張登玉 陳列尊 黃順 王文煒 王友文

摘要：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。本文構(gòu)建光電類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，特別是三維全矢量光電/電磁波仿真系統(tǒng)。歸納了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特色與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：光電類課程;虛擬仿真實(shí)驗(yàn);教學(xué)體系

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

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，開闊學(xué)生的眼界，同時(shí)增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，擴(kuò)大教學(xué)規(guī)模，提高教學(xué)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)資源以其獨(dú)特的優(yōu)勢，介入實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際問題。如突破實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)儀器、教師資源的有限性，課余還可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來鞏固實(shí)驗(yàn)實(shí)踐得到知識技能。

一、光電類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

針對高校物理學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，光電類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺包含光學(xué)、電學(xué)和電磁學(xué)等共30個(gè)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，可以在網(wǎng)上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。每個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、儀器設(shè)計(jì)性成組件，分別存放在仿真實(shí)驗(yàn)和儀器庫中。實(shí)驗(yàn)環(huán)境界面友好，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)信息豐富，學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)提示信息欄和實(shí)驗(yàn)幫助文檔的指導(dǎo)下順利完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。比如，想要學(xué)習(xí)某個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以在平臺上雙擊實(shí)驗(yàn)名，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)后，首先屏幕上顯示實(shí)驗(yàn)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)主場景，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格、實(shí)驗(yàn)儀器欄、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容欄、實(shí)驗(yàn)提示欄、工具箱、幫助、實(shí)驗(yàn)輔助欄。

實(shí)驗(yàn)幫助文檔融合了實(shí)驗(yàn)簡介、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。在開展模擬操作時(shí)，按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的提示，鼠標(biāo)拖動(dòng)到所選儀器上，從儀器欄到實(shí)驗(yàn)臺上，將實(shí)驗(yàn)臺上多余儀器放回儀器欄，在實(shí)驗(yàn)臺上移動(dòng)儀器至合理的位置，然后儀器之間連線/拆線，鼠標(biāo)移動(dòng)到指定儀器上，在整個(gè)操作過程中，實(shí)驗(yàn)提示欄會(huì)根據(jù)學(xué)生的操作，實(shí)時(shí)提示相關(guān)儀器的名稱、功能、操作方法等提示信息，調(diào)節(jié)儀器，操作錯(cuò)誤，會(huì)提示錯(cuò)誤信息。操作對的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或數(shù)據(jù)，可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入實(shí)驗(yàn)表格，進(jìn)行處理。

整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)操作與真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作沒有不同，直觀生動(dòng)實(shí)驗(yàn)場景，還有及時(shí)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和提示（智能教師）。實(shí)驗(yàn)直觀生動(dòng)形式，實(shí)時(shí)的指導(dǎo)，降低了學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)難度，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和預(yù)習(xí)的效果;學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)還不受時(shí)間、空間限制，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)儀器不足和實(shí)驗(yàn)室開放的困難。虛擬仿真介入實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，使學(xué)生在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)中真正有目的、有針對性地進(jìn)行操作和觀察并獨(dú)立進(jìn)行思考，利用掌握的知識對現(xiàn)象進(jìn)行合理分析討論，解決實(shí)驗(yàn)問題，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的目的。

另外，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，從儀器庫中選擇合適的儀器自主完成實(shí)驗(yàn)，因而具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)性和開放性，為實(shí)現(xiàn)面向大面積學(xué)生開設(shè)設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)，營造開放性學(xué)習(xí)環(huán)境，為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式創(chuàng)造了條件。

仿真實(shí)驗(yàn)平臺的開放，極大降低了學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的難度，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。加強(qiáng)教師對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)監(jiān)督和指導(dǎo)，極大地減輕了教師的工作量。通過仿真實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)的學(xué)生體驗(yàn)到了自主學(xué)習(xí)的樂趣，從而更加積極地參加各種實(shí)踐活動(dòng)和競賽。

二、三維全矢量光電/電磁波仿真系統(tǒng)

該系統(tǒng)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(xué)生的研究性學(xué)習(xí)。該仿真系統(tǒng)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(xiàn)象，并揭示其內(nèi)在規(guī)律和機(jī)制，是光電/電磁器件設(shè)計(jì)和優(yōu)化、科學(xué)研究和教學(xué)等領(lǐng)域的必備工具。且系統(tǒng)考慮真實(shí)材料的性質(zhì)，在色散模型、增益模型和各向異性模型上做了很大的創(chuàng)新，保證了模擬仿真結(jié)果真實(shí)的物理本質(zhì)和數(shù)值穩(wěn)定性。該仿真系統(tǒng)中的快速原型設(shè)計(jì)與高度精確的模擬功能減少了真實(shí)設(shè)計(jì)研究實(shí)驗(yàn)對昂貴實(shí)驗(yàn)原型試制的消耗，可更快地評估設(shè)計(jì)理念，極大地降低產(chǎn)品研發(fā)成本。該軟件主要功能如下。

（一）設(shè)計(jì)與優(yōu)化功能

光柵設(shè)計(jì)與優(yōu)化：具有透射率/反射率計(jì)算，衍射性能分析等。波導(dǎo)及光子晶體設(shè)計(jì)與優(yōu)化：能實(shí)現(xiàn)本征模式/傳播模式計(jì)算、等效折射率計(jì)算、截止頻率計(jì)算、色散分析等。無源器件設(shè)計(jì)與優(yōu)化：分束器、干涉儀、耦合器等仿真和計(jì)算。激光器設(shè)計(jì)與優(yōu)化：諧振腔設(shè)計(jì)、模式競爭分析、相干性分析、噪聲分析等。光電邏輯器件設(shè)計(jì)與優(yōu)化：實(shí)現(xiàn)光開關(guān)設(shè)計(jì)、邏輯門設(shè)計(jì)、雙穩(wěn)態(tài)計(jì)算等。軟件智能化：智能網(wǎng)格剖分、智能向?qū)А?shù)據(jù)后處理模塊等。這些虛擬功能減少了光學(xué)器件、電子器件的損壞和消耗，降低產(chǎn)品研發(fā)成本。

（二）研究內(nèi)容

金屬表面等離激元的超強(qiáng)透射效應(yīng)，局域表面等離激元場強(qiáng)局域和場增強(qiáng)效應(yīng)，金屬光柵衍射、金屬納米粒子電磁共振效應(yīng)、光的非線性效應(yīng)、特異材料、負(fù)折射、電磁隱身、納米光子器件（金屬納米波導(dǎo)、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(xué)、表面等離激元光學(xué)和近場光學(xué)等領(lǐng)域研究內(nèi)容。

（三）參數(shù)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(dǎo)體邊界條件等常用邊界條件;點(diǎn)光源、理想平面波和高斯光束等光源，可計(jì)算斜入射和垂直入射等情況;一維、二維或三維周期結(jié)構(gòu)和非周期結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu);普通電介質(zhì)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(jīng)典文獻(xiàn)提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）、Kerr非線性介質(zhì)、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(fù)折射材料、理想導(dǎo)體、半導(dǎo)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(shù)保證虛擬系統(tǒng)研究范圍的廣泛性，同時(shí)也保證了模擬仿真結(jié)果真實(shí)的物理本質(zhì)和數(shù)值穩(wěn)定性。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的特色與創(chuàng)新

打造中小學(xué)物理教育創(chuàng)新特色。中心依托基礎(chǔ)物理省級基礎(chǔ)課教學(xué)示范實(shí)驗(yàn)室教學(xué)力量，秉承國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)理念，精選與中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容緊密聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，建立仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生的學(xué)習(xí)直接為將來的教師職業(yè)服務(wù)，同時(shí)也為一線教學(xué)和廣大中學(xué)生朋友提供優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)資源，使學(xué)生能及時(shí)了解物理科學(xué)的前沿，學(xué)習(xí)使用信息技術(shù)為學(xué)習(xí)、教學(xué)服務(wù)。中心將把中學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)向教育實(shí)習(xí)學(xué)校、教師教育區(qū)域聯(lián)盟學(xué)校、物理實(shí)驗(yàn)條件薄弱的學(xué)校推廣，達(dá)到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享的目標(biāo)。

低成本、高效率擴(kuò)充電子信息實(shí)驗(yàn)資源。逐步完成光電子信息類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方式解決：在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺開展基本型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的預(yù)操作，降低了實(shí)物實(shí)驗(yàn)的損耗及失敗率;綜合型、創(chuàng)新型、不易現(xiàn)場實(shí)施的實(shí)驗(yàn)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)里可以不斷修正、重組、創(chuàng)新，滿足了實(shí)驗(yàn)的靈活性和實(shí)驗(yàn)效率的要求，同時(shí)也減少了實(shí)驗(yàn)的成本和資源消耗。待建設(shè)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)具有良好的可擴(kuò)充性，可充分利用構(gòu)件和Web服務(wù)技術(shù)的優(yōu)勢，快速增加新的虛擬設(shè)備而不用修改平臺代碼，用戶亦可以根據(jù)自身需求自行在平臺中添加相應(yīng)的虛擬設(shè)備。

全方位、智能化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理。平臺實(shí)現(xiàn)了各類實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)籌安排，提供了全方位的網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程管理。實(shí)驗(yàn)全流程包括：實(shí)驗(yàn)安排與選課，實(shí)驗(yàn)前的相關(guān)知識輔助學(xué)習(xí)與測試，各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺便捷跳轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)過程的智能答疑與智能指導(dǎo)，虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)批改，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的在線填寫與管理，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評估與分析等。系統(tǒng)采集學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的各類行為數(shù)據(jù)，為實(shí)驗(yàn)者提供個(gè)性化、針對性更強(qiáng)的知識學(xué)習(xí)指導(dǎo)和學(xué)習(xí)評估報(bào)告。通過數(shù)據(jù)分析更加豐富、翔實(shí)、客觀地展示學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)各環(huán)節(jié)的參與情況，從而為科學(xué)地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)評估及教學(xué)改革提供了數(shù)據(jù)支持，同時(shí)大大減輕了實(shí)驗(yàn)管理員和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的工作負(fù)擔(dān)。

開放的個(gè)性化學(xué)習(xí)平臺。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)使遠(yuǎn)程的教師和學(xué)生不必集中到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，他們在任何時(shí)間、任何地方都可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入虛擬仿真平臺，更為便利地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)和教學(xué)指導(dǎo)，擴(kuò)充了實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間，還可以使大面積的因材施教的個(gè)性化教學(xué)變成可能。學(xué)生可以根據(jù)自己的能力和學(xué)習(xí)興趣選擇在同一個(gè)時(shí)間學(xué)習(xí)不同的內(nèi)容。學(xué)生操作不當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給予相應(yīng)的提示，在遇到問題時(shí)可通過在線指導(dǎo)功能，向老師或其他同學(xué)請求指導(dǎo)，老師也可以通過平臺給所有在線的學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)的流程;虛擬實(shí)驗(yàn)沒有儀器和耗材的消耗也使學(xué)生敢于嘗試自己的思路而不拘泥于課本知識來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而拓展其思維，啟發(fā)創(chuàng)新。