面向国防教育的量子科学仪器课程的教学设计

李阳

摘 要 量子科学仪器课程，是前沿量子科学研究领域的入门课程，在线教育的方式近年来迅速兴起并日渐成熟，可以较好的作为本课程的辅助教学组成部分，用在线教学资源多、不受空间时间限制的优点来弥补传统课堂教学理论教学的不足，可以有效的激发学生的学生兴趣，也能让学生更好的掌握所学知识。针对量子科学仪器课程，从教学内容与教学方法方面进行了详细的教学内容设計，使量子科学课程的学习更加合理。同时，也课程设计中加入了国防教育这一课程思政内容，可以有效的提高学生的爱国热情，使其能在以后的工作中不盲从社会潮流，潜心工作，为国家发展与民族复兴贡献力量。

关键词 量子科学仪器 国防教育 教学设计

中图分类号：G424                              文献标识码：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

量子科学仪器是量子科学研究的重要组成，主要研究量子层面的精密测量，属于量子传感的内容。英国的“国家量子技术计划”、欧盟的“量子技术旗舰计划”，以及美国的“国家量子计划”等均将量子精密测量作为重点支持的领域之一。历史上，中国错过了机械革命、电气革命的发展机会，现在，面对新兴的量子科技，我们需抓住这一机遇。量子科学仪器研究在中国仍处于起步阶段，需通过量子科学仪器课程的教学，让更多的高校学生认识这一前沿领域，培养学生兴趣，使他们在工作中更好地投身于量子科学仪器的研究，为中国量子科研事业做出贡献。

由于量子科学仪器极高的测量精度，国内外研究均面向国防应用，例如用于磁异常反潜的量子磁力仪，用于精确导航定位的量子陀螺仪，用于信息加密传输的量子通信设备，用于超快数据运算的量子计算机等。量子科学仪器课程应紧密结合国防应用背景，使学生明确课堂知识的意义所在。

突如其来的疫情使在线教学不断丰富和完善，也为量子科学仪器课程的在线开展提供了多种方法手段。量子科学仪器的实验通常比较昂贵，学生在学习中难以真正上手。在线教学可以充分利用全国的教师资源以及实验室资源，让学生通过网络与一线科研人员交流学习，通过网络观看演示实验，甚至通过网络远程操作实验。

面向国防应用的量子科学仪器课程在线教学设计，将前沿专业课程与国防结合，提升学生的思想政治水平，由课堂讲授转变为在线互动学习，最大限度的实现理论与实践的融合。

1 教学内容

1.1 发展现状与国防需求

传感器主要用于信息的测量与提取，由传感器构成的科学仪器是人类认识世界的重要工具，传感器的发展由最初的基于电磁感应定律的机电式传感器，发展为基于光电转换的光学式传感器，再到新世纪的基于磁、光与原子相互作用的量子传感器。随着量子操控领域新的物理效应、新的操控原理与方法的发现，使得原子自旋惯性测量装置可以实现超高灵敏度的惯性测量，在前沿物理重大问题、长时高性能导航、无人驾驶等多个领域具有重要意义。

（1）在基础物理学、计量基准领域中具有重要意义。在基础物理学领域，电荷（C）、宇称（P）、时间反转（T）的对称性及其组合在物理理论的建立中起到决定性的作用，寻找CPT对称破缺被认为物理学诺贝尔奖级命题。[1]利用在低磁场下高精度的SERF态自旋检测技术敏感异常场而验证CPT对称破缺成为最新研究热点。[2]在计量基准领域，基于原子自旋惯性测量能实现超高灵敏惯性测量指标，将有望成为未来惯性测量的基准，为陀螺仪提供高效准确的标校保障。超高灵敏惯性测量研究过程中的诸多关键技术与核心部件，都能够成为原子自旋陀螺研制平台的技术基础，支撑高性能SERF原子陀螺仪研制。

（2）在长航时高精度导航等领域中具有重要意义。陀螺仪作为惯导系统的核心部件，其性能高低是制约系统长时间高精度导航的关键因素。原子自旋陀螺是基于量子自旋效应，融合原子物理、量子力学、光学原理等多领域的交叉学科，随着量子光学等理论、技术的不断突破，原子自旋陀螺的发展更是取得了一系列的成果。[3]该陀螺仪具有相对低成本、高精度的特点，有望替代现有的两类机械与光学陀螺仪，实现导航领域的跨代发展，为运动载体的姿态控制、长时间高精度自主导航提供有力支撑。

（3）在无人系统高性能导航等领域中具有重要意义。现有商品化陀螺仪表在日常民用领域往往难以同时满足高精度、小体积、低成本的自主定位导航要求。近年来随着量子信息技术与MEMS技术的迅猛发展，基于核磁共振效应的微小型陀螺仪采用核磁共振效应，并应用MEMS技术进行小型化制造，具有同时达到中精度导航系统中高精度、小体积、低成本的潜力。因此，瞄准新兴领域无人驾驶、智能机器人、无人机等对自主定位导航的高精度、小体积、低成本的需求，研制小型高动态MEMS核磁共振陀螺仪关键技术，深入开展关键器部件及系统的小型芯片化技术及制造工艺及，为研制新一代可广泛应用于无人驾驶、智能机器人、物联网等领域的MEMS核磁共振陀螺仪奠定理论及技术基础。[4]

1.2 量子科学仪器类别

原子钟是利用原子的能级跃迁频率来测量时间的仪器。[5]原子钟是卫星定位导航中最重要的仪器，通过光速与时间确定的距离方法，只有时间准确才能保证距离准确。正是原子钟技术的发展与进步才能使我国的北斗系统并驾于美国GPS系统与欧洲伽利略系统，才保证了我们在未来军事布局与经济发展中不受人所制。原子钟的起源与发展可以让学生更加清楚的了解量子科学仪器的重要性。

量子重力仪是利用原子干涉原理，操控原子在无磁场环境中受重力影响下的响应，从而得到重力加速度信息。[6]重力仪是社会中不常用的一種量子科学仪器，但是重力仪所运用的技术涉及原子干涉的内容，原子干涉是量子科学仪器中的一个重要组成部分。重力仪应用面虽小，但是可以开拓学生的视野，使其了解从初中就开始学生的重力加速度这一重要参数是如何测量的，更为重要的是，这个物理参数是如何使用的。

磁力仪是利用原子自旋在磁场中产生的拉莫尔进动进行微弱磁场信号测量的仪器。[7]磁场是现实生活中所常见常用的物理量，高灵敏度的磁场测量量子科学仪器既可以应用于高大上的深地、深海、深空的探测，也可以应用于生命医疗的脑磁心磁的生物磁探测。学生通过学习磁力仪可以理解量子科学仪器与我们的生活悉悉相关，具有非常广泛的应用。

陀螺仪是利用原子自旋的定轴性进行载物平台的角度变化测量的仪器。[8]陀螺仪也是现实生活中常用的一种仪器，但其通常不为人们所知，任何的稳定平台一定都使用陀螺仪。而量子陀螺仪的发展使角度测量在各个领域发挥的作用越发的重要。同学们在感叹中国洲际导弹的强大中也应该了解为什么其可以在一万公里的射程中仍能保证非常好的精度，这与高精度的陀螺仪是分不开的。同时也应正视我国与国外的差距，理解我国核潜艇受限于更高精度的陀螺而仍需不断发展。量子科学仪器中的陀螺是中国超越国际的重要内容。

1.3 理论基础与关键技术

抗弛豫原子气室制备技术。抗弛豫碱金属气室技术是所有量子科学仪器的核心，只有理解了原子能级，以及原子能级在外界环境的变化，才能真正的理解整个量子科学仪器中的理论基础，因此，学生在此部分的学习中应掌握原子能级、原子自旋、原子弛豫等一系列的知识点。碱金属气室是在确定尺寸及形状的玻璃泡中充入所需碱金属原子及功能气体。碱金属气室的制作，需将玻璃封装的碱金属单质，玻璃管路，玻璃气室与真空管路连接，利用分子泵进行抽真空，以保证无其他杂质进入气室。之后，将碱金属原子充入气室中，碱金属原子的充入过程，利用在线监测系统对碱金属原子充入量以及充入比例进行控制。之后将所需的缓冲气体以及淬灭气体充入气室，使用真空规监测压强，流量计精确控制气体充入量。

磁场稳定与控制技术。无自旋交换弛豫（SERF）原子磁强计是一种灵敏度非常高的磁强计，剩余磁场强度是影响SERF原子磁强计灵敏度的主要因素之一，对剩余磁场进行补偿可以有效地提高磁强计的灵敏度，学生应当通过本课程的学习理解被动磁场屏蔽的原理与主动磁补偿三轴剩磁补偿方法。学生应掌握实际场景中剩磁大小无法确定时，对SERF磁强计剩磁进行自动补偿，遍历了非SERF态和SERF态。

激光精密操控与检测技术。抽运激光器为钾原子D1线半导体外腔（ECDL）激光器。抽运光从激光器出来后，经扩束准直，通过起偏器成为线偏振光，再经过1/4波片后成为圆偏振光，起偏器轴与1/4波片轴成45度夹角。之后，抽运光通过碱金属气室与碱金属原子发生相互作用使之极化。抽运光中心与碱金属气室球心重合，保证碱金属原子极化均匀。检测激光器为铷原子D1线半导体分布式反馈激光器（DFB）激光器。检测光从激光器出来后，通过起偏器成为线偏振光，再经过碱金属气室和与起偏器轴成90度角的检偏器，起偏器与检偏器均为格兰泰勒棱镜，之后进放光电探测器。法拉第调制器置于起偏器后，用来对检测光线偏振面的偏转角进行调制。光电探测器将光信号转化为电信号，经过锁相放大器就将信号读取，最终进入数据采集系统进行分析。[9]在此部分的学生中应能够掌握光路设计与光路分析方法，同时，对光的偏振与光的偏振态的变化应有深刻的理解。

信号提取与分析技术。信号的提取与分析是传感器中最重要的内容，在仪器学科中，信号的转换，信号的去噪，信号的分析与重构都是重点学习的内容，对于量子科学仪器，由于其测量的通常为极微弱的信号，因此更为重要。学生通过此部分的学习应能够理解信号是如何由被测物理量信号，转化为原子信息甚至量子信息，如何从原子信号转化为光学信息，以及如何如光学信息转化为电信息最终补提取出来，学生还应该掌握微弱信号提取技术，以及信号的分析与噪声抑制技术。

2 教学方法

本课程所使用的教学方法为线上教学与线下教学结合，理论讲授与实验操作相结合的教学方法。

线上与线下相结合，可以有效的利用丰富的网络资源，避免了传统的教学方式信息量不足的缺点，使授课教师的可以用较少的时间可以获得较大量的教学资源，可以将更多的精力用在如何给学生传输知识上。线上教学相比于课堂教学有一定的好处，资源丰富且学生参与度有提高，但其也有很大的不足，也就是互动起来并不方便而且也不即时，同时线上教学在很大程序上受硬件网络的影响，会导致授课的不连续，所以在疫情过去后，可以继续利用线上资源，将线上资源作为这课前预习，课上则由学生分组讨论，老师引导的方式，充分发挥线上教学与线下教学各自的优势。

理论与实验相结合，在目前的本科课程的教学中，我们发现大多数的课程一般均采用理论教学的的授课方式，这对于传统的基础的课程来说是没有问题的。但是对于量子科学仪器这门最前沿的课程来说则是远远不够的，因为学生无法切身的感受所学知识的具象化，如果学生只能停留在原子理论、量子理论的层面，则会很快的失去对这门课的兴趣。因此这门课程非常有必要加入实验演示与实验操作的内容，让学生学有所用，学有所感，学有所悟。在本门课程的教学过程中则要求授课教师有一定的实验科学素养。

3 基于量子科学仪器课程的具体实施方法

首先分析量子科学仪器课程学习者的前期知识储备，包括原子物理学、光学、仪器仪表课程，分析学习者的需求与兴趣点，有侧重点地准备课程内容。了解可用的网络资源，为在线教学建设内容，广泛调研每一个知识点的国防应用背景，为课程思政部分内容。

其次，将整个量子科学仪器课程依据不同种类仪器设计为几个部分，分别确认每一部分的学习目标。针对每个部分，设计国防背景介绍、理論课程、在线实验课程的比例。

再次，将量子科学仪器课程设计的内容进行内容创建，在此过程中，需大量调研量子科学仪器的国防应用实例，正确推导课程中知识点，并逻辑合理，细致建设在线实验教学资源，包括演示实验视频、协调在线交流的实验操作场地人员等。

然后，对量子科学仪器课程进行教学实施，在授课过程中找出课程中的不足，提出相应的改进方法。在线教学部分，要求在线教学平台稳定、网络流畅、在线实验交互学习连接及时，网络备选方案可靠。

最后，依据学习者的反馈进行本课程的评估。

4 结论

本文对量子科学仪器这门前沿科学课程进行详细的教学设计，目的在于使学生了解量子科学领域知识，培养学生量子科学仪器的学习兴趣。在教学内容方面，从量子科学仪器背景与发展，量子科学仪器分类与内容以及量子科学仪器理论基础与关键技术进行了教学设计。在教学方法方面，结合线上教学与线下教学，同时结合理论课堂与实验操作进行了教学设计。在具体实施方法方法，考虑了多种教学配套措施，从而保障量子科学仪器课程可以有效的开展与实施。在整个课程的教学设计中，始终将国防教育这一课程思政内容加入其中，培养学生的爱国情怀，让学生可以正确认识中国与国际的差距，正确认识国家的紧迫需求，正确认识学生个人的定位，为中国人民的崛起与中华民族的复兴而努力学习与工作。

参考文献

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