科教融合促進卓越育人
——分子動力學虛擬仿真教學

華春燕

（華東師范大學教師教育學院，上海 200062）

0 引言

卓越人才培養和科技創新是當代大學的重要特征和使命，也是科技和文明不斷創新發展的重要源泉［1-2］。大學教師既是教學的主體，也是科研的主體，將最新的前沿科研成果搬到課堂中，把育人落實在教學和科研的全過程，這是近年來高等學校教育發展的一個重要理念。實現科教融合，通過授課教師的科研成果轉化來豐富教學內容，傳授并拓展教科書中的知識點，提高教學以及人才培養質量［3-4］。

但是，由于受實驗難度大、操作復雜、科研儀器昂貴、難以普及等現實因素的限制，其對應的課程實踐過程難以推廣。當前，伴隨“互聯網+教育”的快速發展，課堂教學逐漸呈現網絡化、信息化、虛擬化的發展趨勢。虛擬仿真實驗將虛擬現實技術融入實驗教學，拓展了實驗教學的內容、延伸了實驗教學的時間和空間。虛擬仿真實驗的出現為前沿科研成果在本科教學中推廣開辟了一條新的途徑，將不受諸多現實因素限制，解決了學生大課教學的難題，而且借助于現代計算機技術將課本上深奧抽象的理論知識直觀形象地呈現出來，不僅有助于學生對知識點的理解，而且對學生了解先進的科研儀器和科學前沿，培養學生卓越的科研素養都具有重要的意義［5-6］。

近年來虛擬仿真實驗教學項目逐漸受到了學校和教師的廣泛關注［7-8］。例如，李春艷等［9］提出了虛擬仿真實驗室教學資源的功能性整合的構想；薛永基等［10］開展了虛擬仿真教學在經管類專業的教學實踐；周萌等［11］提出了基于機器人控制技術的虛擬仿真平臺的科教融合拔尖創新人才培養方案；張寶儀等［12］實現了中小學課堂突發安全事件處理虛擬仿真系統的設計與開發；楊智慧等［13］開展了康普頓散射虛擬仿真實驗的設計。但是，關于科學前沿領域新近取得的科研成果的虛擬仿真實驗設計和教學實踐，目前還處于起步階段。

在物理學科知識點的課程教學中，非常抽象的內容是原子分子層面的微觀物理圖像和機制。微觀結構決定物質的宏觀屬性，這也是人類認識自然的重要基礎。從光學顯微鏡的發明到X 射線衍射技術的發展，每一次突破都極大地提高了人們探索自然的能力，但主要集中在穩態信息的獲得，而微觀世界則是一個動態演化的過程。例如，分子內原子核的運動通常在皮秒或飛秒的時間尺度，對應于分子結構的變化和相互作用，其背后的根本原因是電子阿秒時間尺度的運動［14-16］。因此，在其特征的時間（阿秒）和空間尺度（亞納米）上，實現微觀世界動態演化過程測量與調控，是當前超快光物理研究領域的前沿，不僅是理解物理機制、實現調控不可或缺的手段，而且有望揭示新穎的物理現象和機制，為新材料與結構設計提供新思路。

以往學生對上述基本物理化學過程的認識大多停留在書本文字概念層面，而對原子分子內超快動力學的直接實驗觀測能夠極大提高學生對相關物理概念的理解，從卓越育人的角度將有助于激發學生對科學探索研究的興趣。本文以分子動力學為例，介紹前沿科研成果的虛擬仿真實驗平臺的設計與教學實踐，給學生直觀呈現原子分子層面的微觀圖像和動力學行為，實現前沿科研成果進課堂的大范圍教學，使廣大學生參與到超快激光與分子相互作用的前沿研究中，加深學生對物理圖像的理解，激發學生的科研興趣和潛力。

1 虛擬仿真實驗設計理念和思路

虛擬對象的物理表現及其物理模型，包含物質和科學儀器的許多物理特征與交互響應的實時逼真表現。具體應用時達到實時性和逼真性之間的平衡。虛擬仿真實驗采用組件技術設計，將一起按照數學物理原理建模設計相對獨立的組件。針對前沿科研實驗的特點，系統設計充分考慮實驗的高階性、交互性、創新性、挑戰性、普及性和真實性等特征。學生根據實驗目標和內容設計實驗方案，調用不同的儀器組件搭建實驗裝置并開展實驗探索，體現實驗內容和過程的高階性；在學生開展實驗過程中，選取不同的組件搭建實驗裝置過程中，當涉及不合適的組件或者誤操作時，系統會提醒可能的結果和出現的問題，便于學生及時修改調整，體現實驗系統的交互性；學生可以自主設計實驗內容并完成相應操作，體現項目的創新性；儀器具有與物理原理相符的數學模型，可以設計拔高的實驗內容，體現內容設計的挑戰性；系統框架采用純網頁版，不需要插件，支持大范圍的共享教學使用，以及在其他高校教學中的普及推廣；實驗系統在設計中，包含了教師的教學模式和學生的實驗模式，所構建的科學儀器和實驗器材的外觀和尺寸與實物等比例設計，盡可能還原真實的實驗場景。

本虛擬仿真實驗系統的核心儀器設備包括飛秒脈沖激光系統、多體符合動量成像譜儀、實驗數據采集軟件等。虛擬仿真場景對科學儀器的構造、工作原理和功能進行了真實呈現，并在實際操作基礎之上，加上了生動的原理展示和知識點介紹，幫助學生更好地理解相關物理圖像。例如，仿真中特別展示了多體符合動量成像譜儀工作模式下內部微觀粒子的運動軌跡，加深學生對該先進科學儀器工作原理的認識和理解。另外，虛擬仿真實驗中，通過光場時空波形的精確調控，真實呈現對分子強場電離解離過程的調控效果，充分展現了實驗涵蓋的學科知識點。光路搭建中，插入關鍵光學元件時，形象展示了飛秒激光脈沖光場波形調控效果，使學生對光場調控有直觀深入的認識。虛擬仿真的實驗操作過程相比真實實驗達到了極高的還原度，并且虛擬仿真實驗能夠更清晰地展現實驗原理和物理圖像。

2 分子動力學虛擬仿真實驗系統架構和主要模塊

2.1 虛擬仿真實驗系統內部架構

分子動力學虛擬仿真實驗系統的總體框架如圖1所示，從上至下包含開放式虛擬仿真教學管理平臺、虛擬仿真實驗平臺、統一數據訪問平臺3個層面，分別實現不同的功能。同時，考慮仿真實驗教學推廣的需求，教學管理平臺層面的數據對接接口與學校教務系統、國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺等外部系統對接互動。

圖1 分子動力學虛擬仿真系統的框架設計

開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺，采用開放架結構和統一數據接口設計，主要包含基礎信息系統、教學管理、實驗資源學習、在線仿真實驗、在線互動討論、在線資源評價、實驗數據管理、實驗情況統計等教學應用模塊，為教學開展提供保障服務和資源，調用虛擬實驗開展在線實驗，形成教學管理數據、實驗數據。

虛擬仿真實驗采用組件技術設計，將儀器按照數學物理原理建模設計相對獨立的組件，包括可視化展示和仿真實驗兩個主要模塊。用戶根據實驗內容調用不同的儀器組件形成實驗方案、開展實驗步驟、調用合適的算法得到實驗數據和實驗狀態，并通過動畫、文字、圖形等多種可視化技術將模擬真實的實驗過程展示出來、給予合適的提示和指導，協助學生自主完成實驗。統一數據訪問平臺負責數據資源的存儲和生成，包括實驗基礎數據、教學安排、選課數據、實驗成績、教學記錄等，是整個虛擬仿真系統最底層的基礎平臺。

2.2 虛擬仿真實驗界面設計

分子動力學虛擬仿真實驗平臺設計的界面如圖2所示，包括項目簡介與教學引導視頻及實驗預習模塊，學生在開始虛擬仿真實驗操作之前，需要自主學習網站上的資源，包括實驗簡介、實驗原理、實驗內容、實驗儀器、實驗指導等文本，以及引導視頻。在了解實驗有關原理知識的基礎之上，完成預習題目，之后才能開展具體的實驗操作過程。

圖2 分子動力學虛擬仿真實驗界面主要模塊

點擊“開始實驗”模塊，進入分子動力學虛擬仿真實驗界面，可以看到飛秒脈沖激光系統、光學元器件、多體符合動量成像譜儀、實驗數據采集軟件等，如圖3所示。虛擬仿真場景對儀器的構造、工作原理和功能進行了真實呈現。學生根據前期的實驗預習情況和實驗目的，參考開機步驟開啟激光器，搭建實驗光路，調試真空譜儀系統，采集數據，完成實驗并提交實驗報告。相關數據存儲在統一的數據平臺，任課教師根據不同的需求進行訪問，審閱批改學生的實驗報告，分析學生實驗的結果，總結問題和經驗，不斷提升虛擬仿真實驗教學的效果。

圖3 實驗平臺及主要儀器設備

3 分子動力學虛擬仿真實驗平臺特色

3.1 實驗方案直觀呈現微觀物理圖像

超快激光光場由于其瞬時的超高場強效應，能夠與物質發生極端相互作用，產生眾多新奇的效應，為物理化學、材料科學、生物醫學、精密制造等前沿科學和產業應用等領域帶來了革命性發展，并已逐漸影響到人們生活的方方面面。超快激光技術的發展及其相關研究長期引領科學前沿，相關研究成果多次獲得諾貝爾獎，為觀測極小物體和令人難以置信的超快過程提供了前所未有的技術手段。例如2018 年的諾貝爾物理學獎，頒發給了為超快激光技術領域做出卓越貢獻的科學家，以表彰他們發明了一種產生高強度超短光脈沖的方法。超快激光與物質的相互作用過程，結合多體符合動量成像譜儀，能夠在原子分子層面揭示物質微觀世界的極端動力學過程，包括分子內原子核的皮秒到飛秒時間尺度的振轉運動，以及阿秒時間尺度的電子隧穿與局域等動力學，這既是量子物理與技術的核心，也是人們認識自然客觀世界的重要基礎。類似的抽象圖像主要停留在教科書上的理論文字描述，無益于學生對該知識點的理解和推廣運用。而利用虛擬仿真技術，可真實展現分子內部的超快動力學過程，獲得極端超快演化的動態微觀世界。

3.2 以學科前沿為導向的專業教育，可激發學生科研興趣與潛力

最新的學科前沿研究成果如何應用到本科課堂教學，是實現科教融合和學生卓越發展的重要推動力，但是這也是大課教學遇到的難題。開展虛擬仿真實驗，合理利用信息化技術帶來的虛擬實驗室空間、設備、材料和師資資源，豐富了教學內容，可極大提高學生學習效果。本課程設計突破前沿科學實驗對科學儀器、操作人員科研基礎要求高等壁壘，利用計算機虛擬仿真實驗平臺，能夠讓廣大學生體驗基于超快激光的分子極端動力學的高端實驗，拓展學生在超快光學、分子動力學等方面的知識，激發學生的科研興趣和潛力，實現科教融合的卓越育人理念。

3.3 實驗項目資源豐富、教學方法創新、評價多元化

虛擬仿真實驗的另一個重要特點是可以實現實驗資源豐富，教學方法和評價的多元化。例如，實驗講義和實驗報告上傳系統，實現在線討論與教學評價；在教學方法方面采用“虛”“實”結合、線上線下混合的教學方法，在條件允許的情況下組織學生進入線下實驗室觀摩科研人員開展的前沿科學實驗，深化線上虛擬仿真教學的效果；另外，虛擬仿真實驗平臺對學生的實驗預習、在線操作、實驗報告、以及課后拓展等方面情況分別進行分類評價，最后給出綜合評價結果。

4 教學實踐與推廣

分子動力學虛擬仿真實驗系統成熟上線運行之后，在本校物理學專業的本科教學實驗課程中使用，并且在非物理專業的大學物理課程中推廣。為了了解學生對虛擬仿真實驗平臺的教學應用情況，選取了物理學專業42 名學生進行問卷調查。學生普遍反映實驗界面非常直觀實用、實驗設計合理有趣，符合物理實驗規律，具有創新性，實用性，普及性；實驗任務流程清晰，易學習，實驗內容直觀，增強了對實驗的理解，能讓更多人了解超快光學，減少了實驗成本等。

“能夠對分子動力學實驗有身臨其境的感受，極大提升了對相關物理圖像的理解，對學生幫助非常大。”

“提升了同學們的體驗獲得感，能夠很好地學習到做實驗的整個流程。”

“虛擬仿真實驗有助于更好地理解超快激光物理過程和原理，能夠為同學們在進行實驗前提供一個訓練的平臺，有助于提升基本實驗技能。”

“非常好的一套系統，讓我了解了冷靶反沖離子電子譜儀的工作原理和超快激光的實驗，仿真度高，操作友善；生動形象，基本復現真實實驗操作，可以提前學習相關知識。”

在實驗設計方面，97%以上的學生認為本虛擬仿真實驗改變了教學模式，彌補了傳統課堂教學的不足，實驗過程更安全、實驗消耗更節約、教學內容更直觀、學習趣味更濃厚、增強對實驗的理解。

在實驗任務方面，90%以上的學生認為任務流程清楚，易學習，有趣味性；有多重學習模式，可供反復學習，很實用。

在虛擬仿真實驗中對自身學習的影響方面，93%以上的學生認為學習到很多實驗原理和實驗儀器的操作以及注意事項，很大程度上提高了自主學習的興趣。

此外，對模擬實驗的內容也進行了問卷調查，問卷主要采用李克特量表（Likert scale）（5 分表示完全了解—1 分表示完全不了解）形式，調查問卷結果如表1所示。

表1 模擬實驗內容調查問卷均值、標準差與方差

在模擬實驗中，學生對超快激光的原理、多體符合動量成像譜儀的工作原理、搭建單色激光場的步驟、搭建共線雙色激光場的步驟、對實驗得到的數據進行初步分析，并得出相關的物理圖像了解程度的均值均超過3.8 分，說明本仿真實驗任務流程清晰，易學習，實驗內容直觀，增強了學生對原子分子層面的微觀物理圖像和機制的理解。

同時，對于相關專業的低年級研究生在教學過程中也進行了試用，作為對前沿基礎領域的可視化教學的補充。在未來幾年，將本項目逐步向兄弟院校推廣，尤其是面向科研條件比較薄弱的中西部地區高校，使其物理專業的學生能夠收益。與此同時，在開放的過程中，本分子動力學虛擬仿真實驗教學系統將在不斷地發現問題、解決問題的過程中完善內容，積累經驗，提高開放水平和優化虛擬仿真系統的性能。

由于虛擬仿真實驗具有可視化的特點，其在科普教育方面也可以發揮重要的作用。根據本實驗項目的推廣和發展情況，逐步開發科普項目產品，依托科普教育基地等平臺，向科普迷、中小學生、國內外高校人員等開放參觀學習。在科普教育活動中加入分子動力學成像實驗項目，讓更多的人了解原子分子光學的前沿科學研究進展，為提升全民科學素養貢獻力量。

5 結語

依托分子動力學虛擬仿真實驗平臺，建立了科教融合培養模式下的教學體系。基于課程的設計，學生通過自主完成科學前沿實驗內容，掌握相關的知識點和實驗技能，有利于培養學生創新實踐能力、科研思維能力。通過本項目的實施，能夠使更多的大學物理專業本科生體驗超快激光與分子的極端作用過程，觀測微觀世界的真實面貌，拓展學生的知識廣度和深度，提高學生的專業素養，培養學生的科研興趣。基于虛擬仿真實驗平臺，將最前沿的科研成果引入課堂教學，實現科教融合，促進卓越人才培養。