網絡環境下預習型物理虛擬實驗平臺構建研究

王 豐 汪 洋 曾 嶸 魏英智 周 波黑龍江科技大學理學院 黑龍江哈爾濱 150022

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網絡環境下預習型物理虛擬實驗平臺構建研究

王 豐 汪 洋 曾 嶸 魏英智 周 波
黑龍江科技大學理學院 黑龍江哈爾濱 150022

摘 要：預習型物理虛擬實驗平臺可以幫助學生在實驗前通過平臺對要做的實驗進行預習，提高了物理專業實驗課的教學起點。在預習型物理虛擬實驗平臺支持下，學生可以通過觀看演示動畫、教學視頻資源、CAI仿真課件、模擬實驗等方式進行預習，了解實驗的操作方法和技術規范，掌握實驗原理和實驗操作過程，為進入實驗室進行動手實驗做好提前準備。關鍵詞：實驗預習；虛擬實驗；專業物理實驗

當今世界進入了信息時代，新的科學技術越來越多地進入了我們的生活中，影響并改變著我們的生活，以微信為代表的一系列跨平臺的通訊交通工具的出現為自主學習提供了方便，以前學生預習物理實驗主要是看實驗的教材，通過指導書掌握實驗的目的、原理、儀器[1-5]。由于這種方法缺乏直觀真實感，學生對預習容易產生學習障礙，這也影響了學生自學能力的培養。而物理專業實驗預習與復習系統，它借助圖像、聲音、動畫視頻等現代化多媒體手段，在網絡環境下創建了一種虛擬實驗環境，學生不僅可以很好地熟悉實驗儀器、實驗原理及注意事項，而且還可以在網絡環境下先做模擬仿真實驗，對物理實驗的操作規范先有一定的認知，從而更好地達到了物理實驗預習要求。預習型物理虛擬實驗平臺可以幫助學生在實驗前要通過平臺對要做的實驗進行預習，提高了物理專業實驗課的教學起點[6-10]。

1 預習型虛擬物理實驗模型構建

物理實驗預習是實驗操作前的準備階段。實驗預習可以加深對實驗內容理解及鍛煉學生自學能力。只有認真做好實驗預習，才能規范化的做好實驗。預習型虛擬物理實驗的構建重點放在實驗前學生需要掌握的內容[11-17]。主要有注意事項模塊、實驗內容模塊、預習報告模塊、在線交流四部分(如圖1所示)。

圖1 預習型虛擬實驗構建示意圖

2 虛擬物理實驗的教學輔導案例

2.1 基礎光纖激光實驗內容簡介

光纖激光器實驗是我校應用物理專業實驗課程針對本科學生必開的一個教學實驗內容。光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器。光纖激光器特點是耦合效率高，散熱效果好，具有高轉換效率，光束質量好，閾值低和窄線寬等優點。

2.2 預習物理實驗學習導航

專業物理實驗教材中介紹了基礎光纖激光實驗的實驗目的、實驗原理，實驗儀器、實驗內容與步驟、注意事項、預習思考題以及討論題七部分實驗內容。其中實驗目的包括了做本實驗需要達到的3個實驗目的。實驗的原理包括了光纖激光器的結構、摻雜銩離子的能級結構和光纖諧振腔結構三小部分內容，在光纖激光器的結構中，教材給出了光纖激光器的原理方框圖，并對光纖激光器的各個組成部分作了簡要說明，光纖激光器原理是學生需要掌握的重點內容，也是學生難于理解的一部分內容，盡管教材中用文字說明結合圖像闡述了光纖激光器原理，但學生理解起來仍然很困難，所以我們制作了CAI課件，用形象生動的動畫表現出了光纖激光器原理(如圖2所示)。

圖2 預習型物理虛擬實驗網絡平臺鏈接導圖

2.3 實驗要點突破模塊

2.3.1 實驗原理與背景知識模塊

本實驗研究792 nm波段泵浦光泵浦Tm3+的3F4能級。如圖3所示，該抽運波段等效于4準能級系統。在激光泵浦的作用下，光纖中的摻銩原子吸收激光的能量從基態躍遷到3H4能級，粒子在該能級的壽命約14.2 μs，粒子最終回落到3H5能級上，由于3H5能級的粒子壽命短，粒子又回落到3F4能級上，從而將此系統簡化為一個3能級系統。

圖3 銩離子能級結構圖

790 nm泵浦銩離子有很高的效率，3H6能級躍遷到3H4能級的受激吸收截面如圖4(a)所示。3F4能級輻射到3H6能級的受激發射截面如圖4(b)所示。銩離子基態3H6到3H4的能級間距，匹配激光的頻率。

當激光達到使3H4能級積累的粒子多于基態，即出現粒子數反轉，能級3H4態粒子躍遷到基態的就形成2 μm激光[18]。

圖4

2.3.2 摻銩光纖激光器的設計模塊

(1)比較常見光纖激光器的特點。

(2)分析光纖激光器各組成部分的作用。

(3)完成摻銩光纖激光器的設計。

2.3.3 摻銩光纖激光器性能參數的測試模塊

(1)分析不同實驗方案的特點。

(2)搭建摻銩光纖激光器實驗系統。

(3)在摻銩光纖激光器的輸出端接上測量儀器。(4)測量光纖激光器的性能參數。

2.4 在線交流

專業物理實驗在線交流提供了一種新的交流互動模式即移動手機微信群模式，現今微信已經被廣泛接受應用、同時也深受大學生的喜歡、希望通過微信可實時進行教師-學生、學生-學生討論。在微信中設實驗討論區、教師答疑區和教學反饋調查等欄目，使大學生在快樂中解決自己遇到的問題。

3 結束語

隨著科學技術的發展，實驗技術已成為一門獨立的科學，是大學生必須掌握的一種實驗技能。大學生在預習物理實驗時，要根據實驗內容和目的要求去思考在實驗過程中應重點觀察什么現象，該紀錄什么數據，做實驗過程中注意事項及如何處理實驗中所出現的問題。在網絡環境下虛擬物理實驗可以幫助學生做好實驗前預習工作。為學生創設一個類似于教師指導的預習型物理虛擬實驗，以將網絡環境下虛擬物理實驗預習作用為研究內容，探討了預習型虛擬實驗平臺如何構建。為拓展虛擬物理實驗應用提供一些借鑒。

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Research on Construction of Preview Type of Physical Virtual Experiment Platform

Wang Feng, Wang Yang, Zeng Rong, Wei Yingzhi, Zhou Bo
College of Science, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin, 150022, China

Abstract:Preview type physical virtual experiment platform can help students preview experiments to be conducted before experiments by platform, which improves initial teaching physics experiments. Under support of preview type of physical virtual experiment platform, students can view demo animation, teaching video resources, CAI simulation courseware, simulation experiments and other methods to understand operation method and technical specification, master experiment principle and operation process, providing preliminary preparation for hands-on experiment in lab.

Keywords:experiment preparation; virtual experiment; professional physical experiment

基金項目：黑龍江省教育科學“十二五”規劃課題(編號：GBC1213111)。

作者簡介：王豐，碩士，副教授。汪洋，博士，教授，主任。

收稿日期：2015-09-07