虚拟仿真实验教学中心的发展历程、建设概况

复旦大学物理虚拟仿真实验教学中心的建设和教学挂靠国家级实验教学示范中心——复旦大学物理教学实验中心。复旦大学应用表面物理国家重点实验室、计算物质科学教育部重点实验室和微纳光子结构教育部重点实验室的强大师资、先进实验设备和丰硕研究成果为虚拟仿真实验教学提供了强有力的支撑,国家基础科学人才培养基地——复旦大学物理学基地在物理人才培养方面的长期探索和丰厚积累为虚拟仿真实验教学的持续发展不断注入新的动力。

复旦大学是国内最早开展物理虚拟仿真实验自主研发和教学实践的高校之一。上世纪九十年代,复旦大学物理学系教师就开始开展计算机辅助教学(CAI)研究:指导高年级本科生自主开发虚拟仿真实验。由学生制作的大量虚拟仿真实验用于支持知识难点的教学:如热力学非平衡体系趋于平衡的时间有多长等等。通过构建合适的物理模型和精确的科学计算,这些虚拟仿真实验借助动画、可任意转动的立体模型等形式将微观过程和结果展现出来,大大促进了学生对难点内容的掌握。钟万蘅老师带领学生开发的“固体物理CAI软件”、“热学CAI软件”、“近代物理多媒体素材库”分别获得全国第三届(2001年)和第四届(2002年)计算机多媒体物理教学研究成果评比特等奖。为此,我们开设了面向本科生的“物理CAI课件设计”和“计算物理模拟实验”两门,专门训练学生自主开发物理虚拟仿真实验,受到学生欢迎,也一直有学生独立完成的虚拟仿真实验投入教学实践。

物理实验中心教师在日常教学中发现:因为缺乏必要的基础知识和相应的训练基础,学生在预习不充分时就开始做实验,不仅实验进度慢,而且不容易掌握实验内容,达不到预期的训练效果,甚至出现因操作失误等导致仪器损坏。为此,在2000年前后,沈元华老师带领团队开发用于帮助学生做好实验预习的虚拟仿真实验,包括“迈克耳孙干涉仪预习 CAI”和“真空系统实验 CAI”等。“真空系统实验 CAI”建立虚拟实验环境中的高真空实验系统,允许学生对各操作单元进行独立操作,并模拟、记录、展示“当前操作”长时间运行的结果;“真空系统实验 CAI”的使用不仅可以让学生了解高真空系统正确的操作流程,提高了高真空实验训练的训练效果,还可以避免因为学生操作不当且未及时纠正,导致真空系统的损坏的问题(高真空系统损坏后,不仅维修费时、费钱,还影响后续同学实验训练的开展)。

物理实验教学中心在2007年获批成为国家级实验教学示范中心以后。2008-2010年,“大学物理实验”、“文科物理(理论与实验)”、“近代物理实验”三门课程先后获批成为国家级精品课程;新建设的“医学物理与实验”、“物理演示实验拓展”两门课程于2012年和2014年先后获批成为上海市精品课程,这些精品课程涵盖了所有开设三年以上的本科生实验课程。2013年,“大学物理实验”、“文科物理(理论与实验)”、“近代物理实验”三门国家级精品课程升级成为国家级精品资源共享课。

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图1:物理教学实验中心开设课程

在实验教学示范中心建设过程中,实验教学团队深刻体会到:影响实验教学效果的首要因素是——学生实验前能否建立“物理模型”,能否把握研究对象、实验系统的关键特性是什么,能否理解实验方法的设计思路,从而明明白白地做实验。为此,实验中心开始尝试在实验课上开展“物理建模”训练,引导学生在开始实验前,先对自己要研究的物理体系、使用的实验设备建立“模型”,并讨论自己所建模型的成立条件和适用范围,然后针对自己的实验内容,讨论自己的“模型”的输出结果会随着输入条件如何发生变化,进而去设计自己的实验方法,并预期在设定的实验条件下,实验现象和结果会是什么。在此过程中,实验教学中心的教师团队在各门课程的教学中制作了大量的教学视频,通过实验原理的介绍,实验关键步骤的阐述,引导学生在预习实验的过程中自主建立“物理模型”;教学视频还向学生强调实验操作的要点、引导学生注意观察实验现象并加强思考,努力实现“让学生明明白白地做实验”,来提高实验训练的效果。

为了进一步提升实验课程的教学效果,实验中心教师在指导学生进行课题探索时,要求学生使用数值计算软件和虚拟仿真软件得出预期结果,并和自己的实验结果作比较,如此进行教学的实验项目包括光栅光谱仪的设计与搭建、克拉尼图形实验和四极杆质谱实验等等。为了帮助学生做好实验预习,实验中心还引进中科大霍剑青老师团队开发的大学物理虚拟仿真教学软件系统,该系统有虚拟仿真实验项目40个,用于支持“基础物理实验”、“物理实验上、下”等课程的修课学生在实验前预习工作;为了帮助选课学生加深对核磁共振原理和成像技术基础的理解,实验中心购入上海纽迈电子科技公司开发的“虚拟核磁共振技术教学及实训系统”。 经过二十余年的开发积累和教学实践,复旦大学物理学系已建成了特色鲜明的虚拟仿真实验教学体系,包括“虚拟仿真实验开发课”、“虚实结合的实验教学”、“医学物理虚拟仿真实验”和“互联网控制实验”四个模块,如下图所示:


图2:物理虚拟仿真实验教学中心的教学体系

  • 专门开设“虚拟仿真实验开发课”,包括“物理CAI课件设计”和“计算物理模拟实验”,专门训练学生如何开发虚拟仿真实验:

“物理CAI课件设计”和“计算物理模拟实验”是我中心的特色课程。“物理CAI课件设计”课要求学生通过实践来学习掌握Photoshop、Flash、DreamWeaver、3DMAX等虚拟仿真课件制作工具和C++、Visual Basic、Delphi、Java等常用编程语言,开发课堂教学演示软件和虚拟仿真实验项目。“计算物理模拟实验”课要求学生基于分子动力学模拟和第一性原理计算,运用计算图像显示技术,针对一个或多个物理知识难点,结合当前凝聚态物理研究前沿,设计虚拟仿真实验,帮助学生了解并领会计算物理基本内涵与技巧,初步掌握计算物理处理实际问题的思路与策略,为训练与提高科研能力打下基础。基于这些课程,学生在独立开发虚拟仿真实验的过程中,对哪些是描述物理体系的关键参数的理解更加深入,物理体系随参数演化的物理图像也更清晰。这些课程都受到学生的普遍欢迎。

  • 在实验课程的日常教学中,引入多款通用的设计、仿真软件,深入开展虚实结合的实验教学新模式:

虚实结合的实验教学除了可以补充实验课程内容上的不足(很难可持续地开展易耗、高成本、高危性质的教学实验),或者帮助学生做好实验前的预习准备,提高实验课的效率,更可以借助自主开发的实际实验和虚拟仿真相结合的实验项目,发挥实验操作训练和虚拟仿真各自的优势,深入挖掘实验现象背后的物理、清晰直观地展示知识难点、详尽地剖析实验技术的精髓,加深学生对实验的理解,让学生在充分理解的基础上做好实验,还能“无成本”地拓宽和加深实验教学的内容,提高实验综合能力培养的水平。我们在实验教学中引入的虚拟仿真软件包括:电路仿真软件MultiSim、OrCAD;光学系统设计仿真软件:TracePro、Zemax;机械3D设计软件:SolidWorks、ProE;电子光学仿真软件:SimIon;多物理场模拟软件:Comsol;荷能离子轰击固体表面的模拟软件:SRIM和Trim-DYN;高能粒子和物质相互作用模拟软件:Geant 4。

  • 自主建设的医学物理模拟实验:为了揭示人体的物理奥秘,利用物理知识开展精确医学诊疗,我们为医学生开设“医学物理与实验”新课程,自主研制了听觉物理、呼吸物理以及血液循环等的虚拟仿真系统投入教学。研制的苹果手机应用软件“Love-Ears”,可以随时随地进行听觉物理相关的虚拟实验;肺呼吸物理仿真模型,可以模拟肺的粘弹性及病理特征,进行肺顺应性曲线的模拟测量;正在建设的血液循环虚拟仿真系统,可以模拟各种心血管疾病形成的物理因素。
  • 自主建设的互联网远程控制实验:“网络控制牛顿环实验”和“网络控制静电实验”允许学生在任何时间通过网络操作实验设备,得到实验结果;在建的“网络控制单摆实验”则允许实时测量重力加速度随海拔和纬度的变化。

在今后的工作中,虚拟仿真实验教学中心将通过全中心师资力量的合理配置和互相协作,来高效率地解决如下课题:

  1. 在不同年级、不同专业学生的实验课上,探索可以借助虚拟仿真技术来解决的关键问题和该技术在特定实验课上的合理使用模式;
  2. 在物理系各个年级学生的物理实验课上,研究虚拟仿真技术在帮助学生快速高效地建立物理模型的过程中能够发挥的作用;
  3. 继续高质量地开发建设虚拟仿真实验项目;
  4. 努力收集开放的虚拟仿真实验教学的网络资源(特别是国外的优秀资源),建立可供国内同行共享的资源库;努力开展国际交流与合作,引入国外师资提高虚拟仿真实验建设的水平,提升虚拟仿真实验教学的效果。

在虚拟仿真实验教学的过程中,教学团队还将自主开发测评工具,比较系统地开展虚拟仿真实验教学效果的研究,以指导实验中心今后的持续发展。

 
vr/history/start.txt · 最后更改: 2015/09/20 16:30 由 xiaole
 
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