科教融合促進(jìn)卓越育人
——分子動(dòng)力學(xué)虛擬仿真教學(xué)

華春燕

（華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院，上海 200062）

0 引言

卓越人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新是當(dāng)代大學(xué)的重要特征和使命，也是科技和文明不斷創(chuàng)新發(fā)展的重要源泉［1-2］。大學(xué)教師既是教學(xué)的主體，也是科研的主體，將最新的前沿科研成果搬到課堂中，把育人落實(shí)在教學(xué)和科研的全過程，這是近年來高等學(xué)校教育發(fā)展的一個(gè)重要理念。實(shí)現(xiàn)科教融合，通過授課教師的科研成果轉(zhuǎn)化來豐富教學(xué)內(nèi)容，傳授并拓展教科書中的知識(shí)點(diǎn)，提高教學(xué)以及人才培養(yǎng)質(zhì)量［3-4］。

但是，由于受實(shí)驗(yàn)難度大、操作復(fù)雜、科研儀器昂貴、難以普及等現(xiàn)實(shí)因素的限制，其對(duì)應(yīng)的課程實(shí)踐過程難以推廣。當(dāng)前，伴隨“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的快速發(fā)展，課堂教學(xué)逐漸呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、信息化、虛擬化的發(fā)展趨勢(shì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容、延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)為前沿科研成果在本科教學(xué)中推廣開辟了一條新的途徑，將不受諸多現(xiàn)實(shí)因素限制，解決了學(xué)生大課教學(xué)的難題，而且借助于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)將課本上深?yuàn)W抽象的理論知識(shí)直觀形象地呈現(xiàn)出來，不僅有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，而且對(duì)學(xué)生了解先進(jìn)的科研儀器和科學(xué)前沿，培養(yǎng)學(xué)生卓越的科研素養(yǎng)都具有重要的意義［5-6］。

近年來虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目逐漸受到了學(xué)校和教師的廣泛關(guān)注［7-8］。例如，李春艷等［9］提出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源的功能性整合的構(gòu)想；薛永基等［10］開展了虛擬仿真教學(xué)在經(jīng)管類專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐；周萌等［11］提出了基于機(jī)器人控制技術(shù)的虛擬仿真平臺(tái)的科教融合拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案；張寶儀等［12］實(shí)現(xiàn)了中小學(xué)課堂突發(fā)安全事件處理虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)；楊智慧等［13］開展了康普頓散射虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。但是，關(guān)于科學(xué)前沿領(lǐng)域新近取得的科研成果的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐，目前還處于起步階段。

在物理學(xué)科知識(shí)點(diǎn)的課程教學(xué)中，非常抽象的內(nèi)容是原子分子層面的微觀物理圖像和機(jī)制。微觀結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的宏觀屬性，這也是人類認(rèn)識(shí)自然的重要基礎(chǔ)。從光學(xué)顯微鏡的發(fā)明到X 射線衍射技術(shù)的發(fā)展，每一次突破都極大地提高了人們探索自然的能力，但主要集中在穩(wěn)態(tài)信息的獲得，而微觀世界則是一個(gè)動(dòng)態(tài)演化的過程。例如，分子內(nèi)原子核的運(yùn)動(dòng)通常在皮秒或飛秒的時(shí)間尺度，對(duì)應(yīng)于分子結(jié)構(gòu)的變化和相互作用，其背后的根本原因是電子阿秒時(shí)間尺度的運(yùn)動(dòng)［14-16］。因此，在其特征的時(shí)間（阿秒）和空間尺度（亞納米）上，實(shí)現(xiàn)微觀世界動(dòng)態(tài)演化過程測(cè)量與調(diào)控，是當(dāng)前超快光物理研究領(lǐng)域的前沿，不僅是理解物理機(jī)制、實(shí)現(xiàn)調(diào)控不可或缺的手段，而且有望揭示新穎的物理現(xiàn)象和機(jī)制，為新材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新思路。

以往學(xué)生對(duì)上述基本物理化學(xué)過程的認(rèn)識(shí)大多停留在書本文字概念層面，而對(duì)原子分子內(nèi)超快動(dòng)力學(xué)的直接實(shí)驗(yàn)觀測(cè)能夠極大提高學(xué)生對(duì)相關(guān)物理概念的理解，從卓越育人的角度將有助于激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)探索研究的興趣。本文以分子動(dòng)力學(xué)為例，介紹前沿科研成果的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐，給學(xué)生直觀呈現(xiàn)原子分子層面的微觀圖像和動(dòng)力學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)前沿科研成果進(jìn)課堂的大范圍教學(xué)，使廣大學(xué)生參與到超快激光與分子相互作用的前沿研究中，加深學(xué)生對(duì)物理圖像的理解，激發(fā)學(xué)生的科研興趣和潛力。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念和思路

虛擬對(duì)象的物理表現(xiàn)及其物理模型，包含物質(zhì)和科學(xué)儀器的許多物理特征與交互響應(yīng)的實(shí)時(shí)逼真表現(xiàn)。具體應(yīng)用時(shí)達(dá)到實(shí)時(shí)性和逼真性之間的平衡。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用組件技術(shù)設(shè)計(jì)，將一起按照數(shù)學(xué)物理原理建模設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立的組件。針對(duì)前沿科研實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮實(shí)驗(yàn)的高階性、交互性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)性、普及性和真實(shí)性等特征。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，調(diào)用不同的儀器組件搭建實(shí)驗(yàn)裝置并開展實(shí)驗(yàn)探索，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過程的高階性；在學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)過程中，選取不同的組件搭建實(shí)驗(yàn)裝置過程中，當(dāng)涉及不合適的組件或者誤操作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提醒可能的結(jié)果和出現(xiàn)的問題，便于學(xué)生及時(shí)修改調(diào)整，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的交互性；學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并完成相應(yīng)操作，體現(xiàn)項(xiàng)目的創(chuàng)新性；儀器具有與物理原理相符的數(shù)學(xué)模型，可以設(shè)計(jì)拔高的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，體現(xiàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性；系統(tǒng)框架采用純網(wǎng)頁版，不需要插件，支持大范圍的共享教學(xué)使用，以及在其他高校教學(xué)中的普及推廣；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中，包含了教師的教學(xué)模式和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，所?gòu)建的科學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)器材的外觀和尺寸與實(shí)物等比例設(shè)計(jì)，盡可能還原真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心儀器設(shè)備包括飛秒脈沖激光系統(tǒng)、多體符合動(dòng)量成像譜儀、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集軟件等。虛擬仿真場(chǎng)景對(duì)科學(xué)儀器的構(gòu)造、工作原理和功能進(jìn)行了真實(shí)呈現(xiàn)，并在實(shí)際操作基礎(chǔ)之上，加上了生動(dòng)的原理展示和知識(shí)點(diǎn)介紹，幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)物理圖像。例如，仿真中特別展示了多體符合動(dòng)量成像譜儀工作模式下內(nèi)部微觀粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，加深學(xué)生對(duì)該先進(jìn)科學(xué)儀器工作原理的認(rèn)識(shí)和理解。另外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，通過光場(chǎng)時(shí)空波形的精確調(diào)控，真實(shí)呈現(xiàn)對(duì)分子強(qiáng)場(chǎng)電離解離過程的調(diào)控效果，充分展現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)涵蓋的學(xué)科知識(shí)點(diǎn)。光路搭建中，插入關(guān)鍵光學(xué)元件時(shí)，形象展示了飛秒激光脈沖光場(chǎng)波形調(diào)控效果，使學(xué)生對(duì)光場(chǎng)調(diào)控有直觀深入的認(rèn)識(shí)。虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)操作過程相比真實(shí)實(shí)驗(yàn)達(dá)到了極高的還原度，并且虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋逦卣宫F(xiàn)實(shí)驗(yàn)原理和物理圖像。

2 分子動(dòng)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)和主要模塊

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部架構(gòu)

分子動(dòng)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體框架如圖1所示，從上至下包含開放式虛擬仿真教學(xué)管理平臺(tái)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問平臺(tái)3個(gè)層面，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能。同時(shí)，考慮仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)推廣的需求，教學(xué)管理平臺(tái)層面的數(shù)據(jù)對(duì)接接口與學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)、國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)等外部系統(tǒng)對(duì)接互動(dòng)。

圖1 分子動(dòng)力學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，采用開放架結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)，主要包含基礎(chǔ)信息系統(tǒng)、教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)資源學(xué)習(xí)、在線仿真實(shí)驗(yàn)、在線互動(dòng)討論、在線資源評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理、實(shí)驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)等教學(xué)應(yīng)用模塊，為教學(xué)開展提供保障服務(wù)和資源，調(diào)用虛擬實(shí)驗(yàn)開展在線實(shí)驗(yàn)，形成教學(xué)管理數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用組件技術(shù)設(shè)計(jì)，將儀器按照數(shù)學(xué)物理原理建模設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立的組件，包括可視化展示和仿真實(shí)驗(yàn)兩個(gè)主要模塊。用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)用不同的儀器組件形成實(shí)驗(yàn)方案、開展實(shí)驗(yàn)步驟、調(diào)用合適的算法得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，并通過動(dòng)畫、文字、圖形等多種可視化技術(shù)將模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程展示出來、給予合適的提示和指導(dǎo)，協(xié)助學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)。統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問平臺(tái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)資源的存儲(chǔ)和生成，包括實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、教學(xué)安排、選課數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、教學(xué)記錄等，是整個(gè)虛擬仿真系統(tǒng)最底層的基礎(chǔ)平臺(tái)。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面設(shè)計(jì)

分子動(dòng)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的界面如圖2所示，包括項(xiàng)目簡(jiǎn)介與教學(xué)引導(dǎo)視頻及實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊，學(xué)生在開始虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作之前，需要自主學(xué)習(xí)網(wǎng)站上的資源，包括實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)等文本，以及引導(dǎo)視頻。在了解實(shí)驗(yàn)有關(guān)原理知識(shí)的基礎(chǔ)之上，完成預(yù)習(xí)題目，之后才能開展具體的實(shí)驗(yàn)操作過程。

圖2 分子動(dòng)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面主要模塊

點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”模塊，進(jìn)入分子動(dòng)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面，可以看到飛秒脈沖激光系統(tǒng)、光學(xué)元器件、多體符合動(dòng)量成像譜儀、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集軟件等，如圖3所示。虛擬仿真場(chǎng)景對(duì)儀器的構(gòu)造、工作原理和功能進(jìn)行了真實(shí)呈現(xiàn)。學(xué)生根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)情況和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，參考開機(jī)步驟開啟激光器，搭建實(shí)驗(yàn)光路，調(diào)試真空譜儀系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，任課教師根據(jù)不同的需求進(jìn)行訪問，審閱批改學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，分析學(xué)生實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，總結(jié)問題和經(jīng)驗(yàn)，不斷提升虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及主要儀器設(shè)備

3 分子動(dòng)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)特色

3.1 實(shí)驗(yàn)方案直觀呈現(xiàn)微觀物理圖像

超快激光光場(chǎng)由于其瞬時(shí)的超高場(chǎng)強(qiáng)效應(yīng)，能夠與物質(zhì)發(fā)生極端相互作用，產(chǎn)生眾多新奇的效應(yīng)，為物理化學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、精密制造等前沿科學(xué)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域帶來了革命性發(fā)展，并已逐漸影響到人們生活的方方面面。超快激光技術(shù)的發(fā)展及其相關(guān)研究長(zhǎng)期引領(lǐng)科學(xué)前沿，相關(guān)研究成果多次獲得諾貝爾獎(jiǎng)，為觀測(cè)極小物體和令人難以置信的超快過程提供了前所未有的技術(shù)手段。例如2018 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，頒發(fā)給了為超快激光技術(shù)領(lǐng)域做出卓越貢獻(xiàn)的科學(xué)家，以表彰他們發(fā)明了一種產(chǎn)生高強(qiáng)度超短光脈沖的方法。超快激光與物質(zhì)的相互作用過程，結(jié)合多體符合動(dòng)量成像譜儀，能夠在原子分子層面揭示物質(zhì)微觀世界的極端動(dòng)力學(xué)過程，包括分子內(nèi)原子核的皮秒到飛秒時(shí)間尺度的振轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以及阿秒時(shí)間尺度的電子隧穿與局域等動(dòng)力學(xué)，這既是量子物理與技術(shù)的核心，也是人們認(rèn)識(shí)自然客觀世界的重要基礎(chǔ)。類似的抽象圖像主要停留在教科書上的理論文字描述，無益于學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的理解和推廣運(yùn)用。而利用虛擬仿真技術(shù)，可真實(shí)展現(xiàn)分子內(nèi)部的超快動(dòng)力學(xué)過程，獲得極端超快演化的動(dòng)態(tài)微觀世界。

3.2 以學(xué)科前沿為導(dǎo)向的專業(yè)教育，可激發(fā)學(xué)生科研興趣與潛力

最新的學(xué)科前沿研究成果如何應(yīng)用到本科課堂教學(xué)，是實(shí)現(xiàn)科教融合和學(xué)生卓越發(fā)展的重要推動(dòng)力，但是這也是大課教學(xué)遇到的難題。開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，合理利用信息化技術(shù)帶來的虛擬實(shí)驗(yàn)室空間、設(shè)備、材料和師資資源，豐富了教學(xué)內(nèi)容，可極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果。本課程設(shè)計(jì)突破前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)科學(xué)儀器、操作人員科研基礎(chǔ)要求高等壁壘，利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠讓廣大學(xué)生體驗(yàn)基于超快激光的分子極端動(dòng)力學(xué)的高端實(shí)驗(yàn)，拓展學(xué)生在超快光學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)等方面的知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的科研興趣和潛力，實(shí)現(xiàn)科教融合的卓越育人理念。

3.3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資源豐富、教學(xué)方法創(chuàng)新、評(píng)價(jià)多元化

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源豐富，教學(xué)方法和評(píng)價(jià)的多元化。例如，實(shí)驗(yàn)講義和實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線討論與教學(xué)評(píng)價(jià)；在教學(xué)方法方面采用“虛”“實(shí)”結(jié)合、線上線下混合的教學(xué)方法，在條件允許的情況下組織學(xué)生進(jìn)入線下實(shí)驗(yàn)室觀摩科研人員開展的前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)，深化線上虛擬仿真教學(xué)的效果；另外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、在線操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、以及課后拓展等方面情況分別進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，最后給出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

4 教學(xué)實(shí)踐與推廣

分子動(dòng)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成熟上線運(yùn)行之后，在本校物理學(xué)專業(yè)的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中使用，并且在非物理專業(yè)的大學(xué)物理課程中推廣。為了了解學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)應(yīng)用情況，選取了物理學(xué)專業(yè)42 名學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查。學(xué)生普遍反映實(shí)驗(yàn)界面非常直觀實(shí)用、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理有趣，符合物理實(shí)驗(yàn)規(guī)律，具有創(chuàng)新性，實(shí)用性，普及性；實(shí)驗(yàn)任務(wù)流程清晰，易學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直觀，增強(qiáng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，能讓更多人了解超快光學(xué)，減少了實(shí)驗(yàn)成本等。

“能夠?qū)Ψ肿觿?dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)有身臨其境的感受，極大提升了對(duì)相關(guān)物理圖像的理解，對(duì)學(xué)生幫助非常大。”

“提升了同學(xué)們的體驗(yàn)獲得感，能夠很好地學(xué)習(xí)到做實(shí)驗(yàn)的整個(gè)流程?！?/p>

“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有助于更好地理解超快激光物理過程和原理，能夠?yàn)橥瑢W(xué)們?cè)谶M(jìn)行實(shí)驗(yàn)前提供一個(gè)訓(xùn)練的平臺(tái)，有助于提升基本實(shí)驗(yàn)技能。”

“非常好的一套系統(tǒng)，讓我了解了冷靶反沖離子電子譜儀的工作原理和超快激光的實(shí)驗(yàn)，仿真度高，操作友善；生動(dòng)形象，基本復(fù)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作，可以提前學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。”

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，97%以上的學(xué)生認(rèn)為本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)改變了教學(xué)模式，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的不足，實(shí)驗(yàn)過程更安全、實(shí)驗(yàn)消耗更節(jié)約、教學(xué)內(nèi)容更直觀、學(xué)習(xí)趣味更濃厚、增強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。

在實(shí)驗(yàn)任務(wù)方面，90%以上的學(xué)生認(rèn)為任務(wù)流程清楚，易學(xué)習(xí)，有趣味性；有多重學(xué)習(xí)模式，可供反復(fù)學(xué)習(xí)，很實(shí)用。

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中對(duì)自身學(xué)習(xí)的影響方面，93%以上的學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)到很多實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)儀器的操作以及注意事項(xiàng)，很大程度上提高了自主學(xué)習(xí)的興趣。

此外，對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容也進(jìn)行了問卷調(diào)查，問卷主要采用李克特量表（Likert scale）（5 分表示完全了解—1 分表示完全不了解）形式，調(diào)查問卷結(jié)果如表1所示。

表1 模擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)查問卷均值、標(biāo)準(zhǔn)差與方差

在模擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生對(duì)超快激光的原理、多體符合動(dòng)量成像譜儀的工作原理、搭建單色激光場(chǎng)的步驟、搭建共線雙色激光場(chǎng)的步驟、對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，并得出相關(guān)的物理圖像了解程度的均值均超過3.8 分，說明本仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)流程清晰，易學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直觀，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)原子分子層面的微觀物理圖像和機(jī)制的理解。

同時(shí)，對(duì)于相關(guān)專業(yè)的低年級(jí)研究生在教學(xué)過程中也進(jìn)行了試用，作為對(duì)前沿基礎(chǔ)領(lǐng)域的可視化教學(xué)的補(bǔ)充。在未來幾年，將本項(xiàng)目逐步向兄弟院校推廣，尤其是面向科研條件比較薄弱的中西部地區(qū)高校，使其物理專業(yè)的學(xué)生能夠收益。與此同時(shí)，在開放的過程中，本分子動(dòng)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)將在不斷地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程中完善內(nèi)容，積累經(jīng)驗(yàn)，提高開放水平和優(yōu)化虛擬仿真系統(tǒng)的性能。

由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有可視化的特點(diǎn)，其在科普教育方面也可以發(fā)揮重要的作用。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的推廣和發(fā)展情況，逐步開發(fā)科普項(xiàng)目產(chǎn)品，依托科普教育基地等平臺(tái)，向科普迷、中小學(xué)生、國內(nèi)外高校人員等開放參觀學(xué)習(xí)。在科普教育活動(dòng)中加入分子動(dòng)力學(xué)成像實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓更多的人了解原子分子光學(xué)的前沿科學(xué)研究進(jìn)展，為提升全民科學(xué)素養(yǎng)貢獻(xiàn)力量。

5 結(jié)語

依托分子動(dòng)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建立了科教融合培養(yǎng)模式下的教學(xué)體系?；谡n程的設(shè)計(jì)，學(xué)生通過自主完成科學(xué)前沿實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，掌握相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)技能，有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力、科研思維能力。通過本項(xiàng)目的實(shí)施，能夠使更多的大學(xué)物理專業(yè)本科生體驗(yàn)超快激光與分子的極端作用過程，觀測(cè)微觀世界的真實(shí)面貌，拓展學(xué)生的知識(shí)廣度和深度，提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣。基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將最前沿的科研成果引入課堂教學(xué)，實(shí)現(xiàn)科教融合，促進(jìn)卓越人才培養(yǎng)。