构建本科“原子光学”课程教学内容体系研究

蒲利春,张 锋

(重庆理工大学光电信息学院,重庆 400054)

构建本科“原子光学”课程教学内容体系研究

蒲利春,张 锋

(重庆理工大学光电信息学院,重庆 400054)

立足于“原子光学”内容建设,以本科教育、专业人才培养方案设置为指导,构建本科“原子光学”课程教学内容体系。在应用物理专业中以专业选修课形式开展了“原子光学”课程教学实践,探索课程教学手段和教学方法,为本科学校设置“原子光学”课程开辟了路径。

大学本科;原子光学;课程内容体系

提高教育质量是高等教育发展的主要目标和任务,是一个永恒的常讲常新的课题,必须坚持不懈地抓住不放。它更是一个需要政府、学校、教师、学生及其学校周边环境协调发展的系统工程,而教和学是该工程的基础和核心。本文构建的本科“原子光学”课程教学内容体系,既考虑“原子光学”学科的最新研究成果,又注重了本科专业教学质量和教育特征。

一、构建本科“原子光学”课程教学内容体系的背景

原子光学是近 20年来继激光技术后发展起来的充满活力、充满生机并魅力无穷的新学科。原子光学作为物理学的一个研究领域或分支学科,有其自身的研究范围、研究对象和内容。人们类似光物理中处理光子那样来处理原子,是既研究原子的结构及其与光的相互作用,又研究原子电磁辐射和光与物质相互作用的光学。从《A tom ic Op tics》[1]来看,原子光学研究的内容很广泛,内容涉及原子物理学、光物理学、光学、光谱学和光器件等。

自 1975年 Hansch等人提出激光冷却原子的物理思想以来[2],激光冷却与囚禁中性原子的实验研究取得了一系列重大进展和丰硕成果[3-6],使得激光科学、量子光学和冷原子物理学等发生了历史性变革,这是初期的“原子光学”。20世纪 90年代初,M eystre等人[7]和张卫平等人[8]首先提出了非线性原子光学的概念,并预言了原子物质波中非线性效应的存在。1999年,随着世界上第一台全方位、可调谐原子激光的产生[9]及其第一个原子物质波中四波混频实验的成功[10],开创了非线性原子光学,从而增添了“原子光学”的现代内容。随着中性原子的激光冷却、囚禁与操控理论,实验及其技术得到了飞速发展,“原子光学”的内容得到补充和完善,从而构成了一门全新的“原子光学”新学科[1,11-17]内容:几何原子光学,它包括原子导引、原子漏斗、原子反射镜和原子透镜等[1,12];微结构集成原子光学或波动原子光学,它包括原子衍射、原子干涉和原子全息术等[12];量子原子光学,它包括原子微波导、微磁阱、微阱玻色 -爱因斯坦凝聚 (BEC)、微阱 BEC列阵、原子气体中的 BEC、原子激光、原子自旋压缩态、原子纠缠态等[13];非线性原子光学,它包括光速减慢、原子物质波中的四波混频、原子孤子和 BEC中的超流、vortex[7-8]。

二、构建本科“原子光学”课程教学内容体系的实践

权威地界定“原子光学”研究内容的主要专著和文章有:国际上有《A tom ic Op tics》[1]和《原子物理》教材[11],国内有李师群教授发表的《超冷原子物理学与原子光学》系列论文[15-17]、印建平教授等发表的《原子光学讲座》系列论文[8,12-13]和王义遒教授等撰写的专著《原子的激光冷却与陷俘》[18]。然而,这些专著和论文的读者对象不是本科生。

“原子光学”内容初步形成后,高校没有重视,也没有在本科专业课程体系中设置相关课程。到目前为止,仅有北京大学、浙江大学等几所重点大学在部分本科生或研究生中举办原子光学学术前沿问题讲座,向学生介绍原子光学实验研究内容。如,北京大学在研究生中开设了量子原子光学选修课,浙江大学在本科生中开设非线性原子光学讲座等。为了扩展学生的现代科技知识,让本科学生对原子光学有一个较为全面深入的认识,理解原子光学内容,了解原子光学的最新进展及其潜在应用,我们在应用物理专业开设了“原子光学”专业选修课程。

(一)本科“原子光学”课程内容体系的构建

根据学校办学定位、指导思想和本科专业人才培养目标,高度关注学校高等教育教学质量,遵循本科教学计划,并考虑它的选修课程包括原子物理、分子物理、光学、应用光学、量子光学等设置情况,综合考虑大学生理论知识积累、思维能力和实践能力训练等;同时,适时引入国际国内学者的权威研究成果,注重高校个体的人才培养特色,按照原子光学内容的内在规律、学科特色等构建了 5章共 24个知识模块的“原子光学”课程教学内容体系。其中,理论部分共 4章 23个知识模块,实验内容为 1章 1个知识模块。

第 1章 几何与波动原子光学及其器件 (geom etricand waveatom op ticsand their devices)

介绍原子光学三基理论、几何与波动原子光学及其器件的基本概念、原子光学器件的工作原理及其最新进展等。主要内容:冷原子操控的基本原理;原子束的反射和原子反射镜;原子束的偏转 (折射)、聚焦成像和原子透镜;原子衍射和原子光栅;原子干涉和原子干涉仪;原子全息学及其技术。

第 2章 量子原子光学 (quantum atom op tics)

介绍量子原子光学的基本概念、主要实验及其最新进展等。主要内容:玻色 -爱因斯坦凝聚的实验概况及其最新进展;原子量子态的制备;原子激光的产生及其实验进展;BEC凝聚体或原子激光的量子相干性及其实验测量;费米原子气体的量子简并及相关实验研究。

第 3章 非线性原子光学(Non linear atom op tics)

介绍非线性原子光学的基本概念、原理、非线性效应等。主要内容:BEC凝聚体中的原子物质波孤子;原子物质波中的光速减慢及负群速现象;原子物质波中的四波混频;原子物质波中的超流及其涡流;原子物质波中的其他非线性效应。

第 4章 集成原子光学及其原子芯片 ( INTEGRATED AT0M 0PTICSAND AT0M CH IP)

介绍集成原子光学及原子芯片的微磁结构及其设计、制作和应用等。主要内容:表面微结构的原子光学元器件及其制作;微磁结构、微光结构和磁光混合型微结构等集成原子光学及原子芯片;原子芯片的设计原则与尚待解决的问题;发展方向与潜在应用。

第 5章 原子光学实验 (The atom op tics experim ents)

(二)本科“原子光学”课程的教学内容、教学手段和教学方法

1.教学内容

本课程的教学目标是使学生理解原子光学的基本概念,了解原子光学的最新进展及其潜在应用,为本科学生毕业后从事原子领域研究、教学或相关岗位工作打下知识基础。因此,其教学内容包括:几何与波动原子光学、量子原子光学、非线性原子光学、集成原子光学及原子芯片等。而其教学重点和难点有以下方面:原子衍射、干涉和原子全息术,玻色 -爱因斯坦凝聚 (BEC),原子激光,表面微结构的原子光学元器件,微磁和微光结构集成原子光学及原子芯片等。

2.教学手段和教学方法

教学手段和教学方法的指导原则:课程内容教学贯彻“少定量、多定性”的基本原则,即少讲理论,多讲实验;少定量地讲解实验过程,多定性地描述实验原理、实验技术和设计方案;少推导理论过程,多解释理论结果。

主要教学方法:一是模拟教学方法,用计算机处理文字和图像,开展三维动态模拟教学;二是探究式教学法,以“疑”为主线,激发学生的好奇心、想象力;三是“参与式”教学方法,将电视节目中的“参与式”植入到课堂教学中,让学生在不了解教学整体内容的学习过程中,一点一滴地学到知识;四是讲授、自学、讨论相结合的教学方法;五是“课堂报告”教学方法,设计一些具有综合性的问题,让学生在课外自己结合所学的知识加以扩展、延伸和综合,撰写报告或小论文,然后在课堂上向全班同学作报告或讲解;六是模块教学法,即将章或节的内容分成基础型、应用型、扩展型等三大模块组织教学;七是传统实验 +研发实验教学法。

主要教学手段:以计算机信息技术为基础,以提高本科人才培养质量为目的,注重现代化教学手段在课堂教学中的运用。根据教学内容,选择“传统讲解 +多媒体讲解,设疑—多媒体演示—讲解”的方法,不断优化教学过程;还要利用校园网,实施师生互动对话;研制模拟教案,研发实验内容;多渠道开展网上答疑等。

在教学中要注意的是:授课对象必须是高年级的本科生;开课初期定位为选修课;课程以讲解实验为主、理论为辅。

学时分配建议如表 1。

表 1 原子光学教学实施计划表

[1] M eystre P.A tom Op tics[M].北京:世界图书出版公司,2007.

[2] Hansch T,et al.Coo ling of gases by laser radiation[J]. Op t.Commun.,1975,13(1).

[3] Baldw in K G H.Experiments in atom op tics[J].Aust.J. Phys.,1996,49(4).

[4] 李师群.激光冷却和捕陷中性原子① [J].大学物理, 1999,18(1).

[5] 李师群.激光冷却和捕陷中性原子② [J].大学物理, 1999,18(2).

[6] 李师群.激光冷却和捕陷中性原子③ [J].大学物理, 1999,18(3).

[7] Anderson B P,M eystre P.Non linear atom op tics[J].Contemporary Physics,2003,44(6).

[8] 王正岭,印建平.原子光学讲座:第三讲非线性原子光学[J].物理,2006,35(3).

[9] Hagley EW.A W ell-o llimated Quasi-ontinuousA tom Laser[J].Science,1999,283(5408).

[10]Deng L.Four-wave m ixingw ith m atterwaves[J].Nature, 1999,398.

[11]Foo t C J.A tom Physics[M].London:Oxfo rd University Press,2005.

[12]印建平.原子光学讲座:第一讲几何与波动原子光学及其器件[J].2006,35(1).

[13]王正岭,印建平.原子光学讲座:第二讲量子原子光学[J].物理,2006,35(2).

[14]Anglin J R.Bose-Einstein condensation of atom ic gases [J].Natu re,2002,416.

[15]李师群.超冷原子物理学与原子光学[J].物理与工程,2002,112(1).

[16]李师群.超冷原子物理学与原子光学[J].物理与工程,2002,112(2).

[17]李师群.超冷原子物理学与原子光学[J].物理与工程,2002,112(3).

[18]王义遒.原子的激光冷却与陷俘[M].北京:北京大学出版社,2007.

2011-03-28

蒲利春(1959—),男,教授,硕士生导师,研究方向:原子与分子物理、非线性光学。

G649.50

A

1007-7111(2011)04-0054-03

(责任编辑 张佑法)