摘要：从微观粒子到宏观世界，无一不展现着自然界深层的秩序之美。如何让学生突破高成本精密仪器的限制与抽象理论的壁垒，亲手触碰并理解这量子世界的奇异现象？答案蕴藏在山西大学“相干原子的极化特性分析虚拟仿真实验”这门国家级虚拟仿真一流课程之中。
从微观粒子到宏观世界，无一不展现着自然界深层的秩序之美。如何让学生突破高成本精密仪器的限制与抽象理论的壁垒，亲手触碰并理解这量子世界的奇异现象？答案蕴藏在山西大学“相干原子的极化特性分析虚拟仿真实验”这门国家级虚拟仿真一流课程之中。
课程深度融合虚拟现实、仿真建模与交互可视化技术，精准构建实验场景，复现核心流程。运用高精度仿真、动态化呈现与参数实时调控等手段，逼真再现了电磁诱导透明（EIT）效应下原子介质吸收与色散特性的量子跃迁过程，清晰展现了激光场与原子能级间精密的相干操控原理。此虚拟仿真实验完整包含了光栅反馈半导体激光器工作原理、饱和吸收光谱技术、马赫-曾德干涉仪光路搭建等内容，有效化解了高端设备稀缺昂贵、维护困难与学生实验需求旺盛、操作精度要求严苛之间的突出矛盾。
动静相交：解锁量子光学密码
本项目依托山西大学国家级物理实验教学示范中心，将光量子技术与器件全国重点实验室的前沿成果转化为本科实践教学。基于3D虚拟仿真技术，构建起高保真量子光学实验场域：学生可操控半导体激光器、光放大器、数字存储示波器等精密设备，在虚拟空间中自由搭建光路、调试信号，亲历饱和吸收光谱（SAS）与电磁诱导透明（EIT）等量子现象的神奇舞台。通过虚拟现实与人机交互技术，抽象难解的原子相干效应被解构为动态三维模型——指尖轻旋，即可调节耦合光频率失谐、光功率、原子泡温度等参数，实时观测探针光的色散与吸收曲线，揭开原子光学非线性的神秘面纱。传统实验中受限于高昂成本、复杂光路与时空约束的量子探索，在此化作一场低损耗的沉浸式科学实践。
设备获取困难，量子光学仪器精密昂贵；实验室面积有限、学时紧张，学生无法重复训练光路搭建与信号采集；原子相干、量子干涉等理论晦涩难懂，缺乏实操支撑易成空中楼阁，通往量子的路上阻碍重重……课程致力于打破尖端科研与本科教学之间的断层困境，“虚实结合、以虚补实”，突破设备、时空与理解力的三重壁垒，为物理与光电专业学生铺就一条零风险、高自由、深交互的量子科研启蒙之路，助力其迈向腔量子电动力学等前沿领域。
在物理虚拟仿真实验课堂，学生仿佛置身于沉浸式的“量子剧场”之中。3D仿真技术逼真还原光学平台、仪器阵列与光路拓扑，将实验原理、仪器指南、操作视频以多维交互模块嵌入系统，抽象量子理论化为可触可感的粒子数据库。“量子舞台”缓缓升起，AR/VR技术使学生“身临其境”操控激光：实现零成本重复搭建SAS光路、捕捉EIT信号，在试错中锤炼精密调控思维。同时，项目中的每个环节，如器件选择、仪器操作、光路搭建、信号测试等，都配有相应的视频资料和图文描述，旨在辅助学生更准确、更深刻地掌握实验内容。
学生的物理学习正进阶为“三段式探险”：从实地观摩全国重点实验室，直观感受量子科研场景；到借助仿真平台自主预习、模拟光路搭建，消除操作顾虑；再到实验室分组实操，将虚拟训练沉淀为肌肉记忆。正如2021级物理电子工程学院物理学专业的戚传昭所言：“仿真实验平台打破了时间与空间的限制，让我能随时登录系统反复练习。在零压力的虚拟环境下，即使操作失误也不会造成仪器损坏，这种自由探索的学习体验让我收获颇丰。”
虚拟仿真技术使抽象的概念变得具体而形象，将量子作用的动态过程以生动的三维图像直观展现。学生们步入这个虚拟世界，亲手设定实验参数，亲眼见证不同的前提条件如何塑造结果。实验的失败不再令人沮丧，反而成为重新校准方向、深入求知的宝贵机会。这种技术不仅节省材料、缩短时间，更打破了真实实验的诸多限制，为学生们大胆尝试、自由探索和持续创新的实践提供了广阔空间。
虚实结合：重塑实验教学模式
量子光学的前沿课题——电磁诱导透明效应（EIT），曾因深奥的概念令许多初学者却步，在课程团队深入浅出的教学设计与精心编排下，丰富多彩的图文资料与动态视频将课本中艰深的三能级原子模型与饱和吸收光谱技术层层拆解。2022级物理电子工程学院物理学专业的刘晗对此深有感触：“虚拟仿真动态展示原子极化与光场相互作用的每一个细节，那些曾令人望而生畏的量子概念，忽然变得触手可及。这种突破维度限制的沉浸式体验，不仅驱散了认知迷雾，更点燃了我探索未知的热忱。”
在“现场观摩+虚拟仿真+实际操作”三位一体的混合教学模式支撑下，物理实验教学焕发全新活力。教学伊始，学生们通过现场观摩，细致观察教师调试精密激光器、校准复杂光路的全过程，逐步构建起对实验原理与操作流程的具象认知。随后，借助先进的虚拟仿真技术，置身高度逼真的3D虚拟环境，自主搭建马赫-曾德干涉仪等复杂光路系统，动态观察相干性调控对原子能级的影响机制，在反复实践中深化理解。当虚拟操作达到驾轻就熟的程度后，学生们得以进入实验室亲手调试光栅反馈激光器，在应对环境干扰、突破操作精度极限的过程中，将理论知识转化为实践能力。“这种虚实结合的教学模式，彻底革新了传统实验教学流程。”2021级物理电子工程学院光电信息科学与工程专业的龚盖勒分享道，“我们在虚拟环境中掌握实验方法、熟悉数据规律之后，再进行实际操作时，就能迅速抓住关键环节，避免了大量重复性摸索，实验效率显著提升。”这种创新教学模式，不仅优化了实验教学效果，更为培养高素质光电领域专业人才开辟了新路径。
探索之路并非坦途。戚传昭直言在自主探究EIT效应时，曾陷入“参数太多、相互影响”的复杂迷宫。但他没有退缩，而是选择步步为营：先专注研究单一参数，如探针光功率的影响，再借助虚拟平台反复验证多参数的组合效果，最终得以在仿真数据与深奥理论公式的相互印证下拨开重重迷雾。2021级物理电子工程学院物理学专业的郑家瑞则在虚拟实验的无数次重复操作中，捕捉到那些在实验室里常被仪器误差掩盖的微妙细节——激光偏振的微小变化如何牵动探测信号的神经，磁场均匀性又如何精细调控着原子的极化状态。
这种“虚”中练技、“实”中求精的融合，其价值远不止于课堂。对于众多受限于高昂设备成本的高校，虚拟仿真实验如同一把金钥匙，为学生打开了量子光学探索的大门。磁光阱、原子阵列、离子阱这些遥不可及的尖端设备，量子态制备、光泵浦、荧光成像这些关键步骤，都能在虚拟世界中安全、低成本地呈现。郑家瑞特别指出：“虚拟环境能完整演示量子系统从崩溃到重建的戏剧性过程，其震撼效果远胜于课本上干涩的操作规范警示，让我对实验安全产生刻骨铭心的敬畏。”而刘晗已将目光投向更远的未来，她将借助此次课程，深入探究里德堡原子间的偶极相互作用，探索利用涡旋光等结构光场增强原子介质的非线性响应，为未来量子器件的设计播下创新的种子。
这场虚实交融的教学实验，不仅突破了高成本设备与抽象原理的双重瓶颈，更在一次次安全试错和对细节的执着深挖过程中，锤炼了学生们的科学思维。
表里契合：赋能学生多维发展
面对教育发展的新趋势和学生日益多元的需求，周海涛及其团队在近代物理实验课程中大胆求变，突破传统实验的时空限制，借助3D虚拟仿真场景进行虚拟实验。对于虚拟仿真实验的效果，作为参与者之一的郑家瑞这样说：“这项实验可以低成本地让学生接触到量子光学里面前沿的实验设备以及实验过程中的关键步骤，帮助同学们在心里快速地构建出‘光与原子相互作用’的物理图像。”通过进行虚拟仿真实验，学生不仅能够亲眼观察到物理现象、理解物理原理，还培养了实验技能，为之后的亲身实践打下基础。除此之外，一些在现实中难以实现的极端条件和具有危险性的物理实验也可以通过虚拟仿真实验进行探究，在避免人员受到伤害的同时也为科研提供了新的思路和数据，减少了对实验器材的消耗，降低对环境的影响。在线上实验中，实验者可以通过重复实验操作获得精准的实验数据和结果，例如，郑家瑞在研究激光与原子相互作用时，发现偏振的微小变化对探测信号的影响，以及磁场的均匀性对原子极化状态的调控作用时，运用线上虚拟仿真实验得到的不同参数下的数据，直观地理解到了“相干性”的物理意义。总而言之，虚拟仿真实验像是一位知识渊博的导师，通过实验向学生展示物理原理；又像是一位实验助手，保障实验顺利且安全地进行。
虚拟仿真实验如同精心搭建的数字实验室，虽能展现出物理世界的瑰丽奇景，却缺少真实环境中沙砾磨手的触感和仪器嗡鸣的震颤。戚传昭对此提出了虚拟实验的局限在于操作太过于理想化，对突发状况应对经验不足的观点。确实，当学习者习惯了虚拟世界的“完美呈现”后，进入真实实验室时，可能会因为实验结果的“不完美”而手足无措。如果想要进一步提升实验体验，后期可以模拟真实仪器使用过程中可能出现的故障和问题，让学生们更好地提升解决实际问题的能力。此外，刘晗也提出：“实验可以增加交互式参数模拟功能，例如实时调节探测光强度或磁场大小，观察吸收曲线的动态响应；也要及时补充完善科研前沿知识，例如展示实际科研中EIT的典型应用（如量子存储的光延迟效应），帮助学生连接实验与前沿研究。”
山西大学“相干原子的极化特性分析虚拟仿真实验”作为国家级一级课程，通过虚拟技术搭建起理论与实践的桥梁，收获了丰硕成果与宝贵经验。该课程构建了高度还原真实场景的虚拟实验平台，使参与者能够在虚拟环境中系统学习原子极化理论、操作高精度仪器。通过虚拟实验，学生们不仅能直观观测原子在电磁场作用下的极化过程，还可以自主调节激光频率、强度等参数，分析不同条件下原子极化特性的变化规律，显著提升了对量子光学前沿知识的理解与应用能力。课程实施后，学生的实验报告优秀率提升，在相关学科竞赛中的获奖数量大幅增加，有力推动了拔尖创新人才的培养。同时，课程资源面向全国高校开放共享，累计服务超4万人次，有效扩大了优质教育资源的辐射范围。
课程团队注重将科研成果转化为教学资源，依托山西大学在量子光学领域的深厚积累，将最新科研进展融入实验设计，确保教学内容的前沿性与创新性。在教学方法上，通过设置递进式实验任务，引导学生主动思考、自主探索，培养批判性思维和科研能力。此外，课程还建立了完善的反馈与评价机制，通过实时记录学生操作数据、分析实验报告，精准把握学习难点并及时调整教学策略。然而，课程在实践中也发现，虚拟仿真实验在培养学生实际操作细节把控能力方面存在不足。未来将进一步推动虚实结合教学模式，强化虚拟实验与真实实验的互补协同，持续优化课程体系，提升教学质量，为国家培养更多量子光学领域的优秀人才。
站在科技与教育深度融合的时代潮头，山西大学“相干原子的极化特性分析虚拟仿真实验”课程以技术赋能教学，让抽象的原子极化现象化作可触摸、可调控的数字图景，使万千学子得以跨越时空与资源的桎梏，触摸科学前沿的脉搏。随着课程不断优化完善，它将如同点亮量子科学探索之路的灯塔，持续照亮更多学子的科研征程。（通讯员：鄢祉彤 武栗如 刘新柯）
来源：高校圈的那些事儿
