物理专业光电类课程虚拟仿真实验教学体系的构建

张登玉 陈列尊 黄顺 王文炜 王友文

摘要：虚拟仿真实验教学能弥补传统实验教学的不足。本文构建光电类课程虚拟仿真实验教学体系，特别是三维全矢量光电/电磁波仿真系统。归纳了虚拟仿真实验教学的特色与创新。

关键词：光电类课程;虚拟仿真实验;教学体系

中图分类号：G642     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）47-0245-02

虚拟仿真实验教学能大大提高学生的学习兴趣，加深学生对理论知识的理解，提高学生的实践能力，开阔学生的眼界，同时增加实验项目，扩大教学规模，提高教学效果。虚拟实验资源以其独特的优势，介入实验教学体系，弥补了传统实验教学的不足，解决了传统实验教学的实际问题。如突破实验场地、实验仪器、教师资源的有限性，课余还可以通过虚拟仿真实验来巩固实验实践得到知识技能。

一、光电类课程虚拟仿真实验教学体系

针对高校物理学专业实验课程，光电类课程虚拟仿真实验教学平台包含光学、电学和电磁学等共30个基础物理实验项目。该虚拟实验教学平台，可以在网上进行模拟实验。每个虚拟仿真实验项目都模拟真实的实验环境，将实验内容、仪器设计性成组件，分别存放在仿真实验和仪器库中。实验环境界面友好，实验指导信息丰富，学生可在实验提示信息栏和实验帮助文档的指导下顺利完成实验内容。比如，想要学习某个实验，可以在平台上双击实验名，运行实验后，首先屏幕上显示实验环境的实验主场景，实验数据表格、实验仪器栏、实验内容栏、实验提示栏、工具箱、帮助、实验辅助栏。

实验帮助文档融合了实验简介、实验原理、实验仪器、实验内容和实验指导。在开展模拟操作时，按照实验内容的提示，鼠标拖动到所选仪器上，从仪器栏到实验台上，将实验台上多余仪器放回仪器栏，在实验台上移动仪器至合理的位置，然后仪器之间连线/拆线，鼠标移动到指定仪器上，在整个操作过程中，实验提示栏会根据学生的操作，实时提示相关仪器的名称、功能、操作方法等提示信息，调节仪器，操作错误，会提示错误信息。操作对的时候会出现相应的实验现象或数据，可以将实验数据填入实验表格，进行处理。

整个仿真实验操作与真实实验操作没有不同，直观生动实验场景，还有及时的实验指导和提示（智能教师）。实验直观生动形式，实时的指导，降低了学生预习实验的学习难度，提高了学生的学习兴趣和预习的效果;学生进行仿真实验学习还不受时间、空间限制，解决了传统实验教学中学生实验学习中的预习和复习环节的实验仪器不足和实验室开放的困难。虚拟仿真介入实验教学体系，提高了学生实验学习的基础，使学生在真实的实验中真正有目的、有针对性地进行操作和观察并独立进行思考，利用掌握的知识对现象进行合理分析讨论，解决实验问题，从而达到实验教学培养学生理论联系实际实践能力和创新能力的目的。

另外，学生可以根据实验内容自行设计实验方案，从仪器库中选择合适的仪器自主完成实验，因而具有很强的设计性和开放性，为实现面向大面积学生开设设计性、研究性实验，营造开放性学习环境，为创新实验教学模式创造了条件。

仿真实验平台的开放，极大降低了学生实验预习的难度，提高了学生的学习兴趣和主动性，提高了实验教学的效果。加强教师对学生的实验学习监督和指导，极大地减轻了教师的工作量。通过仿真实验培训的学生体验到了自主学习的乐趣，从而更加积极地参加各种实践活动和竞赛。

二、三维全矢量光电/电磁波仿真系统

该系统是物理研究虚拟仿真平台的一部分，用于教师的教研科研和学生的研究性学习。该仿真系统可广泛用于模拟可见光、红外、微波、电磁波、激光、LED等各种光/电磁现象，并揭示其内在规律和机制，是光电/电磁器件设计和优化、科学研究和教学等领域的必备工具。且系统考虑真实材料的性质，在色散模型、增益模型和各向异性模型上做了很大的创新，保证了模拟仿真结果真实的物理本质和数值稳定性。该仿真系统中的快速原型设计与高度精确的模拟功能减少了真实设计研究实验对昂贵实验原型试制的消耗，可更快地评估设计理念，极大地降低产品研发成本。该软件主要功能如下。

（一）设计与优化功能

光栅设计与优化：具有透射率/反射率计算，衍射性能分析等。波导及光子晶体设计与优化：能实现本征模式/传播模式计算、等效折射率计算、截止频率计算、色散分析等。无源器件设计与优化：分束器、干涉仪、耦合器等仿真和计算。激光器设计与优化：谐振腔设计、模式竞争分析、相干性分析、噪声分析等。光电逻辑器件设计与优化：实现光开关设计、逻辑门设计、双稳态计算等。软件智能化：智能网格剖分、智能向导、数据后处理模块等。这些虚拟功能减少了光学器件、电子器件的损坏和消耗，降低产品研发成本。

（二）研究内容

金属表面等离激元的超强透射效应，局域表面等离激元场强局域和场增强效应，金属光栅衍射、金属纳米粒子电磁共振效应、光的非线性效应、特异材料、负折射、电磁隐身、纳米光子器件（金属纳米波导、微腔共振等）、表面等离激元激光、光子晶体、微波器件模拟等纳米光子学、表面等离激元光学和近场光学等领域研究内容。

（三）参数范围

可见光到红外波段（400nm～10μm）、微波波段、太赫兹波段;基于有限差分法或有限元方法，边界条件中包括周期边界条件、PML、CPML或UPML以及理想导体边界条件等常用边界条件;点光源、理想平面波和高斯光束等光源，可计算斜入射和垂直入射等情况;一维、二维或三维周期结构和非周期结构、准周期结构;普通电介质材料、金银贵金属等色散材料（基于Lorentz色散模型或Drude模型或采用经典文献提供的实验数据）、Kerr非线性介质、增益材料（二能级、四能级以及一般定义的增益材料）、各向异性材料、负折射材料、理想导体、半导体以及Graphene等;垂直入射和斜入射条件下的透射谱、反射光谱、电场磁场分布、电流分布或能流分布。这些参数保证虚拟系统研究范围的广泛性，同时也保证了模拟仿真结果真实的物理本质和数值稳定性。

三、虚拟仿真实验教学中心的特色与创新

打造中小学物理教育创新特色。中心依托基础物理省级基础课教学示范实验室教学力量，秉承国家级实验教学示范中心建设理念，精选与中学物理教学内容紧密联系的实验教学内容，建立仿真实验项目，使学生的学习直接为将来的教师职业服务，同时也为一线教学和广大中学生朋友提供优质的实验学习资源，使学生能及时了解物理科学的前沿，学习使用信息技术为学习、教学服务。中心将把中学物理虚拟仿真实验向教育实习学校、教师教育区域联盟学校、物理实验条件薄弱的学校推广，达到虚拟仿真实验教学资源共享的目标。

低成本、高效率扩充电子信息实验资源。逐步完成光电子信息类专业的实验教学体系建设，通过虚拟仿真实验的方式解决：在虚拟仿真实验平台开展基本型和设计型实验的预操作，降低了实物实验的损耗及失败率;综合型、创新型、不易现场实施的实验在虚拟仿真实验里可以不断修正、重组、创新，满足了实验的灵活性和实验效率的要求，同时也减少了实验的成本和资源消耗。待建设的虚拟实验平台应具有良好的可扩充性，可充分利用构件和Web服务技术的优势，快速增加新的虚拟设备而不用修改平台代码，用户亦可以根据自身需求自行在平台中添加相应的虚拟设备。

全方位、智能化的实验教学管理。平台实现了各类实验的统筹安排，提供了全方位的网上实验教学过程管理。实验全流程包括：实验安排与选课，实验前的相关知识辅助学习与测试，各类实验教学平台便捷跳转，实验过程的智能答疑与智能指导，虚拟实验结果的自动批改，实验报告的在线填写与管理，实验教学效果评估与分析等。系统采集学生在实验过程中的各类行为数据，为实验者提供个性化、针对性更强的知识学习指导和学习评估报告。通过数据分析更加丰富、翔实、客观地展示学生在实验教学各环节的参与情况，从而为科学地开展实验教学评估及教学改革提供了数据支持，同时大大减轻了实验管理员和实验指导教师的工作负担。

开放的个性化学习平台。虚拟仿真实验使远程的教师和学生不必集中到真实的实验室进行实物实验，他们在任何时间、任何地方都可通过网络进入虚拟仿真平台，更为便利地进行实验操作练习和教学指导，扩充了实验学习的时间和空间，还可以使大面积的因材施教的个性化教学变成可能。学生可以根据自己的能力和学习兴趣选择在同一个时间学习不同的内容。学生操作不当时，系统会给予相应的提示，在遇到问题时可通过在线指导功能，向老师或其他同学请求指导，老师也可以通过平台给所有在线的学生讲解实验的流程;虚拟实验没有仪器和耗材的消耗也使学生敢于尝试自己的思路而不拘泥于课本知识来进行实验，从而拓展其思维，启发创新。