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，目的是在培養學生實踐動手能力的基礎上，鼓勵學生自主學習和探索創新[1-3]。這種教學模式將實驗教學的平臺、內容、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系，教師從主導地位的設計者、組織者變為了輔助地位的指導者、輔助者[4,5]，學生則由“被動的”接受者轉變為“主動的”探索者；在學習過程中，充分發揮學生的主體作用，不斷地挖掘學生的潛力和培養學生的綜合素質。

1 核物理虛擬仿真實驗教學平臺開放式教學設計

核物理實驗是物理學科專業人才培養過程中一項十分重要的實驗教學內容，屬于物理專業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，虛實結合的開放式教學，有利于促進核物理專業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虛擬仿真實驗教學平臺，開辟開放式、虛實結合的核物理及核應用實驗教學新模式，發展核物理專業實驗教學和加強本科人才培養。

1.1 虛擬仿真實驗開放式教學的目的

在傳統的實驗教學活動中，實驗內容、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象的演示和驗證，少有設計和探究，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。

而虛擬仿真實驗開放式教學模式完全不同，它顛覆了傳統的實驗教學和人才培養，給學生提供了一個自由發揮、探索創新的環境和機會，學生自主選擇實驗項目、設計實驗方案和重構實驗條件，充分發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，培養學生的創新思維和科學素養[8-11]，使學生畢業后能符合社會發展需求，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絡管理系統，利用這一套系統，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、可重構系統兩大模塊，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站，首先進行實驗室安全須知和行為規范測試，通過測試后便可進入個人實驗系統，在個人實驗系統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限，進入實驗室做實驗，當實驗完成后，在個人實驗系統點擊確認“完成實驗并關好電源、門窗等”，離開實驗室。可重構系統中：實驗軟件操作方便，實驗平臺可以重構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計實驗方案，進行個性化實驗，在實驗過程中如發現問題，在解決問題的同時可以重構實驗條件，再設計實驗，在整個過程中充分發揮學生的想象力，培養學生的探索精神和解決問題的能力，在完成實驗內容后可直接在電腦上處理實驗數據，完成實驗報告，節省實驗時間；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。可重構實驗教學平臺充分利用實驗中心開放式信息管理的資源，提升實驗教學的質量，為學生提供了一個自由、個性的實驗環境，平臺結構如圖1所示。

圖1 開放式核物理虛擬仿真實驗教學平臺結構圖

2 實驗教學內容設計

2.1 核物理實驗教學內容

在核物理實驗教學設計上，我們強調學生的主體地位，老師作為指導，引導學生自主設計、獨立思考、小組協作探討、科學研究[12，13]。教學內容分為“基礎設計實驗”和“探究創新實驗”兩個部分。基礎設計實驗內容主要為物理相關專業的學生開設的專業實驗，按照教學計劃和教學任務，強調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、粒子探測技術與核電子儀器有機地結合，其實驗內容主要包括：吸收強度測量、電子能譜測量、壽命譜測量等。開設“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計數管特性研究實驗”等系列核物理與核技術教學實驗。學生可根據需要，在平臺上進行重構，自主設計實驗。

圖3 可重構核物理實驗儀器圖

探究創新實驗是基礎設計實驗的深化，面向所有理工科學生開放，凡是對核物理和核技術感興趣的師生，在了解了射線與物質的相互作用規律、核輻射的統計規律、各類常用探測器的基本原理和技術性能，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新、研究實驗，教師開展教改教研等活動，將研究轉化為成果，可以不斷地優化和發展核物理實驗教學，學生通過參與學科競賽、SRTP項目、國創項目等，提高自己的科學興趣、科學素養和創新能力。教學內容設計如圖2所示。

圖2 教學內容設計圖

2.2 可重構核物理實驗儀器

可重構核物理實驗儀器主要由虛擬放射源、多道分析器、控制軟件、計算機構成，如圖3所示。用虛擬核信號發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；可根據實驗需求仿真實驗過程，動態產生觸發判選條件，產生多粒子符合輸出。經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在實驗平臺的深入應用，我們采用虛實結合的模式，為學生提供一個安全、方便、優質的實驗環境。

3 評價系統

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，答辯中注重實驗設計、實驗結果、問題解決情況、研究成果(創新點、問題解決方案)4個方面，正方對自己的實驗情況進行答辯，反方提出問題和質疑，正方作答，評委小組對正反雙方的表現進行打分。

教師評價從平時實驗表現、論文寫作、答辯過程的綜合表現3個方面進行打分。實驗表現評價包括學生的實驗設計、實驗操作、實驗報告。論文寫作主要考查學生的思考、創新和研究成果。答辯綜合表現把個人表現和小組表現相結合打分，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、協作能力、交流情況；又評價小組的整體表現，小組的問題解決方案、解決問題情況和研究成果。最后結合學生互評和教師評價給出綜合成績，為優秀的實驗設計方案申請SRTP項目、國創項目等，優秀論文作品推薦給期刊發表，認可并獎勵表現突出的學生的研究成果。評價系統如圖4所示。

圖4 評價系統

4 結語

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。我們采取虛實結合的方式，在硬件條件、實驗教學內容、網絡信息、實驗室管理、教學評價等方面進行建設[14]，為學生提供一個開放、靈活、個性化的學習空間，在優化和發展核物理實驗教學的同時，將學生綜合素質培養與社會人才需求相結合。

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、有發揮空間(學生評語)。在后續工作中我們示范中心將繼續堅持該教學模式并加以推廣，開展更多探究項目和創新活動，助推創新型人才培養。