蒲利春,張 鋒

(重慶理工大學(xué)光電信息學(xué)院,重慶 400054)

構(gòu)建本科“原子光學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容體系研究

蒲利春,張 鋒

(重慶理工大學(xué)光電信息學(xué)院,重慶 400054)

立足于“原子光學(xué)”內(nèi)容建設(shè),以本科教育、專業(yè)人才培養(yǎng)方案設(shè)置為指導(dǎo),構(gòu)建本科“原子光學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容體系。在應(yīng)用物理專業(yè)中以專業(yè)選修課形式開展了“原子光學(xué)”課程教學(xué)實(shí)踐,探索課程教學(xué)手段和教學(xué)方法,為本科學(xué)校設(shè)置“原子光學(xué)”課程開辟了路徑。

大學(xué)本科;原子光學(xué);課程內(nèi)容體系

提高教育質(zhì)量是高等教育發(fā)展的主要目標(biāo)和任務(wù),是一個(gè)永恒的常講常新的課題,必須堅(jiān)持不懈地抓住不放。它更是一個(gè)需要政府、學(xué)校、教師、學(xué)生及其學(xué)校周邊環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的系統(tǒng)工程,而教和學(xué)是該工程的基礎(chǔ)和核心。本文構(gòu)建的本科“原子光學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容體系,既考慮“原子光學(xué)”學(xué)科的最新研究成果,又注重了本科專業(yè)教學(xué)質(zhì)量和教育特征。

一、構(gòu)建本科“原子光學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容體系的背景

原子光學(xué)是近 20年來繼激光技術(shù)后發(fā)展起來的充滿活力、充滿生機(jī)并魅力無窮的新學(xué)科。原子光學(xué)作為物理學(xué)的一個(gè)研究領(lǐng)域或分支學(xué)科,有其自身的研究范圍、研究對(duì)象和內(nèi)容。人們類似光物理中處理光子那樣來處理原子,是既研究原子的結(jié)構(gòu)及其與光的相互作用,又研究原子電磁輻射和光與物質(zhì)相互作用的光學(xué)。從《A tom ic Op tics》[1]來看,原子光學(xué)研究的內(nèi)容很廣泛,內(nèi)容涉及原子物理學(xué)、光物理學(xué)、光學(xué)、光譜學(xué)和光器件等。

自 1975年 Hansch等人提出激光冷卻原子的物理思想以來[2],激光冷卻與囚禁中性原子的實(shí)驗(yàn)研究取得了一系列重大進(jìn)展和豐碩成果[3-6],使得激光科學(xué)、量子光學(xué)和冷原子物理學(xué)等發(fā)生了歷史性變革,這是初期的“原子光學(xué)”。20世紀(jì) 90年代初,M eystre等人[7]和張衛(wèi)平等人[8]首先提出了非線性原子光學(xué)的概念,并預(yù)言了原子物質(zhì)波中非線性效應(yīng)的存在。1999年,隨著世界上第一臺(tái)全方位、可調(diào)諧原子激光的產(chǎn)生[9]及其第一個(gè)原子物質(zhì)波中四波混頻實(shí)驗(yàn)的成功[10],開創(chuàng)了非線性原子光學(xué),從而增添了“原子光學(xué)”的現(xiàn)代內(nèi)容。隨著中性原子的激光冷卻、囚禁與操控理論,實(shí)驗(yàn)及其技術(shù)得到了飛速發(fā)展,“原子光學(xué)”的內(nèi)容得到補(bǔ)充和完善,從而構(gòu)成了一門全新的“原子光學(xué)”新學(xué)科[1,11-17]內(nèi)容:幾何原子光學(xué),它包括原子導(dǎo)引、原子漏斗、原子反射鏡和原子透鏡等[1,12];微結(jié)構(gòu)集成原子光學(xué)或波動(dòng)原子光學(xué),它包括原子衍射、原子干涉和原子全息術(shù)等[12];量子原子光學(xué),它包括原子微波導(dǎo)、微磁阱、微阱玻色 -愛因斯坦凝聚 (BEC)、微阱 BEC列陣、原子氣體中的 BEC、原子激光、原子自旋壓縮態(tài)、原子糾纏態(tài)等[13];非線性原子光學(xué),它包括光速減慢、原子物質(zhì)波中的四波混頻、原子孤子和 BEC中的超流、vortex[7-8]。

二、構(gòu)建本科“原子光學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容體系的實(shí)踐

權(quán)威地界定“原子光學(xué)”研究內(nèi)容的主要專著和文章有:國際上有《A tom ic Op tics》[1]和《原子物理》教材[11],國內(nèi)有李師群教授發(fā)表的《超冷原子物理學(xué)與原子光學(xué)》系列論文[15-17]、印建平教授等發(fā)表的《原子光學(xué)講座》系列論文[8,12-13]和王義遒教授等撰寫的專著《原子的激光冷卻與陷俘》[18]。然而,這些專著和論文的讀者對(duì)象不是本科生。

“原子光學(xué)”內(nèi)容初步形成后,高校沒有重視,也沒有在本科專業(yè)課程體系中設(shè)置相關(guān)課程。到目前為止,僅有北京大學(xué)、浙江大學(xué)等幾所重點(diǎn)大學(xué)在部分本科生或研究生中舉辦原子光學(xué)學(xué)術(shù)前沿問題講座,向?qū)W生介紹原子光學(xué)實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容。如,北京大學(xué)在研究生中開設(shè)了量子原子光學(xué)選修課,浙江大學(xué)在本科生中開設(shè)非線性原子光學(xué)講座等。為了擴(kuò)展學(xué)生的現(xiàn)代科技知識(shí),讓本科學(xué)生對(duì)原子光學(xué)有一個(gè)較為全面深入的認(rèn)識(shí),理解原子光學(xué)內(nèi)容,了解原子光學(xué)的最新進(jìn)展及其潛在應(yīng)用,我們?cè)趹?yīng)用物理專業(yè)開設(shè)了“原子光學(xué)”專業(yè)選修課程。

(一)本科“原子光學(xué)”課程內(nèi)容體系的構(gòu)建

根據(jù)學(xué)校辦學(xué)定位、指導(dǎo)思想和本科專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo),高度關(guān)注學(xué)校高等教育教學(xué)質(zhì)量,遵循本科教學(xué)計(jì)劃,并考慮它的選修課程包括原子物理、分子物理、光學(xué)、應(yīng)用光學(xué)、量子光學(xué)等設(shè)置情況,綜合考慮大學(xué)生理論知識(shí)積累、思維能力和實(shí)踐能力訓(xùn)練等;同時(shí),適時(shí)引入國際國內(nèi)學(xué)者的權(quán)威研究成果,注重高校個(gè)體的人才培養(yǎng)特色,按照原子光學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在規(guī)律、學(xué)科特色等構(gòu)建了 5章共 24個(gè)知識(shí)模塊的“原子光學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容體系。其中,理論部分共 4章 23個(gè)知識(shí)模塊,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為 1章 1個(gè)知識(shí)模塊。

第 1章 幾何與波動(dòng)原子光學(xué)及其器件 (geom etricand waveatom op ticsand their devices)

介紹原子光學(xué)三基理論、幾何與波動(dòng)原子光學(xué)及其器件的基本概念、原子光學(xué)器件的工作原理及其最新進(jìn)展等。主要內(nèi)容:冷原子操控的基本原理;原子束的反射和原子反射鏡;原子束的偏轉(zhuǎn) (折射)、聚焦成像和原子透鏡;原子衍射和原子光柵;原子干涉和原子干涉儀;原子全息學(xué)及其技術(shù)。

第 2章 量子原子光學(xué) (quantum atom op tics)

介紹量子原子光學(xué)的基本概念、主要實(shí)驗(yàn)及其最新進(jìn)展等。主要內(nèi)容:玻色 -愛因斯坦凝聚的實(shí)驗(yàn)概況及其最新進(jìn)展;原子量子態(tài)的制備;原子激光的產(chǎn)生及其實(shí)驗(yàn)進(jìn)展;BEC凝聚體或原子激光的量子相干性及其實(shí)驗(yàn)測量;費(fèi)米原子氣體的量子簡并及相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

第 3章 非線性原子光學(xué)(Non linear atom op tics)

介紹非線性原子光學(xué)的基本概念、原理、非線性效應(yīng)等。主要內(nèi)容:BEC凝聚體中的原子物質(zhì)波孤子;原子物質(zhì)波中的光速減慢及負(fù)群速現(xiàn)象;原子物質(zhì)波中的四波混頻;原子物質(zhì)波中的超流及其渦流;原子物質(zhì)波中的其他非線性效應(yīng)。

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

介紹集成原子光學(xué)及原子芯片的微磁結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)、制作和應(yīng)用等。主要內(nèi)容:表面微結(jié)構(gòu)的原子光學(xué)元器件及其制作;微磁結(jié)構(gòu)、微光結(jié)構(gòu)和磁光混合型微結(jié)構(gòu)等集成原子光學(xué)及原子芯片;原子芯片的設(shè)計(jì)原則與尚待解決的問題;發(fā)展方向與潛在應(yīng)用。

第 5章 原子光學(xué)實(shí)驗(yàn) (The atom op tics experim ents)

(二)本科“原子光學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)方法

1.教學(xué)內(nèi)容

本課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生理解原子光學(xué)的基本概念,了解原子光學(xué)的最新進(jìn)展及其潛在應(yīng)用,為本科學(xué)生畢業(yè)后從事原子領(lǐng)域研究、教學(xué)或相關(guān)崗位工作打下知識(shí)基礎(chǔ)。因此,其教學(xué)內(nèi)容包括:幾何與波動(dòng)原子光學(xué)、量子原子光學(xué)、非線性原子光學(xué)、集成原子光學(xué)及原子芯片等。而其教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)有以下方面:原子衍射、干涉和原子全息術(shù),玻色 -愛因斯坦凝聚 (BEC),原子激光,表面微結(jié)構(gòu)的原子光學(xué)元器件,微磁和微光結(jié)構(gòu)集成原子光學(xué)及原子芯片等。

2.教學(xué)手段和教學(xué)方法

教學(xué)手段和教學(xué)方法的指導(dǎo)原則:課程內(nèi)容教學(xué)貫徹“少定量、多定性”的基本原則,即少講理論,多講實(shí)驗(yàn);少定量地講解實(shí)驗(yàn)過程,多定性地描述實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和設(shè)計(jì)方案;少推導(dǎo)理論過程,多解釋理論結(jié)果。

主要教學(xué)方法:一是模擬教學(xué)方法,用計(jì)算機(jī)處理文字和圖像,開展三維動(dòng)態(tài)模擬教學(xué);二是探究式教學(xué)法,以“疑”為主線,激發(fā)學(xué)生的好奇心、想象力;三是“參與式”教學(xué)方法,將電視節(jié)目中的“參與式”植入到課堂教學(xué)中,讓學(xué)生在不了解教學(xué)整體內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程中,一點(diǎn)一滴地學(xué)到知識(shí);四是講授、自學(xué)、討論相結(jié)合的教學(xué)方法;五是“課堂報(bào)告”教學(xué)方法,設(shè)計(jì)一些具有綜合性的問題,讓學(xué)生在課外自己結(jié)合所學(xué)的知識(shí)加以擴(kuò)展、延伸和綜合,撰寫報(bào)告或小論文,然后在課堂上向全班同學(xué)作報(bào)告或講解;六是模塊教學(xué)法,即將章或節(jié)的內(nèi)容分成基礎(chǔ)型、應(yīng)用型、擴(kuò)展型等三大模塊組織教學(xué);七是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn) +研發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)法。

主要教學(xué)手段:以計(jì)算機(jī)信息技術(shù)為基礎(chǔ),以提高本科人才培養(yǎng)質(zhì)量為目的,注重現(xiàn)代化教學(xué)手段在課堂教學(xué)中的運(yùn)用。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容,選擇“傳統(tǒng)講解 +多媒體講解,設(shè)疑—多媒體演示—講解”的方法,不斷優(yōu)化教學(xué)過程;還要利用校園網(wǎng),實(shí)施師生互動(dòng)對(duì)話;研制模擬教案,研發(fā)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;多渠道開展網(wǎng)上答疑等。

在教學(xué)中要注意的是:授課對(duì)象必須是高年級(jí)的本科生;開課初期定位為選修課;課程以講解實(shí)驗(yàn)為主、理論為輔。

學(xué)時(shí)分配建議如表 1。

表 1 原子光學(xué)教學(xué)實(shí)施計(jì)劃表

[1] M eystre P.A tom Op tics[M].北京:世界圖書出版公司,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] 李師群.激光冷卻和捕陷中性原子① [J].大學(xué)物理, 1999,18(1).

[5] 李師群.激光冷卻和捕陷中性原子② [J].大學(xué)物理, 1999,18(2).

[6] 李師群.激光冷卻和捕陷中性原子③ [J].大學(xué)物理, 1999,18(3).

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

[8] 王正嶺,印建平.原子光學(xué)講座:第三講非線性原子光學(xué)[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.原子光學(xué)講座:第一講幾何與波動(dòng)原子光學(xué)及其器件[J].2006,35(1).

[13]王正嶺,印建平.原子光學(xué)講座:第二講量子原子光學(xué)[J].物理,2006,35(2).

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

[15]李師群.超冷原子物理學(xué)與原子光學(xué)[J].物理與工程,2002,112(1).

[16]李師群.超冷原子物理學(xué)與原子光學(xué)[J].物理與工程,2002,112(2).

[17]李師群.超冷原子物理學(xué)與原子光學(xué)[J].物理與工程,2002,112(3).

[18]王義遒.原子的激光冷卻與陷俘[M].北京:北京大學(xué)出版社,2007.

2011-03-28

蒲利春(1959—),男,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:原子與分子物理、非線性光學(xué)。

G649.50

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1007-7111(2011)04-0054-03

(責(zé)任編輯 張佑法)