虛擬實驗平臺在本科專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用探討

□李 磊 陳國慶 何躍娟 朱 云 朱 純 聶延光

一、引言

在本科專業(yè)課教學(xué)中，一般會涉及到一些專業(yè)性比較強(qiáng)的儀器設(shè)備。這些設(shè)備通常價格昂貴、操作復(fù)雜，學(xué)生冒然地接觸這些設(shè)備可能會造成不可預(yù)估的損失。如果脫離儀器設(shè)備，只進(jìn)行理論教學(xué)，學(xué)生又難以將所學(xué)的知識與實驗相結(jié)合，把握不住重點，不能留下深刻的印象。即使有條件接觸到實驗設(shè)備，由于種種擔(dān)憂，學(xué)生也不敢摸索各參數(shù)對實驗結(jié)果的影響，對設(shè)備的了解處在比較低的層面。因此，如何在理論學(xué)習(xí)中，以一種可視化、趣味化的方式將設(shè)備或者技術(shù)呈現(xiàn)出來，加深學(xué)生對理論知識和技術(shù)、設(shè)備的理解，這將是一個非常值得探討的課題。借助計算機(jī)模擬技術(shù)，建立虛擬實驗平臺，將專業(yè)實驗設(shè)備搬到課堂上來，是一種行之有效的方法[1]。虛擬實驗平臺是一種互動性的平臺，學(xué)生可以嘗試更改設(shè)備參數(shù)，來發(fā)掘這些參數(shù)對實驗結(jié)果的影響。虛擬實驗平臺也是一種開放性的平臺，教師和學(xué)生都可以通過平臺添加新的實驗設(shè)備，豐富平臺內(nèi)容。此外，虛擬實驗平臺也是一種全天候的平臺，將平臺掛在服務(wù)器上就可以實現(xiàn)24小時7天的開放，尤其是在智能手機(jī)得到廣泛發(fā)展的今天，學(xué)生可以隨時隨地拿起手機(jī)就能做實驗。本文以物理相關(guān)專業(yè)課程《光譜學(xué)》的教學(xué)為背景，利用虛擬實驗平臺來展現(xiàn)時間分辨熒光光譜系統(tǒng)。學(xué)生可以通過虛擬實驗平臺來了解系統(tǒng)的基本組成以及常規(guī)的操作方式，同時還促進(jìn)了學(xué)生對時間相關(guān)單光子計數(shù)(TCSPC)原理的理解，加深了他們對技術(shù)實驗方法的認(rèn)識。

二、光譜學(xué)虛擬實驗平臺界面制作

虛擬實驗平臺是建立在Matlab的GUI模塊之上，如圖1所示，從虛擬實驗平臺上可以直接進(jìn)入時間分辨熒光光譜系統(tǒng)。進(jìn)入到時間分辨熒光光譜系統(tǒng)界面內(nèi)如圖2所示，可以看到系統(tǒng)各部分組成，點擊各部件按鈕就可以看到主要的可調(diào)參數(shù)。學(xué)生可以調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)來觀察實驗結(jié)果的變化，從而加深對系統(tǒng)的了解。

圖1 虛擬實驗平臺界面圖2 時間分辨熒光光譜系統(tǒng)界面

三、虛擬實驗平臺在教學(xué)中的應(yīng)用

時間分辨熒光光譜廣泛地應(yīng)用于基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，系統(tǒng)工作主要是基于“時間相關(guān)單光子計數(shù)(TCSPC)”原理[2]。系統(tǒng)主要由激發(fā)光源、樣品室、偏振模塊、單色儀、探測器、單光子計數(shù)器和電腦組成。如圖3所示，光源為樣品提供激發(fā)光，在實驗中需要根據(jù)樣品的特性選擇合適的激發(fā)波長。激發(fā)光的強(qiáng)弱也會影響到測量結(jié)果，如果待測物質(zhì)發(fā)光比較弱，就適當(dāng)?shù)卣{(diào)高光源功率。光源的重復(fù)頻率決定了光譜的采集時間范圍，例如10MHz的重復(fù)頻率，其采樣時間窗口在100ns以內(nèi)。在進(jìn)行實驗時，激發(fā)光通常會選擇偏振光，以便于研究待測物的各向異性。如圖4所示，激發(fā)光照到樣品上會激發(fā)出熒光，樣品熒光的波長分布一般比較寬，而且熒光強(qiáng)度隨時間有不同的衰減方式，復(fù)雜的樣品一般都會呈現(xiàn)出多指數(shù)衰減。探測熒光時，一般采用“L”型光路，其目的是避開激發(fā)光的干擾。如圖5所示，如果實驗不要求考慮樣品的各項異性，那么需要探測偏振方向與入射方向呈54.7°角的熒光；如果考慮各項異性，就需要分別測量水平偏振和豎直偏振的衰減曲線[3]。從偏振模塊射出的光將進(jìn)入單色儀中，如圖6所示，單色儀可以選擇探測特定波長下的熒光衰減曲線，并能夠調(diào)節(jié)狹縫大小以控制照射在探測器上的光強(qiáng)，使得最終的計數(shù)頻率不超過光源重復(fù)頻率的1%[3]。而探測器一般選用單光子探測器(PMT)，根據(jù)測量波長選擇對應(yīng)型號，如圖7所示。待所有參數(shù)設(shè)置完畢，點擊“GO”按鈕就會出現(xiàn)如圖8所示的界面。界面中給出了系統(tǒng)的光路，對參數(shù)的設(shè)置也進(jìn)行了評價，同時展現(xiàn)出了一副時間分辨熒光光譜的圖片。通過這一套流程下來，學(xué)生就能很直觀地掌握系統(tǒng)各部分的操作要領(lǐng)，能夠留下深刻的印象。

圖3 光源界面 圖4 樣品界面

圖5 偏振界面 圖6 單色儀界面

圖7 探測器界面 圖8 系統(tǒng)工作界面

四、結(jié)語

專業(yè)課程教學(xué)需要瞄準(zhǔn)學(xué)科發(fā)展的前沿，關(guān)注當(dāng)前研究的熱門領(lǐng)域和技術(shù)。很多學(xué)校專業(yè)課程的建設(shè)會受制于設(shè)備經(jīng)費而進(jìn)展緩慢。單純的理論教學(xué)往往收獲的結(jié)果也不盡如人意。近年發(fā)展起來的虛擬實驗平臺能夠很大程度地削減這種限制。平臺以一種直觀的方式，詳盡地向?qū)W生展現(xiàn)最前沿的技術(shù)、設(shè)備，增加學(xué)習(xí)的趣味，降低學(xué)習(xí)的難度。同時平臺建設(shè)的成本低廉，靈活性強(qiáng)，很適合在專業(yè)課程教學(xué)中進(jìn)行推廣。