物理虛擬仿真實驗平臺及其課程教學體系的建設實踐*

方 亮 楊俊義 顧 妍 高雷

(蘇州大學物理科學與技術學院 江蘇 蘇州 215006)

(收稿日期：2017-11-29)

為貫徹落實《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》(教高〔2012〕4號)精神[1]，根據《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》，2013 年8 月教育部印發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》(教高司函〔2013〕94 號)[2]，正式啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作．隨后2014年、2015年教育部先后開展了兩次國家級虛擬仿真實驗教學中心的申報工作，迄今已有3批、共300個國家級虛擬仿真實驗教學中心獲批建設[3～5]．其中有4所高校獲批了“物理虛擬仿真實驗教學中心”[6～7]，分別是：中國科學技術大學(2013年)、山東師范大學(2014年)、西南大學(2014年)以及復旦大學(2015年)．

目前全國各省也在積極開展虛擬仿真實驗教學中心或在線開放虛擬仿真實驗教學項目的建設工作．蘇州大學物理實驗教學中心源于東吳大學物理實驗室，2012年成為國家級實驗教學示范中心．近年來，中心依據“秉承傳統，就物論理；立足基礎，注重創新；依托地方，促進學生知識、能力與素質協調發展”的物理實驗教學理念，在深度融合物理學科與信息技術的基礎上，不斷探索物理虛擬仿真實驗平臺及其課程教學體系的建設．

1 物理虛擬仿真實驗平臺的建設方案和組成

實驗在物理教學中占有非常重要的地位，在培養學生的嚴謹科研態度、豐富課程知識、提升創新能力等方面起著至關重要的作用．但在實際實驗教學中，許多物理實驗都涉及高危或極端的環境、不可及或不可逆操作、以及高成本、高消耗的實驗器材，導致書本上的很多理論知識無法與實驗很好地結合．因此開展物理虛擬仿真實驗室建設，將有助于教學資源的拓展，更好地服務于各類教學活動[8～11]．

物理虛擬仿真實驗平臺建設包括硬件平臺和軟件平臺的建設，如圖1所示．硬件平臺的建設主要是固定機房的建設，還包括網絡電腦、移動手機與虛擬仿真軟件的對接．軟件平臺主要分為兩大類，第一大類是與企業合作開發的虛擬仿真實驗項目，包括大學物理實驗仿真模塊和大型儀器設備仿真模塊．對于這兩個仿真模塊的實驗，學生均可以在固定機房或連入校園網的計算機上進行操作，通過仿真軟件對實驗環境的模擬，學生能提前熟悉實驗的原理、儀器設備的組成、操作步驟、數據處理等，從而為課前預習奠定基礎，同時這些虛擬仿真實驗也是課后復習的有益補充．此外通過搭建微信公眾號(SUPVSEC)，將大學物理實驗中較難的實驗分類放入公眾號中，實現實驗項目的移動可視化．在公眾號中的實驗項目不僅有詳細的操作步驟、數據處理、實驗報告等，還有“實物照片”、“微視頻操作步驟”等選項，使學生在做實驗的過程中能夠更加方便、快捷開展自學，更好地掌握實驗內容．

圖1 物理虛擬仿真實驗平臺的建設

第二大類是教師自主開發的虛擬仿真實驗項目，包括光學、電磁學、電動力學、固體物理4個仿真實驗模塊．由于物理學專業的許多課程偏重于理論知識，缺乏一些直觀的實驗，容易出現課堂上很多內容難以透徹理解的問題．而現在應用廣泛的多種商用軟件，能將物理學理論知識和計算機相結合，通過強大的計算能力和細致的視覺后處理技術，將物理學課程中的很多理論知識通過形象的圖片或動畫展示出來，從而可以加深學生對理論的理解．

例如在固體物理教學中，在講解能帶結構時，可以利用VASP第一性原理計算軟件，建立Si的能帶結構示意圖，并讓學生通過改變Si的晶格常數，可以直觀地觀察能帶變化過程．又如在磁性物理教學中，通過OOMMF 微磁學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(如各向異性磁能，飽和磁化強度，DM相互作用強度等)變化時，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．同時鼓勵教師自主開發與自己科研相關的虛擬仿真實驗項目時，使科研成果反哺教學，有助于學生了解在相關科研領域的最新研究進展，提高學生主動學習基礎知識的興趣．

2 物理虛擬仿真類課程教學體系的設計

虛擬仿真實驗項目如何更好地發揮其作用，培養本科生創新思維也是在建設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驗項目均結合到相關課程的教學計劃中，并與在線課程群建設、大學生創新創業訓練計劃項目等聯動．以72課時的電動力學課程為例，整個虛擬仿真實驗教學過程分為3個階段，第一階段為軟件操作訓練階段，第二階段為實驗項目完成階段．第三階段為實驗項目講評階段．

首先通過完善教學內容，為虛擬仿真實驗項目調整出了8課時的第一階段教學時間，并要求學生安排一定時間的課后訓練．在這一階段中，授課教師會對所使用的Comsol多物理場仿真軟件進行介紹，并結合具體的案例進行加強訓練．授課教師將協助解決學生在建模過程中遇到的問題，幫助學生盡快熟悉軟件的操作．目的是讓學生熟悉軟件的基本架構、操作使用步驟，要求學生達到初級的軟件操作水平．授課教師給定訓練的實驗項目將作為課后作業，學生完成后計入平時成績中．

在第二階段中，授課教師會有2課時的實驗項目總體介紹，項目的完成主要依靠學生的課后時間，師生之間的溝通更多的是通過互聯網進行．該階段的目的是學生利用已經熟悉的仿真軟件來解決某個具體的科研問題．在這一階段，授課教師首先根據自己或他人的科研成果，制定出10～15個科研項目，這也是整個實驗教學中最關鍵的一個環節．因為如果實驗項目過難、會導致大部分學生無法完成實驗任務．而實驗項目過于簡單，又不能很好地體現知識點．其次以學生自愿組合為主、教師指定為輔的原則，學生形成多個小組來完成實驗任務，一般一組4～5人，不同實驗小組選擇不同的實驗項目．在這一教學環節中，教師要掌握各小組的人員配置、實驗項目進展并靈活調整實驗項目，以確保所有學生能完成實驗項目．

第三階段為4課時的實驗項目講評，這個環節要求各個實驗小組將自己的實驗結果在課堂上進行闡述，其他小組對其構建的仿真模型進行點評．通過這一環節，可以讓學生能夠熟悉所有的實驗項目，并且吸取經驗，優化自己的實驗項目．對于部分虛擬仿真模塊還可以開展后期的“虛實結合”實驗，授課教師從所有實驗項目中挑選出1～2個優秀的項目，并帶領學生進入實驗室完成實際實驗，以檢驗仿真實驗的正確性．

3 虛擬仿真實驗平臺建設中存在的問題

雖然虛擬仿真實驗平臺的建設已取得一些成效，但還存在一些需要解決的問題．比如目前我校虛擬仿真實驗是作為課程教學的一部分，壓縮了原有的書本教學課時，勢必導致教學內容有所調整．雖然我們已經初步嘗試了虛擬仿真系統移植到移動手機終端，但目前還不能實現在手機或其他智能終端上操作實驗．一旦可以實現，將方便學生和教師的使用，做到隨時隨地做實驗，進一步提高實驗教學的開放性．此外及時開發和更新一些虛擬仿真實驗項目，與目前課程教學內容或實驗教學設備同步，也是長期建設中所需要一直解決的問題．

4 結語

計算機仿真技術已廣泛應用于學校的教學中，隨著信息技術的進一步發展，作為傳統實驗教學的有益補充，虛擬仿真實驗教學已經成為加強實踐教學、提高教學質量的重要手段．本著虛實結合、相互補充、能實不虛的原則，對虛擬仿真實驗資源進行優化配置和合理使用，使其更好地服務于學生的自主學習，順應國家創新人才培養的精神．