國(guó)防教育的量子科學(xué)儀器課程教學(xué)設(shè)計(jì)

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摘要:量子科學(xué)儀器課程，是前沿量子科學(xué)研究領(lǐng)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(xué)組成部分，用在線教學(xué)資源多、不受空間時(shí)間限制的優(yōu)點(diǎn)來彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)理論教學(xué)的不足，可以有效的激發(fā)學(xué)生的學(xué)生興趣，也能讓學(xué)生更好的掌握所學(xué)知識(shí)。針對(duì)量子科學(xué)儀器課程，從教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法方面進(jìn)行了詳細(xì)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，使量子科學(xué)課程的學(xué)習(xí)更加合理。同時(shí)，也課程設(shè)計(jì)中加入了國(guó)防教育這一課程思政內(nèi)容，可以有效的提高學(xué)生的愛國(guó)熱情，使其能在以后的工作中不盲從社會(huì)潮流，潛心工作，為國(guó)家發(fā)展與民族復(fù)興貢獻(xiàn)力量。

關(guān)鍵詞:量子科學(xué)儀器;國(guó)防教育;教學(xué)設(shè)計(jì)

量子科學(xué)儀器是量子科學(xué)研究的重要組成，主要研究量子層面的精密測(cè)量，屬于量子傳感的內(nèi)容。英國(guó)的“國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃”、歐盟的“量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”，以及美國(guó)的“國(guó)家量子計(jì)劃”等均將量子精密測(cè)量作為重點(diǎn)支持的領(lǐng)域之一。歷史上，中國(guó)錯(cuò)過了機(jī)械革命、電氣革命的發(fā)展機(jī)會(huì)，現(xiàn)在，面對(duì)新興的量子科技，我們需抓住這一機(jī)遇。量子科學(xué)儀器研究在中國(guó)仍處于起步階段，需通過量子科學(xué)儀器課程的教學(xué)，讓更多的高校學(xué)生認(rèn)識(shí)這一前沿領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生興趣，使他們?cè)诠ぷ髦懈玫赝渡碛诹孔涌茖W(xué)儀器的研究，為中國(guó)量子科研事業(yè)做出貢獻(xiàn)。由于量子科學(xué)儀器極高的測(cè)量精度，國(guó)內(nèi)外研究均面向國(guó)防應(yīng)用，例如用于磁異常反潛的量子磁力儀，用于精確導(dǎo)航定位的量子陀螺儀，用于信息加密傳輸?shù)牧孔油ㄐ旁O(shè)備，用于超快數(shù)據(jù)運(yùn)算的量子計(jì)算機(jī)等。量子科學(xué)儀器課程應(yīng)緊密結(jié)合國(guó)防應(yīng)用背景，使學(xué)生明確課堂知識(shí)的意義所在。突如其來的疫情使在線教學(xué)不斷豐富和完善，也為量子科學(xué)儀器課程的在線開展提供了多種方法手段。量子科學(xué)儀器的實(shí)驗(yàn)通常比較昂貴，學(xué)生在學(xué)習(xí)中難以真正上手。在線教學(xué)可以充分利用全國(guó)的教師資源以及實(shí)驗(yàn)室資源，讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)與一線科研人員交流學(xué)習(xí)，通過網(wǎng)絡(luò)觀看演示實(shí)驗(yàn)，甚至通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)。面向國(guó)防應(yīng)用的量子科學(xué)儀器課程在線教學(xué)設(shè)計(jì)，將前沿專業(yè)課程與國(guó)防結(jié)合，提升學(xué)生的思想政治水平，由課堂講授轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€互動(dòng)學(xué)習(xí)，最大限度的實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的融合。

1教學(xué)內(nèi)容

1.1發(fā)展現(xiàn)狀與國(guó)防需求

傳感器主要用于信息的測(cè)量與提取，由傳感器構(gòu)成的科學(xué)儀器是人類認(rèn)識(shí)世界的重要工具，傳感器的發(fā)展由最初的基于電磁感應(yīng)定律的機(jī)電式傳感器，發(fā)展為基于光電轉(zhuǎn)換的光學(xué)式傳感器，再到新世紀(jì)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(lǐng)域新的物理效應(yīng)、新的操控原理與方法的發(fā)現(xiàn)，使得原子自旋慣性測(cè)量裝置可以實(shí)現(xiàn)超高靈敏度的慣性測(cè)量，在前沿物理重大問題、長(zhǎng)時(shí)高性能導(dǎo)航、無人駕駛等多個(gè)領(lǐng)域具有重要意義。（1）在基礎(chǔ)物理學(xué)、計(jì)量基準(zhǔn)領(lǐng)域中具有重要意義。在基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域，電荷(C)、宇稱(P)、時(shí)間反轉(zhuǎn)(T)的對(duì)稱性及其組合在物理理論的建立中起到?jīng)Q定性的作用，尋找CPT對(duì)稱破缺被認(rèn)為物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)命題。[1]利用在低磁場(chǎng)下高精度的SERF態(tài)自旋檢測(cè)技術(shù)敏感異常場(chǎng)而驗(yàn)證CPT對(duì)稱破缺成為最新研究熱點(diǎn)。[2]在計(jì)量基準(zhǔn)領(lǐng)域，基于原子自旋慣性測(cè)量能實(shí)現(xiàn)超高靈敏慣性測(cè)量指標(biāo)，將有望成為未來慣性測(cè)量的基準(zhǔn)，為陀螺儀提供高效準(zhǔn)確的標(biāo)校保障。超高靈敏慣性測(cè)量研究過程中的諸多關(guān)鍵技術(shù)與核心部件，都能夠成為原子自旋陀螺研制平臺(tái)的技術(shù)基礎(chǔ)，支撐高性能SERF原子陀螺儀研制。（2）在長(zhǎng)航時(shí)高精度導(dǎo)航等領(lǐng)域中具有重要意義。陀螺儀作為慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心部件，其性能高低是制約系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間高精度導(dǎo)航的關(guān)鍵因素。原子自旋陀螺是基于量子自旋效應(yīng)，融合原子物理、量子力學(xué)、光學(xué)原理等多領(lǐng)域的交叉學(xué)科，隨著量子光學(xué)等理論、技術(shù)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(duì)低成本、高精度的特點(diǎn)，有望替代現(xiàn)有的兩類機(jī)械與光學(xué)陀螺儀，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航領(lǐng)域的跨展，為運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)控制、長(zhǎng)時(shí)間高精度自主導(dǎo)航提供有力支撐。（3）在無人系統(tǒng)高性能導(dǎo)航等領(lǐng)域中具有重要意義?，F(xiàn)有商品化陀螺儀表在日常民用領(lǐng)域往往難以同時(shí)滿足高精度、小體積、低成本的自主定位導(dǎo)航要求。近年來隨著量子信息技術(shù)與MEMS技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于核磁共振效應(yīng)的微小型陀螺儀采用核磁共振效應(yīng)，并應(yīng)用MEMS技術(shù)進(jìn)行小型化制造，具有同時(shí)達(dá)到中精度導(dǎo)航系統(tǒng)中高精度、小體積、低成本的潛力。因此，瞄準(zhǔn)新興領(lǐng)域無人駕駛、智能機(jī)器人、無人機(jī)等對(duì)自主定位導(dǎo)航的高精度、小體積、低成本的需求，研制小型高動(dòng)態(tài)MEMS核磁共振陀螺儀關(guān)鍵技術(shù)，深入開展關(guān)鍵器部件及系統(tǒng)的小型芯片化技術(shù)及制造工藝及，為研制新一代可廣泛應(yīng)用于無人駕駛、智能機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的MEMS核磁共振陀螺儀奠定理論及技術(shù)基礎(chǔ)。[4]

1.2量子科學(xué)儀器類別

原子鐘是利用原子的能級(jí)躍遷頻率來測(cè)量時(shí)間的儀器。[5]原子鐘是衛(wèi)星定位導(dǎo)航中最重要的儀器，通過光速與時(shí)間確定的距離方法，只有時(shí)間準(zhǔn)確才能保證距離準(zhǔn)確。正是原子鐘技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步才能使我國(guó)的北斗系統(tǒng)并駕于美國(guó)GPS系統(tǒng)與歐洲伽利略系統(tǒng)，才保證了我們?cè)谖磥碥娛虏季峙c經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不受人所制。原子鐘的起源與發(fā)展可以讓學(xué)生更加清楚的了解量子科學(xué)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(chǎng)環(huán)境中受重力影響下的響應(yīng)，從而得到重力加速度信息。[6]重力儀是社會(huì)中不常用的一種量子科學(xué)儀器，但是重力儀所運(yùn)用的技術(shù)涉及原子干涉的內(nèi)容，原子干涉是量子科學(xué)儀器中的一個(gè)重要組成部分。重力儀應(yīng)用面雖小，但是可以開拓學(xué)生的視野，使其了解從初中就開始學(xué)生的重力加速度這一重要參數(shù)是如何測(cè)量的，更為重要的是，這個(gè)物理參數(shù)是如何使用的。磁力儀是利用原子自旋在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的拉莫爾進(jìn)動(dòng)進(jìn)行微弱磁場(chǎng)信號(hào)測(cè)量的儀器。[7]磁場(chǎng)是現(xiàn)實(shí)生活中所常見常用的物理量，高靈敏度的磁場(chǎng)測(cè)量量子科學(xué)儀器既可以應(yīng)用于高大上的深地、深海、深空的探測(cè)，也可以應(yīng)用于生命醫(yī)療的腦磁心磁的生物磁探測(cè)。學(xué)生通過學(xué)習(xí)磁力儀可以理解量子科學(xué)儀器與我們的生活悉悉相關(guān)，具有非常廣泛的應(yīng)用。陀螺儀是利用原子自旋的定軸性進(jìn)行載物平臺(tái)的角度變化測(cè)量的儀器。[8]陀螺儀也是現(xiàn)實(shí)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(tái)一定都使用陀螺儀。而量子陀螺儀的發(fā)展使角度測(cè)量在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮的作用越發(fā)的重要。同學(xué)們?cè)诟袊@中國(guó)洲際導(dǎo)彈的強(qiáng)大中也應(yīng)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(shí)也應(yīng)正視我國(guó)與國(guó)外的差距，理解我國(guó)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(xué)儀器中的陀螺是中國(guó)超越國(guó)際的重要內(nèi)容。

1.3理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)

抗弛豫原子氣室制備技術(shù)。抗弛豫堿金屬氣室技術(shù)是所有量子科學(xué)儀器的核心，只有理解了原子能級(jí)，以及原子能級(jí)在外界環(huán)境的變化，才能真正的理解整個(gè)量子科學(xué)儀器中的理論基礎(chǔ)，因此，學(xué)生在此部分的學(xué)習(xí)中應(yīng)掌握原子能級(jí)、原子自旋、原子弛豫等一系列的知識(shí)點(diǎn)。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(zhì)，玻璃管路，玻璃氣室與真空管路連接，利用分子泵進(jìn)行抽真空，以保證無其他雜質(zhì)進(jìn)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(cè)系統(tǒng)對(duì)堿金屬原子充入量以及充入比例進(jìn)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(cè)壓強(qiáng)，流量計(jì)精確控制氣體充入量。磁場(chǎng)穩(wěn)定與控制技術(shù)。無自旋交換弛豫（SERF）原子磁強(qiáng)計(jì)是一種靈敏度非常高的磁強(qiáng)計(jì)，剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度是影響SERF原子磁強(qiáng)計(jì)靈敏度的主要因素之一，對(duì)剩余磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償可以有效地提高磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度，學(xué)生應(yīng)當(dāng)通過本課程的學(xué)習(xí)理解被動(dòng)磁場(chǎng)屏蔽的原理與主動(dòng)磁補(bǔ)償三軸剩磁補(bǔ)償方法。學(xué)生應(yīng)掌握實(shí)際場(chǎng)景中剩磁大小無法確定時(shí)，對(duì)SERF磁強(qiáng)計(jì)剩磁進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，遍歷了非SERF態(tài)和SERF態(tài)。激光精密操控與檢測(cè)技術(shù)。抽運(yùn)激光器為鉀原子D1線半導(dǎo)體外腔（ECDL）激光器。抽運(yùn)光從激光器出來后，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直，通過起偏器成為線偏振光，再經(jīng)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(yùn)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(yùn)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(cè)激光器為銣原子D1線半導(dǎo)體分布式反饋激光器（DFB）激光器。檢測(cè)光從激光器出來后，通過起偏器成為線偏振光，再經(jīng)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(jìn)放光電探測(cè)器。法拉第調(diào)制器置于起偏器后，用來對(duì)檢測(cè)光線偏振面的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行調(diào)制。光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過鎖相放大器就將信號(hào)讀取，最終進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行分析。[9]在此部分的學(xué)生中應(yīng)能夠掌握光路設(shè)計(jì)與光路分析方法，同時(shí)，對(duì)光的偏振與光的偏振態(tài)的變化應(yīng)有深刻的理解。信號(hào)提取與分析技術(shù)。信號(hào)的提取與分析是傳感器中最重要的內(nèi)容，在儀器學(xué)科中，信號(hào)的轉(zhuǎn)換，信號(hào)的去噪，信號(hào)的分析與重構(gòu)都是重點(diǎn)學(xué)習(xí)的內(nèi)容，對(duì)于量子科學(xué)儀器，由于其測(cè)量的通常為極微弱的信號(hào)，因此更為重要。學(xué)生通過此部分的學(xué)習(xí)應(yīng)能夠理解信號(hào)是如何由被測(cè)物理量信號(hào)，轉(zhuǎn)化為原子信息甚至量子信息，如何從原子信號(hào)轉(zhuǎn)化為光學(xué)信息，以及如何如光學(xué)信息轉(zhuǎn)化為電信息最終補(bǔ)提取出來，學(xué)生還應(yīng)該掌握微弱信號(hào)提取技術(shù)，以及信號(hào)的分析與噪聲抑制技術(shù)。

2教學(xué)方法

本課程所使用的教學(xué)方法為線上教學(xué)與線下教學(xué)結(jié)合，理論講授與實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合的教學(xué)方法。線上與線下相結(jié)合，可以有效的利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，避免了傳統(tǒng)的教學(xué)方式信息量不足的缺點(diǎn)，使授課教師的可以用較少的時(shí)間可以獲得較大量的教學(xué)資源，可以將更多的精力用在如何給學(xué)生傳輸知識(shí)上。線上教學(xué)相比于課堂教學(xué)有一定的好處，資源豐富且學(xué)生參與度有提高，但其也有很大的不足，也就是互動(dòng)起來并不方便而且也不即時(shí)，同時(shí)線上教學(xué)在很大程序上受硬件網(wǎng)絡(luò)的影響，會(huì)導(dǎo)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(yù)習(xí)，課上則由學(xué)生分組討論，老師引導(dǎo)的方式，充分發(fā)揮線上教學(xué)與線下教學(xué)各自的優(yōu)勢(shì)。理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，在目前的本科課程的教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的課程一般均采用理論教學(xué)的的授課方式，這對(duì)于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)的課程來說是沒有問題的。但是對(duì)于量子科學(xué)儀器這門最前沿的課程來說則是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)閷W(xué)生無法切身的感受所學(xué)知識(shí)的具象化，如果學(xué)生只能停留在原子理論、量子理論的層面，則會(huì)很快的失去對(duì)這門課的興趣。因此這門課程非常有必要加入實(shí)驗(yàn)演示與實(shí)驗(yàn)操作的內(nèi)容，讓學(xué)生學(xué)有所用，學(xué)有所感，學(xué)有所悟。在本門課程的教學(xué)過程中則要求授課教師有一定的實(shí)驗(yàn)科學(xué)素養(yǎng)。

3基于量子科學(xué)儀器課程的具體實(shí)施方法

首先分析量子科學(xué)儀器課程學(xué)習(xí)者的前期知識(shí)儲(chǔ)備，包括原子物理學(xué)、光學(xué)、儀器儀表課程，分析學(xué)習(xí)者的需求與興趣點(diǎn)，有側(cè)重點(diǎn)地準(zhǔn)備課程內(nèi)容。了解可用的網(wǎng)絡(luò)資源，為在線教學(xué)建設(shè)內(nèi)容，廣泛調(diào)研每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的國(guó)防應(yīng)用背景，為課程思政部分內(nèi)容。其次，將整個(gè)量子科學(xué)儀器課程依據(jù)不同種類儀器設(shè)計(jì)為幾個(gè)部分，分別確認(rèn)每一部分的學(xué)習(xí)目標(biāo)。針對(duì)每個(gè)部分，設(shè)計(jì)國(guó)防背景介紹、理論課程、在線實(shí)驗(yàn)課程的比例。再次，將量子科學(xué)儀器課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行內(nèi)容創(chuàng)建，在此過程中，需大量調(diào)研量子科學(xué)儀器的國(guó)防應(yīng)用實(shí)例，正確推導(dǎo)課程中知識(shí)點(diǎn)，并邏輯合理，細(xì)致建設(shè)在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，包括演示實(shí)驗(yàn)視頻、協(xié)調(diào)在線交流的實(shí)驗(yàn)操作場(chǎng)地人員等。然后，對(duì)量子科學(xué)儀器課程進(jìn)行教學(xué)實(shí)施，在授課過程中找出課程中的不足，提出相應(yīng)的改進(jìn)方法。在線教學(xué)部分，要求在線教學(xué)平臺(tái)穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)流暢、在線實(shí)驗(yàn)交互學(xué)習(xí)連接及時(shí)，網(wǎng)絡(luò)備選方案可靠。最后，依據(jù)學(xué)習(xí)者的反饋進(jìn)行本課程的評(píng)估。

4結(jié)論

本文對(duì)量子科學(xué)儀器這門前沿科學(xué)課程進(jìn)行詳細(xì)的教學(xué)設(shè)計(jì)，目的在于使學(xué)生了解量子科學(xué)領(lǐng)域知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生量子科學(xué)儀器的學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)內(nèi)容方面，從量子科學(xué)儀器背景與發(fā)展，量子科學(xué)儀器分類與內(nèi)容以及量子科學(xué)儀器理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)。在教學(xué)方法方面，結(jié)合線上教學(xué)與線下教學(xué)，同時(shí)結(jié)合理論課堂與實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)。在具體實(shí)施方法方法，考慮了多種教學(xué)配套措施，從而保障量子科學(xué)儀器課程可以有效的開展與實(shí)施。在整個(gè)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)中，始終將國(guó)防教育這一課程思政內(nèi)容加入其中，培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)情懷，讓學(xué)生可以正確認(rèn)識(shí)中國(guó)與國(guó)際的差距，正確認(rèn)識(shí)國(guó)家的緊迫需求，正確認(rèn)識(shí)學(xué)生個(gè)人的定位，為中國(guó)人民的崛起與中華民族的復(fù)興而努力學(xué)習(xí)與工作。

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作者：李陽(yáng) 單位：上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院