国家级物理虚拟仿真实验教学中心的建设实践

张增明, 王中平, 张宪锋, 代如成, 张 权, 孙腊珍

(中国科学技术大学 物理实验教学中心, 安徽 合肥 230026)

实验教学示范中心建设

国家级物理虚拟仿真实验教学中心的建设实践

张增明, 王中平, 张宪锋, 代如成, 张 权, 孙腊珍

(中国科学技术大学 物理实验教学中心, 安徽 合肥 230026)

中国科学技术大学物理实验教学中心以建设国家级物理虚拟仿真实验教学中心为契机,充分发挥学科优势,及时将学科前沿内容、科研成果提炼转化到实验教学中。建设了大学物理虚拟仿真实验、大学物理实验视频课件、虚拟仿真高危核物理实验、基于数据库的宇宙线实验4个板块的虚拟仿真实验教学系统。

虚拟仿真； 实验教学； 硬件重构； 高危核物理实验

1 物理实验教学中心简介

中国科学技术大学物理学院以培养学科基础研究、应用研究和研制开发的领军人才为目标,注重对学生的实践能力和创新精神的培养。物理学院由物理系、近代物理系、光学与光学工程系、天文学系和物理实验教学中心组成,涵盖物理学、天文学、电子科学与技术、光学工程4个一级学科和光学、凝聚态物理、理论物理、粒子物理与原子核物理、等离子体物理、原子分子物理、天体物理、物理电子学、微电子与固体电子学、生物物理等二级学科。

物理实验教学中心前身是1958年建校之初组建的基础物理中心,我国许多著名的物理学家如施汝为教授和钱临照教授等都曾在此执教。 2006年1月,中心被教育部批准为首批国家级实验教学示范中心。在此基础上,中心将建设“大学物理实验”国家级精品课程、精品教材和国家级教学团队等项目相融合,全面实现大学物理实验课程体系、教学内容、教学方法和教学模式的改革,打破了传统的各学科独立的实验课程体系,建立了学科交叉、逐步升级、多层次的物理实验课程体系,特别注重科研成果转化的教学内容,在教学方法和教学模式的改革中作出了不懈的努力和开创性的工作,并因此获得6项省、部级教学成果奖。

中心面向全校所有专业本科生开设14门大学物理实验和物理专业实验必修课程,年均授课6 000多人、38万人学时。中心现有实验室使用面积4 800 m2,仪器设备2 500多台(套),总值为2 500多万元。学校每年投入200多万元专项实验建设经费和50万元运行费,保证了实验中心的运行。

1993年以来,中心国家级教学名师霍剑青教授负责的教学团队首创开发出可在网上运行的“大学物理仿真实验”,并在1997年获国家级教学成果二等奖。此后,中心的仿真实验内容不断增加,仪器模块实现自由组合,使物理实验教学在时间和空间上都得到延伸。2003年以来,中心以“大学物理实验”国家级精品课程为依托,开发了国内第一套虚拟现实型实验教学软件“大学物理仿真实验”,建设了丰富的网络资源,编写的立体化大学物理实验教材已被全国多所高校采用。这些成果在实施以学生为主体、以教师为主导的教学实践中发挥了重要作用。

为便于学生熟悉实物实验,中心在“大学物理仿真实验”的基础上,突出实验的难点和仪器使用的技术,制作了适合学生课前预习、课后复习的101个实验视频课件,并在“大学物理实验”国家级精品课程网、中国科学技术大学网络教学平台、中国科学技术大学物理实验教学中心网站发布,受到各高校学生的欢迎。这些视频课件不断得到优化,部分课件紧扣科研前沿,展示最新的仪器设备和实验内容。

近年来,虚拟仿真实验教学以其良好的生动直观性、安全性和经济性,在实验物理教学以及学生能力的培养中得到广泛应用。2008年,物理实验教学中心开始进行虚拟仿真高危核物理实验教学平台和基于数据库的宇宙线实验平台的研究和建设,并努力将科研成果转化为实验教学内容[1- 3]。

2 中心的教学资源建设

物理实验教学中心认真总结实验教学经验,坚持“以素质培养为主线、以能力培养为先导”的实践教学理念,注重进行实验课程体系、教学内容和教学方法的改革,建立了“基础实验—综合性、设计性实验—现代物理实验技术—研究性实验—专业基础实验—专业实验”的实验教学课程体系,实现了以实验为载体,互动、开放、研究式的实验教学方法[4-7]。中心以综合培养学生的专业思维、动手能力和创新素质为目标,融合现代教育理念,建设了“大学物理仿真实验”系列(含40个实验项目)、“大学物理实验视频课件”系列(含101个实验视频公开课件)、“虚拟仿真高危核物理实验”系列(含17个虚拟核物理实验)、“基于数据库的宇宙线实验”系列等4个板块的虚拟仿真实验系统。目前正在开发“极端条件下超高压虚拟物理实验”、“高成本纳米表征虚拟物理实验”和“量子通信系列虚拟实验”(见图1)。

图1 物理虚拟仿真实验教学建设一览图

3 虚拟仿真高危核物理实验教学平台的建设

在核能和核技术应用高速发展的今天,培养核与粒子物理领域的人才是高校的一项重要的任务。在核与粒子物理课程的教学中,实验教学尤其重要。但是,由于这类实验教学中需要放射源和放射实验装置,而放射源会造成电离辐射损伤,学校面临一系列高危安全管理难题,所以在国内高校中开设的核物理实验日趋减少。

中国科学技术大学物理实验教学中心发挥本校近代物理系核与粒子物理学科的科研优势,自2008年开始了核物理虚拟仿真实验教学平台研究,设计了一个可重构的信号采集器(见图2),通过硬件重构和软件配置,能够产生虚拟放射源。在此平台上可完成粒子、射线、射线等相关的高危核物理实验教学,其实验效果达到了传统的以NIM系列核仪器完成的上述实验的效果。此外,中心还引入了当今核与粒子物理实验的可重构理念和技术,学生可以现场重构实验系统,自主设计实验,研究粒子、射线、射线与物质相互作用原理,并掌握相关的核技术和核应用知识。虚拟放射源原理如图3所示。

图2 可重构信号采集器

图3 虚拟放射源原理示意图

在虚拟仿真高危核物理实验教学平台上可完成的核物理教学实验有:

(4) X射线的吸收实验和特征谱测量；

(5) 电流电离室实验；

(6) BF3正比计数器实验；

(7) G-M计数器的性能测量；

(8) 多丝正比室实验；

(9) 漂移室实验；

(10) NaI(TL)闪烁谱仪；

(11) 长塑料闪烁体计数器实验；

(13) Si(Li)X射线谱仪；

(15) 闪烁体荧光时间特性的观测与分析实验；

(16) 低能X射线谱仪；

(17) 放射性核素半衰期测量。

4 基于数据库的宇宙线实验平台的建设

由于加速器的建设费用大、运行和管理成本高,在高校开展高能粒子物理教学实验很困难。至今,我国内地只有中国科学技术大学和清华大学建设了宇宙线子物理实验。由于宇宙射线是天然的粒子源,且基本不引入新的电离辐射,中心在2010年利用大尺寸的塑料闪烁体探测器结合可编程逻辑阵列(field programmable gate array,FPGA),研制出了测量子寿命的实验及相对论实验装置,解决了放射源辐射和管理的高危险性问题,成功开设了高能粒子物理教学实验(实验装置见图4)[8-9]。

图4 宇宙线实验装置

2010年以来,中心与美国南卫理公会大学(Southern Methodist University)的教授合作,开发了基于数据库的宇宙线系列实验。该系列实验通过探测器长时间连续采集宇宙线,以该数据库为资源,建立了一套基于数据库的宇宙线虚拟实验平台,实现无放射源情况下的子寿命测量实验、粒子随机事件的统计规律研究实验。此外，利用导航系统的精确授时功能对单子事例排序,实现子寿命谱仪之间的符合测量实验；通过检验宇宙射线的各向异性,进行高能粒子的簇射现象研究实验；开展研究高速粒子的狭义相对论效应中的时间延缓效应等粒子物理实验。该系列实验通过探测器连续采集各地宇宙射线数据库,利用开发的软件分析平台、GPS、北斗导航技术,充分共享多地的数据库,开设宇宙射线的空间、时间分布的三维立体分布实验。

5 结束语

50多年来,中国科学技术大学的物理实验教学中心开拓进取、严谨治学,形成了浓厚的科研氛围和“知识-兴趣-素质-能力”综合培养、教学与科研相互促进的实验教学特色。在虚拟仿真实验中心的建设中,随着科学技术的进步,需要将前沿的科研成果、新技术不断引入实验教学。中心拟进一步建设部分极端条件、高成本、高新复杂技术的实验项目,例如极端条件下超高压虚拟物理系列实验、高成本纳米表征虚拟物理系列实验和量子通信系列实验。

References)

[1] 国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)[EB/OL].(2010-07-29)[2015-05-05].http://www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm.

[2] 教育部办公厅.教育部办公厅关于批准北京大学地球科学虚拟仿真实验教学中心等100个国家级虚拟仿真实验教学中心的通知[EB/OL].(2014-03-06)[2015-05-05].http://www.lab.pku.edu.cn/document/20140310142126621421.doc.

[3] 王兴邦.认真总结,提升理念,凝练成果,突出特色迎接国家级实验教学示范中心验收[J].实验技术与管理,2010,27(4):1-5.

[4] 张增明,孙腊珍,张权,等.创新研究型物理实验教学平台的建设[J].实验室研究与探索,2008,27(12):7-9.

[5] 孙腊珍,张增明.研究型大学物理实验教学平台建设的实践和探索[J].实验技术与管理,2008,25(10):18-20.

[6] 张增明,孙腊珍,霍剑青,等.创新研究型物理实验教学平台的建设和实施[J].物理实验,2009,29(7):14-17.

[7] 孙腊珍,张增明.以培养学生能力为核心,建立多层次实验课程体系和多元化教学模式[J].实验技术与管理,2012,29(4):1-2,16.

[8] 孙腊珍,吴雨生,李澄.μ子寿命测量实验[J].物理实验,2010,30(2):1-3,19.

[9] 孙腊珍,孙金华.近代物理实验教学改革与实践[J].物理实验,2005,25(5):31-32.

Construction and practice of national center for virtual simulation experimental teaching of physics

Zhang Zengming, Wang Zhongping, Zhang Xianfeng, Dai Rucheng, Zhang Quan, Sun Lazhen

(Physics Experiment Teaching Center, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Taking Physics Experiment Teaching Center of University of Science and Technology of China using construction national center for virtual simulation experimental teaching of physics as an opportunity, this article displays superiority of disciplines fully, and transforms contents of the frontier of science studies and refining achievements in scientific research into experimental teaching. A virtual simulation experimental teaching system was built including virtual simulation experiments and video courseware for college physics, virtual simulation nuclear physical experiments with high danger, and main cosmic ray experiments based on database.

virtual simulation; experiment teaching; reconfigurable hardware; high danger nuclear physical experiments.

2015- 05- 11 修改日期：2015- 07- 02

国家基础科学人才培养基金项目(J1310004)；安徽省省级教学研究项目(2014jyxm001，2014jyxm009)

张增明(1966—),男,安徽六安,博士,教授,主任,主要从事凝聚态物理研究

E-mail：zzm@ustc.edu.cn

王中平(1976—),男,山东临沂,博士,副教授,从事凝聚态物理方面的研究.

E-mail：zpwang@ustc.edu.cn

G482

A

1002-4956(2015)12- 0146- 04