物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺及其課程教學(xué)體系的建設(shè)實(shí)踐*

方 亮 楊俊義 顧 妍 高雷

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州 215006)

(收稿日期：2017-11-29)

為貫徹落實(shí)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》(教高〔2012〕4號)精神[1]，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》，2013 年8 月教育部印發(fā)了《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》(教高司函〔2013〕94 號)[2]，正式啟動(dòng)了國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作．隨后2014年、2015年教育部先后開展了兩次國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的申報(bào)工作，迄今已有3批、共300個(gè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心獲批建設(shè)[3～5]．其中有4所高校獲批了“物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”[6～7]，分別是：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(2013年)、山東師范大學(xué)(2014年)、西南大學(xué)(2014年)以及復(fù)旦大學(xué)(2015年)．

目前全國各省也在積極開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心或在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)工作．蘇州大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心源于東吳大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室，2012年成為國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心．近年來，中心依據(jù)“秉承傳統(tǒng)，就物論理；立足基礎(chǔ)，注重創(chuàng)新；依托地方，促進(jìn)學(xué)生知識、能力與素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展”的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，在深度融合物理學(xué)科與信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷探索物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺及其課程教學(xué)體系的建設(shè)．

1 物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)方案和組成

實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中占有非常重要的地位，在培養(yǎng)學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)科研態(tài)度、豐富課程知識、提升創(chuàng)新能力等方面起著至關(guān)重要的作用．但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，許多物理實(shí)驗(yàn)都涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆操作、以及高成本、高消耗的實(shí)驗(yàn)器材，導(dǎo)致書本上的很多理論知識無法與實(shí)驗(yàn)很好地結(jié)合．因此開展物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，將有助于教學(xué)資源的拓展，更好地服務(wù)于各類教學(xué)活動(dòng)[8～11]．

物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)包括硬件平臺和軟件平臺的建設(shè)，如圖1所示．硬件平臺的建設(shè)主要是固定機(jī)房的建設(shè)，還包括網(wǎng)絡(luò)電腦、移動(dòng)手機(jī)與虛擬仿真軟件的對接．軟件平臺主要分為兩大類，第一大類是與企業(yè)合作開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)仿真模塊和大型儀器設(shè)備仿真模塊．對于這兩個(gè)仿真模塊的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生均可以在固定機(jī)房或連入校園網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作，通過仿真軟件對實(shí)驗(yàn)環(huán)境的模擬，學(xué)生能提前熟悉實(shí)驗(yàn)的原理、儀器設(shè)備的組成、操作步驟、數(shù)據(jù)處理等，從而為課前預(yù)習(xí)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也是課后復(fù)習(xí)的有益補(bǔ)充．此外通過搭建微信公眾號(SUPVSEC)，將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中較難的實(shí)驗(yàn)分類放入公眾號中，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的移動(dòng)可視化．在公眾號中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅有詳細(xì)的操作步驟、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等，還有“實(shí)物照片”、“微視頻操作步驟”等選項(xiàng)，使學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的過程中能夠更加方便、快捷開展自學(xué)，更好地掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容．

圖1 物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)

第二大類是教師自主開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括光學(xué)、電磁學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、固體物理4個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K．由于物理學(xué)專業(yè)的許多課程偏重于理論知識，缺乏一些直觀的實(shí)驗(yàn)，容易出現(xiàn)課堂上很多內(nèi)容難以透徹理解的問題．而現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的多種商用軟件，能將物理學(xué)理論知識和計(jì)算機(jī)相結(jié)合，通過強(qiáng)大的計(jì)算能力和細(xì)致的視覺后處理技術(shù)，將物理學(xué)課程中的很多理論知識通過形象的圖片或動(dòng)畫展示出來，從而可以加深學(xué)生對理論的理解．

例如在固體物理教學(xué)中，在講解能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，可以利用VASP第一性原理計(jì)算軟件，建立Si的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，并讓學(xué)生通過改變Si的晶格常數(shù)，可以直觀地觀察能帶變化過程．又如在磁性物理教學(xué)中，通過OOMMF 微磁學(xué)模擬軟件建立二維磁圓盤的模型，利用模擬軟件研究磁材料參數(shù)(如各向異性磁能，飽和磁化強(qiáng)度，DM相互作用強(qiáng)度等)變化時(shí)，磁圓盤形成的磁疇變化情況，并探討形成各種不同磁疇圖形的物理原因．同時(shí)鼓勵(lì)教師自主開發(fā)與自己科研相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，使科研成果反哺教學(xué)，有助于學(xué)生了解在相關(guān)科研領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識的興趣．

2 物理虛擬仿真類課程教學(xué)體系的設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如何更好地發(fā)揮其作用，培養(yǎng)本科生創(chuàng)新思維也是在建設(shè)中所需要考慮的主要問題之一[12]．目前我校物理仿真模塊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均結(jié)合到相關(guān)課程的教學(xué)計(jì)劃中，并與在線課程群建設(shè)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目等聯(lián)動(dòng)．以72課時(shí)的電動(dòng)力學(xué)課程為例，整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程分為3個(gè)階段，第一階段為軟件操作訓(xùn)練階段，第二階段為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成階段．第三階段為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目講評階段．

首先通過完善教學(xué)內(nèi)容，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目調(diào)整出了8課時(shí)的第一階段教學(xué)時(shí)間，并要求學(xué)生安排一定時(shí)間的課后訓(xùn)練．在這一階段中，授課教師會(huì)對所使用的Comsol多物理場仿真軟件進(jìn)行介紹，并結(jié)合具體的案例進(jìn)行加強(qiáng)訓(xùn)練．授課教師將協(xié)助解決學(xué)生在建模過程中遇到的問題，幫助學(xué)生盡快熟悉軟件的操作．目的是讓學(xué)生熟悉軟件的基本架構(gòu)、操作使用步驟，要求學(xué)生達(dá)到初級的軟件操作水平．授課教師給定訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將作為課后作業(yè)，學(xué)生完成后計(jì)入平時(shí)成績中．

在第二階段中，授課教師會(huì)有2課時(shí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總體介紹，項(xiàng)目的完成主要依靠學(xué)生的課后時(shí)間，師生之間的溝通更多的是通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行．該階段的目的是學(xué)生利用已經(jīng)熟悉的仿真軟件來解決某個(gè)具體的科研問題．在這一階段，授課教師首先根據(jù)自己或他人的科研成果，制定出10～15個(gè)科研項(xiàng)目，這也是整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)．因?yàn)槿绻麑?shí)驗(yàn)項(xiàng)目過難、會(huì)導(dǎo)致大部分學(xué)生無法完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)．而實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目過于簡單，又不能很好地體現(xiàn)知識點(diǎn)．其次以學(xué)生自愿組合為主、教師指定為輔的原則，學(xué)生形成多個(gè)小組來完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，一般一組4～5人，不同實(shí)驗(yàn)小組選擇不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目．在這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師要掌握各小組的人員配置、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)展并靈活調(diào)整實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以確保所有學(xué)生能完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目．

第三階段為4課時(shí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目講評，這個(gè)環(huán)節(jié)要求各個(gè)實(shí)驗(yàn)小組將自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在課堂上進(jìn)行闡述，其他小組對其構(gòu)建的仿真模型進(jìn)行點(diǎn)評．通過這一環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生能夠熟悉所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并且吸取經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化自己的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目．對于部分虛擬仿真模塊還可以開展后期的“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)，授課教師從所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中挑選出1～2個(gè)優(yōu)秀的項(xiàng)目，并帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)際實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)的正確性．

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)中存在的問題

雖然虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)已取得一些成效，但還存在一些需要解決的問題．比如目前我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是作為課程教學(xué)的一部分，壓縮了原有的書本教學(xué)課時(shí)，勢必導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容有所調(diào)整．雖然我們已經(jīng)初步嘗試了虛擬仿真系統(tǒng)移植到移動(dòng)手機(jī)終端，但目前還不能實(shí)現(xiàn)在手機(jī)或其他智能終端上操作實(shí)驗(yàn)．一旦可以實(shí)現(xiàn)，將方便學(xué)生和教師的使用，做到隨時(shí)隨地做實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開放性．此外及時(shí)開發(fā)和更新一些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，與目前課程教學(xué)內(nèi)容或?qū)嶒?yàn)教學(xué)設(shè)備同步，也是長期建設(shè)中所需要一直解決的問題．

4 結(jié)語

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于學(xué)校的教學(xué)中，隨著信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段．本著虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則，對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行優(yōu)化配置和合理使用，使其更好地服務(wù)于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，順應(yīng)國家創(chuàng)新人才培養(yǎng)的精神．