核物理虚拟仿真实验教学平台搭建——基于开放式实验教学

作者为重庆大学物理实验国家级教学示范中心教师。

开放式实验教学模式一直是高校实验教学改革的重要方向，目的是在培养学生实践动手能力的基础上，鼓励学生自主学习和探索创新^[1-3]。这种教学模式将实验教学的平台、内容、资源等开放给学生，改变了教师和学生在教学活动中的角色关系，教师从主导地位的设计者、组织者变为了辅助地位的指导者、辅助者^[4,5]，学生则由“被动的”接受者转变为“主动的”探索者；在学习过程中，充分发挥学生的主体作用，不断地挖掘学生的潜力和培养学生的综合素质。

1 核物理虚拟仿真实验教学平台开放式教学设计

核物理实验是物理学科专业人才培养过程中一项十分重要的实验教学内容，属于物理专业实验教学中不可或缺的部分。但由于实验教学中需要用到放射源，面对可能的辐射风险，人们总是“谈虎色变”，该门课程在实验教学的开展上显得“束手束脚”。开放式实验教学模式给核物理实验提供了一个很好的教学方式，虚实结合的开放式教学，有利于促进核物理专业实验教学的深化和改进。重庆大学物理实验国家级教学示范中心通过建设虚拟仿真实验教学平台，开辟开放式、虚实结合的核物理及核应用实验教学新模式，发展核物理专业实验教学和加强本科人才培养。

1.1　虚拟仿真实验开放式教学的目的

在传统的实验教学活动中，实验内容、方法、步骤、仪器是固定不变的，实验多是对一些物理原理和现象的演示和验证，少有设计和探究，上课也多是老师灌输和演示操作，学生再重复实验操作过程^[6,7]，从始至终学生都处于一个被动的地位，因此，学生对实验提不起兴趣，更多是应付式的完成任务。

而虚拟仿真实验开放式教学模式完全不同，它颠覆了传统的实验教学和人才培养，给学生提供了一个自由发挥、探索创新的环境和机会，学生自主选择实验项目、设计实验方案和重构实验条件，充分发挥学生的想象力和自主性，让学生自己去分析和解决实际问题，培养学生的创新思维和科学素养^[8-11]，使学生毕业后能符合社会发展需求，成为更具竞争力的人才。

1.2　开放式虚拟仿真实验教学平台特色

为更好地服务实验教学，深化实验教学改革，重庆大学物理实验中心建立了一套开放式实验教学网络管理系统，利用这一套系统，将核物理实验室建立成一个开放式的虚拟仿真实验教学平台。该平台主要分为开放式管理、可重构系统两大模块，在开放式管理中：学生可以使用校园身份证——一卡通，登录实验中心开放式实验教学网站，首先进行实验室安全须知和行为规范测试，通过测试后便可进入个人实验系统，在个人实验系统中可以进行预约上课时间、选择实验项目、下载实验资料、上传实验报告等操作，并可以查看当值的实验指导老师，与老师在线交流；实验预约成功后，便可获得实验室门禁权限，进入实验室做实验，当实验完成后，在个人实验系统点击确认“完成实验并关好电源、门窗等”，离开实验室。可重构系统中：实验软件操作方便，实验平台可以重构实验条件的特点使得实验具有很强的操作性；学生利用该平台自行设计实验方案，进行个性化实验，在实验过程中如发现问题，在解决问题的同时可以重构实验条件，再设计实验，在整个过程中充分发挥学生的想象力，培养学生的探索精神和解决问题的能力，在完成实验内容后可直接在电脑上处理实验数据，完成实验报告，节省实验时间；实验教师可远程指导学生实验和批阅实验报告，极大地提高教学效率。可重构实验教学平台充分利用实验中心开放式信息管理的资源，提升实验教学的质量，为学生提供了一个自由、个性的实验环境，平台结构如图1所示。

图1 开放式核物理虚拟仿真实验教学平台结构图

2 实验教学内容设计

2.1　核物理实验教学内容

在核物理实验教学设计上，我们强调学生的主体地位，老师作为指导，引导学生自主设计、独立思考、小组协作探讨、科学研究^[12，13]。教学内容分为“基础设计实验”和“探究创新实验”两个部分。基础设计实验内容主要为物理相关专业的学生开设的专业实验，按照教学计划和教学任务，强调学生对核物理基本原理的认识和实验技能的掌握，将核与粒子物理、核实验方法、粒子探测技术与核电子仪器有机地结合，其实验内容主要包括：吸收强度测量、电子能谱测量、寿命谱测量等。开设“半导体α探测器实验”“α粒子的能量损失实验”“β射线的吸收实验”“闪烁谱仪测γ射线能谱实验”“γ射线的吸收实验”“测量X射线特征谱及X吸收实验”“放射源半衰期实验”“Ｇ-Ｍ计数管特性研究实验”等系列核物理与核技术教学实验。学生可根据需要，在平台上进行重构，自主设计实验。

探究创新实验是基础设计实验的深化，面向所有理工科学生开放，凡是对核物理和核技术感兴趣的师生，在了解了射线与物质的相互作用规律、核辐射的统计规律、各类常用探测器的基本原理和技术性能，掌握了常用核电子学仪器的原理及使用方法后，可借助该平台，在平台上进行探究创新、研究实验，教师开展教改教研等活动，将研究转化为成果，可以不断地优化和发展核物理实验教学，学生通过参与学科竞赛、SRTP项目、国创项目等，提高自己的科学兴趣、科学素养和创新能力。教学内容设计如图2所示。

图2　教学内容设计图

2.2　可重构核物理实验仪器

可重构核物理实验仪器主要由虚拟放射源、多道分析器、控制软件、计算机构成，如图3所示。用虚拟核信号发生器代替实体放射源，其物理特征：可以给出指定放射源的物理信息，如能量分布信息、粒子信息、探测器的响应信息；可根据实验需求仿真实验过程，动态产生触发判选条件，产生多粒子符合输出。经多道分析器采集信号，实验软件进行分析、测量实验。借助计算机仿真技术在实验平台的深入应用，我们采用虚实结合的模式，为学生提供一个安全、方便、优质的实验环境。

图3　可重构核物理实验仪器图

3 评价系统

核物理虚拟仿真实验在开放式教学中，对学生采取多样化的评价方式，评价系统分为学生互评、教师评价两个方面，尽量全面、客观地评价学生。

学生互评为竞争答辩模式，学生进行小组分类，正方组、反方组竞争答辩，其他小组作为打分评委，每组依次轮换，答辩中注重实验设计、实验结果、问题解决情况、研究成果（创新点、问题解决方案）4个方面，正方对自己的实验情况进行答辩，反方提出问题和质疑，正方作答，评委小组对正反双方的表现进行打分。

教师评价从平时实验表现、论文写作、答辩过程的综合表现3个方面进行打分。实验表现评价包括学生的实验设计、实验操作、实验报告。论文写作主要考查学生的思考、创新和研究成果。答辩综合表现把个人表现和小组表现相结合打分，既评价个人的独立思考、解决问题、实验能力，个人在小组团队中的参与度、协作能力、交流情况；又评价小组的整体表现，小组的问题解决方案、解决问题情况和研究成果。最后结合学生互评和教师评价给出综合成绩，为优秀的实验设计方案申请SRTP项目、国创项目等，优秀论文作品推荐给期刊发表，认可并奖励表现突出的学生的研究成果。评价系统如图4所示。

图4　评价系统

4 结语

核物理虚拟仿真实验开放式教学是实验教学改革中的一个新的尝试。我们采取虚实结合的方式，在硬件条件、实验教学内容、网络信息、实验室管理、教学评价等方面进行建设^[14]，为学生提供一个开放、灵活、个性化的学习空间，在优化和发展核物理实验教学的同时，将学生综合素质培养与社会人才需求相结合。

目前，开放式核物理虚拟仿真实验正处于试验教学阶段，基于该平台，已成功申报2项教学教改项目和1项国家级大学生创新实验项目；从第一学期的试验教学来看，学生选课、上课积极，效果显著；学生评价高：很喜欢这种开放、自主的实验方式和考评方式，觉得公平、有发挥空间（学生评语）。在后续工作中我们示范中心将继续坚持该教学模式并加以推广，开展更多探究项目和创新活动，助推创新型人才培养。

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引文格式:  杨东侠，刘安平，韩忠，等. 核物理虚拟仿真实验教学平台搭建——基于开放式实验教学[J]. 物理与工程，2018，28（5）：106-109，113.

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