面向國防教育的量子科學儀器課程的教學設計

李陽

摘 要 量子科學儀器課程，是前沿量子科學研究領域的入門課程，在線教育的方式近年來迅速興起并日漸成熟，可以較好的作為本課程的輔助教學組成部分，用在線教學資源多、不受空間時間限制的優(yōu)點來彌補傳統(tǒng)課堂教學理論教學的不足，可以有效的激發(fā)學生的學生興趣，也能讓學生更好的掌握所學知識。針對量子科學儀器課程，從教學內容與教學方法方面進行了詳細的教學內容設計，使量子科學課程的學習更加合理。同時，也課程設計中加入了國防教育這一課程思政內容，可以有效的提高學生的愛國熱情，使其能在以后的工作中不盲從社會潮流，潛心工作，為國家發(fā)展與民族復興貢獻力量。

關鍵詞 量子科學儀器 國防教育 教學設計

中圖分類號：G424 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2020.09.063

Abstract Quantum scientific instrument course is an introductory course in the field of Frontier quantum science research. In recent years， the way of online education has risen rapidly and matured gradually. It can be better used as an auxiliary teaching component of this course. It can make up for the deficiency of traditional classroom teaching theory teaching by using the advantages of online teaching resources and not limited by space and time， which can effectively stimulate students' interest Interest， can also let students better grasp the knowledge. For the course of quantum scientific instruments， the teaching content and teaching methods are designed in detail to make the learning of quantum science course more reasonable. At the same time， the ideological and political content of national defense education is added to the curriculum design， which can effectively improve students' patriotic enthusiasm， make them not blindly follow the social trend in the future work， concentrate on work， and contribute to national development and national rejuvenation.

Keywords quantum scientific instruments; national defense education; teaching design

量子科學儀器是量子科學研究的重要組成，主要研究量子層面的精密測量，屬于量子傳感的內容。英國的“國家量子技術計劃”、歐盟的“量子技術旗艦計劃”，以及美國的“國家量子計劃”等均將量子精密測量作為重點支持的領域之一。歷史上，中國錯過了機械革命、電氣革命的發(fā)展機會，現(xiàn)在，面對新興的量子科技，我們需抓住這一機遇。量子科學儀器研究在中國仍處于起步階段，需通過量子科學儀器課程的教學，讓更多的高校學生認識這一前沿領域，培養(yǎng)學生興趣，使他們在工作中更好地投身于量子科學儀器的研究，為中國量子科研事業(yè)做出貢獻。

由于量子科學儀器極高的測量精度，國內外研究均面向國防應用，例如用于磁異常反潛的量子磁力儀，用于精確導航定位的量子陀螺儀，用于信息加密傳輸?shù)牧孔油ㄐ旁O備，用于超快數(shù)據(jù)運算的量子計算機等。量子科學儀器課程應緊密結合國防應用背景，使學生明確課堂知識的意義所在。

突如其來的疫情使在線教學不斷豐富和完善，也為量子科學儀器課程的在線開展提供了多種方法手段。量子科學儀器的實驗通常比較昂貴，學生在學習中難以真正上手。在線教學可以充分利用全國的教師資源以及實驗室資源，讓學生通過網絡與一線科研人員交流學習，通過網絡觀看演示實驗，甚至通過網絡遠程操作實驗。

面向國防應用的量子科學儀器課程在線教學設計，將前沿專業(yè)課程與國防結合，提升學生的思想政治水平，由課堂講授轉變?yōu)樵诰€互動學習，最大限度的實現(xiàn)理論與實踐的融合。

1 教學內容

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀與國防需求

傳感器主要用于信息的測量與提取，由傳感器構成的科學儀器是人類認識世界的重要工具，傳感器的發(fā)展由最初的基于電磁感應定律的機電式傳感器，發(fā)展為基于光電轉換的光學式傳感器，再到新世紀的基于磁、光與原子相互作用的量子傳感器。隨著量子操控領域新的物理效應、新的操控原理與方法的發(fā)現(xiàn)，使得原子自旋慣性測量裝置可以實現(xiàn)超高靈敏度的慣性測量，在前沿物理重大問題、長時高性能導航、無人駕駛等多個領域具有重要意義。

（1）在基礎物理學、計量基準領域中具有重要意義。在基礎物理學領域，電荷（C）、宇稱（P）、時間反轉（T）的對稱性及其組合在物理理論的建立中起到決定性的作用，尋找CPT對稱破缺被認為物理學諾貝爾獎級命題。[1]利用在低磁場下高精度的SERF態(tài)自旋檢測技術敏感異常場而驗證CPT對稱破缺成為最新研究熱點。[2]在計量基準領域，基于原子自旋慣性測量能實現(xiàn)超高靈敏慣性測量指標，將有望成為未來慣性測量的基準，為陀螺儀提供高效準確的標校保障。超高靈敏慣性測量研究過程中的諸多關鍵技術與核心部件，都能夠成為原子自旋陀螺研制平臺的技術基礎，支撐高性能SERF原子陀螺儀研制。

（2）在長航時高精度導航等領域中具有重要意義。陀螺儀作為慣導系統(tǒng)的核心部件，其性能高低是制約系統(tǒng)長時間高精度導航的關鍵因素。原子自旋陀螺是基于量子自旋效應，融合原子物理、量子力學、光學原理等多領域的交叉學科，隨著量子光學等理論、技術的不斷突破，原子自旋陀螺的發(fā)展更是取得了一系列的成果。[3]該陀螺儀具有相對低成本、高精度的特點，有望替代現(xiàn)有的兩類機械與光學陀螺儀，實現(xiàn)導航領域的跨代發(fā)展，為運動載體的姿態(tài)控制、長時間高精度自主導航提供有力支撐。

（3）在無人系統(tǒng)高性能導航等領域中具有重要意義?，F(xiàn)有商品化陀螺儀表在日常民用領域往往難以同時滿足高精度、小體積、低成本的自主定位導航要求。近年來隨著量子信息技術與MEMS技術的迅猛發(fā)展，基于核磁共振效應的微小型陀螺儀采用核磁共振效應，并應用MEMS技術進行小型化制造，具有同時達到中精度導航系統(tǒng)中高精度、小體積、低成本的潛力。因此，瞄準新興領域無人駕駛、智能機器人、無人機等對自主定位導航的高精度、小體積、低成本的需求，研制小型高動態(tài)MEMS核磁共振陀螺儀關鍵技術，深入開展關鍵器部件及系統(tǒng)的小型芯片化技術及制造工藝及，為研制新一代可廣泛應用于無人駕駛、智能機器人、物聯(lián)網等領域的MEMS核磁共振陀螺儀奠定理論及技術基礎。[4]

1.2 量子科學儀器類別

原子鐘是利用原子的能級躍遷頻率來測量時間的儀器。[5]原子鐘是衛(wèi)星定位導航中最重要的儀器，通過光速與時間確定的距離方法，只有時間準確才能保證距離準確。正是原子鐘技術的發(fā)展與進步才能使我國的北斗系統(tǒng)并駕于美國GPS系統(tǒng)與歐洲伽利略系統(tǒng)，才保證了我們在未來軍事布局與經濟發(fā)展中不受人所制。原子鐘的起源與發(fā)展可以讓學生更加清楚的了解量子科學儀器的重要性。

量子重力儀是利用原子干涉原理，操控原子在無磁場環(huán)境中受重力影響下的響應，從而得到重力加速度信息。[6]重力儀是社會中不常用的一種量子科學儀器，但是重力儀所運用的技術涉及原子干涉的內容，原子干涉是量子科學儀器中的一個重要組成部分。重力儀應用面雖小，但是可以開拓學生的視野，使其了解從初中就開始學生的重力加速度這一重要參數(shù)是如何測量的，更為重要的是，這個物理參數(shù)是如何使用的。

磁力儀是利用原子自旋在磁場中產生的拉莫爾進動進行微弱磁場信號測量的儀器。[7]磁場是現(xiàn)實生活中所常見常用的物理量，高靈敏度的磁場測量量子科學儀器既可以應用于高大上的深地、深海、深空的探測，也可以應用于生命醫(yī)療的腦磁心磁的生物磁探測。學生通過學習磁力儀可以理解量子科學儀器與我們的生活悉悉相關，具有非常廣泛的應用。

陀螺儀是利用原子自旋的定軸性進行載物平臺的角度變化測量的儀器。[8]陀螺儀也是現(xiàn)實生活中常用的一種儀器，但其通常不為人們所知，任何的穩(wěn)定平臺一定都使用陀螺儀。而量子陀螺儀的發(fā)展使角度測量在各個領域發(fā)揮的作用越發(fā)的重要。同學們在感嘆中國洲際導彈的強大中也應該了解為什么其可以在一萬公里的射程中仍能保證非常好的精度，這與高精度的陀螺儀是分不開的。同時也應正視我國與國外的差距，理解我國核潛艇受限于更高精度的陀螺而仍需不斷發(fā)展。量子科學儀器中的陀螺是中國超越國際的重要內容。

1.3 理論基礎與關鍵技術

抗弛豫原子氣室制備技術?？钩谠A金屬氣室技術是所有量子科學儀器的核心，只有理解了原子能級，以及原子能級在外界環(huán)境的變化，才能真正的理解整個量子科學儀器中的理論基礎，因此，學生在此部分的學習中應掌握原子能級、原子自旋、原子弛豫等一系列的知識點。堿金屬氣室是在確定尺寸及形狀的玻璃泡中充入所需堿金屬原子及功能氣體。堿金屬氣室的制作，需將玻璃封裝的堿金屬單質，玻璃管路，玻璃氣室與真空管路連接，利用分子泵進行抽真空，以保證無其他雜質進入氣室。之后，將堿金屬原子充入氣室中，堿金屬原子的充入過程，利用在線監(jiān)測系統(tǒng)對堿金屬原子充入量以及充入比例進行控制。之后將所需的緩沖氣體以及淬滅氣體充入氣室，使用真空規(guī)監(jiān)測壓強，流量計精確控制氣體充入量。

磁場穩(wěn)定與控制技術。無自旋交換弛豫（SERF）原子磁強計是一種靈敏度非常高的磁強計，剩余磁場強度是影響SERF原子磁強計靈敏度的主要因素之一，對剩余磁場進行補償可以有效地提高磁強計的靈敏度，學生應當通過本課程的學習理解被動磁場屏蔽的原理與主動磁補償三軸剩磁補償方法。學生應掌握實際場景中剩磁大小無法確定時，對SERF磁強計剩磁進行自動補償，遍歷了非SERF態(tài)和SERF態(tài)。

激光精密操控與檢測技術。抽運激光器為鉀原子D1線半導體外腔（ECDL）激光器。抽運光從激光器出來后，經擴束準直，通過起偏器成為線偏振光，再經過1/4波片后成為圓偏振光，起偏器軸與1/4波片軸成45度夾角。之后，抽運光通過堿金屬氣室與堿金屬原子發(fā)生相互作用使之極化。抽運光中心與堿金屬氣室球心重合，保證堿金屬原子極化均勻。檢測激光器為銣原子D1線半導體分布式反饋激光器（DFB）激光器。檢測光從激光器出來后，通過起偏器成為線偏振光，再經過堿金屬氣室和與起偏器軸成90度角的檢偏器，起偏器與檢偏器均為格蘭泰勒棱鏡，之后進放光電探測器。法拉第調制器置于起偏器后，用來對檢測光線偏振面的偏轉角進行調制。光電探測器將光信號轉化為電信號，經過鎖相放大器就將信號讀取，最終進入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行分析。[9]在此部分的學生中應能夠掌握光路設計與光路分析方法，同時，對光的偏振與光的偏振態(tài)的變化應有深刻的理解。

信號提取與分析技術。信號的提取與分析是傳感器中最重要的內容，在儀器學科中，信號的轉換，信號的去噪，信號的分析與重構都是重點學習的內容，對于量子科學儀器，由于其測量的通常為極微弱的信號，因此更為重要。學生通過此部分的學習應能夠理解信號是如何由被測物理量信號，轉化為原子信息甚至量子信息，如何從原子信號轉化為光學信息，以及如何如光學信息轉化為電信息最終補提取出來，學生還應該掌握微弱信號提取技術，以及信號的分析與噪聲抑制技術。

2 教學方法

本課程所使用的教學方法為線上教學與線下教學結合，理論講授與實驗操作相結合的教學方法。

線上與線下相結合，可以有效的利用豐富的網絡資源，避免了傳統(tǒng)的教學方式信息量不足的缺點，使授課教師的可以用較少的時間可以獲得較大量的教學資源，可以將更多的精力用在如何給學生傳輸知識上。線上教學相比于課堂教學有一定的好處，資源豐富且學生參與度有提高，但其也有很大的不足，也就是互動起來并不方便而且也不即時，同時線上教學在很大程序上受硬件網絡的影響，會導致授課的不連續(xù)，所以在疫情過去后，可以繼續(xù)利用線上資源，將線上資源作為這課前預習，課上則由學生分組討論，老師引導的方式，充分發(fā)揮線上教學與線下教學各自的優(yōu)勢。

理論與實驗相結合，在目前的本科課程的教學中，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的課程一般均采用理論教學的的授課方式，這對于傳統(tǒng)的基礎的課程來說是沒有問題的。但是對于量子科學儀器這門最前沿的課程來說則是遠遠不夠的，因為學生無法切身的感受所學知識的具象化，如果學生只能停留在原子理論、量子理論的層面，則會很快的失去對這門課的興趣。因此這門課程非常有必要加入實驗演示與實驗操作的內容，讓學生學有所用，學有所感，學有所悟。在本門課程的教學過程中則要求授課教師有一定的實驗科學素養(yǎng)。

3 基于量子科學儀器課程的具體實施方法

首先分析量子科學儀器課程學習者的前期知識儲備，包括原子物理學、光學、儀器儀表課程，分析學習者的需求與興趣點，有側重點地準備課程內容。了解可用的網絡資源，為在線教學建設內容，廣泛調研每一個知識點的國防應用背景，為課程思政部分內容。

其次，將整個量子科學儀器課程依據(jù)不同種類儀器設計為幾個部分，分別確認每一部分的學習目標。針對每個部分，設計國防背景介紹、理論課程、在線實驗課程的比例。

再次，將量子科學儀器課程設計的內容進行內容創(chuàng)建，在此過程中，需大量調研量子科學儀器的國防應用實例，正確推導課程中知識點，并邏輯合理，細致建設在線實驗教學資源，包括演示實驗視頻、協(xié)調在線交流的實驗操作場地人員等。

然后，對量子科學儀器課程進行教學實施，在授課過程中找出課程中的不足，提出相應的改進方法。在線教學部分，要求在線教學平臺穩(wěn)定、網絡流暢、在線實驗交互學習連接及時，網絡備選方案可靠。

最后，依據(jù)學習者的反饋進行本課程的評估。

4 結論

本文對量子科學儀器這門前沿科學課程進行詳細的教學設計，目的在于使學生了解量子科學領域知識，培養(yǎng)學生量子科學儀器的學習興趣。在教學內容方面，從量子科學儀器背景與發(fā)展，量子科學儀器分類與內容以及量子科學儀器理論基礎與關鍵技術進行了教學設計。在教學方法方面，結合線上教學與線下教學，同時結合理論課堂與實驗操作進行了教學設計。在具體實施方法方法，考慮了多種教學配套措施，從而保障量子科學儀器課程可以有效的開展與實施。在整個課程的教學設計中，始終將國防教育這一課程思政內容加入其中，培養(yǎng)學生的愛國情懷，讓學生可以正確認識中國與國際的差距，正確認識國家的緊迫需求，正確認識學生個人的定位，為中國人民的崛起與中華民族的復興而努力學習與工作。

參考文獻

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