2020年西安交通大学校级虚拟仿真实验教学项目
申报表
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学 院（部） 名 称 |
理学院 |
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实 验 教 学 项
目 名 称 |
倾听原子的脉动----铯原子喷泉钟仿真实验 |
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所 属 课 程 名 称 |
大学物理实验 |
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所 属 专 业 代 码 |
070201 |
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实验教学项目负责人姓名 |
高 宏 |
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有
效 链 接 网 址 |
http://47.110.11.26:5005 |
实践教学中心制
二〇二〇年六月
填写说明和要求
1. 以Word文档格式，如实填写各项。
2. 表格文本中的中外文名词第一次出现时，要写清全称和缩写，再次出现时可以使用缩写。
3. 所属专业代码，依据《普通高等学校本科专业目录（2012年）》填写6位代码。
4. 不宜大范围公开或部分群体不宜观看的内容，请特别说明。
5. 表格各栏目可根据内容进行调整。
1.实验教学项目教学服务团队情况
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1-1实验教学项目负责人情况 |
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姓 名 |
高 宏 |
性别 |
男 |
出生年月 |
1969年5月 |
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学 历 |
研究生 |
学位 |
博士 |
电 话 |
029-82668118 |
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专业技术职务 |
教授 |
行政职务 |
院长 |
手 机 |
15129228731 |
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院 系 |
西安交通大学理学院 |
电子邮箱 |
honggao@xjtu.edu.cn |
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地 址 |
陕西省西安市碑林区咸宁西路28号 |
邮 编 |
710049 |
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教学研究情况：主持的教学研究课题（含课题名称、来源、年限，不超过5项）；作为第一署名人在国内外公开发行的刊物上发表的教学研究论文（含题目、刊物名称、时间，不超过10项）；获得的教学表彰/奖励（不超过5项）。 1.主持的教学研究课题 1）以层次递进、兴趣导向的科研训练平台培养拔尖学生的科研兴趣和能力，基础学科拔尖学生培养试验计划研究课题，2017-01-01 至 2018-12-31。 2）立足大学生物理学术竞赛，提升物理学生实践创新能力，西安交通大学教学改革重点项目，2016-01-01 至 2018-12-31。 2. 教学研究论文 1）传承西迁精神育人精髓，再铸创新人才培养新辉煌，中国大学教学，2019年第1期，29-32。（排名第二） 3. 教学表彰/奖励 1）启迪创新意识、历练自信品格、拓宽学术视野，物理拔尖人才培养的探索与实践，陕西省教学成果一等奖，2015年，排名第二。 2）科教结合，知行合一，培养具有创新意识、国际学术视野的物理人才，校级教学成果特等奖，2015年，排名第二。 3）西安交通大学2018年度“王宽诚育才奖”。 4）2020年获“基础学科拔尖学生培养计划”-“突出贡献奖”。 |
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学术研究情况：近五年来承担的学术研究课题（含课题名称、来源、年限、本人所起作用，不超过5项）；在国内外公开发行刊物上发表的学术论文（含题目、刊物名称、署名次序与时间，不超过5项）；获得的学术研究表彰/奖励（含奖项名称、授予单位、署名次序、时间，不超过5项） 项目主持人长期从事光与物质相互作用机理及其应用基础研究，围绕光场调控、量子信息、冷原子物理等领域的关键科学问题和技术方法展开研究，承担多项国家级课题。“倾听原子的脉动——铯原子喷泉钟仿真实验”实验项目是根据长期科研的成果转化而来，结合在实验教学中的体会和虚拟仿真技术，将学术前沿知识转化成适合大面积本科教学的实验项目，实现科研反哺教学。 1. 近五年来承担的学术研究课题 2）国家自然科学基金面上项目：基于量子系综的高维量子信息及其在量子计算中的应用研究（No. 11374238），2014/01-2017/12，在研，主持。 2.
在国内外公开发行刊物上发表的学术论文 2）Directly extracting the
authentic basis of cylindrical vector beams by a pump-probe technique in an
atomic vapor, Appl. Phys. Lett. 115, 221101 (2019) , 通信作者。 3）Manipulating the transmission
of vector beam with spatially polarized atomic ensemble, Opt. Express 27(4), 3900~3907 (2019), 通信作者。 4）Optically spatial information
selection with hybridly polarized beam in atomic
vapor, Photonics Res. 6(5),
451~455 (2018) , 通信作者。 5）Controllable speckle
compression in atomic vapor by frequency modulation and its application in
ghost imaging, Sci. China Phys. Mech.
61, 090321 (2018), 通信作者。 |
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1-2实验教学项目教学服务团队情况 |
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1-2-1 团队主要成员（含负责人，5人以内） |
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姓名 |
所在单位 |
专业技术职务 |
行政职务 |
承担任务 |
备注 |
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1 |
高宏 |
西安交通大学 |
教授 |
院长 |
在线教学服务 |
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2 |
张首刚 |
研究员 |
中心主任 |
项目技术总顾问 |
在线教学服务 |
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邱淑伟 |
西安交通大学 |
博士生 |
无 |
实验内容设计、审核 |
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4 |
阮军 |
中国科学院国家授时中心 |
副研究员 |
无 |
在线教学服务 |
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5 |
锁高洁 |
西安交通大学 |
工程师 |
无 |
实验内容设计、教学 |
在线教学服务 |
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1-2-2团队其他成员 |
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序号 |
姓名 |
所在单位 |
专业技术职务 |
行政职务 |
承担任务 |
备注 |
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1 |
张沛 |
西安交通大学 |
教授 |
物理实验中心主任 |
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2 |
张俊武 |
西安交通大学 |
高级工程师 |
物理实验中心副主任 |
对外联络、运行维护 |
在线教学服务 |
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3 |
施俊如 |
中国科学院国家授时中心 |
研究实习员 |
无 |
实验内容设计、审核 |
技术保障 |
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4 |
翟立朋 |
西安交通大学 |
工程师 |
无 |
参与开发、运行维护 |
在线教学服务 |
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5 |
王林 |
安徽科大奥锐 |
工程师 |
无 |
建模、软件制作 |
技术支持 |
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6 |
张倩 |
西安交通大学 |
工程师 |
无 |
后期教学应用 |
在线教学服务 |
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7 |
童童 |
西安交通大学 |
工程师 |
无 |
后期教学应用 |
在线教学服务 |
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项目团队总人数： 12 （人） 高校人员数量： 8 （人）合作单位人员数量： 3 （人）企业人员数量： 1 （人） |
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注：1.教学服务团队成员所在单位需如实填写，可与负责人不在同一单位。
2.教学服务团队须有在线教学服务人员和技术支持人员，请在备注中说明。
2.实验教学项目描述
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2-1名称 倾听原子的脉动----铯原子喷泉钟仿真实验 |
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2-2实验目的 时间是表征物质运动的基本物理量，在国际单位制中“秒（s）”是七个基本单位之一。时间和频率互为倒数，频率定义为单位时间（1秒）内周期振动的次数，如果频率精确确定了，时间也就精确确定了。原子内态之间的跃迁频率非常稳定，因此被人们用来定义时间的标准。1967年国际计量大会对“秒”进行了定义：The second is the
duration of 9192 631 770 periods of the radiation corresponding to the
transition between the two hyperfine levels of the ground state of the Caesium 133 atom（1秒是133Cs原子两个超精细基态能级之间跃迁辐射的周期振荡9192 631 770次所持续的时间）。铯原子喷泉钟是用作复现上述“秒”定义的装置（亦称为原子频标）。利用铯原子喷泉钟可以将“秒”的测量准确度精确到 本实验联合了北京时间发布单位——中国科学院国家授时中心，在确保原理技术正确先进的同时，共同设计了适应本科生知识能力的实验环节，学生亦可在后期参观授时中心实体设备，增进对该实验的了解。毋庸置疑，铯原子喷泉钟是集人类智慧和技术的一个复杂物理装置，我们把这一仿真实验介绍给学生，希望学生能体会到一个简单的物理思想是如何通过精巧而必要的技术实现的，并希望通过这样一个实验让学生感受科学家是如何在追求极致中不断推动人类进步，当然对物理过程的准确把握和细致思考是这一切的前提。 本实验将介绍铯原子喷泉钟的基本原理以及实现高精度时间频率信号稳定输出地实验过程。让学生了解冷原子团的制备，系统掌握原子喷泉的实现、时间频率信号的提取等基本原理和操作方法，加深和拓展学生对原子精密操控技术、原子与光场和微波场相互作用的量子理论认识，为后续学习、科研和工作打下相应的基础。通过本实验，希望达到以下实验目的： 1. 了解现行国际通用时间系统，即世界协调时UTC（Coordinated
Universal Time）的产生过程； 2. 掌握铯原子喷泉钟的基本原理，获得高精度时间频率信号地整体运作过程； 3. 认识半导体激光器：光栅反馈外腔式半导体激光器的工作原理、组成结构； 4. 掌握光抽运技术：利用光抽运技术，在冷却阶段可以防止原子逃逸冷却能级，保证冷却过程持续进行；在选态、监测阶段制备处于精心选用的超精细能级上，实现原子的制备和检测，实现喷泉钟的正常运行； 5. 了解磁光阱（MOT：Magnetic Optical
Trapping）技术：利用静磁场和激光场操控原子，提高原子密度，获得慢速原子束、冷原子团的具体实验过程； 6. 掌握微波场激励原子的基本原理：利用微波场实现原子基态两个超精细结构能级的跃迁，实现高精度时间频率信号地提取； 7. 了解飞行时间技术TOF（Time of Flight）:TOF信号正比于原子数目的大小，利用TOF可以测定原子的跃迁几率。 |
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2-3 实验课时 （1）实验所属课程所占课时：《大学物理实验》64学时。 （2）该实验项目所占课时：4学时。 |
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2-4实验原理（简要阐述实验原理，并说明核心要素的仿真度） 人类很早就开始探索精确计时的方法，比如我国古代较为普遍使用的日晷就是观测日影记时的仪器，通过观测日影每日的周期运动人们有了时辰的概念。因此规律的周期运动可为人们提供准确计时的方法。时间和频率互为倒数，靠日影计时其时间精度最高只能到小时的量级。后来人们发现单摆运动，时间的精度可以到秒，等人们通过石英振荡器发明石英钟时，时间精度已可达十万分之一秒。显然周期运动的频率越高、越稳定，时间记录就越准确。原子定态的发现，使人们利用原子计时成为可能，而如何精确确定原子内态之间的跃迁频率则是其中的关键。 Rabi最早发现可以利用原子内部能级固有频率作为频率的标准。一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个微波电磁场。当微波磁场的振荡频率越接近原子的超精细跃迁频率时，原子从磁场中吸收的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到另一状态的跃迁。通过一个反馈回路，人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。原子钟就是利用振荡场的频率，即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。如图1所示，图(a)和(b)表示一个微波电磁场（黑色曲线）激励两个超精细基态能级之间的跃迁，(a)为非共振情形，(b)为共振情形；(c)表示光激发基态上能级到激发态的吸收，显然共振时有最强吸收，确定吸收曲线最低点即确定了共振频率的位置。但根据这一原理制作的原子钟很不精确，原因是由于原子多普勒运动使吸收曲线的包络很宽，吸收峰值不能精确确定。
图1 原子超精细基态间的电磁激励及光吸收曲线 1950年，N. Ramsey在原子束共振基础上提出分离振荡场方法，即在原子束飞行路线上通过两个相位相同的电磁场的方法，获得线宽更窄的相应曲线。Ramsey的思想可用图2来说明，图2(a)和(b)表示原子分别两次通过激励磁场，使基态上能级的原子处于|g1>和|g2>在磁场演化的叠加态上，第二次激励结束后用光场去探测，则会出现图(c)的干涉图样。显然这一图样在图1(c)的基础上，中间又出现了很多窄峰，从而提高了频率探测的精度。利用这一信号，通过伺服控制电路，锁定激励振荡器输出信号的频率，使得激励频率经频率综合后与原子跃迁中心频率吻合，获得了符合“秒”定义的标准频率信号。
图2 基于Ramsey思想的原子超精细基态间的电磁激励及光吸收曲线 Ramsey条纹是原子内的量子态干涉结果，可以类比于双缝干涉实验，双缝干涉起源于光波通过空间不同路径后的叠加，相位不同时发生波矢量的相长相消，从而观察到空间上明暗相间的条纹。与之类似，Ramsey条纹则是来源于原子两个量子态在静磁场作用下相位随时间演化不同后的叠加。第一次微波激励使原子处于两基态的叠加态，随后在静磁场下相位随时间分别演化，第二次微波激励使演化不同的两基态原子再次叠加，探测其中一个基态上的原子则会出现干涉。 1955年，英国国家物理实验室Essay利用Ramsey的方法研制成功第一台铯束原子钟，开启了以铯原子计时的历史，其结构如图3所示。基于N. Ramsey的分离振荡场理论，增加原子束的飞行距离可以获得更窄的鉴频曲线，1953年，J. Zacharias提出原子喷泉作为工作介质的方法，即原子喷泉在上升和下落的过程中与同一电磁场相互作用，相当于通过两个振荡场，这方式不但增加了原子在两个场之间的作用时间，还克服了两个分离振荡场相位不同引起的腔相位差频移，提高了准确度。但是，由于采用热原子作为介质，导致喷泉在竖直方向上飞行时扩散过快，并没有获得可用的鉴频信号，直至原子冷却和囚禁技术的出现，以喷泉为介质的原子钟才得以实现。
图3 Ramsey方式工作的原子钟原理图 铯原子喷泉钟以抛射的冷原子粘团为工作介质，在上升、下落过程中两次与微波相互作用获得Ramsey鉴频信号，伺服控制晶振输出标准的时间频率信号，如图4所示。铯原子喷泉钟按照设定的时序周期性运行。铯原子蒸汽通过2D-MOT区进行减速，形成慢速铯原子束，之后慢速铯原子束被推送到3D-MOT区，冷却获得冷原子团（冷却阶段），并完成上抛启动动作（上抛阶段）。冷原子团在上抛的过程中被进一步冷却（后冷却阶段），并与选态腔中的微波场发生作用以筛选对磁场不敏感的量子态的原子（选态阶段）。继续上升的冷原子团经过激励腔，与馈入到激励腔的9.192GHz微波场作用，上升到最高点后自由下落，下落过程中再次通过激励腔与微波场相互作用，实现Ramsey方式的跃迁（激励阶段）。原子的跃迁几率通过荧光探测法获得（检测阶段）。一个完整的喷泉钟周期包括上述的冷却→上抛→后冷却→选态→激励→检测过程，利用最后获得的跃迁几率信号，可以得到晶振的伺服控制信号，从而把晶振锁定在原子的超精细能级上，获得标准的时间频率信号输出。 （1）俘获冷却阶段 在这一阶段，通过磁光阱技术或光学粘团技术降低铯原子的热运动速度，获得低温的冷原子团。铯原子处于一超高真空的真空状态下，以气体状态弥散在真空腔体内，六束调谐到负失谐于
图4 铯原子喷泉钟的工作过程 （2）上抛阶段 铯原子团在六束激光作用下处于静止状态，这时，在短时间内同步改变上下各三束激光的频率,其中上三束激光的频率减小为
图5 上抛原子团示意图 （3）后冷却阶段 铯原子团在上抛阶段的温度仍然过高，热运动膨胀激烈，能够回落的原子样品过少。为了获得更低温度的原子，通过偏振梯度冷却，把原子团降到更低的温度。偏振梯度冷却最终能够达到的极限温度 （4）选态阶段 这个阶段的作用是把对磁场不敏感
图6 选态过程 （5）激励阶段 经过选态阶段后，仅有处于 （6）检测阶段 原子样品经过微波场的Ramsey作用下，发生能级 在此阶段，主要通过原子荧光法检测微波激励跃迁的概率大小。在谐振激光的作用下，原子发出的荧光强度正比于原子数目，利用跃迁到
其中，
图7 Ramsey谐振信号 “铯原子喷泉钟”实验是量子物理的重要应用，属于前沿科学技术。实验上要观察到Ramsey谐振现象（如图7示），并测定标准时间频率信号需要复杂的光路设计和稳定的实验环境，具体实验装置如图8示，学生需要完成多种光学仪器的调节和光路的搭建。同时，整套实验装置的价格也十分昂贵，不便于在实验室开设这一量子技术前沿和诺贝尔奖技术实验项目。 利用虚拟仿真技术，可以有效地降低实验成本和实验需求，提高实验的稳定性和可重复性。实验内容包含了核心知识点：光场对原子作用力、光抽运技术、原子与微波相互作用量子相干效应。在降低光路调节复杂度的同时，最大程度还原实验所有内容，让学生系统掌握铯原子喷泉钟的工作原理、光场操控原子的量子机理等知识点。整个虚拟仿真实验的仿真度达到90%以上，核心操作和实验现象的仿真度接近100%，即正确的操作可以得到正确的实验结果，错误的操作可以得到正确的错误结果。
图8 实物装置图 该实验对于学生掌握光场操控原子、光抽运制备原子态、量子相干效应以及精密测量技术奠定了坚实的基础。本项目内容和资源完全开放共享，校内外人员可以自由使用，可为全国从事物理学、生物医学、生命科学等专业的学生和科研人员提供相关教学服务，具有很好的辐射示范作用。 知识点：共 8 个 （1）了解现行国际通用时间系统，即世界协调时UTC（Coordinated Universal Time）的产生过程； （2）铯原子喷泉钟工作原理及闭锁运行过程； （3）探寻光栅反馈外腔式半导体激光器的特性； （4）光抽运技术实现原子态的制备； （5）用光场抛射原子并计算原子运动的初速度； （6）计算微波场与原子两跃迁能态间的谐振频率； （7）微波场谐振频率失谐对原子跃迁几率的影响； （8）利谐振微波场功率对原子跃迁几率的影响。 |
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2-5实验仪器设备（装置或软件等） 本实验的实物装置图如8所示：其中的主要实验仪器有：激光器4台，微波源2台，微波腔2台，微波功率探测器1台，频谱分析仪1台，激光功率探测器1台，激光波长计1台，高效磁场屏蔽系统1套，冷原子团制备系统1套，数据采集系统1套，伺服控制系统1套，透镜、半波片、反射镜、偏振分束器若干。实验过程中，所有光学器件和仪器设备均可调节。利用Visual Studio, Unity3d, 3d Max，Adobe Photoshop, Matlab , Origin等软件实现3D仿真和数学建模，最大程度还原真实实验过程，实验中的关键仪器可以自由调节参数。 |
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2-6实验材料（或预设参数等） (1) 激光器：基模输出，频率为红外光范围内自由调节，激光功率可调（0～1000 mW）； (2) 微波源：输出频率可调（0～12GHz），输出功率可调（ (3) 频谱分析仪，提供信号波形图保存功能； (4) 微波功率探测器、激光功率探测器、激光波长计，提供实时数值显示； (5) 冷原子团制备的原子数目：可调并提供实时3D模拟显示； (6) 伺服控制系统：控制时序参数可调； (7) 数据采集系统：提供时间频率信号实现显示，波形图保存。 |
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2-7 实验教学方法（举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果） 在虚拟实验开设方面，本着能实不需、虚实互补、虚实结合的原则，精心设计教学细节、加强过程管理，以期充分调动学生积极性，提升教学效果。学生在虚拟实验中，可模拟真实的操作过程，允许多次错误尝试和修正；同时，虚拟资源网上共享，学生可不受时间、操作次数限制，自主反复练习，增加了学生效果。 实验教学方法主要有：课前线上预习、课堂线下集中讲解和指导、学生线上操作完成实验和报告。在课堂讲解环节，虚实结合，演示部分实体器件的功能和操作，加深学生认识。通过一年多时间的实施，效果良好。 实验课程内容可以根据课程要求动态调整，既适合4学时的简单演示，也适合8学时或更多学时的深入研究。整个实验项目的开展分为题目布置、文献查阅、预研方案设计、师生互动讨论、实体实验+虚拟实验、考核、互评、问卷等环节，针对每个环节的特点，设计不同的实施思路。如在前几步骤中坚持“学生为主，教师辅之”原则，严格保障学生自主性：学生自行查阅资料、设计实验方案，允许方案的多样性；又如师生互动：有线上线下对实验方案讨论的互动，亦有虚拟实验中实施过程中的设问及提示互动；再如实验报告的撰写：要求学生递交“科研论文形式”的实验报告，提高学生写作能力，强调用科学的精神、规范的专业术语描述和分析实验过程及结果，做到实事求是、数据可靠、格式规范、分析得当、结论正确。 |
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2-8实验方法与步骤要求（学生交互性操作步骤应不少于10步） （1）实验方法描述： 本实验涵盖了8个知识点（详见2-4知识点），内容包含了铯原子喷泉钟的工作原理、光栅反馈外腔式半导体激光器、光抽运技术制备原子态、微波腔谐振频率失谐和功率对原子跃迁几率的影响。每个知识点对应一个独立的子实验，可以根据课程的学时灵活安排实验内容。对于4学时的实验课，学生可以完成知识点（1）、（2）、（3）、（6）、（7）所对应的子实验；对于8学时的实验课，可以完成所有子实验。 （2）学生交互性操作步骤说明： 1） 方便的系统提示及流程定位：在实验操作过程中，学生可点击上边框流程栏，随时了解所在实验环节的要求及在整个流程中的定位和完成情况。同时，系统还提供演示功能，进行操作指导。 2） 容错及有偿（扣分）操作提示：在已有提示的基础上，若学生仍不能采取正确的操作步骤，可选择“提示”按钮，但整个实验的得分值会自动减少。 3） 允许自行设计实验细节：学生可以在系统允许的参数范围内选择任意参数组合，得到不同结果。 4） 分阶段提问和分段评分：根据每个子实验的完成情况，过程给分，学生随时了解实验完成情况。 在虚拟仿真实验中，所有仪器设备的主要参数均可自由调节，实现开放性的交互性操作。对应实验内容，主要的交互性操作可以总结为以下10个： 1）打开激光器的电源，利用功率旋钮调节输出功率，利用频率旋钮调节输出频率。 2）打开微波源的电源，利用电流旋钮调节输出功率，利用频率旋钮调节输出频率，观察记录频率波形图。 3）光抽运技术实现原子态制备：设定激光频率，配合反射镜、透镜扩束激光覆盖全部原子团，准直激光束照射到原子团，观察光抽运实现原子态的制备过程。 4）荧光辐射：设定激光频率，配合反射镜、偏振分束器合束两束激光，观察荧光辐射过程。 5）飞行时间信号（TOF）：配合透镜、反射镜扩束准直探测激光束，实现TOF获取，观察并记录不同上抛速度、不同原子数目对应的TOF波形图。 6）原子上抛操作：配合改变组合激光束的谐振频率失谐量，实现原子团的上抛过程，观察记录不同失谐量实现的原子上抛高度。 7）微波激发原子跃迁：设定微波源功率、频率：调节微波功率得到PI脉冲，调节微波频率得到谐振频率，实现原子基态两个超精细能级间的跃迁。原子与微波场-光场混合系统实现原子的选态过程。 8）实现原子的选态：利用7）得到的参数，配合谐振光场与原子作用产生的辐射力推走非实验态原子，实现原子态的精确筛选。 9）测定微波功率实现原子的Ramsey跃迁：设定微波频率在铯原子跃迁频率9.192631770GHz处，扫描微波功率获得不同微波功率下跃迁几率的变化曲线，得到PI/2脉冲对应的微波功率。 10）铯原子喷泉钟闭环运行：根据上述步骤中得到的实验数据，设定运行参数，实现时间频率信号输出，确定钟的中心频率值。 学生交互性操作细节： 进入虚拟实验室，位于界面顶部的是标题栏，在这里会显示当前实验的实验名称，左边显示的是当前实验的进行时间。界面底部是当前实验的菜单栏，是我们操作的核心部分，在这里我们可以查看当前实验的实验项目、实验步骤、帮助文档以及调用实验仪器等，界面右边是当前实验的提示信息，在这里可以实时跟踪查看当前实验的状态。 打开界面右下方菜单栏的帮助文档，学生可以看到本次实验的实验原理与实验内容等，在实验指导界面里有本次实验所需实验仪器使用说明的详细介绍，方便查看。在实验完成后，提供实验思考题。有兴趣深入研究的学生可以继续阅读界面最后提供的相关参考资料。 了解实验的相关原理和实验内容之后，可以选择“实验项目”开始完成具体的实验。如图9所示，鼠标左键单击菜单栏第一项“实验项目”，这里列出了本次虚拟仿真实验需要进行的7项实验内容，包括激光器、微波源的操作、冷原子制备以及光与原子作用系统等。
图9 虚拟仿真实验项目 |
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2-9实验结果与结论要求 （1） 是否记录每步实验结果：R是 £否 关键仪器的参数需要记录，实验的每一步结果均可保存。 （2） 实验结果与结论要求：R实验报告 £心得体会 其他
以下是依据实验内容和要求设置的实验报告模板截图如下图示，实验项目会按照学生的实际操作情况自动生成，填写至相应模块。 （3） 其他描述： 考核内容分为3个部分：实验预习和设计占30%、实验过程综合表现占50%、实验课程报告占20%；其中课程报告中实验结果15%，格式5%。强调考核成绩不是单纯以实验结果好坏评定，而且要看学生的实验的综合能力，包括对实验原理的理解程度、实验操作技术、实验结果及分析、综合能力等，将考核评价变成了主动参与、自我反思、自我教育、自我发展的过程，充分调动学生的学习积极性。课程结束后学生需如实填写调查问卷，评价课程并给出建议。实验项目完成过程中，每位学生的实验操作和对应的数据均可记录、留存，最终统一汇入实验数据库，可通过数据分析指导后续课程讲授及实验实施重点。 虚拟实验报告界面截图 |
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2-10考核要求 1．考核特色：遵循过程与结果并重的原则，强调考核成绩不仅以实验结果好坏评定，还注重学生的实验的综合能力，从方案设计情况、对实验原理的理解程度、实验操作技术、对实验结果分析思考能力、团队合作等方面综合评价。具体将考核内容分为3个部分：实验预习和设计占30%、实验过程综合表现占50%、实验课程报告占20%，具体详见表1。 2. 考核内容及分值分布情况： 1）实验预习和设计模块：分值比例30%，具体考核内容：课程内容预习（15）和实验内容预先设计（15），确定方案。 2）实验过程综合表现模块：分值比例50%。分数分配到不同的知识点，由实验平台给出成绩； 3）实验课程报告模块：分值比例20%，细分为①论文格式、②实验结果两个子模块，分值比例分别为5%和15%。具体考核内容参照论文模板及2-8实验结果和结论要求小节的细则考核，强调用科学的精神、规范的专业术语描述和分析综合实验整个过程，使学生形成对分离工程相关技术的总体认识，做到整体与细节兼顾。 4）问卷环节：需完成但不计入实验课程成绩。 3. 其他：缺勤实体或虚拟环节者不能参与考核；实验环节有多个模块组成，对外示范辐射时，可有目的地选择培训模块和对应的考核项目（或实验报告内容）；每届学生需参与课程问卷调查，对课程进行评价、给出建议或意见。 表1：考核内容及分值分布表
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2-11面向学生要求 （1） 专业与年级要求 可面向物理、光学工程、机械、生命科学、医学等专业（二年级及以上学生）开设，亦可面向专业对应的企业技术人员进行培训。 （2） 基本知识和能力要求 预修课程《大学物理》或《原子物理学》。具备一定光学和原子物理学基础知识和实验技能，做过基础的光学和近代物理实验，掌握激光器和相关光学元件的使用和操作。 |
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2-12实验项目应用及共享情况 （1） 本校上线时间 ：2019.09.10 （2） 已服务过的本校学生人数：4100人 。 2019年秋季学期一届《大学物理实验II》课程学生1550人，2020年春季学期《综合物理实验》一届学生2550人，合计4100人。 （3） 是否纳入到教学计划： R是 £否 (勾选“是”，请附所属课程教学大纲) （4） 是否面向社会提供服务：R是 £否 2020年8月份面向社会开放。 社会开放时间 ：2020.08.01 。 |
3.实验教学项目相关网络及安全要求描述
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3-1有效链接网址 http://47.110.11.26:5005 |
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3-2网络条件要求 （1）说明客户端到服务器的带宽要求（需提供测试带宽服务） 100M校园网 （2）说明能够支持的同时在线人数（需提供在线排队提示服务） 运行时并发请求数满足Requests
Executing <=50，每秒请求数满足Requests/Sec
<=100 、一次请求等待处理的毫秒数满足Request Wait
Time<=1000。 |
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3-3用户操作系统要求（如Windows、Unix、IOS、Android等） （1）计算机操作系统和版本要求 服务器操作系统采用Windows
Server 2008，系统基于.NET技术构建。 （2）其他计算终端操作系统和版本要求 用户机windows 7以上版本。 （3）支持移动端：£是R否 |
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3-4用户非操作系统软件配置要求（如浏览器、特定软件等） (1)
需要特定插件 R是 £否 （勾选是请填写）插件名称 虚拟实验环境 插件容量 9M 下载链接 在登录系统后提供官方下载链接。 （2）其他计算终端非操作系统软件配置要求（需说明是否可提供相关软件下载服务） 支持HTML5主流浏览器（可提供免费下载），例如： 1. 谷歌 版本
60.0 以上
2. 火狐 Firefox-55.0以上 3. IE11 11.0以上 |
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3-5用户硬件配置要求（如主频、内存、显存、存储容量等） （1）计算机硬件配置要求 CPU： Intel
Xeon E5-2650*2（8 核、2 GHz、20 MB、95 瓦）以上 内存： 16G 以上 硬盘： 600G 15K转速Sas接口硬盘 以上 显示器：分辨率1920×1080； 网卡：100M网卡 输入设备：鼠标、键盘。 （2）其他计算终端硬件配置要求 CPU： i5-4590(3.3G/6M/4核)以上 内存： 4G 以上 硬盘： 500G以上 显示器：分辨率1920×1080； 显卡：Nvidia GTX 960（512M显存）以上 网卡：100M网卡 输入设备：鼠标、键盘。 |
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3-6用户特殊外置硬件要求（如可穿戴设备等） （1）计算机特殊外置硬件要求
无。 （2）其他计算终端特殊外置硬件要求 无。 |
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3-7 网络安全 （1）目系统是否完成国家信息安全等级保护 £是 R否 （勾选“是”，请填写） 级 |
4.实验教学项目技术架构及主要研发技术
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内容 |
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系统架构图及简要说明 |
仿真实验教学系统为在线仿真教学提供教学环境和支撑服务，系统主要功能包含：教学管理，教学实验资源学习，在线仿真实验，在线互动讨论、在线资源评价、实验数据管理、实验情况统计等。
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实验教学项目 |
开发技术 |
£VR £AR £MR R3D仿真 R二维动画RHTML5 其他 |
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开发工具 |
RUnity3D R3D Studio Max £Maya£ZBrush £ SketchUp RAdobe Flash£Unreal Development Kit £Animate CC£Blender RVisual Studio £其他 Adobe Photoshop, Matlab , Origin; 平台支持导入Autodesk（fbx）、Advanced Visualizer（obj）、3DMAX（3ds）、STereo Lithography（stl）等多种三维数据格式 |
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运行环境 |
服务器 CPU 8 核、内存 16 GB、磁盘 600
GB、 显存 0.256 GB、GPU型号 Intel HD Graphics 4600
操作系统 RWindows Server £Linux £其他 具体版本 Winxp及以上版本 数据库 £Mysql RSQL Server £Oracle 其他 备注说明 （需要其他硬件设备或服务器数量多于1台时请说明）
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项目品质（如：单场景模型总面数、贴图分辨率、每帧渲染次数、动作反馈时间、显示刷新率、分辨率等） |
单场景模型总面数小于50万，贴图分辨率一般使用1024*1024贴图，每帧渲染次数3次，动作反馈时间<10ms,显示刷新率大于30fps,分辨率1920*1080。 |
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5.实验教学项目特色
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（体现虚拟仿真实验教学项目建设的必要性及先进性、教学方式方法、评价体系及对传统教学的延伸与拓展等方面的特色情况介绍。） （1）实验方案设计思路： 铯原子喷泉钟是实现高精度时间频率信号稳定输出的大型复杂实验装置。高精度的时间频率信号在基础研究领域、工程技术方面和国家战略层面有着举足轻重的地位。铯原子喷泉钟的基本原理基于原子与电磁场的量子相干相互作用，实验系统精密复杂，实现过程对理论及技术要求超高，目前很难将这一前沿技术实验项目应用于本科生教学。 将信息和计算机技术与实验教学相结合，以虚拟仿真实验形式可以解决以上困难，在相当程度上弥补实体实验教学的局限性。本虚拟仿真实验由西安交通大学理学院量子光学研究团队和大学物理国家级实验教学示范中心联合开发，最大程度还原真实实验所有内容，让学生系统掌握原子精密操控技术、原子与电磁场相干相互作用的量子理论等知识点，极大的拓展了学生的实验课程深度和学习资源。 本项目具有如下特色： 1）虚拟仿真实验教学项目建设的必要性：可解决实验系统昂贵、高功率激光器的危险性、无法同时开展批量实验的难题。一套实现本实验所有功能的实际实验系统，其价格昂贵，而且为了保证系统的稳定性，光路都进行了封装，无法自由调节和观察，对学生的锻炼有限。采用虚拟实验则无此限制，满足多组人员操作，进行实验。 2）项目选题内容先进：铯原子喷泉钟属于前沿科学技术。该项目联合了北京时间发布单位——中国科学院国家授时中心，在确保原理技术正确先进的同时，将前沿科技与基础教学相融合，通过3D-MOT俘获铯冷原子团、利用谐振光场以及微波场实现原子态的精确操控，利用3D虚拟软件复现真实的微观原子动态操控实验过程，极大提高学生的学习兴趣和对前沿科技技术的了解，有助于加深对基础知识的理解，培养科技创新能力。 3）还原真实实验核心内容：铯原子喷泉钟对于环境要求苛刻，在现实操作（非虚拟环境）中需要用较长的时间用于精确调节实验光路以及各种技术参数，整个实验大部分时间都花在系统调节上，严重挫伤学生实验的积极性。本项目采用先进的虚拟仿真技术，可以适当减少一些仪器的调节自由度，实验环境稳定，可以大大缩短在实验光路调节、实验技术参数确定上所花费的时间。在核心知识点和实验操作上，严格按照物理规律进行模拟，让学生自由调节，达到“正确的操作得到正确的结果，错误的操作得到正确的错误结果”，从而真实还原实验核心内容，让学生有达到真实实验的体验。 4）大型综合的实验设计：铯原子喷泉钟实验，对于学生掌握精密操控原子的实验操作，学习原子与光场、微波场作用的基本现象和了解国际学术前沿有着重要的作用。 （2）教学方法创新： 1）由于本实验内容丰富，需要学生课前预习和设计实验。可内先讲授理论知识（基本原理，实验内容及相关要求），在讲解过程中，适当提问，检查学生预习情况； 2）学生进行仿真实验操作，分阶段评分和互动，对学生有疑问的地方重点讲解，加深对知识点的认识。 3）对课堂的设计，始终贯彻以教师为主导，以学生为主体，以问题为基础，以能力、方法为主线，有计划培养学生的自学能力、观察和实践能力、思维能力、应用知识解决实际问题的能力和创造能力为指导思想。并且能从各种实际出发，充分利用各种教学手段来激发学生的学习兴趣，体现了对学生创新意识的培养 （3）评价体系创新： 遵循过程与结果并重的原则，强调考核成绩不仅以实验结果好坏评定，还注重学生的实验的综合能力（如方案设计情况、对实验原理的理解程度、实验操作技术、对实验结果分析思考能力、团队合作精神等）。具体将考核内容分为3个部分：实验预习和设计占30%、实验过程综合表现占50%、实验课程报告占20%。另外实验课结束时加入问卷调查，可以及时反馈学生的意见和建议，进一步完善和改进实验系统。 （4）对传统教学的延伸与拓展: 在教学方式方法和开放运行等方面，既可以利用仿真实验在网上开设开放实验满足各种层次学生的求知需求，拓展视野，提高学生对实验学习的兴趣，营造多元化的教学环境，也可以与真实实验相结合实现两段式教学，可以安排学生先做仿真实验，熟悉仪器操作和实验过程后再上真实仪器上操作，这样可提高真实实验的教学效果，缩短真实实验的时间，提高设备利用率和安全性。 |
6.实验教学项目持续建设服务计划
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（本实验教学项目今后5年继续向高校和社会开放服务计划及预计服务人数） （1）项目持续建设与服务计划： 在维持网站持续上线的基础上，后期建设将根据专家意见和学生反馈逐步拓展子项目个数、完善虚拟实验教学体系。项目被认定后5年内面向高校和社会免费开放所有内容，并提供教学服务。同步完成项目系统的国家信息安全等级保护，提高服务质量。具体计划如下： 2021年：面向高校和社会免费开放并提供教学服务，根据用户反馈进一步改进实验项目功能，进一步完善和拓展实验项目内容，推出虚拟仿真实验软件V2.0版。 2022年：深化虚拟仿真实验在实验教学和创新人才培养中的地位，争取将实验项目纳入研究生课程体系。推出虚拟仿真实验软件V3.0版，把显微成像系统的功能细化完善，提高仿真度。 2023年：结合实验中心其他虚拟仿真实验资源，建立虚拟仿实验教学中心，进一步扩充虚拟仿真教学资源，扩大服务范围。 2024年：完成本项目的建设，力争建成功能全面、内容丰富、服务优良的虚拟仿真实验项目，每年服务人次不低于5000人。 2025年：总结虚拟仿真项目开发和服务经验，向其他高校推广。 （2）面向高校的教学推广应用计划： 利用我校国家级物理实验教学示范中心的平台和教指委副主任的条件，面向陕西省、西北地区乃至全国的高校逐步推广，具体措施如下： ①将该中心已有的虚拟实验室资源在网络上对内、对外开放，并提供长期的网络虚拟仿真实验自主学习空间，逐步服务于全省、全国； ②组织区域或全国性网络虚拟实验技能竞赛，发挥网络虚拟实验的优势； ③开展网络技术交流，建立论坛，带动其他高校发展，进一步提高国家级示范中心的辐射效果； ④定期举办虚拟实验室在教学中的应用交流会议，促进教学改革的深入，发挥虚拟实验室在人才培养中的作用 （3）面向社会的推广应用计划： 该项目 5 年内面向社会免费开放并提供教学服务，通过虚拟实验对公众进行铯原子喷泉钟方面的科普宣传，通过本项目可以让公众走近物理学与应用。预计每年服务人次不低于5000人。 |
7.知识产权
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软件著作权登记情况 |
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软件著作权登记情况 |
£已登记 £未登记 |
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完成软件著作权登记的，需填写以下内容 |
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软件名称 |
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是否与项目名称一致 |
£是
£否 |
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著作权人 |
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权利范围 |
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登记号 |
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8.诚信承诺
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本人承诺：所申报的实验教学设计具有原创性，项目所属学校对本实验项目内容（包括但不限于实验软件、操作系统、教学视频、教学课件、辅助参考资料、实验操作手册、实验案例、测验试题、实验报告、答疑、网页宣传图片文字等组成本实验项目的一切资源）享有著作权，保证所申报的项目或其任何一部分均不会侵犯任何第三方的合法权益。 本人已认真填写、检查申报材料，保证内容真实、准确、有效。
实验教学项目负责人（签字）：
年 月
日 |
9.经费预算
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序号 |
支出科目 |
预算（万） |
支出用途 |
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1 |
文献检索、打印/复印费 |
0.2 |
用于文献检索和技术资料的查询、文献材料打印和复印 |
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2 |
材料费 |
0.4 |
用于购买实验设计过程中产生的耗材费用 |
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3 |
差旅费 |
0.4 |
用于在实验设计过程中，开展科学考察、业务调研、技术交流等所需的差旅、交通费用 |
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4 |
专家咨询费 |
1.0 |
用于专家咨询与交流 |
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合计 |
2.0 |
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10．申报单位意见
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本单位已按照申报要求对申报的虚拟仿真实验教学项目在院内进行公示，并审核实验教学项目的内容符合申报要求和注意事项、符合相关法律法规和教学纪律要求等。经评审评价，现择优申报。 （其他需要说明的意见。）
主管领导（签字）：
（单位公章）
年 月 日 |