虛實(shí)結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

樂(lè)永康，龔新高，蘇衛(wèi)鋒，呂景林，冀 敏

(復(fù)旦大學(xué) 物理學(xué)系，上海 200433)

虛實(shí)結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

樂(lè)永康，龔新高，蘇衛(wèi)鋒，呂景林，冀 敏

(復(fù)旦大學(xué) 物理學(xué)系，上海 200433)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何借助虛擬仿真技術(shù)有效地提升教學(xué)效果，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)界普遍關(guān)注的課題. 本文結(jié)合自主開(kāi)發(fā)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，介紹我校開(kāi)展虛實(shí)結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理念和實(shí)踐——一種既實(shí)又虛的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式：在不削弱現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，特別是其中的難點(diǎn)，有更深入、更全面的理解，以期學(xué)生能掌握實(shí)驗(yàn)背后的物理及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路等.

虛擬仿真技術(shù)；虛實(shí)結(jié)合；教學(xué)模式；教學(xué)效果

“教育部辦公廳關(guān)于開(kāi)展2015年國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知”[1]明確要求“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能. 在涉及高?；驑O端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時(shí)，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.”對(duì)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的建設(shè)原則，不少同行理解為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要是替代或補(bǔ)充實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，進(jìn)而開(kāi)始懷疑：削弱現(xiàn)行的實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果還能保證嗎？本已有較明顯不足的學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ欠駮?huì)進(jìn)一步弱化？還能支持他們的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展嗎？這或許是近幾年獲批成立的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心中，工程類(lèi)和實(shí)訓(xùn)類(lèi)明顯占優(yōu)勢(shì)，而基礎(chǔ)學(xué)科類(lèi)明顯偏少的一個(gè)原因[2-4]. 然而，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)不明顯少于國(guó)外高校且已經(jīng)比較系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰€存在較大的提高空間，現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練在課程設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)踐的某些環(huán)節(jié)應(yīng)該存在著亟需改進(jìn)和優(yōu)化之處. 如此，我們不妨從另一個(gè)角度來(lái)理解虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)原則：能否在現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的基礎(chǔ)上，充分挖掘虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，嘗試去解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的深度、廣度上，以及對(duì)學(xué)生能力發(fā)展的促進(jìn)作用等方面的不足？很顯然，這需要“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既實(shí)又虛——基于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不僅僅是幫助學(xué)生預(yù)習(xí)，更重要的是幫助學(xué)生提高對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解和掌握，進(jìn)而改善實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的效果，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)綜合能力.

本文將結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)案例，介紹復(fù)旦大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的建設(shè)理念和教學(xué)實(shí)踐：既實(shí)又虛的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式.

1 復(fù)旦大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)歷程和現(xiàn)有課程體系

上世紀(jì)90年代，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系在全國(guó)較早開(kāi)展計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)研究[5-6]，鐘萬(wàn)蘅老師帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)編制固體物理、統(tǒng)計(jì)物理、近代物理等課程內(nèi)容的虛擬仿真軟件，將氣體擴(kuò)散、晶格振動(dòng)模式、斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)等學(xué)生較難理解的內(nèi)容通過(guò)科學(xué)的計(jì)算，以動(dòng)畫(huà)、可任意轉(zhuǎn)動(dòng)的立體模型等形式展現(xiàn)出來(lái)，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)這些內(nèi)容的掌握. 鐘萬(wàn)蘅老師的團(tuán)隊(duì)制作的教學(xué)軟件在全國(guó)評(píng)比中多次獲獎(jiǎng). 在此之后，專(zhuān)門(mén)開(kāi)設(shè)的“物理CAI課件設(shè)計(jì)”一直是我校的特色課程，該課程要求學(xué)生通過(guò)實(shí)踐來(lái)學(xué)習(xí)、掌握Photoshop,Flash,DreamWeaver,3DMAX等虛擬仿真課件制作工具和C++,Visual Basic,Delphi,Java等常用編程語(yǔ)言，不僅能夠經(jīng)常開(kāi)發(fā)制作一些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和課堂教學(xué)演示軟件，還能鍛煉學(xué)生的計(jì)算機(jī)使用能力，特別是在制作軟件的過(guò)程中，所討論問(wèn)題的物理圖像會(huì)更加清晰. 在2000年前后，沈元華老師帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)用于幫助學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，包括“邁克耳孫干涉儀預(yù)習(xí)CAI”和“真空系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)CAI”. “邁克耳孫干涉儀預(yù)習(xí)CAI” 通過(guò)錄像、動(dòng)畫(huà)等多媒體手段，對(duì)實(shí)驗(yàn)的原理、儀器的構(gòu)造和調(diào)節(jié)方法等作了較為詳細(xì)的介紹，幫助學(xué)生更高效地做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的效率和對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握. “真空系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)CAI”建立虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的高真空實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為各真空部件和操作單元設(shè)計(jì)獨(dú)立的狀態(tài)表及相互聯(lián)系，允許學(xué)生對(duì)各操作單元進(jìn)行獨(dú)立操作，并模擬、記錄、展示“當(dāng)前操作”長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的結(jié)果，該軟件可以讓學(xué)生了解正常的操作流程，明白各種錯(cuò)誤操作會(huì)導(dǎo)致的儀器損壞，并掌握如何通過(guò)監(jiān)測(cè)儀表等及時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的錯(cuò)誤操作，以便及時(shí)糾正. “真空系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) CAI”教學(xué)軟件的使用不但提高了高真空實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練效果，還可以避免因?yàn)閷W(xué)生操作不當(dāng)而不及時(shí)糾正導(dǎo)致真空系統(tǒng)的損壞.

經(jīng)過(guò)二十余年的開(kāi)發(fā)積累和教學(xué)實(shí)踐，我們已建成了特色鮮明的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，包括“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)課”、“虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)”、“醫(yī)學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”和“互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)”4個(gè)模塊，課程體系框架如圖1所示.

圖1 物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程體系[7]

1.1 專(zhuān)門(mén)開(kāi)設(shè)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)課”

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課包括“物理CAI課件設(shè)計(jì)”和“計(jì)算物理模擬實(shí)驗(yàn)”，訓(xùn)練學(xué)生自主開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的能力. 該課程要求學(xué)生基于分子動(dòng)力學(xué)模擬和第一性原理計(jì)算，運(yùn)用計(jì)算圖像顯示技術(shù)，針對(duì)1個(gè)或多個(gè)物理知識(shí)難點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前凝聚態(tài)物理研究前沿，設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生了解并領(lǐng)會(huì)計(jì)算物理基本內(nèi)涵與技巧，初步掌握計(jì)算物理處理實(shí)際問(wèn)題的思路與策略，為訓(xùn)練與提高科研能力打下基礎(chǔ). 基于這些課程，在獨(dú)立開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生能較好地掌握如何構(gòu)建物理模型，對(duì)描述物理體系的關(guān)鍵參量的理解更加深入，物理體系隨參量化過(guò)程的物理圖像也更清晰. 這些課程受到學(xué)生的普遍歡迎.

1.2 在實(shí)驗(yàn)課程的日常教學(xué)中，引入多款通用的設(shè)計(jì)、仿真軟件，深入開(kāi)展虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式

虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)除了可以補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容上的不足(很難可持續(xù)地開(kāi)展易耗、高成本、高危性質(zhì)的教學(xué)實(shí)驗(yàn))，或者幫助學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，提高實(shí)驗(yàn)課的效率，更可以借助自主開(kāi)發(fā)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練和虛擬仿真各自的優(yōu)勢(shì)，深入挖掘?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象背后的物理實(shí)質(zhì)，直觀地展示知識(shí)難點(diǎn)，詳盡地剖析實(shí)驗(yàn)技術(shù)的精髓，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，讓學(xué)生在充分理解的基礎(chǔ)上做好實(shí)驗(yàn)，還能“無(wú)成本”地拓寬和加深實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，提高實(shí)驗(yàn)綜合能力培養(yǎng)的水平. 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入的虛擬仿真軟件包括：電路仿真軟件MultiSim和OrCAD；光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真軟件TracePro和Zemax；機(jī)械3D設(shè)計(jì)軟件SolidWorks、ProE；電子光學(xué)仿真軟件SimIon；多物理場(chǎng)模擬軟件Comsol；荷能離子轟擊固體表面的模擬軟件SRIM和Trim-DYN；高能粒子和物質(zhì)相互作用模擬軟件Geant 4.

1.3 自主建設(shè)的醫(yī)學(xué)物理模擬實(shí)驗(yàn)

為了揭示人體的物理奧秘，利用物理知識(shí)開(kāi)展精確醫(yī)學(xué)診療，為醫(yī)學(xué)生開(kāi)設(shè)“醫(yī)學(xué)物理與實(shí)驗(yàn)”新課程，自主研制了聽(tīng)覺(jué)物理、呼吸物理以及血液循環(huán)等虛擬仿真系統(tǒng). 研制的蘋(píng)果手機(jī)應(yīng)用軟件“Love-Ears”，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行與聽(tīng)覺(jué)物理相關(guān)的虛擬實(shí)驗(yàn)；肺呼吸物理仿真模型可以模擬肺的粘彈性及病理特征，進(jìn)行肺順應(yīng)性曲線的模擬測(cè)量[8]；正在建設(shè)的血液循環(huán)虛擬仿真系統(tǒng)，可以模擬各種心血管疾病形成的物理因素.

1.4 自主建設(shè)的互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)

“網(wǎng)絡(luò)控制牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)”和“網(wǎng)絡(luò)控制靜電實(shí)驗(yàn)”允許學(xué)生在任何時(shí)間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果；在建的“網(wǎng)絡(luò)控制單擺實(shí)驗(yàn)”則允許實(shí)時(shí)測(cè)量重力加速度隨海拔和緯度的變化.

2 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

2.1 積木式光柵光譜儀的設(shè)計(jì)與搭建實(shí)驗(yàn)

光柵光譜儀是使用非常廣泛的科學(xué)儀器[9-11]，我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中也有多個(gè)與光柵光譜儀相關(guān)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括“光柵光譜儀的應(yīng)用”和“氫光譜與類(lèi)氫光譜實(shí)驗(yàn)”，但學(xué)生對(duì)光柵光譜儀的結(jié)構(gòu)如何、分辨率與信噪比跟哪些因素有關(guān)等內(nèi)容掌握得不深入、不全面，而在二維平面上光學(xué)元件調(diào)節(jié)技能方面的欠缺更是明顯；為此，我們專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了虛實(shí)結(jié)合的“積木式光柵光譜儀的設(shè)計(jì)與搭建實(shí)驗(yàn)”.

實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生借助TracePro、Zemax等光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，選擇光學(xué)元器件，設(shè)計(jì)、搭建、調(diào)試滿足自己需求的光柵光譜儀(如：波長(zhǎng)分辨率優(yōu)于1 nm等). 學(xué)生在確定光譜儀性能指標(biāo)后，在TracePro、Zemax等光學(xué)工程設(shè)計(jì)軟中建立光柵光譜儀的模型，然后調(diào)節(jié)模型中各元件的參量設(shè)置，設(shè)定輸入條件，得到模擬的光路圖，然后根據(jù)自己的需要，對(duì)模型中各元件的參量(包括會(huì)聚透鏡的面積、光柵的光柵常量以及它們的空間參量)設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，得到趨近于自己的設(shè)計(jì)目標(biāo)的光譜結(jié)果. 圖2是學(xué)生在Zemax軟件上設(shè)計(jì)光柵光譜儀時(shí)的屏幕截圖.

圖2 在Zemax軟件中建立的光柵光譜儀原理圖

基于自己設(shè)計(jì)的模型，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室選擇相應(yīng)的光學(xué)元件，在光學(xué)平臺(tái)上搭建光譜儀，比較自己的光譜儀的輸出結(jié)果和軟件模擬的結(jié)果；再利用設(shè)計(jì)軟件對(duì)光譜儀的參量設(shè)置進(jìn)行嘗試性調(diào)節(jié)，以尋找實(shí)際光譜儀輸出結(jié)果與模擬結(jié)果之間產(chǎn)生差異的原因，進(jìn)而高效地完成光譜儀的調(diào)節(jié)和性能優(yōu)化，完成滿足自己設(shè)定指標(biāo)的光柵光譜儀. 圖3是學(xué)生搭建的光柵光譜儀的實(shí)物圖.

圖3 學(xué)生用實(shí)驗(yàn)室提供的光學(xué)元件搭建的光柵光譜儀

本實(shí)驗(yàn)不僅能加深學(xué)生對(duì)柵光譜儀工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理解，還能提高學(xué)生的光學(xué)元件多自由度調(diào)節(jié)方面的技能，并拓寬光柵光譜儀的應(yīng)用能力.

2.2 克拉尼圖形實(shí)驗(yàn)

共振是日常生活和科學(xué)研究中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象，其數(shù)學(xué)描述比較復(fù)雜，特別是實(shí)際體系較為復(fù)雜的邊界條件往往使波動(dòng)方程的數(shù)學(xué)求解變得很困難，甚至無(wú)法得出解析解，而解析解往往也是用特殊函數(shù)表達(dá)，很不直觀，學(xué)生很難建立數(shù)學(xué)解與實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而影響對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握，用方形薄板和三角形薄板演示克拉尼圖形就存在這樣的問(wèn)題[12-13]. 為此，開(kāi)發(fā)了虛實(shí)結(jié)合的“克拉尼圖形”實(shí)驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生首先用壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)金屬薄圓盤(pán)，借助細(xì)沙粒得到薄圓盤(pán)在不同頻率下的共振模式. 然后嘗試給出其數(shù)學(xué)解，并在Comsol軟件中建立二維圓盤(pán)的模型，得到其共振模式，比較并分析實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果、解析解之間的異同，進(jìn)而利用模擬軟件研究圓盤(pán)參量(如材料、大小、厚度等)變化時(shí)，圓盤(pán)共振頻率和共振模式如何變化.

圖4(a)顯示了直徑600 mm、厚度為3 mm的薄鋁盤(pán)在某一頻率信號(hào)驅(qū)動(dòng)下顯示的克拉尼圖形. 當(dāng)圓盤(pán)處于某種共振模式時(shí)，灑在圓盤(pán)上的細(xì)沙最后聚集到圓盤(pán)振幅最小的區(qū)域，構(gòu)成規(guī)則的克拉尼圖形. 在出現(xiàn)這些圖形之前，或者驅(qū)動(dòng)頻率改變使圓盤(pán)的共振從一種模式轉(zhuǎn)向另一種模式時(shí)，學(xué)生能看到“沙子如何整齊劃一地在圓盤(pán)上跳舞”構(gòu)成規(guī)則圖形. 圖4(b)通過(guò)Comsol模擬得到的圓盤(pán)上振幅小于最大振幅的10%區(qū)域(深色區(qū)).

圖5(a)是上述實(shí)驗(yàn)條件下薄圓盤(pán)駐波解給出的振幅為零的節(jié)點(diǎn)分布，圖5(b)則是實(shí)際振動(dòng)的圖像. 需要注意：振動(dòng)幅度與圓盤(pán)直徑的顯示比例不同. 圖5中2幅圖中的最外圈黑線都表示圓盤(pán)的邊界.

這一實(shí)驗(yàn)不僅可以讓學(xué)生更清晰地“看到”克拉尼圖形背后的數(shù)學(xué)，還能向?qū)W生直觀地演示波動(dòng)方程解析解中的特殊函數(shù).

(a)實(shí)驗(yàn)圖形 (b)Comsol模擬圖4 薄圓盤(pán)的克拉尼圖形

(a)節(jié)點(diǎn)分布 (b)實(shí)際振動(dòng)模式圖5 與圖4對(duì)應(yīng)的二維薄圓盤(pán)駐波解析解給出的振幅為零的節(jié)點(diǎn)分布和實(shí)際振動(dòng)模式

3 總結(jié)和展望

虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以讓學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的物理實(shí)質(zhì)，從而明明白白地做實(shí)驗(yàn)，而不是機(jī)械地參考實(shí)驗(yàn)講義完成實(shí)驗(yàn). 虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的合理使用，可以幫助學(xué)生自主建立物理模型，把握研究對(duì)象、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，理解實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)思路，學(xué)習(xí)合理地評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有望明顯改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果. 2015年，我們申報(bào)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心獲得批準(zhǔn). 在今后的建設(shè)過(guò)程中，我們將建設(shè)更多的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，更全面地實(shí)踐“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，為切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^續(xù)探索.

[1] 教育部辦公廳關(guān)于開(kāi)展2015年國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[EB/OL].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201506/t20150618_190671.html.

[2] 教育部公示首批100所國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心入選名單[EB/OL]. http://www.gdi.com.cn/?p=3091#.

[3] 教育部辦公廳關(guān)于批準(zhǔn)清華大學(xué)數(shù)字化制造系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的通知[EB/OL]. http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201501/t20150109_189310.html.

[4] 教育部辦公廳關(guān)于批準(zhǔn)北京大學(xué)考古虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的通知[EB/OL]. http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201602/t20160219_229805.html.

[5] 鐘萬(wàn)蘅，申文俊. 固體物理學(xué)CAI課件簡(jiǎn)介[J]. 大學(xué)物理,1999，18(3)：36-37.

[6] 鐘萬(wàn)蘅，李洪方，張軍鷹，等. 熱學(xué)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件簡(jiǎn)介[J]. 物理與工程，2004,14(1)：53-54.

[7] 國(guó)家級(jí)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站：http://phylab.fudan.edu.cn/doku.php?id=vr:start.

[8] 冀敏，蘇衛(wèi)鋒，李?lèi)?ài)萍，等. 肺呼吸物理模型測(cè)量肺順應(yīng)性的教學(xué)實(shí)驗(yàn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2014,34(1):22-26.

[9] 劉亞青,范品忠,徐至展. 平焦場(chǎng)光柵光譜儀的新用法[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2000,20(7)：879-882.

[10] 亓洪興,陳木旺,呂剛. 基于光柵光譜儀的激光誘導(dǎo)等離子體光譜探測(cè)技術(shù)研究[J]. 激光雜志，2006,27(4):29-30.

[11] 陳思，柯福順，樂(lè)永康. 光柵光譜儀的標(biāo)定[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2012,32(3):44-46.

[12] 呼格吉樂(lè),邱為鋼. 振動(dòng)模式的可視化[J]. 大學(xué)物理，2010,29(6)：40-42.

[13] 方奕忠，王鋼，沈韓，等. 方形薄板二維駐波的研究[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2014,34(1):33-36.

[責(zé)任編輯：任德香]

Physics experiment teaching integrated with virtual-reality technology

LE Yong-kang, GONG Xin-gao, SU Wei-feng, LJing-lin, JI Min

(Department of Physics, Fudan University, Shanghai 200433, China)

With the help of virtual-reality technology, how can the outcome of lab training be significantly improved? This has been a recent hot topic in the community. Based on several independently developed projects, we reported on the philosophy and practice of the virtual-reality integrated physics teaching labs in our university. Benefiting from the powerful features of virtual-reality, we could reveal the underlying physics related to the labs to our students, especially those proved previously to be difficult for students. This new model of lab training may lead to improved and more satisfactory teaching outcomes.

virtual-reality technology; virtual-reality integrated teaching; teaching model; teaching outcome

2016-09-08

樂(lè)永康(1973-)，男，浙江舟山人，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授，博士，研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)儀器研制.

G642.423

B

1005-4642(2017)01-0039-05