光学工程论文范文

今天小编为大家精心挑选了关于《光学工程论文范文(精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！摘要：基于目前地方本科高校工程光学课程教学内容、模式、条件普遍难以满足应用型人才培养及新工科改革的需求的现象，文章针对工程光学课程教学探讨了工程体验式教学方式，以提高学生工程实践能力为核心重構教学内容。

第一篇：光学工程论文范文

基于马斯洛需求层次理论的“工程光学”课程教学改革

摘 要 文章运用马斯洛需求层次理论，探讨“工程光学”课程教学改革。根据电子科学与技术专业和测控技术及仪器专业的学生的先期知识基础和心理需求，参考不同专业的人才培养目标，对教学内容进行分目的、分层次设置。对两专业的教学内容进行区分与侧重，最终调动学生学习的内在积极性，提高课程教学效果。

关键词 马斯洛需求层次理论 工程光学 教学改革

Teaching Reform of "Engineering Optics" Based on

Maslow's Needs Hierarchy Theory

(College of Physics and Electrical Engineering， Zhengzhou University of Light industry， Zhengzhou， He'nan 450002)

Key words Maslow's needs hierarchy theory; Engineering Optics; teaching reform

1 现状与背景分析

1943年，美国心理学家亚伯拉罕·马斯洛在《人类激励理论》一文中提出了马斯洛需求层次理论，①②该理论是组织行为学中的一个重要概念。在现代诸多管理理论中，需求层次理论占有重要的地位。由低到高，马斯洛把个人的需要归纳为生理需要、安全需要、社交需要、尊重需要和自我实现需要，共五个层次。在当今社会中，人的生理、安全、社交和尊重四种需求较为容易满足，继而人们开始追求实现自我价值、自我满足。需求层次理论的提出，在世界上引发了巨大的反响，各行各业纷纷把这一理论应用于生产实践中。③④理论提出人马斯洛认为：只有真正调动个人的内部动机，才能够发挥人的潜能和创造力。从激励的角度来说，需求层次理论对任课教师如何有效调动学生的课堂学习内在积极性具有重要的启发意义。

“工程光学”课程是光电技术和测控技术的主干专业课程，学习该课程对于提高学生的专业技能和专业素养具有重要的作用。本校电子科学与技术专业和测控技术及仪器专业均设置了该课程，且均作为必修课程进行教学。该课程是一门理论性较强的科学，内容较多且自成系统，需要扎实的先期数学和物理基础，因此，被学生认为是一门“难学的科学”。在当前的课程教学和学习过程中，由于课程的难度以及教学内容的设置，教学效果不佳。如何让学生对枯燥、深奥的光学知识产生浓厚的兴趣并学好它，教学内容的设置至关重要。

本文以马斯洛需求层次理论为指导，探究“工程光学”课程的教学改革。根据马斯洛需求层次理论，从学生的心理需求和专业人才培养目标(社会的人才需求)两个方面出发，激发学生的内在学习动机，提高课堂教学效果，提升学生的专业素养。

2 根据马斯洛需求层次理论进行分层次教学

“工程光学”课程作为一门理论性较强的学科，由于其自身逻辑性比较严密，教师在讲授时一般会花费大量的课堂时间阐述重要概念和推导公式，这使得学生认为该课程相关知识点概念生涩高深，相关理论过于抽象，当较多的难点积累到一定程度时，学生会对后面知识的学习形成畏惧心理，认为自己学不会该课程，最终丧失了学习“工程光学”的兴趣。由于本校电子科学与技术专业和测控技术及仪器专业是在不同的年级设置的该课程，学生具有不同的前期专业知识和不同的课程认知，所以任课教师在进行教学设计时，需要考虑到学生已具有的知识基础，区分学生的需求动机，采用区别对待的原则，对应地选择相关教学内容，调动学生的学习积极性。

测控技术与仪器专业的学生是在二年级上学期开设该课程，此时学生还未完成大学物理课程，对一些相对基本的光学知识尚未建立起相关概念。该专业学生尚未接触过光学类实验，在课堂教学中，光学知识点、光学现象对学生来说无法切实感受到，不容易直观建立起相关概念。在大学校园这一环境中，对学生来说，身体的安全需求都能满足，但是从学业的角度来看，心理的安全需求主要来自该课程的成绩高低，或者是能否通过期末考试。由于“工程光学”课程的难度较大，目前该专业大部分学生在学习中处于仅有心理安全需求的阶段。在学习过程中，关注的重点是重要概念的理解，以及关键公式的应用，尚未到达和其他只是融会贯通的境界。究其原因，无非是因为学生们不知道学习“工程光学”中的相关内容在今后的生活与工作中的用处，只把它作为大学里的一门必修课来看待。基于该专业的教学现状，授课教师需弱化知识点的难度，让学生从繁琐的公式推导中脱离出来，重点理解相关概念及知识点的应用，提高学生对该课程的对自身专业修养有益的心理认知，在掌握知识的基础上进一步提高专业应用，满足一定的高层次需求。

电子科学与技术专业是在三年级上学期开设“工程光学”课程，先修课程中已经学习过相对复杂的数理知识，比如电动力学和数学物理方法等，此时已经有相对比较完备的基础知识体系;另外，该专业的学生也已经对光学的相关知识有了一定的了解，对课程中的相关基本概念有了一定的认知。三年级学生经过了一到两年的大学学习后，已经比较熟悉大学课堂教学的特点，学习动机更加明确。现行课堂教学缺乏创造性和延续性，所授内容仅限于课本知识，并没有和该专业后继课程相联系。由于当前教学学时的限制，授课教师无法将当前科技发展融入到课堂教学中，这就造成了学生仅限于学习基础知识，通过考试，而个人的成就需求和未来的社会需求等高层次需求并没有得到满足。在这种情况下，高层次心理需求被低层次心理需求取代，而这种低层次需求对于学生来说基本不用通过努力就可以满足，这就使学生慢慢失去了学习兴趣。教师可在教学内容上进行改革，对于学生熟悉的教学内容，比如，波的叠加和光的干涉部分，电子科学与技术专业的学生已在大学物理部分重点学习过，所以已掌握的知识可简要带过，利用节省出来的时间组织两次专题讲座，把所授知识点与当前科技发展动态联系起来，例如将光的干涉和光纤火灾、瓦斯报警系统相结合，满足该专业学生的成就需求等高层次需求。

所以，针对两个不同的专业，在授课内容的设置上，需要结合学生的先修课程基础，进行分层次教学。教师应该在进行课堂教学时，需要结合二年级和三年级学生的学习特点，在课堂教学实施过程中运用分层次教学，既满足测控技术及仪器专业的学生通过考试的低层次心理需求，又满足电子科学与技术学生的成就需求等高层次心理需求，真正激发学生的内在学习动机，提高教学效果。

3 根据马斯洛需求层次理论进行教学内容改革

教学目标是在教学过程中教师和学生预期达到的学习效果，它具有预期性和激励功能。激发动机功能能否实现，取决于该课程的应用价值能否被学生认同。只有课程教学目标和学生的内部需要相一致，才能够充分地激发学生的学习动机，提起学生的学习兴趣，将该动机转化为学生积极参与课堂教学活动的动力。学生个人的高、低层次需求已成为激发学生参与“工程光学”学习的主要动机，因此该课程教学内容的安排应该从是否满足学生的专业人才培养目标和马斯洛需求层次理论中的社会需求，从该角度激发学生的学习兴趣。

“工程光学”的专业人才培养目标是和学生的社会需求等高层次需求密切相关的。对于专业人才培养目标，电子科学与技术专业主要面向光电信息器件研发和以此为基础进行应用系统开发的高层次技术人才的培养需求，而测控技术及仪器专业主要面向培养掌握机、光、电、计算机相结合的现代测控技术、精密仪器设计制造、测量与控制方面基础知识、具有技术创新和较强实践能力的复合型高级工程技术人才。从人才培养目标来看，两个专业对“工程光学”的要求差距较大。简单来说，前者的目标是培养研究型人才，而后者的目标是培养技术型人才。具体来说，电子科学与技术专业的学习目标是掌握扎实的光学理论，为后继其他光学类专业课程的学习打下坚实的基础，对未来光电器件类的研究和开发进行知识储备。需要该专业的学生不仅能够应用相关知识，还需对相关知识的内在本质透彻理解。而测控技术及仪器专业的学习目标是运用光学知识进行测量或者是从事精密仪器的开发和应用，该课程在该专业的知识体系中和其他电学类专业具有相同的地位，学生只需要掌握相关知识的应用，而对相关理论来源无需掌握，一定程度上满足该专业学生的社会需求。

当前“工程光学”的教学内容与专业培养目标有所割裂，在课程授课内容上过多地考虑到光学学科本身的完整性和逻辑性，而缺乏服务功能，和该专业其他的专业课程设置联系不多。结合两专业人才培养目标，教师在对两个专业的授课内容设置上应把握学生的社会需求目标，授课重点有所区分。比如，“声光效应”这一知识点，电子科学与技术专业的学生需要从光学本质出发，透彻理解声光栅的产生过程，以及该光栅的周期和外加电压之间的关系，分析该声光栅对从其中传输的光的作用，最后了解声光效应在光学器件制造中的应用动态;测控技术及仪器专业的学生无需对上述要求完全满足，只需明白声光效应的应用，例如可以形成声光调制器，将连续光调制为脉冲光应用于光通信系统或光纤传感系统。从上述例子可以看出，两专业对“工程光学”课程中知识点的社会需求这一高层系需求相差甚远。

所以，“工程光学”课堂教学内容的设置应主动贴近学生的专业，充分参考专业人才培养目标，在诸多知识点的讲授中区分侧重基础和应用，将授课内容和其他专业知识融合，尽力解决“学为所用”这一问题，使学生对该课程的学习更好地适应社会的需求，和该专业学生的需求(深造/就业)紧密结合。

4 结束语

本文从教育心理学角度，探讨了马斯洛需要层次理论对“工程光学”教学的启示。马斯洛需要层次理论对工程光学教学有积极、重要的指导意义。以马斯洛需求层次理论为指导，根据不同专业学生的学习基础和学习需求，将课程内容设置紧贴人才培养计划，将最相关的科学技术成果及其应用引入到授课内容中，改变目前相对孤立的课程内容设置。提高学生的学习兴趣，达到教师易教、学生易学的效果，增强学生光学知识的运用能力，实现学生的全面健康发展。

注释

① 陈兴淋.组织行为学[M].北京：北方交通大学出版社，2006.

② 朱志强.马斯洛的需求层次理论评述[J].武汉大学学报(社会科学版)，1989(2)：124-126.

③ 刘喆.马斯洛的需求层次理论在高效实践教学上的应用[J].经济研究导刊，2013(6)：310-312.

④ 李阳.马斯洛人本主义理论视野下的高校教学管理创新研究[J].湖南第一师范学院学报，2010(2)：58-61.

作者：郝蕴琦　翟凤潇　杨坤　杨艳丽　张腊梅

第二篇：地方本科高校工程光学课程工程体验式教学初探

摘 要：基于目前地方本科高校工程光学课程教学内容、模式、条件普遍难以满足应用型人才培养及新工科改革的需求的现象，文章针对工程光学课程教学探讨了工程体验式教学方式，以提高学生工程实践能力为核心重構教学内容。要将线上和线下、课内和课外相结合，以问题、任务或项目驱动教学;通过创建贴近工程实践的教学平台、“双师型”教学队伍、自主学习型网络教学平台及资源，为工程体验式教学提供条件;要以学生为中心，促使学生主动建构知识并提升工程综合能力。

关键词：地方本科高校;工程光学课程教学;工程体验式教学

一、引言

工程光学是光电、仪器、测控等类别专业的基础课。[1]课程通过学习光学基本知识、理论、方法及典型光学系统和技术应用，为解决专业领域复杂工程问题打下良好的光学工程理论基础。在高校应用型转型发展和新工科建设背景下，地方本科高校工程光学课程教学不仅要求传授光学基本理论知识，更需结合工程实际应用培养学生光学方面的工程综合实践能力。工程体验式教学将课程教学与工程实践紧密融合，让学生在贴近工程实际的教学场景中通过完成任务或项目主动建构知识，培养工程综合能力。[2]因此，在工程光学课程教学中探索工程体验式教学方式，是地方本科高校应用型转型和新工科改革中课程教学研究的有益尝试。

二、地方本科高校工程光学课程教学问题分析

在高等数学和大学物理知识基础上，工程光学主要学习几何光学和波动光学的基础理论，为其他专业课程打下光学基础。该课程理论性、工程性、实践性强，知识点多而零散，包含诸多抽象的概念和枯燥的公式。[3]对照地方高校应用型转型和新工科改革的要求，该课程的传统教学大多凸显以下不足：

一是教学内容设计不利于提升学生的知识应用能力，也难以有针对性地与地方相关产业发展相契合。目前地方本科高校工程光学课程内容大多是基于学科逻辑的知识体系设计，仍按照学术型人才培养的思路制订教学大纲，过于强调学科逻辑的系统性和完整性，而工程应用难以达到应用型转型和新工科改革的要求。地方高校学生数理基础普遍偏弱，这样的教学内容难以激发其学习兴趣。另外，这种过于追求全面和深入的内容设计淡化了课程知识与地方产业工程实践的联系，不利于培养区域相关行业需要的人才。

二是教学模式和方法难以体现以学生为中心、以能力培养为主的思路。地方高校工程光学课程的理论课教学大多借鉴以往学术人才培养的传统模式，往往专注于光学理论的枯燥推演而对知识在工程实践中的应用延展不足。[4]学生较少有机会参与课堂交流和讨论，导致其学习兴趣丧失，学习能力难以提升。在实践教学环节，由于光学器件系统的设计和加工十分繁杂，教学与工程实际普遍脱钩严重，导致教学内容局限于基础验证性的项目，难以使光学理论延伸到贴近工程的领域，不利于从知识传授为主向工程能力培养为要的转变。

三是教学的条件难以支撑应用型光电工程技术人才的培养。地方高校办学基础相对薄弱，其课程教学的软硬件条件较为缺乏。相对电子等类别的课程，工程光学实践所需的光学仪器设备及耗材往往昂贵且对环境要求较高。很多高校仅能依靠大学物理课程的光学实验设备做一些原理性实验，[5]无力更进一步培养学生的光学工程实践能力。另外，课程教师大多为学术型师资，缺乏一线工程经验，在指导工程实践时显得力不从心。

工程体验式教学是解决以上问题的可选方式，它以提高学生工程能力为核心目标重构课程教学内容，以贴近工程实际的任务或项目为驱动促使学生主动建构知识并提升工程能力和素质，通过创建贴近工程实际的实践教学平台、建设双师型师资队伍来营造工程实践氛围，为工程体验式教学提供软硬件保障。

三、工程光学工程体验式教学实施步骤

（一） 以提高学生工程能力为核心重构课程教学内容

根据地区相关产业发展需要的光学知识及工程素质能力确定课程教学目标。围绕目标，结合本校学生基础及后续专业课程教学需求，在课程原有光学知识体系基础上有针对性地重构教学内容，提炼知识模块，形成教学大纲。一要让教学回归工程，即注重各知识模块的实际工程应用。尽量将课程知识融入工程案例，形成贴近工程实际应用的问题、任务或项目。二要打破以往基于学科的知识结构，转而以产业所需的光学知识及能力要求为主线设计教学内容。将产业发展需要的内容作为教学重点，安排足够课时保证教学效果。对于在大学物理课程中已学的知识模块（如干涉、衍射理论）仅安排较少课时回顾总结。对于与后续专业课有重复的内容可安排在后续课程中学习，如光度学和色度学知识可安排至光学检测技术课程，像差理论可安排至光学设计课程等。根据产业相关工程技术发展趋势，适当增加前沿光学研究成果、最新光学工程应用进展等内容。

（二）探索工程体验式教学模式

工程体验式教学的理论依据是建构主义学习观，突出以学生为中心，通过“情景、协作、会话、意义建构”四个要素促使学生主动建构光学知识，获得工程能力。[6]教师首先要创设贴近工程的情景，包括创建光学类工程实践教学平台及资源，给学生布置贴近实际应用的光学问题、工程任务或项目。学生自主调研资料，通过与同学、教师的协商讨论，确立方案并完成任务，最终建构知识并内化为工程能力和素质。需围绕光学知识的应用来设计问题或任务，可为光学器件、系统参数理论设计，也可为实物设计和制作。如在学习光栅衍射时，可根据光栅分光的性能要求布置学生设计光栅的结构参数，也可指导学生调研资料设计和制作分光测色仪。教学中师生、生生间的“协作、讨论”可通过线上和线下，课内和课外相结合的教学模式。课前教师通过网上教学平台提供教学视频、课件、案例等教学资源并布置任务，学生课外线上自学，调研资料并思考方案。线下理论课堂师生一起总结知识点，讨论知识的实际工程应用并交流解决方案。实验教学多采用贴近工程实际的综合性、设计性项目，培养学生工程实践能力和工程素养。例如，可引导学生利用实验室条件自主设计方案测光波波长、介质折射率、饮料糖度等。课程设计或实训环节宜布置难易度适中的典型工程实践案例任务，引导学生调研资料，设计方案，利用贴近工程的实践教学平台完成实践项目，从而掌握相关工艺，熟悉工程流程，提高工程设计能力。例如，可引导学生设计和制作望远镜，检测光学元件面型精度、像差、传函等。课外创新教学只针对部分学有余力的学生，让学生参与教师科研，以大学生创新项目、学科竞赛等为载体，采用项目驱动式教学，以导师制实施，旨在进一步提升学生工程综合能力。

（三）创设工程体验式教学条件

工程体验式教学必须创设工程“情景”以保障教学的实施，包括创建工程实践教学平台、教学师资队伍、网络教学平台及课程教学资源。宜与地区光电类生产研发企业、教仪研发企业等合作，建设贴近工程实践的教学平台或校外真实工程实践平台，将工程技能、素质内化于教学。例如，可建立工位式光学器件组装与检验实践平台，全面系统地模拟光学元件检测、光学系统像差检测、光学镜头组装等的“原理—设计—装配—测试”一整套工艺流程。通过培训和聘用相结合的方式建设“双师型”课程教学师资队伍。通过校企合作，选派教师参与企业工作或各种形式的光学类工程技术培训来积累实践经验，也可聘请企业工程师参与实践教学。建设宜于线上线下混合式教学的自主学习型工程光学网络教学平台，方便师生、生生交流讨论和资源展示。利用多媒体课件、慕课视频、工程实践视频图片、工程过程动画、工程案例等资源辅助教学。精选Zemax、Lighttools等光学设计软件的学习资料上传网上平台，便于教师引导学生课后自学。

四、结语

在工程光学课程教学中尝试工程体验式教学，顺应了地方本科高校应用型人才培养和新工科课程教学改革的需求。当前地方高校的工程光学课程教学内容不利于提升学生工程能力，教学模式难以体现以学生为中心，教学条件难以支撑应用型工程人才培养的需求。工程体验式教学需要以提高学生工程实践能力为核心重构教学内容，还要以学生为中心，线上线下、课内课外相结合，以问题、任务或项目驱动教学，促使学生自主建构知识，获得工程能力，同时通过创建贴近工程实践的教学平台、“双师型”教学队伍、自主学习型网络教学平台和教学资源，为工程体验式教学提供条件。

参考文献：

[1]蔡怀宇，郁道银，李 清.“工程光学”国家精品课程的建设与改革[J].高等理科教育，2006（2）：38-40.

[2]邢以群，鲁柏祥，施 杰，等.以学生为主体的体验式教学模式探索——从知识到智慧[J].高等工程教育研究，2016（5）：122-128.

[3]陈 颖，王春芳，童 凯.工程光学多元化教学模式研究[J].教学研究，2014，37（2）：89-92.

[4]李 麗，刘晓波.工程光学教学改革探索[J].实验技术与管理，2009，26（8）：129-131.

[5]邓荣标.工程光学实验项目的优化研究[J].实验技术与管理，2015，32（4）：220-222.

[6]余胜泉，杨晓娟，何克抗.基于建构主义的教学设计模式[J].电化教育研究，2000（12）：7-13.

作者：周远 陈英 刘安玲 汪之又

第三篇：突破光学衍射极限：实现远场纳米级分辨的光学显微镜

由于光学衍射极限，远场光学显微镜的分辨率仅能达到光波长的一半左右。在可见光波段，这一极限大约为200纳米。而对于生命科学研究，往往需要数十纳米甚至更高的分辨率，以获取组织或活细胞内部精细结构的信息。2014年度的诺贝尔化学奖获得者解决了这一世纪难题。

2014年度的诺贝尔化学奖授予在超分辨光学显微镜领域做出开创性贡献的三位科学家：贝齐格(E.Betzig)、黑尔(S.W.Hell)和莫纳(W.E.Moerner)。对于很多同行而言，这件事既在意料之中，却也颇显意外。

西方人有一句谚语：“Seeing is believing(眼见为实)。”因此，成像与观测领域的重大突破一直为诺贝尔奖所青睐。300余年前，当荷兰科学家列文虎克(A.van Leeuwenhoek)利用自己搭建的显微镜观察水珠时，他意外地发现了悬浮在水滴中的细小浮游微生物，从此向世人打开了进入微观世界的大门。从几何光学角度看，通过合理设计光学成像系统，光学显微镜具备实现任意放大倍率的能力。然而，人们身处的世界在本质上是量子世界，最终一切物质都必须用“波”的概念来描述，对光自然也不例外。因此，当人们利用光波来进行显微观测时，量子力学中的不确定性原理为光学显微镜的分辨率设置了一道屏障，即光学衍射极限。

自从1873年德国科学家阿贝(E.Abbe)首次提出光学衍射极限的概念开始，直到20世纪末，人们一直认为光学显微镜所能够看清的物体的最小尺寸大约为光波长的一半左右(对于可见光而言，这一极限尺寸大约在200纳米)。这意味着科学家们可以辨别完整细胞，以及其中一些被称为细胞器的组成部分。然而，他们却无法分辨一个正常大小的病毒或者单个蛋白质。在这样的背景下，即便对于很多一流的光学科学家，他们也已形成了一个思维定势，认为突破光学衍射极限在理论上是一件不可能的事情。正是得益于今年的诺贝尔化学奖获奖者提出的开创性成像新概念，这一状况才得以被奇迹般地终结。

值得注意的是，阿贝的光学衍射极限概念是基于光波自身的波动本性所得到的，而当代很多的先进光学显微技术往往借助于光与物质相互作用中产生的各种奇特效应来实现，这为突破光学衍射极限打开了缺口。迄今为止，成功实现超分辨的途径可以分成两类。一类是对激发光进行整形，再结合材料对光的非线性响应来减小光斑，例如受激发射损耗方法(stimulated-emission-depletion，STED)和结构光照明显微镜(structured illumination microscopy，SIM);另一类就是借助单分子成像技术，光激活定位显微镜(photoactivated localization microscopy，PALM)和随机光学重建显微技术(stochastic optical reconstruction microscopy，STORM)是其中的代表。

受激发射损耗

黑尔自1990年在海德堡大学获博士学位后，就一直在寻找突破衍射极限难题的方法。1994年，黑尔发表了一篇论文阐述了利用受激发射来操控荧光分子的想法。在他设想的技术方案中，显微镜(也称STED显微镜)利用荧光分子作为成像对象的标记物。荧光分子的特性是可以被一束波长较短(即光子能量较高)的光束激发，然后发射出波长较长的荧光。正如人们感觉黑夜中穿着荧光衣的人特别显眼，荧光标记使得感兴趣的观测对象在复杂的生物结构中脱颖而出。

黑尔的方法是通过扫描一束激光聚焦焦斑来对样品进行逐点成像，成像的分辨率取决于焦斑内所能够激发的荧光分子占据的体积。因此，为了缩小荧光激发体积，他采用了两束组合激光，即一束光被聚焦成正常的衍射极限焦斑，将焦斑内的荧光分子抽运到激发态;而第二束光则选取在荧光分子的发射波长范围，并被聚焦成一个中心与第一束光的焦斑中心完全重合但却是中空的环状焦斑。第二束光可以将被第一束激发光抽运到激发态上去的荧光分子从激发态淬灭到基态，因此也被称作淬灭光束。由于淬灭光束的光强分布仅在几何焦点处为零，因此从原理上讲，只要淬灭光足够强，由第一束光激发的荧光分子所占据的体积几乎可以被无限制地压缩到几何焦点附近极小范围内。目前，利用该方法可将光学显微成像的分辨率推进到数十纳米的尺度，远远突破了光学衍射极限的限制。相比传统的共聚焦显微成像，STED成像技术提供了高得多的光学分辨率，将神经元的细节清晰地显示出来。

相对于其他光学超分辨成像技术，STED技术最大优点是可以较快速地观察活细胞内实时变化过程，这对于生命科学中很多实际问题的研究十分关键。2008年，黑尔等人在美国《科学》上发表文章，报道了以视频速度(28帧/秒)来采集记录神经细胞内突触小泡的高分辨率图像(62纳米)。2012年，他们又利用STED显微成像法记录了活体老鼠脑细胞内神经细胞间的突触运动，该项工作有助于理解突触的运动机制，并可能促进针对突触内的精神治疗药物研究获得突破。

黑尔是首位不仅从理论上，而且用实验证明了使用光学显微镜能达到纳米级分辨率的科学家。但黑尔早期的文章在当时并没有引起足够的轰动，即使是非常著名的显微领域科学家仍然对此抱怀疑态度。如德国科学家施特尔策(E.H.K.Stelzer)于2002年在英国《自然》上发表文章，对黑尔发明的STED技术是否从本质上突破了衍射极限表示怀疑。并用坚定的口气写道：“眼下有一件事仍然是对的：海森伯(的不确定性原理)是正确的，阿贝极限肯定不会突破。”从这一点上也可以看出，由于100多年光学衍射极限理论的统治地位，人们在思想上已经形成了很深的思维定式。

单分子技术与光激活定位显微镜

莫纳在1989年任职于美国IBM研究中心时，首次在凝聚态相中实现了单个分子的光吸收测量，这项工作吸引了大量化学家将注意力转向单分子研究。两年之后，他与另外一个博士后安布罗斯(W.P.Ambrose)利用荧光实现了单分子成像。1997年，他与因绿色荧光蛋白的发现而获2008年诺贝尔化学奖的钱永健合作，发现了绿色荧光蛋白的光转化效应。这一发现使得控制荧光探针的发光成为可能。以光激活荧光蛋白分子为例，当受到波长488纳米的光激发时，该荧光蛋白开始发出波长更长的绿色荧光，直至被淬灭(淬灭的荧光分子将不再有发射荧光的能力)。如果此时利用一束405纳米的激光照射该荧光蛋白分子，可以将该分子再次激活。激活之后的荧光蛋白如果被488纳米的激光照射，又能恢复发射荧光能力。简言之，利用488纳米和405纳米两种波长的激光，可以交替实现这些荧光蛋白分子的“开”和“关”状态。

这一发现对贝齐格至关重要。贝齐格注意到光学衍射原理虽然不允许人们同时分辨间距小于大约激发光波长的两个荧光分子，但一旦两个分子的间隔增大，从光学上讲，它们都分别可以无限高的空间精度被定位。早在1995年，贝齐格就发表文章提出用不同颜色荧光分子来绕开衍射极限。但由于分子合成与标记等方面的实际操作困难，无法从实验上加以验证和实现。2006年，他意识到，其实不需要不同颜色的光，只需借助莫纳的单分子技术，让荧光分子在不同的时间发光，就可以实现超分辨成像。于是当时赋闲在家的贝齐格和赫斯(H.F.Hess)利用一部在自家客厅组装的光学显微镜搭建出这样一套显微系统，称之为光激活定位显微镜(PALM)。他们使用微弱的光脉冲激发荧光分子，使其中极小部分的荧光分子能够发出荧光。因为这些荧光分子很稀疏，相距较远，所以它们的位置能够被精确定位。等到这些分子光致褪色后，再继续用微弱的光脉冲激活另外一小部分荧光分子，让它们发出荧光。通过分别记录多幅图像，使不同图像中的荧光分子所成点像不再相互干扰，从而能够对每个荧光分子逐个进行定位。在全部荧光标记分子的定位完成后，一幅超越衍射极限的图像即已形成。随后他们和美国国立卫生研究院及佛罗里达州立大学的科学家合作，利用该新技术对生物样品进行成像，在每平方微米塞满高达十万个分子的细胞样品中，成功分辨出相距仅2～25纳米的分子，在细胞片足(lamellipodium)内的肌动蛋白(actin)、黏着斑蛋白(vinculin)、细胞膜上的反转录病毒(retroviral)蛋白Gag等方面取得高清晰成像。

2008年，贝齐格等人将PALM显微技术应用于活细胞成像来记录细胞黏附蛋白的动力学过程。2010年，赫斯小组将PALM技术与光的干涉原理结合起来，发展成干涉测量光激活定位显微技术(iPALM)，将三维的分辨率提高到20纳米以内，在纳米尺度上观测到了黏着斑(focal adhesion)的蛋白组织方式，为分析蛋白功能提供了新的信息。

随机光学重建显微技术

作为第一位获美国麦克阿瑟基金会“天才奖”的华人女科学家，庄小威在生物物理显微成像领域做出了许多重要的成果。几乎与贝齐格提出PALM概念同时，庄小威也提出了原理相似的随机光学重建显微技术(STORM)。STORM与PALM不仅是同年提出，原理也极其相似，都是通过反复激活一猝灭荧光分子，使显微镜每次只记录相距远的几个荧光分子，从而对它们进行精确定位，通过光一化学手段，以时间换空间方式获取了超分辨。与PALM不同的是，庄小威使用的是有机荧光分子对，而非光激活蛋白。他们发现，不同的波长可以控制化学荧光分子Cy5在荧光激发态和暗态之间切换，例如红色的633纳米激光可以激活Cy5发射荧光，同时长时间照射可以将Cy5分子转换成暗态不发光。之后，用绿色的532纳米激光照射Cy5分子时，可以将其从暗态转换成荧光态，而此过程的长短依赖于第二个荧光分子Cy3与Cy5之间的距离。因此，当Cy3和Cy5交联成分子对时，具备了特定的激发光转换荧光分子发射波长的特性。

2007年，庄小威研究团队进一步发展了多色随机光学重建显微方法，并以20～30纳米级别的分辨率演示了DNA模式样品和哺乳动物细胞的多色成像，研究结果公布在《科学》周刊上。2008年，他们在《科学》周刊上展示了用3D STORM成像技术拍摄的肾细胞内微管结构图和其他的分子结构图。2011年，庄小威与另一位华人科学家谢晓亮，利用超分辨率荧光显微镜对活体大肠杆菌细胞内的拟核相关蛋白(NAPs)进行了跟踪观察，并由此揭示了细菌遗传物质组织机制。2012年，庄小威小组对STORM进行了改进，通过双物镜STORM，在生物成像中获得了小于10纳米的横向分辨率，以及小于20纳米的纵向分辨率。采用这种方法，他们对细胞中的微丝进行了成像，揭示了这种重要细胞骨架的超微结构(微丝是由肌动蛋白组成的直径约为8纳米的纤维结构)。2013年，他们又利用STORM的技术优势，分析了神经细胞中肌动蛋白、血影蛋白(spectrin)等相关蛋白的组织结构，提出了关于细胞骨架结构的新假说。

庄小威研究组利用STORM等技术获得了不少关键分子的结构，为超分辨的发展和推广应用做出了巨大贡献。这次她未获诺贝尔奖，其中的是非曲直，科学界人士各有说法。

结构光照明显微镜

2000年，加利福尼亚大学的物理学家古斯塔夫森(M.Gustafsson)领导的研究团队开发出了结构光照明显微镜(SIM)，并得到了海拉细胞中肌动蛋白细胞骨架的图像，相比传统显微镜的图像来说，在横向上的分辨率提高了2倍。结构光照明显微镜利用调制光源照明样品。将原本不可分辨的高分辨率信息编码入荧光图像中，结合计算解码获取高分辨率信息，其过程可以通过光学莫尔条纹来理解。莫尔条纹是指由两种具有精细结构的图形叠加之后出现的比较粗的干涉条纹。在结构光照明成像中，具有精细结构的样品和调制照明光场都有很高的空间频率，难以直接分辨，但是其叠加产生的粗条纹(莫尔条纹)却具有很低的空间频率，可以直接被分辨。由于调制光场是已知的，通过测量莫尔条纹就可以反推出样品的精细结构。SIM技术同样也生成了许多美丽的高清晰细胞图像。

2005年，古斯塔夫森又利用荧光分子的饱和吸收特性，发展出饱和结构光照明显微技术(SSIM)，将整体分辨率提高了4倍。

结构光学显微镜在宽场成像的基础上提供了一种简单、具有快速获取图像能力的超分辨成像技术，为生物组织纳米结构的活体研究开辟了一条新的途径。遗憾的是，古斯塔夫森于2011年因癌症去世，享年51岁，无缘此次的诺贝尔奖。

展望

由于上述光学先驱的贡献解决了光学显微成像领域中长达一个半世纪之久的难题，并在很短的时间内形成了一个全新的研究领域，其科学意义显而易见。早在十年前，不少同行学者已认为光学超分辨成像领域的几位先驱将有望获诺贝尔奖。事实上，当时人们甚至比现在更为乐观，认为这些技术能很快达到小分子级的成像精度，从而给生命科学研究领域带来根本性变革。然而，随后的研究发现，虽然理论上具备了潜力，但在技术上彻底实现这一目标仍存在诸多挑战。因此，超分辨光学成像领域的后续发展空间仍十分巨大，孕育着新理论、新技术，并有着在生命科学、纳米科学等相关领域获得进一步广泛应用的诸多机会。诺贝尔奖评奖委员会在实现这些美好愿景尚有一段距离的时候，将2014年度的化学奖颁给该领域的科学家，略显意外。简言之，即使该领域在短期内很难被再次授予诺贝尔奖，仍有望产生诺贝尔奖级的研究成果。

长期以来，诺贝尔奖评奖的大致标准还是比较明确的。首先是关注研究成果的原创性，一般都是奖励给一个研究领域中最早的概念提出者或是核心现象的发现者。那些针对后续问题开展跟踪性研究的同行。即使也曾做出卓越的贡献，但往往丧失了获奖机会。其次是关注这些原创成果在人类文明进程中产生的影响力。影响力的产生主要来自于两方面：或者是通过重要科学发现来加深人们对宇宙或自然规律的理解，或者是通过重大技术发明推动人类物质文明的进步。相比于在那些已获认可的热门领域开展跟踪性研究。从事原创性研究面临着更高的风险，并且即使能够成功，短期内其价值也未必能迅速获得认可并产生充分影响。扭转这一状况，促进开展那些可能产生显著影响力的原创研究，可能需要更加包容的氛围。以促进思想和理念的多样化;需要更加宽松的环境，以降低功利的影响并鼓励独立的科学判断;还需要撇弃浮躁的心态，容许科学家长久地专注于那些有挑战性的科学难题。

作者：倪洁蕾　程亚