑洞候选者的一次又一次的发现，客观上促成了理论物理学家们对黑洞问题的深入探讨，形成了黑洞研究中的若干前沿问题。

z 研究训练内容： （1）研究Parikh提出的非热谱的黑洞辐射，将给出一种信息熵守恒的可能性，

从而揭示Hawking辐射过程是可能满足量子力学幺正性的。（2）探讨黑洞熵的本质，研究砖墙模型中的对数项在量子引力理论中的合理性，找出薄层模型与黑洞非对易量子视界的内在联系。

（3）运用已有的研究动态黑洞的一系列技巧，探讨在现实世界中更一般，同时也更复杂的黑洞客体。（4）利用数值计算方法研究黑洞形成过程中，周围时空区域中的吸积和喷流，为黑洞在天文观测上的证认提供理论参考。（5）宇宙学方面，研究圈量子宇宙学有效理论中关于反弹、暴涨、密度涨落和热力学描述等若干问题。

z 参与本科生具备条件： 适合选修了广义相对论基础课程的高年级学生

z 课题目标：通过对这些问题的研究训练，对于提高本科生对理论物理的兴趣，加强本科生科研

能力训练和综合素质的培养具有重要意义。

3. 非平衡稳定态系统的等效热力学函数研究

z 指导教师：包景东教授

z 课题简介：热力学对于远离平衡态的宏观描述还缺乏统一和成熟的框架。热涨落系统宏观描述

中的一个重要概念是“有效温度”，若系统的尺度很小却存在着内部结构，或环境是对有限内禀自由度的统计，热力学量涨落量与它的平均值相比拟。现理论上非唯一地定义有效温度。在一个过程中，比较几种有效温度和其它热力学函数的大小关系是非常有意义的，它还是实验上的一个探针。

z 研究训练内容：本子课题拟研究：（1）探讨几种有效温度的适用范围和代表的物理意义，对几

种有效温度结果进行比较。（2）对非平衡态系统进行分类。（3）研究量子耗散系统的热力学最

小功原理及能斯特定理。（4）用朗之万蒙特卡罗方法研究广义功和随机效率。

z 课题目标：通过这些问题的研究训练，学生将对非平衡稳定态系统的热力学行为有更多的了解。

4. 相变统计模型的数值研究

z 指导教师：郭文安教授，吴新天副教授

z 课题简介：对相变和临界现象的研究一直是统计物理研究的重要领域。

揭示相变的重要特性, 然而, 严格求解往往十分困难。现代计算机和计算方法的发展, 使得对模型的数值研究成为这一领域研究的重要分支。

z 研究训练内容：本项目拟对学生进行蒙特卡罗方法(重点是团簇方法)、数值转移矩阵方法、蒙特

卡罗重正化方法、量子蒙特卡罗方法的教学与训练, 指导学生运用这些方法对目前国际前沿的O(n)圈模型的相变、Bose-Hubbard模型的量子相变等问题进行探索和研究。

z 课题目标：通过这些问题的研究训练，学生不仅将对相变与临界现象有深入的了解，而且将增

强学生学习计算机的兴趣和计算机应用能力的提高。

5. 统计物理基本问题与非线性输运研究

z 指导教师：郑志刚教授

z 课题简介：物理体系的输运过程常常表现为多自由度、多粒子系统由于非线性相互作用而产生

复杂结果，从微观尺度研究输运就必须考虑体系的时空性与非线性。

z 研究训练内容：本项目旨在探讨宏观输运过程的微观非线性动力学，探索宏观输运过程的微观

动力学机制；分析宏观输运系数与微观动力学特征指数及拓扑特征之间的关系；研究时空系统由于时空对称性破缺而产生的集体定向运动；探讨研究利用动力学控制的方法实现对宏观时空结构与输运过程的控制。

z 课题目标：通过这些问题的研究训练，学生将对统计物理的基本问题有更多的认识。

6. 计算凝聚态物理科研训练

z 指导教师：刘绍军教授 李融武副教授 罗莹副教授

z 课题简介：计算凝聚态物理主要是通过计算手段来研究和模拟微观量子世界的物理过程，计算

材料的物性，探索微观多体系统的规律，预测材料的结构和性质及其相互关系，为认识凝聚态材料的基本物性、新型材料的开发和应用等提供科学的依据。

z 研究训练内容：本项目旨在通过基于密度泛函理论的第一原理计算研究高温高压下过渡金属的

电子结构与物性，分析这些物性的微观机制与物理本质；运用基于原子级的计算与模拟方法如分子动力学模拟、Kinetic Monte Carlo方法等研究材料生长过程，分析关键原子扩散过程与纳米级及原子级材料生长中的微结构演化的关系。

z 课题目标：通过这些问题的研究训练，学生不仅将对计算凝聚态物理学这门新兴学科有较好的

了解，而且将增强学生学习计算机的兴趣和计算机应用能力的提高。

二. 光学理论与实验训练平台 (子课题5项，负责人：杨国建教授 刘大禾教授)

7. 超冷原子物质波类光学性质的研究

z 指导教师：杨国健教授 章梅副教授

z 课题简介：近年来有关超冷原子物质波类光学性质的研究已成为光学领域最感兴趣的课题之一。人们已经观察到物质波全息、混频和原子激光输出等现象，设计并研制出各种超冷原子光学器件。

z 研究训练内容：本课题拟就超冷原子物质波类光学性质做进一步地讨论。

z 课题目标：希望通过课题研究，使学生一方面加深对理论物理课程内容的理解、提高综合运用相关知识的能力，另一方面了解超冷原子物质波类光学性质研究领域的最新进展，理解和探索物质波新的类光学性质。

8. 关联光学的实验研究和应用研究

z 指导教师：熊俊教授 王海波副教授

z 课题简介：量子纠缠光子态和热光中的强度空间关联所产生的奇特效应, 如“鬼成像”“鬼干涉”和“亚波长干涉效应”，引起了国际学术界的强烈关注和争论。我们研究小组在该课题的研究中，处于国际领先地位。

z 研究训练内容：我们将继续深入研究关联光子的量子本性，完善关联光学的理论体系，和探索它的应用前景。

z 课题目标：研究该课题只需要本科大学物理的基础，有关实验可以在普通的大学实验室条件下完成。因此本课题特别适合本科生的科研训练，同时能引导本科生进入国际科研的前沿领域。

9. 布里渊散射激光雷达的研究

z 指导教师：刘大禾教授 周静教授

z 课题简介：布里渊散射激光雷达是一种新型海洋监测装置，在海洋研究、海洋调查、国民经济以及军事等领域有着重要的应用。因此，激光雷达受到了各个国家的高度重视，并已有多种型号的激光雷达投入实际应用。1980年以来，布里渊散射激光雷达由于其独特的性能开始受到人们的重视，相关的研究也得到了深入的开展。大幅度提高探测深度就成为当前激光雷达研究的主功方向之一。

z 研究训练内容：我们准备采用受激布里渊散射和双光束泵浦探测的方法来提高激光雷达的探测深度。

z 课题目标：通过本子课题的研究训练，可以增强学生的国防意识以及投入国防建设的热情。 10. 负折射材料和光子晶体的研究

z 指导教师：张向东教授

z 课题简介：近年来，光子晶体和负折射材料的研究在国际上引起了人们极大的兴趣。开始人们对光子晶体的研究主要侧重于去发现大的光子带隙材料。最近，人们发现波在光子晶体的导带中传播也会出现一些反常特性如负折射、自准直和超棱镜效应。

z 研究训练内容：本子课题将引导学生参与到如下问题的研究中：波在光子晶体中传播出现的这些反常特性；负折射和超聚集的关系；介电光子晶体实现高于THz磁反应的可能性；有限尺寸

光子晶体中光霍耳效应，等等。

z 课题目标：将有助于增强学生对光子晶体和负折射材料的了解和研究兴趣。

11. 量子信息与量子计算

z 指导教师：邓富国副教授 杨国健教授

z 课题简介：量子信息与量子计算是近年来国际上最感兴趣的物理课题之一，取得了一系列重要

的进展，引起了广泛的关注。量子信息与量子计算的发展将给人类带来一场新的信息与技术革命。它主要利用量子力学原理研究信息安全传输、高效并行计算以及量子力学本身的一些基本问题。

z 研究训练内容：本课题拟就实用的量子安全通信、光量子计算机、光量子态存储、纠缠产生及

其应用、量子力学的一些基本问题等做进一步的探讨。

z 课题目标：希望通过课题研究，使学生一方面加深对量子力学、光学、原子物理等课程内容的

理解，提高综合运用物理知识的能力，另一方面了解量子信息研究领域的最新进展，探索量子信息处理的新方法。

三． 凝聚态物理理论与实验训练平台 (子课题7项，负责人：聂家财教授 寇谡鹏教授)

12. 经典手征双通道网格模型的相图研究

z 指导教师：熊刚副教授

z 课题简介：低维系统和介观物理是近年来凝聚态物理学取得重大进展的领域。随着纳米实验技

术的提高，新奇现象不断涌现，例如二维电子气在随机磁场下的行为，对于这些新奇现象产生机理的认识还存在较大分歧。在磁场和缓变电势场作用下的二维电子形成由手征态组成的量子网格，通过研究网格的渗流性质可以确定电子态的局域性质和相图。

z 研究训练内容：本课题将研究对象简化为对应的经典网格模型。

z 课题目标：本课题的研究可以促进学生在解析推导和数值计算两方面的提高。

13. 量子多体系统中新物态的数值研究

指导教师：寇谡鹏教授 冯世平教授 王甬军教授 杨师杰副教授 赵虎副教授 梁颖副教授

课题简介：该子课题的研究目的是发现并研究新奇物态，为量子调控作基础。从典型的量子多体模型出发利用数值技术分析其能谱和波函数，认识可能存在的新物态的量子属性。由于该问题的复杂性，本科生可以首先研究与之有关的Toy模型，如简单量子自旋模型的新物态属性。

课题目标：以此为出发点的学习研究量子多体系统的基本解析知识和数值计算技术，既可以深入理解已学到的量子力学和固体物理的内容，同时又可以学到前沿的物理知识。

14. 薄膜与器件物理

z 指导教师：聂家财教授 高有辉副教授 熊昌民讲师

z 课题简介：薄膜和器件是信息技术发展的重要基础。该子课题将着重强调薄膜和器件的物理基

础及其电子学应用，培养锻炼学生的动手能力，使其掌握基本的镀膜与器件制备技术，同时了解

各种新材料的物性。

z 研究训练内容：具体内容包括：超大磁电阻材料薄膜的电磁性能; 高温超导体/超大磁电阻材料

纳米异质复合膜与器件; 稀磁半导体氧化物薄膜的制备、表征及其物理特性; 氧化物半导体纳米异质结构的制备、性能及简单器件的研制; 磁性多层膜中的交换相互作用和电子传输特性。

15. 纳米材料制备、结构与物性

z 指导教师：聂家财教授 王引书教授 高有辉副教授 窦瑞芬副教授

z 课题简介：纳米科学技术是当今最热的研究领域之一。该子课题将以目前我们所从事的科研项

目为依托，着重开展：非晶基体中半导体纳米颗粒的制备；半导体纳米晶体的量子尺寸效应；纳米超导体的电输运性质和磁性；单原子层石墨烯的制备与物性研究；磁性纳米颗粒及其自组装体的磁有序研究；磁性/非磁性多层纳米线中电子传输的量子效应等。

z 课题目标：我们将以培养学生的实践能力为目的，教会学生在教学过程中主动跟踪前沿最新进

展，不断补充、丰富和完善该课程的教学内容，真正做到教学相长。

16. 一维准有序排列ZnO纳米晶体及其光探测元件

z 指导教师：王引书教授 田强教授

z 课题简介： ZnO纳米晶体，特别是有序排列一维ZnO纳米晶体由于其在紫外光探测器、激光

器和发光二极管等光电器件方面的巨大应用潜力而受到广泛关注。该子项目拟结合目前的科研课题，通过准有序排列一维ZnO纳米晶体的生长、结构及形貌的表征、光电响应的测量和简单光探测元件的制备等系列研究工作，提高学生的动手能力

z 课题目标：培养学生跟踪前沿研究进展、设计实验研究物理问题的科研意识和能力；增强学生

设计实验解决应用领域技术问题的研发意识。

17. 超导量子比特的量子测量和量子反馈控制

z 指导教师：李新奇教授

z 课题简介：量子反馈控制理论是融合经典反馈控制基本思想和量子物理奇异特性的新型控制手

段。理论在20世纪80年代初步提出，90年代在量子光学领域得到极大发展，并于最近几年在实验上得以实现。本项目将把这一新型控制手段应用在固态量子信息领域，具体研究超导量子比特和超导传输线耦合系统中的相干性控制，以及特殊量子态（如Bell态和GHZ态）的制备。这是一项前沿研究课题，与目前的实验能力比较接近，也有重要的应用价值。

z 课题目标：本训练项目将激发学生对量子物理和量子技术的兴趣，引导学生体验和进入前沿物

理研究。

18. 半导体量子点输运的全计数统计研究

z 指导教师：李新奇教授

z 课题简介：本项目的主要研究内容是发展量子输运的全计数统计（FCS）理论，并在FCS水平

上研究量子点的输运性质。我们将首先对量子输运主方程中电极自能做自恰修正，建立可以描述任意电压的量子输运主方程理论，然后构建方便实用的FCS方法，并编制性能优良的计算程

序。在应用方面，将对量子点输运做深入的FCS研究，全方位揭示多体关联和量子相干特性效应，以及退相干性质，希望对诸如非平衡Kondo关联和自旋相关输运的涨落性质，做出有价值的新发现。本项目有理论方法和器件应用物理研究的双重意义，并与介观系统量子输运的重要新趋势新发展接轨。

z 课题目标：本训练项目将激发学生对量子输运理论和半导体量子点物理的兴趣，引导学生体验

和进入前沿物理研究。

四．非线性物理与交叉学科训练平台 （子课题7项, 负责人：郑志刚教授）

19. 非线性网络的动力学复杂性与同步研究

z 指导教师： Michael Cross教授 郑志刚教授

z 课题简介：非线性网络的复杂性研究涉及物理学、计算机信息科学与社会科学等广泛学科，成

为21世纪科学的前沿课题之一。复杂网络在各种领域中比比皆是。例如，由大量神经元构成了动物大脑这样的复杂网络，由大量动物和植物之间的捕食和被捕食构成了巨大的食物网络，由人为单位构成了各种社会组织，由各种商业单位构成复杂的全球和区域经济网络，由各种用电单位和供电单位构成的电力网，等等。

z 研究训练内容：本项目以非线性单元(混沌动力学)为节点组成的复杂网络为研究切入点，探索

典型复杂网络复杂的时空动力学特性与复杂网络拓扑结构之间的关系；探索网络上的各种同步、同步化能力、产生的物理机制；通过分析小世界网络、无标度网络等复杂网络上的动力学过程及其同步，对网络的动力学特性有更为深入的理解，找出复杂网络动力学与同步的一般性规律以及它们与网络拓扑结构性质的联系。

z 课题目标：本训练项目的目的是引导学生的学习科学技术的兴趣和热情，以及培养学生提出问

题和解决问题的能力。

20. 时空混沌及其控制与同步理论与实验研究

z 指导教师：胡岗教授 李晓文副教授、张英副教授

z 课题简介：非线性科学作为一门交叉学科，自20世纪60年代进入研究热点时期以来已经得到

蓬勃的发展，对混沌动力学的理论与实验研究揭示出丰富的现象，也得到了重要的应用(混沌控制与同步)。在充分研究了小自由度非线性系统的混沌行为的基础上，对大自由度（耦合非线性系统或偏微分时空系统）的研究成为人们关注的焦点。单个混沌系统可以表现出复杂的时间行为，而时空系统（如耦合系统或空间偏微分系统）则可能会出现更复杂的现象，也可能产生相干行为，如时空结构（斑图）、同步、集团化、合作输运、时空随机共振等。

z 研究训练内容：本项目从理论和实验上研究：（1）时间混沌而空间有序的混沌斑图的形成，混

沌同步自组织，及相关的空间对称性破缺在空间有序结构形成中的作用。研究混沌斑图的有序结构的丰富性与时间行为的混沌特征之间的关联。（2）研究时空混沌和混沌斑图的控制。研究抑制时空混沌，实现实际需要的时空斑图的方法。（3）研究时空混沌控制的应用，特别是利用可控的时空混沌同步进行保密通讯和其他安全的信息传递。

z 课题目标：本训练项目的目的是引导学生的学习科学技术的兴趣和热情，以及培养学生提出问

题和解决问题的能力。

21. 高级神经活动：学习与认知功能的电路模拟实验

z 指导教师：方福康教授 杨百瑞教授

z 课题简介：学习是神经系统的一种高级功能，属于认知功能的范围，而在神经系统的多种认知

功能中，学习功能又是最基本的，应用面十分广泛。在神经层面上建立学习功能模型具有重要意义。在神经元群突触作用分析的基础上，利用复杂性研究和自组织理论提供的崭新思路和算法，建立学习功能的计算模型，进而开发出有一定实用价值的器件是当前国际有关科研领域的一个相当热门课题。本项目准备进行的实验主要是已有的理论工作成果进行电路模拟，为今后对功能器件的开发打基础。

z 课题目标：本训练项目的目的是引导学生的学习科学技术的兴趣和热情，以及培养学生提出问

题和解决问题的能力。

22. 复杂网络系统的统计力学

z 指导教师：朱建阳教授

z 课题简介：复杂网络系统广泛地存在于自然界和人类社会，它可以描述从晶体，细胞，到Internet

的多种多样的系统。因此，对复杂网络系统的分析和研究是包括物理、化学、生物、计算机技术和信息科学等众多学科共同关注的重要课题，是目前交叉学科的研究热点之一。作为一个面向本科生的训练项目，我们拟对复杂网络系统的统计力学进行探讨。找寻其中的规律，探索它们的成因，并以期为人类服务。

z 参与本科生具备条件：本训练项目只要求学生已掌握一定的数理基础和计算机技术，因而对于

二、三年级的学生也可参与。

z 课题目标：本训练项目的目的是引导学生的学习科学技术的兴趣和热情，以及培养学生提出问

题和解决问题的能力。

23. 分子马达的统计物理及其动力学机制研究

z 指导教师：王海燕副教授 包景东教授 郑志刚教授

z 课题简介：研究分子马达定向输运和能量转换的机制，不但可以理解生命运动的物理本质，而

且可以加深对非平衡统计的理解。建立基于非平衡统计的随机动力学（布朗马达）模型，理论上探索影响分子马达定向运动和能量转化效率的因素，如破缺介质反常扩散的影响、热力学涨落的积极作用、马达与轨道相互作用非对称周期势的角色等；结合最新单分子实验结果，建立基于分子马达的结构信息的物理模型，研究分子马达的集体协作效应，探讨新发现的驱动马达非对称“hand-over-hand”运动模式，争取对实验结果提出合理的理论解释。

z 课题目标：本训练项目的目的是引导学生的学习科学技术的兴趣和热情，以及培养学生提出问

题和解决问题的能力。

24. 细胞膜中的膜蛋白扩散

z 指导教师：涂展春副教授

z 课题简介：细胞膜上有大量的膜蛋白，这些蛋白的行为对细胞的生物功能起决定性的作用。膜

蛋白在细胞膜上怎样运动是一个复杂的问题。作为初步研究，可以近似的看成是扩散问题。与普通扩散问题不同的是，膜蛋白是在细胞膜这一具有曲率和一定弹性的空间上运动，细胞膜的局部曲率、整体拓扑性质及热运动导致的形状涨落会起重要作用。我们将从讨论曲面上的扩散问题入手，试图给膜蛋白在细胞膜上的扩散作初浅的定量描述。

z 参与本科生具备条件：良好的理论力学、统计力学和数理方法基础；具备简单的矢量分析基础，

能迅速学习古典微分几何的基本知识；对偏微分方程数值求解有一定了解。

z 课题目标：本训练项目的目的是培养有志于从事研究的学生检索文献的能力、运用已有的知识

或学习部分新知识解决问题的能力。

25. 噪声与非线性系统实验研究

z 指导教师：李晓文副教授

z 课题简介：噪声与非线性系统的相互作用研究近几年得到了密切关注。噪声在很多情况下起着

负面和破坏性的作用，但噪声在非线性系统中往往起着非平庸甚至是积极的作用，例如随机共振、分子马达、相干共振等。本项目用非线性电路研究噪声与非线性系统的相互作用，包括随机共振、相干共振等，以实验的方法来对噪声动力学进行更加深入和细致的研究。

z 参与本科生具备条件：有较好的电学基础，较好的实验动手能力，喜欢做实验。

z 课题目标： 本项目培养学生设计实验、理论联系实际、运用知识解决实际问题的能力。

五． 物理教育研究科研训练平台 (子课题6 项，负责人：郭玉英教授、李春密教授)

26. 中学物理教学中的有效探究教学与教师教学观念和教学能力发展的系统研究

z 指导教师： 郭玉英教授 罗莹副教授

z 课题简介：本课题围绕当前基础教育物理课程改革中的热点问题——探究教学的有效性和教师

专业发展，深入中学物理课堂开展实际的调查和研究。其中包括对教师的教学准备和课堂教学过程的研究，对学生学习效果的研究，对教师的教学观念和能力的研究。

z 研究训练内容：课堂教学过程的实录和分析，对学生学习结果的测评，对教师的访谈，数据的

录入和统计分析等。

z 课题目标：使学生了解中学物理教学实际和教育研究的现状及热点问题，学习物理教育研究方

法，发展物理教学和物理教育研究的兴趣与能力。

27. 在中学物理教学中促进师生共同发展的过程性评价研究

z 指导教师： 李春密教授 张萍副教授

z 课题简介：基础教育阶段的过程性评价研究是当前教学改革中的热点问题，本研究将过程性评

价的基本思想与物理学科和物理教学实践紧密结合起来，努力在实践过程中寻找评价理念与教学实际的结合方式，推动过程性评价工具的开发，探讨有效促进师生共同发展的评价理念、评价方式和评价手段，为学生有效学习和教师的专业发展提供咨询。

z 研究训练内容：通过过程性评价的文献分析，结合中学物理课堂实际，开发过程性评价表，利

用评价表对教师和学生进行诊断，提出促进师生共同发展的参考建议。

z 课题目标：使学生了解中学物理教学实际和教育研究的现状及热点问题，学习物理教育研究方

法，发展物理教学和物理教育研究的兴趣与能力。

28. 低成本中学物理实验教具的开发研究

z 指导教师： 李春密教授 李兰秀高级实验师

z 课题简介：物理实验是物理学的基础，实验教学是物理教学的重要组成部分。开发和研制低成

本物理实验教具对培养学生的动手能力，提高学生学习物理的兴趣等都具有重要意义。本研究在了解中学物理实验教学的现状基础上，开发和设计系列低成本实验教具，并对低成本实验教具的教学效果进行调查和分析。

z 研究训练内容：结合中学物理教学实际，调查中学物理实验教学现状，制作系列低成本教具，

调查和分析教学效果。

z 课题目标：使学生了解中学物理实验教学实际，培养学生的动手能力和教具的开发能力。

29. 学生科学推理能力的定量评估和物理教育对学生科学推理能力影响研究

z 指导教师：罗莹副教授，郭玉英教授

z 课题简介：科学推理能力是从事科学研究的必备能力之一，如何对科学推理能力进行定量的评

估是科学教育和物理教育研究领域中长期关注的、重点课题之一。本课题首先采用在美国亚利桑那州立大学的罗森教授提出的“科学能力推理测试”试题基础进行改进的“科学推理能力测试题”对我国不同年龄的学生进行科学推理能力进行测量。在此基础上研究物理教育对学生科学推理能力的影响。

z 研究训练内容：在对不同年龄的学生进行科学推理能力测量的基础上，通过统计分析研究物理

教育对学生科学推理能力的影响。

z 课题的目标：本训练项目的目的是引导学生对物理教育研究的兴趣和热情，以及培养学生分析

数据、提出问题和解决问题的能力。

30．不同种类电阻、电容和电感的测量方法的实验研究

z 指导教师：罗莹副教授，李春密教授

z 课题简介：电阻、电容和电感是工业、人们的生活中不可缺少的、重要的电学元件。今天电阻、

电容和电感的种类繁多、应用极其广泛。由于这些电学元件的种类不同，测量它们的目的不同，所需的测量精度不同，由此不同条件下测量它们的方法也会有很大的差别。电阻、电容和电感是本科生相对比较熟悉的物理知识，从学生熟悉的物理量入手，培养他们的物理实验能力，有利于培养他们对物理学研究兴趣和热情，培养他们的科学研究能力。

z 研究训练内容：分别研究测量不同的电阻、电容和电感的各种测量的实验方法。 z 课题的目标：本训练项目的目的是通过学生熟悉的物理量测量方法的实验研究，引导学生对物

理实验的兴趣和热情，以及培养学生的动手能力、物理实验能力。

31. 信息技术在物理教育中的应用与研究

z 指导教师： 项华副教授

z 课题简介：信息时代物理研究与物理教育均面临着前所未有的机遇与挑战，深入探讨信息技术

对物理研究与物理教育的影响，对于转变物理学科理念，提高物理教育效率具有重要意义。课题将在信息技术与教学整合理念的指引下，研究仿真模拟与物理学、信息技术与物理教学、 信息技术与科学学习、信息技术与科学教学评价、信息技术与物理教师教育等问题。 z 研究训练内容：运用多媒体技术和网络技术开发与利用物理教育课件的方法与技能训练，运用

信息技术研究物理课堂教学过程、物理学习心理过程、科学教学测量与评价过程的方法与技能训练，开展物理信息技术教育中质性和量化研究方法与技能训练，等等。

z 课题目标：理解信息技术与物理教学整合实质；掌握若干种物理教师专业化必备信息技术；培

养开发与利用数字化物理新课程教学资源能力，提高学生对于物理教育的探究兴趣，等等。

本科生科研训练课题指南

北京师范大学物理系

2008.12

I．思路与方案

科学研究最根本的特征是创新。如何从学生进入大学之初由应试教育过渡到研究性和创新教育，是我国当前大学教育面临的严峻课题。在大学里，科研与教学有机地相结合，以科研促教学，以教学促科研，为此课题开辟了一条蹊径；物理学是以实验为基础的学科，理论与实验密切相结合，理论可以为实验提供指导和预期，实验则推动着理论的发展和我们对自然规律的深刻理解。为此，可以采取各种方法和手段让本科生在大学四年当中可以得到良好的科学素养的熏陶和科学兴趣的培养，并让其中一些物理基础好、有潜力的本科生通过循序渐进和适当的学习和训练，具备从事科研工作的基础知识能力和前沿洞察力，使学生的知识、能力和素质全面协调发展。

本科生科研训练具有自己的特点：一方面，它是本科生课堂循序渐进学习的延伸和补充，是学习和了解何为“研究”及如何“研究”的过程，是学习如何发现问题、解决问题、团结协作攻关的过程；另一方面，它不同于正常的科技项目研究或科技攻关，学生通过参与科研训练，重在训练，重在引导，重在探索，重在参与。因此，本科生科研训练应强调过程，而非以发表论文为目的，它允许学生失败，失败对于参与的学生来说也是“财富”。通过为学生提供科研训练的舞台，可以使学生插上科学梦想和腾飞的翅膀。

北师大物理学科和物理学理科基地自90年代开始一直致力于本科生科学素养和兴趣的培养，从课程、导师、实验室、政策机制等诸多方面都进行了长期不懈的建设和探索，取得了一系列成绩，形成了以物理学国家理科基地、物理北京市实验示范中心、理论物理重点学科、凝聚态物理北京市重点学科以及985、211研究团队和创新群体等多级基地为基础的本科生科研训练基地，培养了一批目前已经在物理学和其他学科研究方面崭露头角的优秀的本科生。作为本科生科研训练建设项目，我们将利用本项目的支持，根据我校物理学科的科研现状、教学体系及其学生情况，进一步构建如下5个科学训练平台：

(1) 理论物理与计算模拟；(2) 当代光学理论实验与应用；(3) 凝聚态物理理论与实验；（4）非线性物理与交叉学科; (5) 物理教育研究科研训练平台。各科研训练平台设置一系列滚动式的子课题供学生参考指南，学生可以通过参与子课题的训练活动提高自身素养和水平。课题指南并不限于学生与指导教师的自拟题目，鼓励学生自己提出科研训练课题并申请资助。

为了能使训练项目顺利实施，我们将为学生科研素养培养和训练提供一系列准备和保障。具体的思路是：大力鼓励本科生在基础课和专业课学习期间进行探究性学习，并相应建立一系列常规制度如：（1）本科生导师制度；（2）科研系列报告制度；（3）实验室开放制度；（4）科研项目滚动制度、指导教师接待日制度；（5）文献检索培训制度；（5）课程探究性教学制度；（6）科研加分制度，以确保学生得到实质性的基本科研训练。在这个平台上，我们将充分利用我们优秀的教学资源、已经形成规模的各级实验

室和实验中心，及其几个具有很强科研实力的研究团队和研究群体，开展一系列形成常规的科研训练活动（包括课程、系列讲座、学生科研立项等），充分发挥研究与教学的结合，使得学生处于探究性的学习氛围当中。

在学生经过大学前两年的科研素养和科学兴趣培养后，从二年级下学期（少数优秀及非常有兴趣的同学可以提前）开始，学生可以根据自己的兴趣选择进入到不同的科研训练平台，以3-5人组成科研小组（成员可以跨年级，对于非线性物理和交叉学科，还可以跨院系进行组合），根据各个科研训练平台提供的科研立项指南，在指导教师的引领下，进入课题研究训练阶段。在此阶段，学生在导师指导下开始涉猎专业的文献、书籍，并逐步学习解决问题的方法、手段和实验、计算模拟技能。在这个平台上，充分考虑到物理学的理论与实验结合的规律，考虑到学生广泛的兴趣，我们设置的四个方向平台既有理论，又有实验，既有物理学本身的题目，又有一系列交叉性课题，大大扩展了学生的选择面。

我们强调的是以人为本，即如何让学生有效并愿意参与科研训练，如何通过科研训练让学生养成探究性的习惯，如何成为未来的后备人才。因此，我们不把发表论文数量等当作衡量项目执行好坏的绝对标准，更不会通过让学生发表大量论文来提升物理学科的地位。学生科研应注重过程，训练更应注重质量，注重本科生的参与。我们鼓励学生将高质量论文投送高水平杂志发表，但坚决杜绝急功近利和违反科研规范的做法。

II．5个科学训练平台31个子课题

一. 理论物理与计算模拟训练平台 (子课题6项, 负责人：包景东教授 朱建阳教授)

1. 引力理论和宇宙学的研究

z 指导教师：马永革教授 高思杰副教授 周彬副教授

z 课题简介：（1）爱因斯坦的广义相对论建立以来，已经被广泛应用到科学技术的各个领域，但

满足爱因斯坦场方程的严格解仍非常有限，这些解对研究引力塌缩，黑洞或虫洞的形成等有重要意义。 我们将探讨典型场方程解构造以及它们的几何和物理性质。孤立视界和动力学视界理论是对传统黑洞理论的发展， 它们提供了研究黑洞局部性质的有效方法，近年来在研究黑洞的几何及热力学性质方面已取得很大成功。目前这一领域仍有许多有趣而待完善的问题。（2）广义相对论建立以后，以其为基本思路的各种探索性理论相继被提出。Poincare规范引力理论的时空不仅有曲率而且有挠率，该理论将广义相对论的思想与规范理论的思想美妙地融合在一起；另一方面，高维引力理论以巧妙的额外维构想，提供了将四种基本相互作用统一为高维时空的几何效应的可能性。但这些理论一直没有得到有力的实验支持。现代天文观测确认了暗能量、暗物质的存在，而Poincare规范引力和高维引力理论在解释暗能量和暗物质的起源上都显示出巨大的潜力，Poincare规范引力的挠率很有可能从几何上成功解决暗能量和暗物质问题；高维引力理论经过维数约化后而得到的标量场极有可能成功解释Higgs场和暗能量。如何用上述理论来迎接天文观测的挑战将是引人入胜的课题。（3）作为物理学基础的前沿理论，圈量子引力将广义相对论与量子力学相结合，导出了时空的量子性，并且提供了研究量子黑洞物理和量子宇宙

学的新的理论框架，对圈量子引力的对称模型的研究将会帮助我们理解某些物理学的最根本问题。

z 研究训练内容：学生可自由选择下列课题中的1至2个：（1）球对称引力塌缩过程的严格解，（2）

孤立视界与动力学视界的几何与热力学性质，（3）探讨虫洞与时间机器，（4）Poincare规范引力及其宇宙学应用，（5）高维引力理论及其宇宙学应用，（6）圈量子引力的对称模型（圈量子宇宙学和黑洞）。

z 参与本科生具备条件：适合（准备）选修“微分几何与广义相对论”的相关课程的二年级（含）

以上学生。

z 课题目标：通过本项目的研究训练，可以增加学生对广义相对论相关领域的了解和研究兴趣，

提高数理修养和理论思维能力，表现出色者可望完成并发表高水平的学术论文。

2. 黑洞及其相关前沿问题的研究

z 指导教师：赵峥教授 刘文彪教授 朱建阳教授

z 课题简介：黑洞是广义相对论和天体物理理论预言的一种“神秘”天体，近年来越来越为人们所

关注和了解。对黑洞的研究不仅具有重要的理论意义，而且对天文理论研究和天文观测的深入开展具有重要的指导意义。天文学家们对黑洞候选者的一次又一次的发现，客观上促成了理论物理学家们对黑洞问题的深入探讨，形成了黑洞研究中的若干前沿问题。

z 研究训练内容： （1）研究Parikh提出的非热谱的黑洞辐射，将给出一种信息熵守恒的可能性，

从而揭示Hawking辐射过程是可能满足量子力学幺正性的。（2）探讨黑洞熵的本质，研究砖墙模型中的对数项在量子引力理论中的合理性，找出薄层模型与黑洞非对易量子视界的内在联系。

（3）运用已有的研究动态黑洞的一系列技巧，探讨在现实世界中更一般，同时也更复杂的黑洞客体。（4）利用数值计算方法研究黑洞形成过程中，周围时空区域中的吸积和喷流，为黑洞在天文观测上的证认提供理论参考。（5）宇宙学方面，研究圈量子宇宙学有效理论中关于反弹、暴涨、密度涨落和热力学描述等若干问题。

z 参与本科生具备条件： 适合选修了广义相对论基础课程的高年级学生

z 课题目标：通过对这些问题的研究训练，对于提高本科生对理论物理的兴趣，加强本科生科研

能力训练和综合素质的培养具有重要意义。

3. 非平衡稳定态系统的等效热力学函数研究

z 指导教师：包景东教授

z 课题简介：热力学对于远离平衡态的宏观描述还缺乏统一和成熟的框架。热涨落系统宏观描述

中的一个重要概念是“有效温度”，若系统的尺度很小却存在着内部结构，或环境是对有限内禀自由度的统计，热力学量涨落量与它的平均值相比拟。现理论上非唯一地定义有效温度。在一个过程中，比较几种有效温度和其它热力学函数的大小关系是非常有意义的，它还是实验上的一个探针。

z 研究训练内容：本子课题拟研究：（1）探讨几种有效温度的适用范围和代表的物理意义，对几

种有效温度结果进行比较。（2）对非平衡态系统进行分类。（3）研究量子耗散系统的热力学最

小功原理及能斯特定理。（4）用朗之万蒙特卡罗方法研究广义功和随机效率。

z 课题目标：通过这些问题的研究训练，学生将对非平衡稳定态系统的热力学行为有更多的了解。

4. 相变统计模型的数值研究

z 指导教师：郭文安教授，吴新天副教授

z 课题简介：对相变和临界现象的研究一直是统计物理研究的重要领域。

揭示相变的重要特性, 然而, 严格求解往往十分困难。现代计算机和计算方法的发展, 使得对模型的数值研究成为这一领域研究的重要分支。

z 研究训练内容：本项目拟对学生进行蒙特卡罗方法(重点是团簇方法)、数值转移矩阵方法、蒙特

卡罗重正化方法、量子蒙特卡罗方法的教学与训练, 指导学生运用这些方法对目前国际前沿的O(n)圈模型的相变、Bose-Hubbard模型的量子相变等问题进行探索和研究。

z 课题目标：通过这些问题的研究训练，学生不仅将对相变与临界现象有深入的了解，而且将增

强学生学习计算机的兴趣和计算机应用能力的提高。

5. 统计物理基本问题与非线性输运研究

z 指导教师：郑志刚教授

z 课题简介：物理体系的输运过程常常表现为多自由度、多粒子系统由于非线性相互作用而产生

复杂结果，从微观尺度研究输运就必须考虑体系的时空性与非线性。

z 研究训练内容：本项目旨在探讨宏观输运过程的微观非线性动力学，探索宏观输运过程的微观

动力学机制；分析宏观输运系数与微观动力学特征指数及拓扑特征之间的关系；研究时空系统由于时空对称性破缺而产生的集体定向运动；探讨研究利用动力学控制的方法实现对宏观时空结构与输运过程的控制。

z 课题目标：通过这些问题的研究训练，学生将对统计物理的基本问题有更多的认识。

6. 计算凝聚态物理科研训练

z 指导教师：刘绍军教授 李融武副教授 罗莹副教授

z 课题简介：计算凝聚态物理主要是通过计算手段来研究和模拟微观量子世界的物理过程，计算

材料的物性，探索微观多体系统的规律，预测材料的结构和性质及其相互关系，为认识凝聚态材料的基本物性、新型材料的开发和应用等提供科学的依据。

z 研究训练内容：本项目旨在通过基于密度泛函理论的第一原理计算研究高温高压下过渡金属的

电子结构与物性，分析这些物性的微观机制与物理本质；运用基于原子级的计算与模拟方法如分子动力学模拟、Kinetic Monte Carlo方法等研究材料生长过程，分析关键原子扩散过程与纳米级及原子级材料生长中的微结构演化的关系。

z 课题目标：通过这些问题的研究训练，学生不仅将对计算凝聚态物理学这门新兴学科有较好的

了解，而且将增强学生学习计算机的兴趣和计算机应用能力的提高。

二. 光学理论与实验训练平台 (子课题5项，负责人：杨国建教授 刘大禾教授)

7. 超冷原子物质波类光学性质的研究

z 指导教师：杨国健教授 章梅副教授

z 课题简介：近年来有关超冷原子物质波类光学性质的研究已成为光学领域最感兴趣的课题之一。人们已经观察到物质波全息、混频和原子激光输出等现象，设计并研制出各种超冷原子光学器件。

z 研究训练内容：本课题拟就超冷原子物质波类光学性质做进一步地讨论。

z 课题目标：希望通过课题研究，使学生一方面加深对理论物理课程内容的理解、提高综合运用相关知识的能力，另一方面了解超冷原子物质波类光学性质研究领域的最新进展，理解和探索物质波新的类光学性质。

8. 关联光学的实验研究和应用研究

z 指导教师：熊俊教授 王海波副教授

z 课题简介：量子纠缠光子态和热光中的强度空间关联所产生的奇特效应, 如“鬼成像”“鬼干涉”和“亚波长干涉效应”，引起了国际学术界的强烈关注和争论。我们研究小组在该课题的研究中，处于国际领先地位。

z 研究训练内容：我们将继续深入研究关联光子的量子本性，完善关联光学的理论体系，和探索它的应用前景。

z 课题目标：研究该课题只需要本科大学物理的基础，有关实验可以在普通的大学实验室条件下完成。因此本课题特别适合本科生的科研训练，同时能引导本科生进入国际科研的前沿领域。

9. 布里渊散射激光雷达的研究

z 指导教师：刘大禾教授 周静教授

z 课题简介：布里渊散射激光雷达是一种新型海洋监测装置，在海洋研究、海洋调查、国民经济以及军事等领域有着重要的应用。因此，激光雷达受到了各个国家的高度重视，并已有多种型号的激光雷达投入实际应用。1980年以来，布里渊散射激光雷达由于其独特的性能开始受到人们的重视，相关的研究也得到了深入的开展。大幅度提高探测深度就成为当前激光雷达研究的主功方向之一。

z 研究训练内容：我们准备采用受激布里渊散射和双光束泵浦探测的方法来提高激光雷达的探测深度。

z 课题目标：通过本子课题的研究训练，可以增强学生的国防意识以及投入国防建设的热情。 10. 负折射材料和光子晶体的研究

z 指导教师：张向东教授

z 课题简介：近年来，光子晶体和负折射材料的研究在国际上引起了人们极大的兴趣。开始人们对光子晶体的研究主要侧重于去发现大的光子带隙材料。最近，人们发现波在光子晶体的导带中传播也会出现一些反常特性如负折射、自准直和超棱镜效应。

z 研究训练内容：本子课题将引导学生参与到如下问题的研究中：波在光子晶体中传播出现的这些反常特性；负折射和超聚集的关系；介电光子晶体实现高于THz磁反应的可能性；有限尺寸

光子晶体中光霍耳效应，等等。

z 课题目标：将有助于增强学生对光子晶体和负折射材料的了解和研究兴趣。

11. 量子信息与量子计算

z 指导教师：邓富国副教授 杨国健教授

z 课题简介：量子信息与量子计算是近年来国际上最感兴趣的物理课题之一，取得了一系列重要

的进展，引起了广泛的关注。量子信息与量子计算的发展将给人类带来一场新的信息与技术革命。它主要利用量子力学原理研究信息安全传输、高效并行计算以及量子力学本身的一些基本问题。

z 研究训练内容：本课题拟就实用的量子安全通信、光量子计算机、光量子态存储、纠缠产生及

其应用、量子力学的一些基本问题等做进一步的探讨。

z 课题目标：希望通过课题研究，使学生一方面加深对量子力学、光学、原子物理等课程内容的

理解，提高综合运用物理知识的能力，另一方面了解量子信息研究领域的最新进展，探索量子信息处理的新方法。

三． 凝聚态物理理论与实验训练平台 (子课题7项，负责人：聂家财教授 寇谡鹏教授)

12. 经典手征双通道网格模型的相图研究

z 指导教师：熊刚副教授

z 课题简介：低维系统和介观物理是近年来凝聚态物理学取得重大进展的领域。随着纳米实验技

术的提高，新奇现象不断涌现，例如二维电子气在随机磁场下的行为，对于这些新奇现象产生机理的认识还存在较大分歧。在磁场和缓变电势场作用下的二维电子形成由手征态组成的量子网格，通过研究网格的渗流性质可以确定电子态的局域性质和相图。

z 研究训练内容：本课题将研究对象简化为对应的经典网格模型。

z 课题目标：本课题的研究可以促进学生在解析推导和数值计算两方面的提高。

13. 量子多体系统中新物态的数值研究

指导教师：寇谡鹏教授 冯世平教授 王甬军教授 杨师杰副教授 赵虎副教授 梁颖副教授

课题简介：该子课题的研究目的是发现并研究新奇物态，为量子调控作基础。从典型的量子多体模型出发利用数值技术分析其能谱和波函数，认识可能存在的新物态的量子属性。由于该问题的复杂性，本科生可以首先研究与之有关的Toy模型，如简单量子自旋模型的新物态属性。

课题目标：以此为出发点的学习研究量子多体系统的基本解析知识和数值计算技术，既可以深入理解已学到的量子力学和固体物理的内容，同时又可以学到前沿的物理知识。

14. 薄膜与器件物理

z 指导教师：聂家财教授 高有辉副教授 熊昌民讲师

z 课题简介：薄膜和器件是信息技术发展的重要基础。该子课题将着重强调薄膜和器件的物理基

础及其电子学应用，培养锻炼学生的动手能力，使其掌握基本的镀膜与器件制备技术，同时了解

各种新材料的物性。

z 研究训练内容：具体内容包括：超大磁电阻材料薄膜的电磁性能; 高温超导体/超大磁电阻材料

纳米异质复合膜与器件; 稀磁半导体氧化物薄膜的制备、表征及其物理特性; 氧化物半导体纳米异质结构的制备、性能及简单器件的研制; 磁性多层膜中的交换相互作用和电子传输特性。

15. 纳米材料制备、结构与物性

z 指导教师：聂家财教授 王引书教授 高有辉副教授 窦瑞芬副教授

z 课题简介：纳米科学技术是当今最热的研究领域之一。该子课题将以目前我们所从事的科研项

目为依托，着重开展：非晶基体中半导体纳米颗粒的制备；半导体纳米晶体的量子尺寸效应；纳米超导体的电输运性质和磁性；单原子层石墨烯的制备与物性研究；磁性纳米颗粒及其自组装体的磁有序研究；磁性/非磁性多层纳米线中电子传输的量子效应等。

z 课题目标：我们将以培养学生的实践能力为目的，教会学生在教学过程中主动跟踪前沿最新进

展，不断补充、丰富和完善该课程的教学内容，真正做到教学相长。

16. 一维准有序排列ZnO纳米晶体及其光探测元件

z 指导教师：王引书教授 田强教授

z 课题简介： ZnO纳米晶体，特别是有序排列一维ZnO纳米晶体由于其在紫外光探测器、激光

器和发光二极管等光电器件方面的巨大应用潜力而受到广泛关注。该子项目拟结合目前的科研课题，通过准有序排列一维ZnO纳米晶体的生长、结构及形貌的表征、光电响应的测量和简单光探测元件的制备等系列研究工作，提高学生的动手能力

z 课题目标：培养学生跟踪前沿研究进展、设计实验研究物理问题的科研意识和能力；增强学生

设计实验解决应用领域技术问题的研发意识。

17. 超导量子比特的量子测量和量子反馈控制

z 指导教师：李新奇教授

z 课题简介：量子反馈控制理论是融合经典反馈控制基本思想和量子物理奇异特性的新型控制手

段。理论在20世纪80年代初步提出，90年代在量子光学领域得到极大发展，并于最近几年在实验上得以实现。本项目将把这一新型控制手段应用在固态量子信息领域，具体研究超导量子比特和超导传输线耦合系统中的相干性控制，以及特殊量子态（如Bell态和GHZ态）的制备。这是一项前沿研究课题，与目前的实验能力比较接近，也有重要的应用价值。

z 课题目标：本训练项目将激发学生对量子物理和量子技术的兴趣，引导学生体验和进入前沿物

理研究。

18. 半导体量子点输运的全计数统计研究

z 指导教师：李新奇教授

z 课题简介：本项目的主要研究内容是发展量子输运的全计数统计（FCS）理论，并在FCS水平

上研究量子点的输运性质。我们将首先对量子输运主方程中电极自能做自恰修正，建立可以描述任意电压的量子输运主方程理论，然后构建方便实用的FCS方法，并编制性能优良的计算程

序。在应用方面，将对量子点输运做深入的FCS研究，全方位揭示多体关联和量子相干特性效应，以及退相干性质，希望对诸如非平衡Kondo关联和自旋相关输运的涨落性质，做出有价值的新发现。本项目有理论方法和器件应用物理研究的双重意义，并与介观系统量子输运的重要新趋势新发展接轨。

z 课题目标：本训练项目将激发学生对量子输运理论和半导体量子点物理的兴趣，引导学生体验

和进入前沿物理研究。

四．非线性物理与交叉学科训练平台 （子课题7项, 负责人：郑志刚教授）

19. 非线性网络的动力学复杂性与同步研究

z 指导教师： Michael Cross教授 郑志刚教授

z 课题简介：非线性网络的复杂性研究涉及物理学、计算机信息科学与社会科学等广泛学科，成

为21世纪科学的前沿课题之一。复杂网络在各种领域中比比皆是。例如，由大量神经元构成了动物大脑这样的复杂网络，由大量动物和植物之间的捕食和被捕食构成了巨大的食物网络，由人为单位构成了各种社会组织，由各种商业单位构成复杂的全球和区域经济网络，由各种用电单位和供电单位构成的电力网，等等。

z 研究训练内容：本项目以非线性单元(混沌动力学)为节点组成的复杂网络为研究切入点，探索

典型复杂网络复杂的时空动力学特性与复杂网络拓扑结构之间的关系；探索网络上的各种同步、同步化能力、产生的物理机制；通过分析小世界网络、无标度网络等复杂网络上的动力学过程及其同步，对网络的动力学特性有更为深入的理解，找出复杂网络动力学与同步的一般性规律以及它们与网络拓扑结构性质的联系。

z 课题目标：本训练项目的目的是引导学生的学习科学技术的兴趣和热情，以及培养学生提出问

题和解决问题的能力。

20. 时空混沌及其控制与同步理论与实验研究

z 指导教师：胡岗教授 李晓文副教授、张英副教授

z 课题简介：非线性科学作为一门交叉学科，自20世纪60年代进入研究热点时期以来已经得到

蓬勃的发展，对混沌动力学的理论与实验研究揭示出丰富的现象，也得到了重要的应用(混沌控制与同步)。在充分研究了小自由度非线性系统的混沌行为的基础上，对大自由度（耦合非线性系统或偏微分时空系统）的研究成为人们关注的焦点。单个混沌系统可以表现出复杂的时间行为，而时空系统（如耦合系统或空间偏微分系统）则可能会出现更复杂的现象，也可能产生相干行为，如时空结构（斑图）、同步、集团化、合作输运、时空随机共振等。

z 研究训练内容：本项目从理论和实验上研究：（1）时间混沌而空间有序的混沌斑图的形成，混

沌同步自组织，及相关的空间对称性破缺在空间有序结构形成中的作用。研究混沌斑图的有序结构的丰富性与时间行为的混沌特征之间的关联。（2）研究时空混沌和混沌斑图的控制。研究抑制时空混沌，实现实际需要的时空斑图的方法。（3）研究时空混沌控制的应用，特别是利用可控的时空混沌同步进行保密通讯和其他安全的信息传递。

z 课题目标：本训练项目的目的是引导学生的学习科学技术的兴趣和热情，以及培养学生提出问

题和解决问题的能力。

21. 高级神经活动：学习与认知功能的电路模拟实验

z 指导教师：方福康教授 杨百瑞教授

z 课题简介：学习是神经系统的一种高级功能，属于认知功能的范围，而在神经系统的多种认知

功能中，学习功能又是最基本的，应用面十分广泛。在神经层面上建立学习功能模型具有重要意义。在神经元群突触作用分析的基础上，利用复杂性研究和自组织理论提供的崭新思路和算法，建立学习功能的计算模型，进而开发出有一定实用价值的器件是当前国际有关科研领域的一个相当热门课题。本项目准备进行的实验主要是已有的理论工作成果进行电路模拟，为今后对功能器件的开发打基础。

z 课题目标：本训练项目的目的是引导学生的学习科学技术的兴趣和热情，以及培养学生提出问

题和解决问题的能力。

22. 复杂网络系统的统计力学

z 指导教师：朱建阳教授

z 课题简介：复杂网络系统广泛地存在于自然界和人类社会，它可以描述从晶体，细胞，到Internet

的多种多样的系统。因此，对复杂网络系统的分析和研究是包括物理、化学、生物、计算机技术和信息科学等众多学科共同关注的重要课题，是目前交叉学科的研究热点之一。作为一个面向本科生的训练项目，我们拟对复杂网络系统的统计力学进行探讨。找寻其中的规律，探索它们的成因，并以期为人类服务。

z 参与本科生具备条件：本训练项目只要求学生已掌握一定的数理基础和计算机技术，因而对于

二、三年级的学生也可参与。

z 课题目标：本训练项目的目的是引导学生的学习科学技术的兴趣和热情，以及培养学生提出问

题和解决问题的能力。

23. 分子马达的统计物理及其动力学机制研究

z 指导教师：王海燕副教授 包景东教授 郑志刚教授

z 课题简介：研究分子马达定向输运和能量转换的机制，不但可以理解生命运动的物理本质，而

且可以加深对非平衡统计的理解。建立基于非平衡统计的随机动力学（布朗马达）模型，理论上探索影响分子马达定向运动和能量转化效率的因素，如破缺介质反常扩散的影响、热力学涨落的积极作用、马达与轨道相互作用非对称周期势的角色等；结合最新单分子实验结果，建立基于分子马达的结构信息的物理模型，研究分子马达的集体协作效应，探讨新发现的驱动马达非对称“hand-over-hand”运动模式，争取对实验结果提出合理的理论解释。

z 课题目标：本训练项目的目的是引导学生的学习科学技术的兴趣和热情，以及培养学生提出问

题和解决问题的能力。

24. 细胞膜中的膜蛋白扩散

z 指导教师：涂展春副教授

z 课题简介：细胞膜上有大量的膜蛋白，这些蛋白的行为对细胞的生物功能起决定性的作用。膜

蛋白在细胞膜上怎样运动是一个复杂的问题。作为初步研究，可以近似的看成是扩散问题。与普通扩散问题不同的是，膜蛋白是在细胞膜这一具有曲率和一定弹性的空间上运动，细胞膜的局部曲率、整体拓扑性质及热运动导致的形状涨落会起重要作用。我们将从讨论曲面上的扩散问题入手，试图给膜蛋白在细胞膜上的扩散作初浅的定量描述。

z 参与本科生具备条件：良好的理论力学、统计力学和数理方法基础；具备简单的矢量分析基础，

能迅速学习古典微分几何的基本知识；对偏微分方程数值求解有一定了解。

z 课题目标：本训练项目的目的是培养有志于从事研究的学生检索文献的能力、运用已有的知识

或学习部分新知识解决问题的能力。

25. 噪声与非线性系统实验研究

z 指导教师：李晓文副教授

z 课题简介：噪声与非线性系统的相互作用研究近几年得到了密切关注。噪声在很多情况下起着

负面和破坏性的作用，但噪声在非线性系统中往往起着非平庸甚至是积极的作用，例如随机共振、分子马达、相干共振等。本项目用非线性电路研究噪声与非线性系统的相互作用，包括随机共振、相干共振等，以实验的方法来对噪声动力学进行更加深入和细致的研究。

z 参与本科生具备条件：有较好的电学基础，较好的实验动手能力，喜欢做实验。

z 课题目标： 本项目培养学生设计实验、理论联系实际、运用知识解决实际问题的能力。

五． 物理教育研究科研训练平台 (子课题6 项，负责人：郭玉英教授、李春密教授)

26. 中学物理教学中的有效探究教学与教师教学观念和教学能力发展的系统研究

z 指导教师： 郭玉英教授 罗莹副教授

z 课题简介：本课题围绕当前基础教育物理课程改革中的热点问题——探究教学的有效性和教师

专业发展，深入中学物理课堂开展实际的调查和研究。其中包括对教师的教学准备和课堂教学过程的研究，对学生学习效果的研究，对教师的教学观念和能力的研究。

z 研究训练内容：课堂教学过程的实录和分析，对学生学习结果的测评，对教师的访谈，数据的

录入和统计分析等。

z 课题目标：使学生了解中学物理教学实际和教育研究的现状及热点问题，学习物理教育研究方

法，发展物理教学和物理教育研究的兴趣与能力。

27. 在中学物理教学中促进师生共同发展的过程性评价研究

z 指导教师： 李春密教授 张萍副教授

z 课题简介：基础教育阶段的过程性评价研究是当前教学改革中的热点问题，本研究将过程性评

价的基本思想与物理学科和物理教学实践紧密结合起来，努力在实践过程中寻找评价理念与教学实际的结合方式，推动过程性评价工具的开发，探讨有效促进师生共同发展的评价理念、评价方式和评价手段，为学生有效学习和教师的专业发展提供咨询。

z 研究训练内容：通过过程性评价的文献分析，结合中学物理课堂实际，开发过程性评价表，利

用评价表对教师和学生进行诊断，提出促进师生共同发展的参考建议。

z 课题目标：使学生了解中学物理教学实际和教育研究的现状及热点问题，学习物理教育研究方

法，发展物理教学和物理教育研究的兴趣与能力。

28. 低成本中学物理实验教具的开发研究

z 指导教师： 李春密教授 李兰秀高级实验师

z 课题简介：物理实验是物理学的基础，实验教学是物理教学的重要组成部分。开发和研制低成

本物理实验教具对培养学生的动手能力，提高学生学习物理的兴趣等都具有重要意义。本研究在了解中学物理实验教学的现状基础上，开发和设计系列低成本实验教具，并对低成本实验教具的教学效果进行调查和分析。

z 研究训练内容：结合中学物理教学实际，调查中学物理实验教学现状，制作系列低成本教具，

调查和分析教学效果。

z 课题目标：使学生了解中学物理实验教学实际，培养学生的动手能力和教具的开发能力。

29. 学生科学推理能力的定量评估和物理教育对学生科学推理能力影响研究

z 指导教师：罗莹副教授，郭玉英教授

z 课题简介：科学推理能力是从事科学研究的必备能力之一，如何对科学推理能力进行定量的评

估是科学教育和物理教育研究领域中长期关注的、重点课题之一。本课题首先采用在美国亚利桑那州立大学的罗森教授提出的“科学能力推理测试”试题基础进行改进的“科学推理能力测试题”对我国不同年龄的学生进行科学推理能力进行测量。在此基础上研究物理教育对学生科学推理能力的影响。

z 研究训练内容：在对不同年龄的学生进行科学推理能力测量的基础上，通过统计分析研究物理

教育对学生科学推理能力的影响。

z 课题的目标：本训练项目的目的是引导学生对物理教育研究的兴趣和热情，以及培养学生分析

数据、提出问题和解决问题的能力。

30．不同种类电阻、电容和电感的测量方法的实验研究

z 指导教师：罗莹副教授，李春密教授

z 课题简介：电阻、电容和电感是工业、人们的生活中不可缺少的、重要的电学元件。今天电阻、

电容和电感的种类繁多、应用极其广泛。由于这些电学元件的种类不同，测量它们的目的不同，所需的测量精度不同，由此不同条件下测量它们的方法也会有很大的差别。电阻、电容和电感是本科生相对比较熟悉的物理知识，从学生熟悉的物理量入手，培养他们的物理实验能力，有利于培养他们对物理学研究兴趣和热情，培养他们的科学研究能力。

z 研究训练内容：分别研究测量不同的电阻、电容和电感的各种测量的实验方法。 z 课题的目标：本训练项目的目的是通过学生熟悉的物理量测量方法的实验研究，引导学生对物

理实验的兴趣和热情，以及培养学生的动手能力、物理实验能力。

31. 信息技术在物理教育中的应用与研究

z 指导教师： 项华副教授

z 课题简介：信息时代物理研究与物理教育均面临着前所未有的机遇与挑战，深入探讨信息技术

对物理研究与物理教育的影响，对于转变物理学科理念，提高物理教育效率具有重要意义。课题将在信息技术与教学整合理念的指引下，研究仿真模拟与物理学、信息技术与物理教学、 信息技术与科学学习、信息技术与科学教学评价、信息技术与物理教师教育等问题。 z 研究训练内容：运用多媒体技术和网络技术开发与利用物理教育课件的方法与技能训练，运用

信息技术研究物理课堂教学过程、物理学习心理过程、科学教学测量与评价过程的方法与技能训练，开展物理信息技术教育中质性和量化研究方法与技能训练，等等。

z 课题目标：理解信息技术与物理教学整合实质；掌握若干种物理教师专业化必备信息技术；培

养开发与利用数字化物理新课程教学资源能力，提高学生对于物理教育的探究兴趣，等等。