核物理虛擬仿真實驗教學平臺搭建
——基于開放式實驗教學

楊東俠 劉安平 韓 忠 何光宏 譚紅兵

(重慶大學物理實驗國家級教學示范中心，重慶 401331)

開放式實驗教學模式一直是高校實驗教學改革的重要方向，目的是在培養(yǎng)學生實踐動手能力的基礎(chǔ)上，鼓勵學生自主學習和探索創(chuàng)新[1-3]。這種教學模式將實驗教學的平臺、內(nèi)容、資源等開放給學生，改變了教師和學生在教學活動中的角色關(guān)系，教師從主導地位的設(shè)計者、組織者變?yōu)榱溯o助地位的指導者、輔助者[4,5]，學生則由“被動的”接受者轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃拥摹碧剿髡撸辉趯W習過程中，充分發(fā)揮學生的主體作用，不斷地挖掘?qū)W生的潛力和培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)。

1 核物理虛擬仿真實驗教學平臺開放式教學設(shè)計

核物理實驗是物理學科專業(yè)人才培養(yǎng)過程中一項十分重要的實驗教學內(nèi)容，屬于物理專業(yè)實驗教學中不可或缺的部分。但由于實驗教學中需要用到放射源，面對可能的輻射風險，人們總是“談虎色變”，該門課程在實驗教學的開展上顯得“束手束腳”。開放式實驗教學模式給核物理實驗提供了一個很好的教學方式，虛實結(jié)合的開放式教學，有利于促進核物理專業(yè)實驗教學的深化和改進。重慶大學物理實驗國家級教學示范中心通過建設(shè)虛擬仿真實驗教學平臺，開辟開放式、虛實結(jié)合的核物理及核應用實驗教學新模式，發(fā)展核物理專業(yè)實驗教學和加強本科人才培養(yǎng)。

1.1 虛擬仿真實驗開放式教學的目的

在傳統(tǒng)的實驗教學活動中，實驗內(nèi)容、方法、步驟、儀器是固定不變的，實驗多是對一些物理原理和現(xiàn)象的演示和驗證，少有設(shè)計和探究，上課也多是老師灌輸和演示操作，學生再重復實驗操作過程[6,7]，從始至終學生都處于一個被動的地位，因此，學生對實驗提不起興趣，更多是應付式的完成任務(wù)。

而虛擬仿真實驗開放式教學模式完全不同，它顛覆了傳統(tǒng)的實驗教學和人才培養(yǎng)，給學生提供了一個自由發(fā)揮、探索創(chuàng)新的環(huán)境和機會，學生自主選擇實驗項目、設(shè)計實驗方案和重構(gòu)實驗條件，充分發(fā)揮學生的想象力和自主性，讓學生自己去分析和解決實際問題，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和科學素養(yǎng)[8-11]，使學生畢業(yè)后能符合社會發(fā)展需求，成為更具競爭力的人才。

1.2 開放式虛擬仿真實驗教學平臺特色

為更好地服務(wù)實驗教學，深化實驗教學改革，重慶大學物理實驗中心建立了一套開放式實驗教學網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，利用這一套系統(tǒng)，將核物理實驗室建立成一個開放式的虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺主要分為開放式管理、可重構(gòu)系統(tǒng)兩大模塊，在開放式管理中：學生可以使用校園身份證——一卡通，登錄實驗中心開放式實驗教學網(wǎng)站，首先進行實驗室安全須知和行為規(guī)范測試，通過測試后便可進入個人實驗系統(tǒng)，在個人實驗系統(tǒng)中可以進行預約上課時間、選擇實驗項目、下載實驗資料、上傳實驗報告等操作，并可以查看當值的實驗指導老師，與老師在線交流；實驗預約成功后，便可獲得實驗室門禁權(quán)限，進入實驗室做實驗，當實驗完成后，在個人實驗系統(tǒng)點擊確認“完成實驗并關(guān)好電源、門窗等”，離開實驗室。可重構(gòu)系統(tǒng)中：實驗軟件操作方便，實驗平臺可以重構(gòu)實驗條件的特點使得實驗具有很強的操作性；學生利用該平臺自行設(shè)計實驗方案，進行個性化實驗，在實驗過程中如發(fā)現(xiàn)問題，在解決問題的同時可以重構(gòu)實驗條件，再設(shè)計實驗，在整個過程中充分發(fā)揮學生的想象力，培養(yǎng)學生的探索精神和解決問題的能力，在完成實驗內(nèi)容后可直接在電腦上處理實驗數(shù)據(jù)，完成實驗報告，節(jié)省實驗時間；實驗教師可遠程指導學生實驗和批閱實驗報告，極大地提高教學效率?？芍貥?gòu)實驗教學平臺充分利用實驗中心開放式信息管理的資源，提升實驗教學的質(zhì)量，為學生提供了一個自由、個性的實驗環(huán)境，平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開放式核物理虛擬仿真實驗教學平臺結(jié)構(gòu)圖

2 實驗教學內(nèi)容設(shè)計

2.1 核物理實驗教學內(nèi)容

在核物理實驗教學設(shè)計上，我們強調(diào)學生的主體地位，老師作為指導，引導學生自主設(shè)計、獨立思考、小組協(xié)作探討、科學研究[12，13]。教學內(nèi)容分為“基礎(chǔ)設(shè)計實驗”和“探究創(chuàng)新實驗”兩個部分。基礎(chǔ)設(shè)計實驗內(nèi)容主要為物理相關(guān)專業(yè)的學生開設(shè)的專業(yè)實驗，按照教學計劃和教學任務(wù)，強調(diào)學生對核物理基本原理的認識和實驗技能的掌握，將核與粒子物理、核實驗方法、粒子探測技術(shù)與核電子儀器有機地結(jié)合，其實驗內(nèi)容主要包括：吸收強度測量、電子能譜測量、壽命譜測量等。開設(shè)“半導體α探測器實驗”“α粒子的能量損失實驗”“β射線的吸收實驗”“閃爍譜儀測γ射線能譜實驗”“γ射線的吸收實驗”“測量X射線特征譜及X吸收實驗”“放射源半衰期實驗”“G-M計數(shù)管特性研究實驗”等系列核物理與核技術(shù)教學實驗。學生可根據(jù)需要，在平臺上進行重構(gòu)，自主設(shè)計實驗。

圖3 可重構(gòu)核物理實驗儀器圖

探究創(chuàng)新實驗是基礎(chǔ)設(shè)計實驗的深化，面向所有理工科學生開放，凡是對核物理和核技術(shù)感興趣的師生，在了解了射線與物質(zhì)的相互作用規(guī)律、核輻射的統(tǒng)計規(guī)律、各類常用探測器的基本原理和技術(shù)性能，掌握了常用核電子學儀器的原理及使用方法后，可借助該平臺，在平臺上進行探究創(chuàng)新、研究實驗，教師開展教改教研等活動，將研究轉(zhuǎn)化為成果，可以不斷地優(yōu)化和發(fā)展核物理實驗教學，學生通過參與學科競賽、SRTP項目、國創(chuàng)項目等，提高自己的科學興趣、科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。教學內(nèi)容設(shè)計如圖2所示。

圖2 教學內(nèi)容設(shè)計圖

2.2 可重構(gòu)核物理實驗儀器

可重構(gòu)核物理實驗儀器主要由虛擬放射源、多道分析器、控制軟件、計算機構(gòu)成，如圖3所示。用虛擬核信號發(fā)生器代替實體放射源，其物理特征：可以給出指定放射源的物理信息，如能量分布信息、粒子信息、探測器的響應信息；可根據(jù)實驗需求仿真實驗過程，動態(tài)產(chǎn)生觸發(fā)判選條件，產(chǎn)生多粒子符合輸出。經(jīng)多道分析器采集信號，實驗軟件進行分析、測量實驗。借助計算機仿真技術(shù)在實驗平臺的深入應用，我們采用虛實結(jié)合的模式，為學生提供一個安全、方便、優(yōu)質(zhì)的實驗環(huán)境。

3 評價系統(tǒng)

核物理虛擬仿真實驗在開放式教學中，對學生采取多樣化的評價方式，評價系統(tǒng)分為學生互評、教師評價兩個方面，盡量全面、客觀地評價學生。

學生互評為競爭答辯模式，學生進行小組分類，正方組、反方組競爭答辯，其他小組作為打分評委，每組依次輪換，答辯中注重實驗設(shè)計、實驗結(jié)果、問題解決情況、研究成果(創(chuàng)新點、問題解決方案)4個方面，正方對自己的實驗情況進行答辯，反方提出問題和質(zhì)疑，正方作答，評委小組對正反雙方的表現(xiàn)進行打分。

教師評價從平時實驗表現(xiàn)、論文寫作、答辯過程的綜合表現(xiàn)3個方面進行打分。實驗表現(xiàn)評價包括學生的實驗設(shè)計、實驗操作、實驗報告。論文寫作主要考查學生的思考、創(chuàng)新和研究成果。答辯綜合表現(xiàn)把個人表現(xiàn)和小組表現(xiàn)相結(jié)合打分，既評價個人的獨立思考、解決問題、實驗能力，個人在小組團隊中的參與度、協(xié)作能力、交流情況；又評價小組的整體表現(xiàn)，小組的問題解決方案、解決問題情況和研究成果。最后結(jié)合學生互評和教師評價給出綜合成績，為優(yōu)秀的實驗設(shè)計方案申請SRTP項目、國創(chuàng)項目等，優(yōu)秀論文作品推薦給期刊發(fā)表，認可并獎勵表現(xiàn)突出的學生的研究成果。評價系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 評價系統(tǒng)

4 結(jié)語

核物理虛擬仿真實驗開放式教學是實驗教學改革中的一個新的嘗試。我們采取虛實結(jié)合的方式，在硬件條件、實驗教學內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)信息、實驗室管理、教學評價等方面進行建設(shè)[14]，為學生提供一個開放、靈活、個性化的學習空間，在優(yōu)化和發(fā)展核物理實驗教學的同時，將學生綜合素質(zhì)培養(yǎng)與社會人才需求相結(jié)合。

目前，開放式核物理虛擬仿真實驗正處于試驗教學階段，基于該平臺，已成功申報2項教學教改項目和1項國家級大學生創(chuàng)新實驗項目；從第一學期的試驗教學來看，學生選課、上課積極，效果顯著；學生評價高：很喜歡這種開放、自主的實驗方式和考評方式，覺得公平、有發(fā)揮空間(學生評語)。在后續(xù)工作中我們示范中心將繼續(xù)堅持該教學模式并加以推廣，開展更多探究項目和創(chuàng)新活動，助推創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。