計算機仿真在大學物理教學中的效果研究

張春光 皮艷梅 牟艷男

【摘要】? ? 光電信息科學與工程專業的《大學物理實驗》課程，注重培養學生實踐能力和綜合知識運用能力。在傳統實驗教學模式基礎上引入虛擬仿真實驗克服了傳統實驗教學儀器套數不足，實驗效率偏低等問題。本文以傅里葉光學實驗為例，說明仿真實驗在教學中取得的成果。通過對虛擬仿真實驗分析其優勢和特點，結合虛擬仿真實驗《傅里葉光學實驗》具體應用情況進行成績對比分析，研究虛擬仿真實驗教學方法在大學物理實驗教學中的優點和效果。

【關鍵詞】? ? 仿真實驗? ? 傅里葉光學? ? 大學物理

一、基于組件的虛擬物理仿真實驗軟件

以學生為主體的教學是培養學生創新能力的基本保證。面向大面積學生開設開放性、設計性實驗是創建激發大面積學生自主學習興趣、培養學生自主創新能力的教學環境的有效途徑。開展這項工作需要大量的設備和優質的師資力量，這已成為當前實驗教學改革和發展的瓶頸。

學生聯網后只要在線運行即可使用基于組件的虛擬物理仿真實驗，不受空間和時間的限制，系統給學生提供一個自主學習的網上環境。

系統功能如下：可實驗方案定制化，選擇必要的項目。實驗中可靈活組合儀器，教師可根據大綱和學生水平，制定不同層次的實驗方案以實現教學目標。可以讓學生根據實驗項目優化選擇不同的實驗儀器條件，然后完成相同的實驗內容。可以體現相同實驗項目，但引入隨機化條件實現不同實驗結果，使仿真實驗具有操作導致的實驗誤差，有較高實驗真實度。提供統一的數據接口，可以作為物理實驗考試系統和物理實驗預習系統的操作內容;應用組件技術開發，實驗操作體驗真實。包括實驗大廳功能，用戶可通過實驗大廳在網上運行仿真實驗。具有統計分析功能，能夠分析學生使用仿真實驗的時間、次數等。根據用戶實際需要，提供本實驗中心實驗儀器面板定制服務。不限制用戶登錄節點數，最大可以允許超過 6000 人同時登錄。

（一）系統特色

仿真實驗具有研究性和設計性，能夠為學生提供自主學習的平臺和良好的教學環境，克服了使面向學生人數過多開設研究性和設計性實驗中受到實驗室與實驗課時的限制等教學資源不足的困難。提供了學生在網絡上自主學習的良好實驗平臺。

仿真模擬軟件能夠深入剖析教學整個過程，在實驗設計上能夠充分體現教學思想的指導，大部分學生應該在深入思考然后理解的基礎上才能正確實驗操作，克服了實際實驗中出現的走過場和盲目操作損壞儀器現象，提高了很多物理實驗教學的水平和質量。

應用網絡技術，采用B/S和C/S混合模式，使操作更加統一和簡潔，更具人性化。

在已有的基礎上增加了實驗數量，是實驗總數達到將近70個。

二、大學物理仿真實驗和它在教學中的應用模式

1.利用虛擬仿真實驗在網上開設開放實驗，以營造多元化的實驗教學環境

開設實驗作業，開設選修實驗課程，以各種形式使學生的進步需求和求知欲望得到滿足，拓展學生的視野，使學生的實驗學習興趣得到提高。

2.2實現兩段式的教學然后與真實實驗良好結合

實驗用到的大型貴重儀器和調節的難度比較大的儀器，比如STM隧道顯微鏡、學生型分光計等，應該讓學生先預做仿真實驗，熟悉實驗過程以及注意事項和相關儀器操作，然后再利用真實儀器進一步操作。這樣可縮短進行真實實驗的時間，提高進行真實實驗時的教學效果，使設備安全性以及利用率得到提高。

2.3虛擬仿真實驗后使學生了解真實儀器構造提高實驗教學效果

大部分實驗儀器都是封裝結構，儀器的內部構造學生看不到，導致學生對儀器原理和實驗原理不能理解，但是虛擬仿真實驗可以使學生了解實驗儀器的內部構造，直觀演示儀器內部的一些運行機制。對很多實驗現象有必要的解釋，通過虛擬與真實并用可有力提高教學效果。

三、傅里葉光學實驗簡介

傅里葉光學原理的發明最早可以追溯到1893年阿貝（Abbe）為了提高顯微鏡的分辨本領所做的努力。他提出一種新的相干成像的原理，以波動光學衍射和干涉的原理來解釋顯微鏡的成像的過程，解決了提高成像質量的理論問題。電子信息論的結果被大量應用于光學系統分析中。兩者一個為時間信號，一個是空間信號，但都具有線性和不變性，所以數學上都可以用傅立葉變換的方法。將光學衍射現象和傅立葉變換頻譜分析對應起來，進而應用于光學成像系統的分析中，不僅是以新的概念來理解熟知的物理光學現象，而且使近代光學技術得到了許多重大的發展，例如澤尼克相襯顯微鏡，光學匹配濾波器等等，因此形成了現代光學中一門技術性很強的分支學科—傅里葉光學。

（一）實驗儀器

傅里葉光學實驗裝置包括：激光器、擴束鏡、準直鏡、傅里葉透鏡、物屏、光屏和濾波器。

（二）實驗內容

熟悉各個儀器的工作原理和使用方法;調節平行光，測傅里葉透鏡的焦距f;利用夫瑯和費衍射測一維光柵常數;

1.光路：激光器→擴束鏡→準直鏡→光柵→傅里葉透鏡→屏（此光路滿足遠場近似）;

2.光柵方程：dsinθ=kλ，其中，k=0，±1，±2，±3…請自己選擇待測量的量和求光柵常數的方法。記錄一維光柵的衍射圖樣、可看到哪些級？記錄 0級、±1級、±2級光斑的位置。

觀察并記錄下述傅立葉頻譜面上不同濾波條件的圖樣或特征。

1.光路：

激光器→擴束鏡→準直鏡→光柵→傅里葉透鏡→濾波范本（位于空間頻譜面上）→傅里葉透鏡→光屏;

2.一維光柵

（1）濾波范本只讓0級通過;

（2）濾波范本只讓0、±1級通過;

（3）濾波范本只讓0、±2級通過。

3.二維光柵

（1）濾波范本只讓含0級的水平方向一排點陣通過;

（2）濾波范本只讓含0級的豎直方向一排點陣通過;

（3）濾波范本只讓含0級的與水平方向成45度一排點陣通過;

4.“光”字屏濾波，物面上是規則的光柵和一個漢字組成疊加，觀察實驗結果。

（1）在像面上僅看到一個漢字“光”;

（2）如何操作可看到像面上是“光”字中僅有橫條紋，或“光”字中僅有豎條紋。

（三）實驗重點及難點

根據光學實驗原理，利用所給儀器在導軌上擺放出正確的光路;能夠根據透鏡成像原理，測量傅里葉透鏡的焦距;利用夫瑯和費衍射測一維光柵常數;觀察并記錄下述傅立葉頻譜面上不同濾波條件的圖樣或特征。

（四）教學效果

以黑河學院18電子1、2班為例。在2019-2020第2學期，由于新冠疫情，我們組織了網絡計算機仿真實驗。傅里葉光學是其中一個重要實驗。在2學時的時間內有85人完成了該實驗，成績良好。

從傅里葉仿真實驗成績來看：平均分為92.7。100分的有34人，90-99分的有27人。優秀率達到了72.6%。這個成績是要比實物實驗高很多的。但是，由于學生只是在屏幕上通過鼠標操作完成實驗，對實驗的認識不夠充分。相應實驗的操作難度也大大降低。這一方面會使學生能在有限的時間內完成一個較難的實驗。也會對學生真實的操作水平產生不利影響。所以，學校不能把所有實驗都一刀切的開設為仿真實驗。應該做到虛實結合，把仿真實驗作為真實實驗的一個有力的補充。

四、結束語

虛擬仿真實驗是為本科教學而實現及設計的。依托多媒體技術實現虛擬仿真實驗教學、數據庫、人機交互、結合網絡通信等技術，構建成功比較仿真的實驗儀器對象和營造虛擬實驗教學環境。學生利用電腦和網絡在虛擬環境中進行實驗，以達到教學大綱規定的教學效果。結合特色專業和開設課程，使學校學科的專業優勢得到發揮，積極利用軟件開發能力和網絡服務能力，優化整合學校虛擬仿真實驗教學資源，用培養學生創新能力以及綜合設計能力為出發點，應用高水平軟件創造性地共享與建設虛擬仿真實驗、遠程控制虛擬實驗、儀器共享虛擬實驗等教學資源。達到拓展實踐領域，優化教學能力，提高教學水平，降低風險和成本的目的。開展多種虛擬實驗教學。建設虛擬仿真實驗教學中心的任務是實現真實實驗難以完成或者不具備的一些教學功能。建設虛擬仿真實驗教學中心應充分體現相互補充、虛實結合、能實不虛的建設原則。

作者單位：張春光? ? 皮艷梅? ? 牟艷男? ? 黑河學院

參? 考? 文? 獻

[1]彭敬東，龔成斌，馬學兵，張浩.虛擬仿真實驗在化學教學中的作用—以西南大學化學化工虛擬仿真實驗教學中心為例[J]. 西南師范大學學報（自然科學版）. 2017（07）

[2]劉軍，施曉秋，金可仲.面向地方院校工程教育類專業的虛擬仿真實驗教學中心建設[J].中國大學教學.2017（01）

[3]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索. 2013（11）

[4]歐麗娟，孫愛明，羅建新，劉寧，張萍，王津津.? 基于虛擬仿真技術的儀器分析實驗教學改革思考與探索[J].廣州化工. 2020（10）

[5]李萍，王宇昕，高爽，付穎.虛擬仿真實驗平臺在儀器分析實驗教學中的應用[J].中國校外教育. 2019（33）