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物理實驗教學(xué)思路論文模板
物理學(xué)是研究物質(zhì)運動最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科。作為自然科學(xué)的帶頭學(xué)科，物理學(xué)研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本的運動形式和規(guī)律，因此成為其他各自然科學(xué)學(xué)科的研究基礎(chǔ)。
第1篇：信息技術(shù)在醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)的重要性
摘要：文章在介紹了信息技術(shù)的同時，強調(diào)了將其應(yīng)用于醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)中的重要性，據(jù)此給出了具體應(yīng)用策略，并分析了信息技術(shù)在應(yīng)用過程中存在的問題，提出了具體的解決辦法，希望能夠使醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)建設(shè)水平得到進一步的提高。
關(guān)鍵詞：信息技術(shù);醫(yī)用物理學(xué);實驗教學(xué);建設(shè);實踐
信息技術(shù)是以計算機為基礎(chǔ)的技術(shù)，目前已經(jīng)成為了各領(lǐng)域應(yīng)用的主要技術(shù)之一，同時也成為了評價各領(lǐng)域當(dāng)前發(fā)展水平以及發(fā)展前景的重點。
將信息技術(shù)應(yīng)用到教育領(lǐng)域，已經(jīng)成為了該領(lǐng)域發(fā)展的主要趨勢。
醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)與信息技術(shù)的結(jié)合，對于教學(xué)水平的提高較為有利，因此需要得到有關(guān)人員的重視。
一、將信息技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)建設(shè)中的重要性
(一)是當(dāng)前教育領(lǐng)域發(fā)展的主要趨勢
信息技術(shù)的應(yīng)用是當(dāng)前教育領(lǐng)域發(fā)展的主要趨勢。
各行各業(yè)的發(fā)展均需要遵循與時俱進的原則，要充分關(guān)注當(dāng)前世界同行業(yè)發(fā)展的局面與狀況，并充分利用新技術(shù)與新方法，這樣才能使行業(yè)得到更加快速的成長，不至于由于過于落后而被淘汰。
教育行業(yè)同樣應(yīng)該如此，要跟隨時代的步伐，不斷解決問題，尤其是醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)，其對于創(chuàng)新性的要求更高，因此，將信息技術(shù)應(yīng)用起到非常必要。
(二)是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的主要措施
醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)具有嚴(yán)謹(jǐn)性，長此以往會導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。
建議當(dāng)前學(xué)生生理與心理發(fā)展的特點，其對信息技術(shù)通常具有較大的興趣。
將信息技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)過程中，可以使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣被有效的激發(fā)，這對于學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的提高以及課堂教學(xué)效果的改善均十分有利。
(三)是提高醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)水平的關(guān)鍵
將信息技術(shù)應(yīng)用到物理學(xué)實驗教學(xué)中，是提高教學(xué)水平的關(guān)鍵。
傳統(tǒng)教學(xué)方法整體水平相對較低，無論從教學(xué)方式看，還是從教師與學(xué)生的關(guān)系或地位看，都亟待更新。
信息技術(shù)是當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的主要代表，將其應(yīng)用于教學(xué)，能夠為其注入新的活力，對醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)水平的提高能夠起到極大的促進作用。
二、將信息技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)建設(shè)中的策略
(一)信息技術(shù)在醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)預(yù)習(xí)過程中的應(yīng)用
信息技術(shù)可以用于醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)的預(yù)習(xí)過程中。
調(diào)查顯示，當(dāng)前學(xué)生對于預(yù)習(xí)的重視程度有待提高，大部分學(xué)生甚至完全不會預(yù)習(xí)，這一現(xiàn)象不僅在其他學(xué)科中存在，在醫(yī)用物理學(xué)中同樣存在。
導(dǎo)致上述問題存在的原因，一方面在于學(xué)生沒有充分認(rèn)識到預(yù)習(xí)的重要性，另一方面也在于該學(xué)科的預(yù)習(xí)難度相對較大。
以G-M計數(shù)管坪曲線的測定為例，不僅實驗儀器復(fù)雜，同時操作鍵盤也相對較多，為學(xué)生預(yù)習(xí)增加了難度。
將信息技術(shù)用于醫(yī)用物理學(xué)的預(yù)習(xí)，可以有效解決上述問題。
將多媒體技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)過程中，將實驗的原理以及過程，以視頻的形式體現(xiàn)出來，進而使學(xué)生能夠通過觀看視頻，完整的了解實驗的每一個細節(jié)，這不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時也能夠達到提高其預(yù)習(xí)效率的目的。
采用普通數(shù)據(jù)采集卡和LabWindows/CVI作為開發(fā)平臺，針對G-M計數(shù)管坪曲線的測定，形成系統(tǒng)軟件，可以有針對性的解決其操作復(fù)雜的問題，對于學(xué)生操作便利性的提高以及難度的降低能夠起到一定的幫助作用。
(二)信息技術(shù)在醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)評價過程中的應(yīng)用
信息技術(shù)應(yīng)用與醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)評價過程中，同樣能夠達到提高該學(xué)科教學(xué)水平的目的。
教學(xué)評價應(yīng)本著客觀性與合理性的原則來實現(xiàn)，這樣才能提高說服力，使學(xué)生真正認(rèn)識到自身存在的缺陷與不足。
就目前的情況看，醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)評價主要以理論考試、口試以及操作考試三方面為主，上述教學(xué)評價方法，在一定程度上能夠反映學(xué)生對知識的掌握情況，但具有很大的漏洞，容易導(dǎo)致學(xué)生作弊等現(xiàn)象的發(fā)生。
將信息技術(shù)應(yīng)用到該學(xué)科教學(xué)評價過程中，以平時的實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用信息技術(shù)對其進行總結(jié)與處理，能夠有效的了解學(xué)生真實的學(xué)習(xí)水平，這對于教學(xué)評價合理性的提高十分有利。
三、信息技術(shù)的應(yīng)用面臨的問題與解決辦法
(一)信息技術(shù)的應(yīng)用面臨的問題
1.軟件與硬件的配套問題
軟件與硬件需配套使用，才能夠使信息技術(shù)真正發(fā)揮其價值。
就目前的情況看，醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)存在的問題在于，僅僅具備硬件基礎(chǔ)，卻并未將軟件與其配套使用，從某種程度上看，這導(dǎo)致了硬件資源的浪費，對于教學(xué)水平的提高會產(chǎn)生一定的阻礙。
2.教學(xué)模式問題
目前，醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)模式仍然以教師教、學(xué)生學(xué)為主，即教師仍扮演著課堂主體的角色，學(xué)生僅僅能夠觀察到教師的實驗過程，但很少真正的參與到實踐過程中，真正開展實驗，這是導(dǎo)致學(xué)生實驗操作能力差的主要原因。
改革上述教學(xué)模式，是提高醫(yī)用物理學(xué)教學(xué)水平，改革其教學(xué)模式的主要策略。
除此之外，傳統(tǒng)教學(xué)模式還會導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣，從長遠的角度看必定會影響教學(xué)水平。
3.教師技能問題
信息技術(shù)的應(yīng)用對教師技能提出了更高的要求。
一部分教師任教時間長，雖具有較為豐富的教學(xué)經(jīng)驗，但對于信息技術(shù)卻知之甚少，因此其在教學(xué)過程中，也就無法充分利用該技術(shù)，進而導(dǎo)致醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)改革與優(yōu)化過程無法順利實現(xiàn)。
上述問題的解決應(yīng)從教師的培訓(xùn)入手來實驗，除此之外，在自身技能的提高方面，教師也應(yīng)作出一定的努力。
(二)問題的解決辦法
為解決上述問題，應(yīng)實施具有針對性的策略，在提高軟件與硬件配套性基礎(chǔ)上，改善教學(xué)模式，提高教師技能，為教學(xué)環(huán)境的優(yōu)化提供保證。
1.提高軟件與硬件的配套性
提高軟件與硬件的配套性，是解決當(dāng)前應(yīng)用物理學(xué)實驗教學(xué)存在的軟件與硬件不配套問題的主要方法。
要避免將計算機資源閑置，要將其真正用于實驗教學(xué)，以提高教學(xué)水平。
對此，學(xué)校要認(rèn)識到應(yīng)用軟件的重要性，要在專業(yè)技術(shù)人員的幫助下，提高軟件應(yīng)用的可靠性，并使其能夠有效發(fā)揮其價值，為醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)水平的提高帶來更大的幫助。
2.改善教學(xué)模式
改善教學(xué)模式同樣十分重要。
傳統(tǒng)教學(xué)模式以教師教、學(xué)生學(xué)為主，不僅剝奪了學(xué)生的主體地位，同時也會阻礙其創(chuàng)造力的發(fā)揮，從短期看，會導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣降低，學(xué)習(xí)水平停滯不前，從長期看，則會對學(xué)生以創(chuàng)新能力為代表的綜合素質(zhì)的降低，對于其就業(yè)等都十分不利。
對此，必須及時改善教學(xué)模式。
要改變教師的主體地位，將學(xué)生作為課堂的主體，將課堂大部分時間交給學(xué)生，使學(xué)生可以獲得動手操作實驗的機會，以充分激發(fā)起學(xué)校以及思考的興趣，這不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力，同時還能夠使學(xué)生更加深入的了解實驗步驟以及相應(yīng)知識，對于其思維能力以及創(chuàng)造能力的培養(yǎng)都十分有利。
另外，教師在課堂中則要發(fā)揮引導(dǎo)作用，要加強對學(xué)生的引導(dǎo)，在學(xué)生操作存在問題時，幫助其解決。
除此之外，還應(yīng)將以多媒體為代表的信息化技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)過程中，將實驗過程展示在多媒體中，提高實驗的可視化程度，并將相應(yīng)電子資源通過社交軟件等形式發(fā)送給學(xué)生，使學(xué)生可以隨時觀看實驗，提高學(xué)生對知識的掌握水平。
3.提高教師技能
鑒于當(dāng)前一部分教師存在的計算機以及信息化技能達不到要求的問題，要極大力度提高教師技能。
可以通過培訓(xùn)的方法，使教師獲得更多信息技術(shù)知識以及對信息化技術(shù)的利用手段，使其能夠?qū)⑵漤樌麘?yīng)用到課堂當(dāng)中，提高教學(xué)效率與水平。
除此之外，教師自己也應(yīng)認(rèn)識到提高技能的重要性，要通過網(wǎng)絡(luò)等種種途徑，學(xué)習(xí)更多的有關(guān)信息化技術(shù)的知識，并多多觀看將上述技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)中的視頻，以為醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)建設(shè)質(zhì)量的提升帶來更大的支持。
四、結(jié)束語
綜上所述，傳統(tǒng)教學(xué)方法的應(yīng)用會阻礙醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)的建設(shè)與創(chuàng)新，應(yīng)將信息技術(shù)應(yīng)用到具體教學(xué)過程中，為學(xué)生創(chuàng)造更好的預(yù)習(xí)環(huán)境，降低預(yù)習(xí)難度，提高預(yù)習(xí)效率，與此同時，還應(yīng)將其用于教學(xué)評價過程中，以優(yōu)化教學(xué)評價過程，提高評價的合理性與客觀性，使之能夠真正反映學(xué)生的學(xué)習(xí)水平。
針對當(dāng)前醫(yī)用物理學(xué)實驗教學(xué)中存在的問題，要提出不同的策略對其加以解決，以最大程度的提高教學(xué)建設(shè)水平。
參考文獻
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第2篇：虛實結(jié)合的物理實驗教學(xué)探討
摘要：實驗教學(xué)如何借助虛擬仿真技術(shù)有效地提升教學(xué)效果，是實驗教學(xué)界普遍關(guān)注的課題。
本文結(jié)合自主開發(fā)的教學(xué)實驗項目，介紹我校開展虛實結(jié)合的物理實驗教學(xué)的理念和實踐———一種既實又虛的實驗教學(xué)新模式：在不削弱現(xiàn)有實驗訓(xùn)練強度的基礎(chǔ)上，通過虛擬仿真實驗幫助學(xué)生對實驗內(nèi)容，特別是其中的難點，有更深入、更全面的理解，以期學(xué)生能掌握實驗背后的物理及實驗設(shè)計思路等。
關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù);虛實結(jié)合;教學(xué)模式;教學(xué)效果
“教育部辦公廳關(guān)于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知”明確要求“虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能。
在涉及高�；驑O端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時，提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目。
”對“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的建設(shè)原則，不少同行理解為虛擬仿真實驗主要是替代或補充實際的實驗教學(xué)，進而開始懷疑：削弱現(xiàn)行的實際實驗教學(xué)的強度，實驗教學(xué)的效果還能保證嗎?本已有較明顯不足的學(xué)生實驗?zāi)芰κ欠駮M一步弱化?還能支持他們的長遠發(fā)展嗎?這或許是近幾年獲批成立的虛擬仿真實驗教學(xué)中心中，工程類和實訓(xùn)類明顯占優(yōu)勢，而基礎(chǔ)學(xué)科類明顯偏少的一個原因。
然而，現(xiàn)有的實驗課時數(shù)不明顯少于國外高校且已經(jīng)比較系統(tǒng)化的實驗訓(xùn)練，學(xué)生的實驗?zāi)芰�存在較大的提高空間，現(xiàn)行的實驗訓(xùn)練在課程設(shè)計、教學(xué)實踐的某些環(huán)節(jié)應(yīng)該存在著亟需改進和優(yōu)化之處。
如此，我們不妨從另一個角度來理解虛擬仿真實驗的建設(shè)原則：能否在現(xiàn)行的實驗教學(xué)體系的基礎(chǔ)上，充分挖掘虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢，嘗試去解決實際實驗教學(xué)中存在的深度、廣度上，以及對學(xué)生能力發(fā)展的促進作用等方面的不足?很顯然，這需要“虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)，既實又虛———基于現(xiàn)有的實驗項目，開發(fā)的虛擬仿真實驗內(nèi)容，不僅僅是幫助學(xué)生預(yù)習(xí)，更重要的是幫助學(xué)生提高對實驗的理解和掌握，進而改善實驗訓(xùn)練的效果，提升學(xué)生的實驗綜合能力。
本文將結(jié)合具體的實驗案例，介紹復(fù)旦大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)中的建設(shè)理念和教學(xué)實踐：既實又虛的實驗教學(xué)模式。
1復(fù)旦大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)歷程和現(xiàn)有課程體系
上世紀(jì)90年代，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系在全國較早開展計算機輔助教學(xué)(CAI)研究，鐘萬蘅老師帶領(lǐng)研究團隊編制固體物理、統(tǒng)計物理、近代物理等課程內(nèi)容的虛擬仿真軟件，將氣體擴散、晶格振動模式、斯特恩-蓋拉赫實驗等學(xué)生較難理解的內(nèi)容通過科學(xué)的計算，以動畫、可任意轉(zhuǎn)動的立體模型等形式展現(xiàn)出來，促進了學(xué)生對這些內(nèi)容的掌握。
鐘萬蘅老師的團隊制作的教學(xué)軟件在全國評比中多次獲獎。
在此之后，專門開設(shè)的“物理CAI課件設(shè)計”一直是我校的特色課程，該課程要求學(xué)生通過實踐來學(xué)習(xí)、掌握Photoshop，F(xiàn)lash，DreamWeaver，3DMAX等虛擬仿真課件制作工具和C++，VisualBasic，Delphi，Java等常用編程語言，不僅能夠經(jīng)常開發(fā)制作一些虛擬仿真實驗項目和課堂教學(xué)演示軟件，還能鍛煉學(xué)生的計算機使用能力，特別是在制作軟件的過程中，所討論問題的物理圖像會更加清晰。
在2000年前后，沈元華老師帶領(lǐng)團隊開發(fā)用于幫助學(xué)生做好實驗預(yù)習(xí)的虛擬仿真實驗，包括“邁克耳孫干涉儀預(yù)習(xí)CAI”和“真空系統(tǒng)實驗CAI”。
“邁克耳孫干涉儀預(yù)習(xí)CAI”通過錄像、動畫等多媒體手段，對實驗的原理、儀器的構(gòu)造和調(diào)節(jié)方法等作了較為詳細的介紹，幫助學(xué)生更高效地做好實驗預(yù)習(xí)，提高學(xué)生實驗室做實驗的效率和對實驗內(nèi)容的掌握。
“真空系統(tǒng)實驗CAI”建立虛擬實驗環(huán)境中的高真空實驗系統(tǒng)，為各真空部件和操作單元設(shè)計獨立的狀態(tài)表及相互聯(lián)系，允許學(xué)生對各操作單元進行獨立操作，并模擬、記錄、展示“當(dāng)前操作”長時間運行的結(jié)果，該軟件可以讓學(xué)生了解正常的操作流程，明白各種錯誤操作會導(dǎo)致的儀器損壞，并掌握如何通過監(jiān)測儀表等及時發(fā)現(xiàn)自己的錯誤操作，以便及時糾正。
“真空系統(tǒng)實驗CAI”教學(xué)軟件的使用不但提高了高真空實驗的訓(xùn)練效果，還可以避免因為學(xué)生操作不當(dāng)而不及時糾正導(dǎo)致真空系統(tǒng)的損壞。
經(jīng)過二十余年的開發(fā)積累和教學(xué)實踐，我們已建成了特色鮮明的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，包括“虛擬仿真實驗開發(fā)課”、“虛實結(jié)合的實驗教學(xué)”、“醫(yī)學(xué)物理虛擬仿真實驗”和“互聯(lián)網(wǎng)遠程控制實驗”4個模塊。
1.1專門開設(shè)“虛擬仿真實驗開發(fā)課”
虛擬仿真實驗課包括“物理CAI課件設(shè)計”和“計算物理模擬實驗”，訓(xùn)練學(xué)生自主開發(fā)虛擬仿真實驗的能力。
該課程要求學(xué)生基于分子動力學(xué)模擬和第一性原理計算，運用計算圖像顯示技術(shù)，針對1個或多個物理知識難點，結(jié)合當(dāng)前凝聚態(tài)物理研究前沿，設(shè)計虛擬仿真實驗，幫助學(xué)生了解并領(lǐng)會計算物理基本內(nèi)涵與技巧，初步掌握計算物理處理實際問題的思路與策略，為訓(xùn)練與提高科研能力打下基礎(chǔ)。
基于這些課程，在獨立開發(fā)虛擬仿真實驗的過程中，學(xué)生能較好地掌握如何構(gòu)建物理模型，對描述物理體系的關(guān)鍵參量的理解更加深入，物理體系隨參量化過程的物理圖像也更清晰。
這些課程受到學(xué)生的普遍歡迎。
1.2在實驗課程的日常教學(xué)中，引入多款通用的設(shè)計、仿真軟件，深入開展虛實結(jié)合的實驗教學(xué)新模式
虛實結(jié)合的實驗教學(xué)除了可以補充實驗課程內(nèi)容上的不足(很難可持續(xù)地開展易耗、高成本、高危性質(zhì)的教學(xué)實驗)，或者幫助學(xué)生做好實驗前的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，提高實驗課的效率，更可以借助自主開發(fā)的實際實驗和虛擬仿真相結(jié)合的實驗項目，發(fā)揮實驗操作訓(xùn)練和虛擬仿真各自的優(yōu)勢，深入挖掘?qū)嶒灛F(xiàn)象背后的物理實質(zhì)，直觀地展示知識難點，詳盡地剖析實驗技術(shù)的精髓，加深學(xué)生對實驗的理解，讓學(xué)生在充分理解的基礎(chǔ)上做好實驗，還能“無成本”地拓寬和加深實驗教學(xué)的內(nèi)容，提高實驗綜合能力培養(yǎng)的水平。
在實驗教學(xué)中引入的虛擬仿真軟件包括：電路仿真軟件MultiSim和OrCAD;光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計仿真軟件TracePro和Ze-max;機械3D設(shè)計軟件SolidWorks、ProE;電子光學(xué)仿真軟件SimIon;多物理場模擬軟件Com-sol;荷能離子轟擊固體表面的模擬軟件SRIM和Trim-DYN;高能粒子和物質(zhì)相互作用模擬軟件Geant4。
1.3自主建設(shè)的醫(yī)學(xué)物理模擬實驗
為了揭示人體的物理奧秘，利用物理知識開展精確醫(yī)學(xué)診療，為醫(yī)學(xué)生開設(shè)“醫(yī)學(xué)物理與實驗”新課程，自主研制了聽覺物理、呼吸物理以及血液循環(huán)等虛擬仿真系統(tǒng)。
研制的蘋果手機應(yīng)用軟件“Love-Ears”，可以隨時隨地進行與聽覺物理相關(guān)的虛擬實驗;肺呼吸物理仿真模型可以模擬肺的粘彈性及病理特征，進行肺順應(yīng)性曲線的模擬測量;正在建設(shè)的血液循環(huán)虛擬仿真系統(tǒng)，可以模擬各種心血管疾病形成的物理因素。
1.4自主建設(shè)的互聯(lián)網(wǎng)遠程控制實驗
“網(wǎng)絡(luò)控制牛頓環(huán)實驗”和“網(wǎng)絡(luò)控制靜電實驗”允許學(xué)生在任何時間通過網(wǎng)絡(luò)操作實驗設(shè)備，得到實驗結(jié)果;在建的“網(wǎng)絡(luò)控制單擺實驗”則允許實時測量重力加速度隨海拔和緯度的變化。
2虛實結(jié)合的實驗教學(xué)案例
2.1積木式光柵光譜儀的設(shè)計與搭建
實驗光柵光譜儀是使用非常廣泛的科學(xué)儀器，我們的實驗教學(xué)體系中也有多個與光柵光譜儀相關(guān)的教學(xué)實驗項目，包括“光柵光譜儀的應(yīng)用”和“氫光譜與類氫光譜實驗”，但學(xué)生對光柵光譜儀的結(jié)構(gòu)如何、分辨率與信噪比跟哪些因素有關(guān)等內(nèi)容掌握得不深入、不全面，而在二維平面上光學(xué)元件調(diào)節(jié)技能方面的欠缺更是明顯;為此，我們專門開發(fā)了虛實結(jié)合的“積木式光柵光譜儀的設(shè)計與搭建實驗”。
實驗要求學(xué)生借助TracePro、Zemax等光學(xué)設(shè)計軟件，選擇光學(xué)元器件，設(shè)計、搭建、調(diào)試滿足自己需求的光柵光譜儀(如：波長分辨率優(yōu)于1nm等)。
學(xué)生在確定光譜儀性能指標(biāo)后，在TracePro、Zemax等光學(xué)工程設(shè)計軟中建立光柵光譜儀的模型，然后調(diào)節(jié)模型中各元件的參量設(shè)置，設(shè)定輸入條件，得到模擬的光路圖，然后根據(jù)自己的需要，對模型中各元件的參量(包括會聚透鏡的面積、光柵的光柵常量以及它們的空間參量)設(shè)置進行調(diào)整，得到趨近于自己的設(shè)計目標(biāo)的光譜結(jié)果。
基于自己設(shè)計的模型，學(xué)生可以在實驗室選擇相應(yīng)的光學(xué)元件，在光學(xué)平臺上搭建光譜儀，比較自己的光譜儀的輸出結(jié)果和軟件模擬的結(jié)果;再利用設(shè)計軟件對光譜儀的參量設(shè)置進行嘗試性調(diào)節(jié)，以尋找實際光譜儀輸出結(jié)果與模擬結(jié)果之間產(chǎn)生差異的原因，進而高效地完成光譜儀的調(diào)節(jié)和性能優(yōu)化，完成滿足自己設(shè)定指標(biāo)的光柵光譜儀。
2.2克拉尼圖形實驗
共振是日常生活和科學(xué)研究中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象，其數(shù)學(xué)描述比較復(fù)雜，特別是實際體系較為復(fù)雜的邊界條件往往使波動方程的數(shù)學(xué)求解變得很困難，甚至無法得出解析解，而解析解往往也是用特殊函數(shù)表達，很不直觀，學(xué)生很難建立數(shù)學(xué)解與實際實驗現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)，進而影響對實驗內(nèi)容的掌握，用方形薄板和三角形薄板演示克拉尼圖形就存在這樣的問題。
為此，開發(fā)了虛實結(jié)合的“克拉尼圖形”實驗。
實驗要求學(xué)生首先用壓電陶瓷片驅(qū)動金屬薄圓盤，借助細沙粒得到薄圓盤在不同頻率下的共振模式。
然后嘗試給出其數(shù)學(xué)解，并在Comsol軟件中建立二維圓盤的模型，得到其共振模式，比較并分析實驗測量結(jié)果與模擬結(jié)果、解析解之間的異同，進而利用模擬軟件研究圓盤參量(如材料、大小、厚度等)變化時，圓盤共振頻率和共振模式如何變化。
3總結(jié)和展望
虛實結(jié)合的實驗教學(xué)可以讓學(xué)生更好地理解實驗現(xiàn)象背后的物理實質(zhì)，從而明明白白地做實驗，而不是機械地參考實驗講義完成實驗。
虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的合理使用，可以幫助學(xué)生自主建立物理模型，把握研究對象、實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，理解實驗方法的設(shè)計思路，學(xué)習(xí)合理地評估實驗結(jié)果，有望明顯改善實驗教學(xué)的效果。
2015年，我們申報國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心獲得批準(zhǔn)。
在今后的建設(shè)過程中，我們將建設(shè)更多的虛實結(jié)合的實驗教學(xué)案例，更全面地實踐“虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)模式，為切實提高學(xué)生的實驗?zāi)芰^續(xù)探索。
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