物理專業光電類課程虛擬仿真實驗教學體系的構建

張登玉 陳列尊 黃順 王文煒 王友文

摘要：虛擬仿真實驗教學能彌補傳統實驗教學的不足。本文構建光電類課程虛擬仿真實驗教學體系，特別是三維全矢量光電/電磁波仿真系統。歸納了虛擬仿真實驗教學的特色與創新。

關鍵詞：光電類課程;虛擬仿真實驗;教學體系

中圖分類號：G642 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）47-0245-02

虛擬仿真實驗教學能大大提高學生的學習興趣，加深學生對理論知識的理解，提高學生的實踐能力，開闊學生的眼界，同時增加實驗項目，擴大教學規模，提高教學效果。虛擬實驗資源以其獨特的優勢，介入實驗教學體系，彌補了傳統實驗教學的不足，解決了傳統實驗教學的實際問題。如突破實驗場地、實驗儀器、教師資源的有限性，課余還可以通過虛擬仿真實驗來鞏固實驗實踐得到知識技能。

一、光電類課程虛擬仿真實驗教學體系

針對高校物理學專業實驗課程，光電類課程虛擬仿真實驗教學平臺包含光學、電學和電磁學等共30個基礎物理實驗項目。該虛擬實驗教學平臺，可以在網上進行模擬實驗。每個虛擬仿真實驗項目都模擬真實的實驗環境，將實驗內容、儀器設計性成組件，分別存放在仿真實驗和儀器庫中。實驗環境界面友好，實驗指導信息豐富，學生可在實驗提示信息欄和實驗幫助文檔的指導下順利完成實驗內容。比如，想要學習某個實驗，可以在平臺上雙擊實驗名，運行實驗后，首先屏幕上顯示實驗環境的實驗主場景，實驗數據表格、實驗儀器欄、實驗內容欄、實驗提示欄、工具箱、幫助、實驗輔助欄。

實驗幫助文檔融合了實驗簡介、實驗原理、實驗儀器、實驗內容和實驗指導。在開展模擬操作時，按照實驗內容的提示，鼠標拖動到所選儀器上，從儀器欄到實驗臺上，將實驗臺上多余儀器放回儀器欄，在實驗臺上移動儀器至合理的位置，然后儀器之間連線/拆線，鼠標移動到指定儀器上，在整個操作過程中，實驗提示欄會根據學生的操作，實時提示相關儀器的名稱、功能、操作方法等提示信息，調節儀器，操作錯誤，會提示錯誤信息。操作對的時候會出現相應的實驗現象或數據，可以將實驗數據填入實驗表格，進行處理。

整個仿真實驗操作與真實實驗操作沒有不同，直觀生動實驗場景，還有及時的實驗指導和提示（智能教師）。實驗直觀生動形式，實時的指導，降低了學生預習實驗的學習難度，提高了學生的學習興趣和預習的效果;學生進行仿真實驗學習還不受時間、空間限制，解決了傳統實驗教學中學生實驗學習中的預習和復習環節的實驗儀器不足和實驗室開放的困難。虛擬仿真介入實驗教學體系，提高了學生實驗學習的基礎，使學生在真實的實驗中真正有目的、有針對性地進行操作和觀察并獨立進行思考，利用掌握的知識對現象進行合理分析討論，解決實驗問題，從而達到實驗教學培養學生理論聯系實際實踐能力和創新能力的目的。

另外，學生可以根據實驗內容自行設計實驗方案，從儀器庫中選擇合適的儀器自主完成實驗，因而具有很強的設計性和開放性，為實現面向大面積學生開設設計性、研究性實驗，營造開放性學習環境，為創新實驗教學模式創造了條件。

仿真實驗平臺的開放，極大降低了學生實驗預習的難度，提高了學生的學習興趣和主動性，提高了實驗教學的效果。加強教師對學生的實驗學習監督和指導，極大地減輕了教師的工作量。通過仿真實驗培訓的學生體驗到了自主學習的樂趣，從而更加積極地參加各種實踐活動和競賽。

二、三維全矢量光電/電磁波仿真系統

該系統是物理研究虛擬仿真平臺的一部分，用于教師的教研科研和學生的研究性學習。該仿真系統可廣泛用于模擬可見光、紅外、微波、電磁波、激光、LED等各種光/電磁現象，并揭示其內在規律和機制，是光電/電磁器件設計和優化、科學研究和教學等領域的必備工具。且系統考慮真實材料的性質，在色散模型、增益模型和各向異性模型上做了很大的創新，保證了模擬仿真結果真實的物理本質和數值穩定性。該仿真系統中的快速原型設計與高度精確的模擬功能減少了真實設計研究實驗對昂貴實驗原型試制的消耗，可更快地評估設計理念，極大地降低產品研發成本。該軟件主要功能如下。

（一）設計與優化功能

光柵設計與優化：具有透射率/反射率計算，衍射性能分析等。波導及光子晶體設計與優化：能實現本征模式/傳播模式計算、等效折射率計算、截止頻率計算、色散分析等。無源器件設計與優化：分束器、干涉儀、耦合器等仿真和計算。激光器設計與優化：諧振腔設計、模式競爭分析、相干性分析、噪聲分析等。光電邏輯器件設計與優化：實現光開關設計、邏輯門設計、雙穩態計算等。軟件智能化：智能網格剖分、智能向導、數據后處理模塊等。這些虛擬功能減少了光學器件、電子器件的損壞和消耗，降低產品研發成本。

（二）研究內容

金屬表面等離激元的超強透射效應，局域表面等離激元場強局域和場增強效應，金屬光柵衍射、金屬納米粒子電磁共振效應、光的非線性效應、特異材料、負折射、電磁隱身、納米光子器件（金屬納米波導、微腔共振等）、表面等離激元激光、光子晶體、微波器件模擬等納米光子學、表面等離激元光學和近場光學等領域研究內容。

（三）參數范圍

可見光到紅外波段（400nm～10μm）、微波波段、太赫茲波段;基于有限差分法或有限元方法，邊界條件中包括周期邊界條件、PML、CPML或UPML以及理想導體邊界條件等常用邊界條件;點光源、理想平面波和高斯光束等光源，可計算斜入射和垂直入射等情況;一維、二維或三維周期結構和非周期結構、準周期結構;普通電介質材料、金銀貴金屬等色散材料（基于Lorentz色散模型或Drude模型或采用經典文獻提供的實驗數據）、Kerr非線性介質、增益材料（二能級、四能級以及一般定義的增益材料）、各向異性材料、負折射材料、理想導體、半導體以及Graphene等;垂直入射和斜入射條件下的透射譜、反射光譜、電場磁場分布、電流分布或能流分布。這些參數保證虛擬系統研究范圍的廣泛性，同時也保證了模擬仿真結果真實的物理本質和數值穩定性。

三、虛擬仿真實驗教學中心的特色與創新

打造中小學物理教育創新特色。中心依托基礎物理省級基礎課教學示范實驗室教學力量，秉承國家級實驗教學示范中心建設理念，精選與中學物理教學內容緊密聯系的實驗教學內容，建立仿真實驗項目，使學生的學習直接為將來的教師職業服務，同時也為一線教學和廣大中學生朋友提供優質的實驗學習資源，使學生能及時了解物理科學的前沿，學習使用信息技術為學習、教學服務。中心將把中學物理虛擬仿真實驗向教育實習學校、教師教育區域聯盟學校、物理實驗條件薄弱的學校推廣，達到虛擬仿真實驗教學資源共享的目標。

低成本、高效率擴充電子信息實驗資源。逐步完成光電子信息類專業的實驗教學體系建設，通過虛擬仿真實驗的方式解決：在虛擬仿真實驗平臺開展基本型和設計型實驗的預操作，降低了實物實驗的損耗及失敗率;綜合型、創新型、不易現場實施的實驗在虛擬仿真實驗里可以不斷修正、重組、創新，滿足了實驗的靈活性和實驗效率的要求，同時也減少了實驗的成本和資源消耗。待建設的虛擬實驗平臺應具有良好的可擴充性，可充分利用構件和Web服務技術的優勢，快速增加新的虛擬設備而不用修改平臺代碼，用戶亦可以根據自身需求自行在平臺中添加相應的虛擬設備。

全方位、智能化的實驗教學管理。平臺實現了各類實驗的統籌安排，提供了全方位的網上實驗教學過程管理。實驗全流程包括：實驗安排與選課，實驗前的相關知識輔助學習與測試，各類實驗教學平臺便捷跳轉，實驗過程的智能答疑與智能指導，虛擬實驗結果的自動批改，實驗報告的在線填寫與管理，實驗教學效果評估與分析等。系統采集學生在實驗過程中的各類行為數據，為實驗者提供個性化、針對性更強的知識學習指導和學習評估報告。通過數據分析更加豐富、翔實、客觀地展示學生在實驗教學各環節的參與情況，從而為科學地開展實驗教學評估及教學改革提供了數據支持，同時大大減輕了實驗管理員和實驗指導教師的工作負擔。

開放的個性化學習平臺。虛擬仿真實驗使遠程的教師和學生不必集中到真實的實驗室進行實物實驗，他們在任何時間、任何地方都可通過網絡進入虛擬仿真平臺，更為便利地進行實驗操作練習和教學指導，擴充了實驗學習的時間和空間，還可以使大面積的因材施教的個性化教學變成可能。學生可以根據自己的能力和學習興趣選擇在同一個時間學習不同的內容。學生操作不當時，系統會給予相應的提示，在遇到問題時可通過在線指導功能，向老師或其他同學請求指導，老師也可以通過平臺給所有在線的學生講解實驗的流程;虛擬實驗沒有儀器和耗材的消耗也使學生敢于嘗試自己的思路而不拘泥于課本知識來進行實驗，從而拓展其思維，啟發創新。