虛擬實驗平臺在本科專業課程教學中的應用探討

□李 磊 陳國慶 何躍娟 朱 云 朱 純 聶延光

一、引言

在本科專業課教學中，一般會涉及到一些專業性比較強的儀器設備。這些設備通常價格昂貴、操作復雜，學生冒然地接觸這些設備可能會造成不可預估的損失。如果脫離儀器設備，只進行理論教學，學生又難以將所學的知識與實驗相結合，把握不住重點，不能留下深刻的印象。即使有條件接觸到實驗設備，由于種種擔憂，學生也不敢摸索各參數對實驗結果的影響，對設備的了解處在比較低的層面。因此，如何在理論學習中，以一種可視化、趣味化的方式將設備或者技術呈現出來，加深學生對理論知識和技術、設備的理解，這將是一個非常值得探討的課題。借助計算機模擬技術，建立虛擬實驗平臺，將專業實驗設備搬到課堂上來，是一種行之有效的方法[1]。虛擬實驗平臺是一種互動性的平臺，學生可以嘗試更改設備參數，來發掘這些參數對實驗結果的影響。虛擬實驗平臺也是一種開放性的平臺，教師和學生都可以通過平臺添加新的實驗設備，豐富平臺內容。此外，虛擬實驗平臺也是一種全天候的平臺，將平臺掛在服務器上就可以實現24小時7天的開放，尤其是在智能手機得到廣泛發展的今天，學生可以隨時隨地拿起手機就能做實驗。本文以物理相關專業課程《光譜學》的教學為背景，利用虛擬實驗平臺來展現時間分辨熒光光譜系統。學生可以通過虛擬實驗平臺來了解系統的基本組成以及常規的操作方式，同時還促進了學生對時間相關單光子計數(TCSPC)原理的理解，加深了他們對技術實驗方法的認識。

二、光譜學虛擬實驗平臺界面制作

虛擬實驗平臺是建立在Matlab的GUI模塊之上，如圖1所示，從虛擬實驗平臺上可以直接進入時間分辨熒光光譜系統。進入到時間分辨熒光光譜系統界面內如圖2所示，可以看到系統各部分組成，點擊各部件按鈕就可以看到主要的可調參數。學生可以調節設備參數來觀察實驗結果的變化，從而加深對系統的了解。

圖1 虛擬實驗平臺界面圖2 時間分辨熒光光譜系統界面

三、虛擬實驗平臺在教學中的應用

時間分辨熒光光譜廣泛地應用于基礎研究領域，系統工作主要是基于“時間相關單光子計數(TCSPC)”原理[2]。系統主要由激發光源、樣品室、偏振模塊、單色儀、探測器、單光子計數器和電腦組成。如圖3所示，光源為樣品提供激發光，在實驗中需要根據樣品的特性選擇合適的激發波長。激發光的強弱也會影響到測量結果，如果待測物質發光比較弱，就適當地調高光源功率。光源的重復頻率決定了光譜的采集時間范圍，例如10MHz的重復頻率，其采樣時間窗口在100ns以內。在進行實驗時，激發光通常會選擇偏振光，以便于研究待測物的各向異性。如圖4所示，激發光照到樣品上會激發出熒光，樣品熒光的波長分布一般比較寬，而且熒光強度隨時間有不同的衰減方式，復雜的樣品一般都會呈現出多指數衰減。探測熒光時，一般采用“L”型光路，其目的是避開激發光的干擾。如圖5所示，如果實驗不要求考慮樣品的各項異性，那么需要探測偏振方向與入射方向呈54.7°角的熒光；如果考慮各項異性，就需要分別測量水平偏振和豎直偏振的衰減曲線[3]。從偏振模塊射出的光將進入單色儀中，如圖6所示，單色儀可以選擇探測特定波長下的熒光衰減曲線，并能夠調節狹縫大小以控制照射在探測器上的光強，使得最終的計數頻率不超過光源重復頻率的1%[3]。而探測器一般選用單光子探測器(PMT)，根據測量波長選擇對應型號，如圖7所示。待所有參數設置完畢，點擊“GO”按鈕就會出現如圖8所示的界面。界面中給出了系統的光路，對參數的設置也進行了評價，同時展現出了一副時間分辨熒光光譜的圖片。通過這一套流程下來，學生就能很直觀地掌握系統各部分的操作要領，能夠留下深刻的印象。

圖3 光源界面 圖4 樣品界面

圖5 偏振界面 圖6 單色儀界面

圖7 探測器界面 圖8 系統工作界面

四、結語

專業課程教學需要瞄準學科發展的前沿，關注當前研究的熱門領域和技術。很多學校專業課程的建設會受制于設備經費而進展緩慢。單純的理論教學往往收獲的結果也不盡如人意。近年發展起來的虛擬實驗平臺能夠很大程度地削減這種限制。平臺以一種直觀的方式，詳盡地向學生展現最前沿的技術、設備，增加學習的趣味，降低學習的難度。同時平臺建設的成本低廉，靈活性強，很適合在專業課程教學中進行推廣。