孫文博，王合英，鄭盟錕，陳宜保，郭旭波，張留碗

(清華大學 物理系 北京 100084)

以提高學生的學習成效為中心，圍繞學科人才培養(yǎng)方案，清華大學近代物理實驗課程的教學目標為“寬視野、厚基礎(chǔ)、會實踐、懂創(chuàng)新”.在這一教學目標指引下，物理系在“十三五”期間建設(shè)了量子物理教學實驗平臺(以下簡稱量子平臺)[1].飽和吸收光譜實驗項目(以下簡稱吸收譜實驗)是平臺的重要組成部分，由清華大學近代物理實驗室自行設(shè)計和建設(shè)完成[2].本文介紹了量子平臺的體系構(gòu)成和綜合規(guī)劃，將吸收譜實驗置于平臺整體環(huán)境中，分析其定位，詳細介紹了吸收譜實驗的教學設(shè)計和教學方法，并總結(jié)其與量子平臺體系的協(xié)調(diào)性和與教學目標的一致性.

1 量子平臺體系構(gòu)成與吸收譜實驗教學定位

教學實驗項目的價值[3]主要體現(xiàn)在其對整個實驗課程宏觀體系的支撐作用，對選課學生認知階段的適應程度，對學生未來從事科研或相關(guān)工作的啟發(fā)價值[4-5].可見，確定吸收譜實驗的定位，需要從近代物理實驗課程全局進行綜合思考.

清華大學近代物理實驗課程共包含6個教學平臺，涉及43個實驗項目[6].量子平臺作為課程中的新建教學體系，主要選擇具有前沿性、典型性的量子物理相關(guān)實驗，同時在規(guī)劃中注意考察其對物理學二級學科的覆蓋情況、對原有實驗項目體系的彌補情況和對教學目標的展現(xiàn)情況.

經(jīng)過“十三五”期間的全力建設(shè)，量子平臺現(xiàn)已建成6個教學區(qū)塊，如圖1所示.量子平臺包括：以光子糾纏源[7]為中心的量子傳輸?shù)?教學塊，以NV色心實驗為中心的量子計算第2教學塊，以掃描隧道顯微鏡為中心的量子探針第3教學塊，以磁光阱實驗為中心的冷原子第4教學塊，以及平展型共振類實驗第5教學塊和測試類實驗第6教學塊.吸收譜實驗項目即為第4教學塊的組成部分.

圖1 量子物理教學平臺實驗區(qū)塊分布圖

在教學實踐中，以學生認知規(guī)律為出發(fā)點，量子平臺設(shè)計了層進式教學體系，如圖2所示.第1層級是以通識教育為錨點的基礎(chǔ)型實驗項目，強調(diào)規(guī)范、素養(yǎng)培養(yǎng)；第2層級是以通專結(jié)合為錨點的導引型實驗項目，強調(diào)興趣激發(fā)、能力養(yǎng)成；第3層級是以專業(yè)實驗能力培養(yǎng)為錨點的進階型實驗項目，強調(diào)學科交叉，注重創(chuàng)新能力展示.吸收譜實驗項目位于第2層級，是典型的導引型實驗項目.

圖2 量子平臺教學層級劃分圖

在量子平臺體系中，導引型實驗項目須具備承前啟后的作用，如圖3所示.

圖3 吸收譜實驗作用示意圖

“承前”指讓學生明確感知在對應的基礎(chǔ)型實驗項目中所學知識、所練技能、所得思想如何運用.如吸收譜實驗作為引導型實驗，將示波器使用、電信號傳輸、光譜觀測、半導體激光器、鎖相放大器、激光全息作為自身的基礎(chǔ)型實驗.在教學設(shè)計中，吸收譜實驗須全面應用并合理展現(xiàn)基礎(chǔ)先導實驗的教學成果.“啟后”指讓導引型實驗成為進階型實驗的組成部分，使學生減少對進階型實驗的陌生感，減少對復雜實驗系統(tǒng)的恐懼感，增強對復雜體系細節(jié)的把控能力，增加自主思考和自由發(fā)揮的空間.借此降低學生因無的放矢、盲目嘗試導致實驗失敗而挫傷好奇心，從而呵護學生的實驗志趣和創(chuàng)新意識.吸收譜實驗以磁光阱實驗為進階型核心實驗項目.在教學設(shè)計中，為適應磁光阱實驗的需要，吸收譜實驗須在譜分析、PDH與鎖頻技術(shù)、光學綜合構(gòu)建能力等方面開展教學，設(shè)計學習成效評估方案，發(fā)揮對磁光阱實驗教學開展的支撐作用.

2 吸收譜實驗教學設(shè)計與課堂實踐

吸收譜實驗的教學設(shè)計思想為：先讓學生練習相關(guān)基礎(chǔ)型實驗的所學所得，再進一步提出導引型教學要求.綜合多項導引型教學要求，指導學生完成實驗學習，最后現(xiàn)場評分，告知學生學習成效及顯著不足，鼓勵學生深研、深思.

為介紹教學設(shè)計和課堂實踐的具體情況，本節(jié)內(nèi)容將涉及吸收譜實驗的具體細節(jié)，圖4為吸收譜實驗裝置照片.吸收譜項目的原理、實驗步驟、結(jié)果分析等內(nèi)容，請參閱文獻[2].

圖4 吸收譜實驗裝置照片

2.1 得雙譜：基礎(chǔ)型與導引型實驗對接

如圖5所示，雙譜包含飽和吸收光譜(圖中藍線)和PDH譜(圖中紫線).PDH譜教學步驟的設(shè)計，與吸收譜實驗后續(xù)的進階型實驗磁光阱的需求相關(guān).

圖5 吸收譜實驗中的雙譜示波器圖樣

在先導的光譜觀測基礎(chǔ)實驗中，學生學習了直接用光譜儀對被測試光束進行空間色散分離，實踐了光譜觀察方法.吸收譜實驗與此不同，通過泵浦激光進行頻率掃描的方式，讓Rb原子氣室產(chǎn)生的特征光譜以時間色散分離的方式呈現(xiàn).采用相同觀測目標、不同觀測方案，有利于學生拓展眼界，開闊思路，鼓勵其在未來的實驗工作中不拘泥于現(xiàn)成方案，獨立思考、因地制宜開展設(shè)計.

在先導的半導體激光器基礎(chǔ)實驗中，學生了解了溫度和電流對輸出光束的影響.吸收譜實驗將對學生這一認知進行強化，同時設(shè)計雙變量輸出控制觀察的教學步驟.圖6為自行設(shè)計和制作的溫控器和激光直流控制器，溫度精度為1 mK，電流精度為10 μA.課堂上，教師要求學生在看到飽和吸收光譜后，以1 mK步長改變溫度，同時配合激光直流供電微調(diào)，以保證觀察到的吸收譜在示波器上不發(fā)生位移.學生學習以激光管溫度-電流曲線描述激光輸出情況，在理解激光輸出控制方法的同時，直觀理解溫漂概念.

圖6 溫控器與激光直流控制器

在先導的鎖相基礎(chǔ)實驗中，學生學習到鎖相的數(shù)學思維方式，即將參考信號與調(diào)制過的被測信號混頻，再通過數(shù)學展開觀察特殊頻率項，應用技術(shù)手段提取待測信號.在吸收譜實驗中，設(shè)計PDH譜的教學步驟，可加強學生對鎖相技術(shù)思想的理解.如圖7所示，通過高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生小振幅、高頻率的正弦波參考信號，由minicircuits的商用電路模塊mixer將被參考信號調(diào)制過的待測信號與參考信號再次混頻.以貝塞爾函數(shù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過數(shù)學展開和高階小量處理，得到待測信號表達式，經(jīng)過低通濾波，獲取待測信號.這一設(shè)計，不僅讓學生深入理解數(shù)學處理思想在信號提取領(lǐng)域的應用，也向?qū)W生展現(xiàn)了數(shù)學手段的實驗實現(xiàn)方式，對學生未來綜合運用數(shù)理思想自行構(gòu)建實驗系統(tǒng)有直接幫助.

圖7 參考信號發(fā)生器和混頻器

2.2 識雙譜：理論與實驗對照能力訓練

學生在原子分子物理課程中學習過Rb的同位素能級譜線如圖8所示.在吸收譜實驗中，要求學生對圖8中可能發(fā)生的躍遷進行分析，并計算能量，制作表格.對照實驗中示波器采集到的雙譜,逐一指認峰(吸收譜上)或過零點(PDH譜上)對應表中的躍遷情況.通過這一定性分析，加深理論課所學的能級譜與實驗課所見的光譜的對照認知.

(a)87Rb

為了訓練學生精致實驗的習慣，設(shè)計了掃頻方案嘗試這一教學步驟.首先讓學生思考控制激光掃頻的方式，分析溫控或流控的優(yōu)缺點.再以流控為基礎(chǔ)，引導學生分析和試驗控制波形的選擇，最終采用了鋸齒波.

為了培養(yǎng)學生理解數(shù)據(jù)和挖掘信息的能力，設(shè)計了定標這一教學步驟.示波器上顯示的圖形以時間為橫軸，而原理中，掃頻過程是以電流激勵值為橫軸，這導致學生往往理不清二者之間的關(guān)系.教師引導學生在定性識譜的基礎(chǔ)上，選擇出吸收譜上2個特征峰(或PDH譜上過零值)，如圖5所示.通過理論計算得到其間的躍遷能量，進而得出對應光頻率.用這樣的方法將示波器時間橫軸定標為掃頻光的頻率橫軸，才能應用示波器采集到的實驗數(shù)據(jù)計算激發(fā)態(tài)壽命、原子氣體溫度等.

2.3 識儀器：授之以漁，高級實驗儀器訓練

教學中，教師經(jīng)常聽到學生說：這個儀器我以前沒用過，我以前用的這種儀器長得和這臺不一樣.學生的表述和茫然的眼神告訴教師應該在課堂上教會學生如何應對“陌生”儀器.

儀器使用的教學貫穿清華大學近代物理實驗的整個體系，因課時所限，吸收譜實驗著重做了如下2點教學引導：

1)對高級示波器的使用引導.為實現(xiàn)這一教學設(shè)計，專門選用了泰克MDO3104示波器，如圖9所示.與基礎(chǔ)先導實驗中所用的示波器相比，這臺示波器更加復雜，內(nèi)嵌了數(shù)學計算、屏幕測量、數(shù)據(jù)存讀、波形處理等多項升級功能.學生面對這樣的示波器往往無從下手.在課堂教學中，教師引導學生回顧先導實驗示波器的基礎(chǔ)功能，并要求學生通過MDO3104示波器的面板功能鍵名稱，思考其基本功能的操作方法.之后，指引學生使用“Aquire”功能按鈕及下拉菜單，探索波形平均等方面的功能和操作，以及使用“Save”功能按鈕及下拉菜單探索數(shù)據(jù)保存和讀入方面的功能和操作.最后提供說明書，供有興趣的學生全面了解這種高級但科研實驗室常用的示波器.這一步驟的設(shè)計，旨在培養(yǎng)學生面對功能相近而外觀卻不同的儀器設(shè)備時，能夠快速有效開展儀器使用的能力.

圖9 泰克MDO3104示波器的前面板

2)對學生以往從未見過的組合儀器體系的使用引導.課堂上，以溫控器、激光直流電源、激光掃描驅(qū)動器、激光器這一組合體系為例開展教學.要求學生判斷各儀器相互連接方式，并用電纜線加以連接，訓練并考察學生對組合儀器端口的識別能力、傳輸控制邏輯的分析能力.在開機之前，要求學生思考實驗指導書中的開機順序，哪些是必須嚴格執(zhí)行的，哪些是可以顛倒順序的，借此引導學生對實驗操作做到“知其然，知其所以然”.例如，溫控必須先于電流激勵設(shè)備開啟，否則，輕則溫度不穩(wěn)，數(shù)據(jù)不可用，重則溫控機制缺失，設(shè)備過熱燒毀等.

2.4 識組合：功能模塊構(gòu)建與組合應用訓練

在教學中，教師發(fā)現(xiàn)學生對體系的認知過于簡單.例如，面對光路，學生習慣于從左到右或從上到下的簡單理解順序.在課堂上，訓練學生從實驗目的和核心原理出發(fā)，首先尋找核心元件，再加入拓展功能部件，從而完善光路.如圖10所示，學生要思考的核心實驗目標是掃頻激光作用于Rb原子氣室，產(chǎn)生飽和吸收光譜，接收并分析光譜.所以學生應該最先尋找激光器、原子氣室、探測器.而后進行思維風暴，完善光路.比如照射在氣室上的光截面積要盡量大，以實現(xiàn)更多原子參與飽和吸收過程，所以要有擴束準直；為研究飽和展寬等因素的影響，需要控制照射氣室的激光強度，所以要有光強控制器件；為實現(xiàn)激光器保護，應該設(shè)置光束隔離器；為實現(xiàn)光路合理走向，要加入光路走向控制部件.

在實驗器材和元件的選擇上，只要滿足上述設(shè)計需求，就可以應用模塊組合思想，采取多種方案進行實驗.運用這樣的教學指引，訓練學生宏觀把握實驗全局的能力和對比不同技術(shù)細節(jié)的能力，并具有激勵學生技術(shù)細節(jié)創(chuàng)新的作用.

實驗中采用的組合模塊包括：核心原理模塊(激光器、氣室、探測器)、光截面積控制模塊(凹透鏡和凸透鏡)、激光強度控制模塊(半波片、偏振分束器、可調(diào)衰減器)、激光器保護模塊(激光器、光隔離器)、走向控制模塊(反射鏡、1/4波片、偏振分束器)等.同時也提供比標準實驗方案更多的元件，鼓勵學生設(shè)計方案細節(jié).對比教師提供的功能模塊和圖10中單個元件的空間位置，可以發(fā)現(xiàn)，教師提供的模塊僅以功能和邏輯為紐帶，并無位置遠近關(guān)系，希望借此引導學生構(gòu)建邏輯實驗體系，打破空間走向思維定勢.

1.反射鏡(可替換為可調(diào)衰減器) 2.1/4波片 3.Rb原子氣室 4.準直透鏡 5.擴束透鏡 6.偏振分束器 7.紅外觀察片 8.半波片 9.光隔離器 10.聚焦透鏡 11.光接收器 12.激光器

2.5 教學順序安排

教學順序安排主要考慮學生對陌生事物的認知規(guī)律和難易內(nèi)容出現(xiàn)的順序?qū)W生心理的影響情況.

1)實驗前，由學生或教師搭建好整套系統(tǒng)，達到可以觀察吸收譜全貌的程度，學生的學習起點是“識雙譜”.這樣做的好處在于，避免學生因?qū)ψV線形貌缺乏認知，在后續(xù)實驗環(huán)節(jié)中，不知該向何調(diào)節(jié)方向努力.

2)研究系統(tǒng)，尤其是電子學部分的功能和器件相互連接關(guān)系，完成“識儀器”.這樣做的好處在于，通過對復雜儀器和控制體系的認知，提高學生宏觀把握實驗全局的意識.

3)拆除原光路，學生自行搭建光路，重現(xiàn)吸收譜.這樣做的好處是有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力.此步驟的安排，目的在于確保學生在探索和創(chuàng)新過程中不會因缺乏譜的直觀認知而不知所措，也不會因為儀器使用不當而誤判方案的可行程度.

4)深入思考吸收譜和PDH譜的獲得方法，完成“得雙譜”學習.此步驟放在最后，主要考慮到學生在實驗之初無法全面認知先導實驗與吸收譜實驗的關(guān)聯(lián)，尤其是鎖相先導實驗展現(xiàn)的數(shù)理思想在吸收譜實驗中應用的深層次關(guān)系.實踐證明，此步驟放在最后，有助于學生全面理解實驗設(shè)計思想，同時作為教學實驗的一個高潮，對激勵學生學習興趣有顯著作用.

3 吸收譜實驗中其他教學要點的體現(xiàn)方法

在因材施教思想的指引下，除了以上系統(tǒng)的教學設(shè)計外，課堂上，教師還因人而異安排了其他教學環(huán)節(jié)，包括：

a.展現(xiàn)選題價值的實驗背景、科研前沿情況、產(chǎn)業(yè)需求情況的講解；

b.培養(yǎng)科學作風的PPT匯報要求、實驗報告文獻引用規(guī)范、學術(shù)不端判定規(guī)則的講解；

c.拓寬學生的學科視野、激勵學習興趣的邀請報告環(huán)節(jié).

4 結(jié)束語

吸收譜教學實驗項目的作用和價值，主要取決于其在課程實驗項目體系中的定位，對課程教學目標的展現(xiàn)程度，與課程及量子平臺內(nèi)其他實驗項目的協(xié)同育人功能.基于以上幾點，本文從所屬課程背景、所處教學定位、所設(shè)教學方案等角度，對吸收譜實驗項目的教學設(shè)計進行了詳細的介紹.希望通過這些介紹，能夠向教學同行展示我們的工作思路和工作成果，以獲得深入交流和得到指導的機會.