沈 韓 趙福利 方奕忠 馮饒慧 廖德駒 崔新圖 黃臻成
(1 中山大學物理學院;2物理學國家級實驗教學示范中心(中山大學),廣東 廣州 510275)
虛擬仿真實驗教學是當前物理實驗教學改革的一個重要方向[1]。大學物理虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)在20世紀90年代就得以應(yīng)用,并不斷升級改進,極大促進了全國物理實驗教學的發(fā)展[2]。但由于大學低年級的基礎(chǔ)性實驗都是一些低成本、可重復、危險性極低、且都可以進行實物操作的實驗,不完全契合虛擬仿真實驗?zāi)軐嵅惶?、高危、高成本及不可逆等建設(shè)原則,故仿真實驗主要發(fā)揮熟悉實驗操作流程的預習作用[3,4],與科研工作中使用的仿真軟件相比,在定量性和對物理內(nèi)涵的發(fā)掘性上略顯不足。
為解決這一問題,國內(nèi)一些高校同行開始引入“虛實結(jié)合”的教學模式。在華中科技大學,熊永紅、曹常芳等結(jié)合Mathematica軟件設(shè)計霍爾效應(yīng)等虛實結(jié)合的實驗[5],并應(yīng)用于創(chuàng)新實驗課程[6]。樂永康等在復旦大學開設(shè)專門的虛擬仿真實驗開發(fā)課程,并將Zeemax、COMSOL、Geant4等模擬軟件引入實驗教學[7],構(gòu)建了光柵光譜儀和克拉尼圖形等虛實結(jié)合實驗。北京郵電大學的王鑫等則利用Lab VIEW 虛擬儀器技術(shù)開設(shè)了虛實結(jié)合的系列實驗項目,包括混沌電路、超聲換能器物理特性等十多個實驗[8]。研究性、設(shè)計性、和基于物理模型的定量化仿真的教學內(nèi)容比例逐步提升。
為了讓這種基于定量仿真的虛實結(jié)合教學模式更易實現(xiàn),讓更多的學生受益,本文作者依托中山大學國家級物理實驗教學示范中心(以下簡稱中山大學實驗中心),重新梳理和整合了力學、熱學、電磁學、光學的實驗教學內(nèi)容,構(gòu)建了若干“實驗—仿真—實驗”的虛實結(jié)合實驗?zāi)K,加大物理建模和定量仿真的內(nèi)容,讓學生在低年級就開始采用科研的工具和科研的理念完成教學實驗,有效提升了實驗課程的挑戰(zhàn)度。本文將對這種教學模式的設(shè)置和實施方法作詳細介紹。
實驗教學改革的核心是內(nèi)容改革,只有結(jié)合學術(shù)發(fā)展前沿、結(jié)合科研能力培養(yǎng)和各專業(yè)對物理實驗課程的需求,緊跟技術(shù)主流,持續(xù)改進和更新實驗內(nèi)容、實驗設(shè)備和實驗教學手段,才能保證實驗教學的高質(zhì)量?;谶@一原則,應(yīng)該由科研水平高、科研成果豐富的教師作為實驗教學改革的核心成員,結(jié)合自己的科研經(jīng)驗和學生未來發(fā)展需要提出實驗教學需求,再將本科階段的所有實驗課程作為一個整體進行規(guī)劃,根據(jù)實驗的難易程度和前后關(guān)聯(lián)性分配至不同課程。在此背景下,中山大學實驗中心從2003年起就開始在基礎(chǔ)實驗中大量采用光學平臺、數(shù)字化儀器、虛擬儀器、傳感器和數(shù)據(jù)采集器等緊跟技術(shù)發(fā)展主流的儀器設(shè)備,并在后續(xù)的教學改革中逐步引入Lab-VIEW、Multisim、COMSOL、Virtual Lab、See-Light等科研中常用的物理建模、設(shè)計和定量仿真軟件。經(jīng)多年檢驗和調(diào)整,最終在力學、熱學、電磁學、光學等實驗中構(gòu)建了若干“實驗-仿真-實驗”的教學模塊,并常態(tài)化應(yīng)用于全校本科一二年級的實驗教學。如表1所示,每個模塊都與教師曾經(jīng)參與的科研項目相關(guān)。
表1 虛實結(jié)合實驗?zāi)K涉及實驗項目及軟硬件列表
新技術(shù)的快速發(fā)展和新知識的快速涌現(xiàn),對學生的實驗研究能力、設(shè)計開發(fā)和應(yīng)用能力提出更高要求。只能完成單一實驗、功能封閉的設(shè)備已不能滿足教學的需要,組合式、積木式、開放式、平臺式的教學設(shè)備逐漸成為主流,一套設(shè)備可以完成多個實驗,甚至具有二次開發(fā)功能,可以設(shè)計出更多的新實驗,為學生能力的培養(yǎng)提供有力支撐。中山大學實驗中心在設(shè)計虛實結(jié)合實驗?zāi)K的時候也充分考慮這一原則,盡可能采用通用的實驗設(shè)備自主構(gòu)建實驗教學系統(tǒng),以個別實驗為“點”,帶動實驗平臺的建設(shè)。如表1所示的熱學實驗?zāi)K,采用NI CompactDAQ 單槽機箱和C系列熱電偶模塊實現(xiàn)多通道的溫度數(shù)據(jù)采集,而該設(shè)備結(jié)合Lab VIEW 編程和其他多種C 系列數(shù)據(jù)采集卡,為學生和教師提供了一個功能強大、具有二次開發(fā)性、可以支持科研的多通道數(shù)據(jù)采集平臺。江門中微子探測子項目—有機玻璃自動融合系統(tǒng)的原型機就在該平臺上研發(fā)而成[9],基于Lab VIEW 的液體表面張力測量實驗系統(tǒng)也得以在實驗教學中推廣應(yīng)用[10]。
由于實驗教學時數(shù)的限制,虛實結(jié)合實驗?zāi)K中定量仿真實驗的課內(nèi)學時通常為4學時或8學時,如何在這么短的時間內(nèi)讓學生掌握仿真軟件的使用方法并完成實驗相關(guān)復雜物理模型的構(gòu)建和仿真,就成為實驗?zāi)K設(shè)計的關(guān)鍵。Matlab、Mathematica、Mapple等數(shù)學軟件是很好的仿真工具,但需要學生自己從頭編程,很難在有限的學時內(nèi)實現(xiàn)復雜物理模型的仿真以完成教學任務(wù),除非另外開設(shè)編程課程與之配合,并在實驗課前編寫好仿真程序。另外由于每位學生的編程風格各異,程序差別大,教師很難在課堂上輔導每一位學生調(diào)試程序并檢查仿真結(jié)果的正誤。鑒于上述原因,考慮到基礎(chǔ)實驗授課學生人數(shù)多的問題,要想將這種虛實結(jié)合的教學模式做到對學生全覆蓋,設(shè)計實驗時應(yīng)優(yōu)先采用科研中常用的成品仿真軟件。如表1 所示,力學采用Tracker視頻分析軟件或PASCO Capstone軟件的視頻分析模塊,熱學采用COMSOL 多物理場仿真軟件的固體傳熱模塊,電子線路實驗采用Multisim 仿真軟件,光學仿真實驗采用Seelight(或Virtual Lab)光學仿真實驗系統(tǒng)[11,12]等。多年的教學實踐說明,在教師合理設(shè)置實驗內(nèi)容和輔導下,絕大部分學生能夠在課堂學時內(nèi)掌握軟件的基本使用方法并完成建模和仿真。學生在低年級就接觸到這些科研常用仿真軟件后,在后續(xù)的學習中就會主動使用這些軟件,結(jié)合具體項目,通過檢索資料自主學習軟件的高級功能。
基于定量仿真的虛擬實驗還有一個明顯的好處就是可以有效彌補實物實驗可調(diào)節(jié)參數(shù)不足和調(diào)節(jié)精度有限的問題。例如采用Seelight軟件建模仿真邁克爾遜干涉實驗,可以在六個維度(三個平移和三個旋轉(zhuǎn))調(diào)節(jié)每一個光學元器件的位置,調(diào)節(jié)參數(shù)數(shù)量、調(diào)節(jié)范圍和調(diào)節(jié)精度超越實物實驗的范圍。將反射臂的長度延長至千米量級,還可以仿真引力波探測實驗的光路,顯著豐富了實驗教學的內(nèi)容[13]。
實驗教學不僅僅是若干個實驗的簡單堆砌,任務(wù)之一是以這些實驗為基點,“以點帶面”,為學生打開物理學研究和應(yīng)用的廣闊視野,最終培養(yǎng)學生的綜合能力、對物理知識的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。基于這一原則,在每個虛實結(jié)合的實驗?zāi)K中,都設(shè)置一些無確定結(jié)果的實驗內(nèi)容,讓學生用實物實驗和仿真計算的方法持續(xù)探索。這種無確定結(jié)果的實驗更接近于科研的過程,能有效培養(yǎng)學生的綜合能力。如表1所示熱學實驗?zāi)K中的基于COMSOL 的電阻加熱模型仿真實驗[14],要求學生采用COMSOL 仿真軟件的固體傳熱模塊仿真通電電阻表面的溫度隨時間的變化關(guān)系。由熱傳導方程可知,溫度與電阻阻值大小、外形尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、加熱電流、保溫材料的熱容量、電阻與保溫材料之間的熱交換系數(shù)等許多因素有關(guān),要想做到仿真曲線與實驗曲線完全重合是一項非常困難的工作,需要進行多輪的“實驗—仿真—實驗”循環(huán),類似科研的過程,這就為學生在課后進行持續(xù)探索提供了很好的案例。
中山大學實驗中心在基礎(chǔ)物理實驗課程的力學、熱學、電磁學、光學等內(nèi)容分支都設(shè)計了“實驗—仿真—實驗”的虛實結(jié)合實驗?zāi)K,如表1所示。表中列出了每個模塊所包含實驗項目的名稱、涉及的平臺化實驗硬件、使用的仿真軟件、以及對應(yīng)的科研背景等,每個模塊至少有三個實驗。
(1)第一個為實物操作性實驗,但原理相對簡單,便于構(gòu)建物理模型進行仿真。(2)第二個實驗為基于科研常用軟件的定量仿真實驗,要求學生結(jié)合第一個實驗的物理模型學習仿真軟件的使用方法,對第一個實驗進行驗證性仿真,再對第三個實驗進行預測性仿真。驗證性仿真也可稱為實驗后仿真,要求學生調(diào)整仿真模型和仿真參數(shù),使得仿真計算的結(jié)果盡可能與實驗結(jié)果一致。預測性仿真也可稱為實驗前仿真,要求學生根據(jù)實驗原理構(gòu)建仿真模型,并根據(jù)實驗條件調(diào)節(jié)仿真參數(shù),預測第三個實驗可能出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象和定量結(jié)果。(3)第三個實驗為實物操作性實驗,要求學生將實驗結(jié)果與預測結(jié)果進行對比,評估兩者的異同并加以分析。如有可能,還可與理論推導的結(jié)果進行對比[13],實現(xiàn)理論、實驗、仿真計算三者的融合。這個實驗中通常還設(shè)置了沒有確定結(jié)果的內(nèi)容,供有興趣的學生繼續(xù)探索。每個模塊的詳細內(nèi)容和物理模型將另外整理。
以光學實驗?zāi)K為例,第一個實驗為單縫衍射實驗,測量衍射條紋的相對光強分布[15],第二個實驗為基于SeeLight的光學仿真實驗,要求學生通過對激光單縫衍射相對光強分布的定量仿真來學習Seelight光學系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺[11]的使用方法,再模擬單孔衍射實驗,給出干涉條紋圖像,光強、相位分布的定量數(shù)據(jù)及其隨仿真參數(shù)的變化情況。第三個實驗為單孔衍射實物操作實驗,根據(jù)實驗二的仿真參數(shù)調(diào)節(jié)實驗系統(tǒng),觀測實驗現(xiàn)象。學有余力的學生還可采用虛實結(jié)合的實驗方法繼續(xù)研究不同形狀的單孔、不同分布的多孔、多縫、光柵等光闌的衍射規(guī)律。
在每個虛實結(jié)合的實驗?zāi)K中,第一個實物實驗設(shè)計為2~4學時,第二個仿真實驗設(shè)計為4學時,第三個實物實驗設(shè)計為2~4學時,故完成一個完整的實驗?zāi)K需要8~12學時。實驗內(nèi)容較多,在一個學期的大學物理實驗課程的教學過程中可以根據(jù)不同專業(yè)的教學需求和學時數(shù)靈活調(diào)整,而在跨學期的面向物理類專業(yè)的基礎(chǔ)物理實驗課程中,一個模塊甚至可以跨多個學期來完成,但都必須有實物實驗和定量仿真的內(nèi)容。
如電學實驗?zāi)K,由于學生在教師輔導下掌握Mutltisim 軟件的初級使用方法不超過2個學時,若RLC交流穩(wěn)態(tài)特性實物實驗[15]中采用數(shù)據(jù)采集器和掃頻的方式觀測相頻特性和幅頻特性,則可以在4學時內(nèi)就完成RLC 實驗的實物操作和仿真,并分析兩者的異同。在中山大學基礎(chǔ)物理實驗課程的實際教學中,電學實驗?zāi)K跨三學期完成,第一學期為RLC 電路實驗、第二學期為交流電橋?qū)嶒?、第三學期為電路仿真和混沌電路實驗[15]。若理論課中也有仿真軟件的教學內(nèi)容,則實驗課中學習仿真軟件使用方法的部分還可壓縮。中山大學物理學院的光學理論課中,就深度融合了Seelight光學系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺的教學內(nèi)容,實現(xiàn)了對學生仿真實驗的過程評價。
采用本文所述的基于定量仿真的虛實結(jié)合實驗教學模式,可將理論物理、實驗物理、計算物理三者配合進行物理研究的理念傳遞給學生,讓學生在低年級開始就嘗試使用一些科研的工具和科研的思想開展實驗,對學生能力的培養(yǎng)提供積極的促進作用。出于能力培養(yǎng)這一目的,中山大學實驗中心還逐漸將一些工作中常用的軟件也納入低年級的實驗教學,如采用La TeX 撰寫實驗報告,采用Endnotes或Bib Tex管理參考文獻,采用Mat Lab進行數(shù)據(jù)處理和作圖、引入Linux操作系統(tǒng)和云操作系統(tǒng)等。
各高校實驗教學應(yīng)根據(jù)學校定位、專業(yè)特色和學科背景,選擇不同的定量仿真軟件,設(shè)置有自己特色的虛實結(jié)合實驗?zāi)K。如以光學工程設(shè)計為主的專業(yè)可以選擇Zeemax光學設(shè)計軟件,電子信息科學為主的專業(yè)可以選擇PAD 或Protel軟件進行仿真等,但建議在經(jīng)費允許的前提下優(yōu)先采用科研中或工業(yè)設(shè)計中實際使用的軟件,而不是單純?yōu)榱私虒W設(shè)計的教學軟件。