网络环境下预习型物理虚拟实验平台构建研究

王 丰 汪 洋 曾 嵘 魏英智 周 波黑龙江科技大学理学院 黑龙江哈尔滨 150022



网络环境下预习型物理虚拟实验平台构建研究

王 丰 汪 洋 曾 嵘 魏英智 周 波
黑龙江科技大学理学院 黑龙江哈尔滨 150022

摘 要：预习型物理虚拟实验平台可以帮助学生在实验前通过平台对要做的实验进行预习，提高了物理专业实验课的教学起点。在预习型物理虚拟实验平台支持下，学生可以通过观看演示动画、教学视频资源、CAI仿真课件、模拟实验等方式进行预习，了解实验的操作方法和技术规范，掌握实验原理和实验操作过程，为进入实验室进行动手实验做好提前准备。关键词：实验预习；虚拟实验；专业物理实验

当今世界进入了信息时代，新的科学技术越来越多地进入了我们的生活中，影响并改变着我们的生活，以微信为代表的一系列跨平台的通讯交通工具的出现为自主学习提供了方便，以前学生预习物理实验主要是看实验的教材，通过指导书掌握实验的目的、原理、仪器[1-5]。由于这种方法缺乏直观真实感，学生对预习容易产生学习障碍，这也影响了学生自学能力的培养。而物理专业实验预习与复习系统，它借助图像、声音、动画视频等现代化多媒体手段，在网络环境下创建了一种虚拟实验环境，学生不仅可以很好地熟悉实验仪器、实验原理及注意事项，而且还可以在网络环境下先做模拟仿真实验，对物理实验的操作规范先有一定的认知，从而更好地达到了物理实验预习要求。预习型物理虚拟实验平台可以帮助学生在实验前要通过平台对要做的实验进行预习，提高了物理专业实验课的教学起点[6-10]。

1 预习型虚拟物理实验模型构建

物理实验预习是实验操作前的准备阶段。实验预习可以加深对实验内容理解及锻炼学生自学能力。只有认真做好实验预习，才能规范化的做好实验。预习型虚拟物理实验的构建重点放在实验前学生需要掌握的内容[11-17]。主要有注意事项模块、实验内容模块、预习报告模块、在线交流四部分(如图1所示)。

图1 预习型虚拟实验构建示意图

2 虚拟物理实验的教学辅导案例

2.1 基础光纤激光实验内容简介

光纤激光器实验是我校应用物理专业实验课程针对本科学生必开的一个教学实验内容。光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。光纤激光器特点是耦合效率高，散热效果好，具有高转换效率，光束质量好，阈值低和窄线宽等优点。

2.2 预习物理实验学习导航

专业物理实验教材中介绍了基础光纤激光实验的实验目的、实验原理，实验仪器、实验内容与步骤、注意事项、预习思考题以及讨论题七部分实验内容。其中实验目的包括了做本实验需要达到的3个实验目的。实验的原理包括了光纤激光器的结构、掺杂铥离子的能级结构和光纤谐振腔结构三小部分内容，在光纤激光器的结构中，教材给出了光纤激光器的原理方框图，并对光纤激光器的各个组成部分作了简要说明，光纤激光器原理是学生需要掌握的重点内容，也是学生难于理解的一部分内容，尽管教材中用文字说明结合图像阐述了光纤激光器原理，但学生理解起来仍然很困难，所以我们制作了CAI课件，用形象生动的动画表现出了光纤激光器原理(如图2所示)。

图2 预习型物理虚拟实验网络平台链接导图

2.3 实验要点突破模块

2.3.1 实验原理与背景知识模块

本实验研究792 nm波段泵浦光泵浦Tm3+的3F4能级。如图3所示，该抽运波段等效于4准能级系统。在激光泵浦的作用下，光纤中的掺铥原子吸收激光的能量从基态跃迁到3H4能级，粒子在该能级的寿命约14.2 µs，粒子最终回落到3H5能级上，由于3H5能级的粒子寿命短，粒子又回落到3F4能级上，从而将此系统简化为一个3能级系统。

图3 铥离子能级结构图

790 nm泵浦铥离子有很高的效率，3H6能级跃迁到3H4能级的受激吸收截面如图4(a)所示。3F4能级辐射到3H6能级的受激发射截面如图4(b)所示。铥离子基态3H6到3H4的能级间距，匹配激光的频率。

当激光达到使3H4能级积累的粒子多于基态，即出现粒子数反转，能级3H4态粒子跃迁到基态的就形成2 µm激光[18]。

图4

2.3.2 掺铥光纤激光器的设计模块

(1)比较常见光纤激光器的特点。

(2)分析光纤激光器各组成部分的作用。

(3)完成掺铥光纤激光器的设计。

2.3.3 掺铥光纤激光器性能参数的测试模块

(1)分析不同实验方案的特点。

(2)搭建掺铥光纤激光器实验系统。

(3)在掺铥光纤激光器的输出端接上测量仪器。(4)测量光纤激光器的性能参数。

2.4 在线交流

专业物理实验在线交流提供了一种新的交流互动模式即移动手机微信群模式，现今微信已经被广泛接受应用、同时也深受大学生的喜欢、希望通过微信可实时进行教师-学生、学生-学生讨论。在微信中设实验讨论区、教师答疑区和教学反馈调查等栏目，使大学生在快乐中解决自己遇到的问题。

3 结束语

随着科学技术的发展，实验技术已成为一门独立的科学，是大学生必须掌握的一种实验技能。大学生在预习物理实验时，要根据实验内容和目的要求去思考在实验过程中应重点观察什么现象，该纪录什么数据，做实验过程中注意事项及如何处理实验中所出现的问题。在网络环境下虚拟物理实验可以帮助学生做好实验前预习工作。为学生创设一个类似于教师指导的预习型物理虚拟实验，以将网络环境下虚拟物理实验预习作用为研究内容，探讨了预习型虚拟实验平台如何构建。为拓展虚拟物理实验应用提供一些借鉴。

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Research on Construction of Preview Type of Physical Virtual Experiment Platform

Wang Feng, Wang Yang, Zeng Rong, Wei Yingzhi, Zhou Bo
College of Science, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin, 150022, China

Abstract:Preview type physical virtual experiment platform can help students preview experiments to be conducted before experiments by platform, which improves initial teaching physics experiments. Under support of preview type of physical virtual experiment platform, students can view demo animation, teaching video resources, CAI simulation courseware, simulation experiments and other methods to understand operation method and technical specification, master experiment principle and operation process, providing preliminary preparation for hands-on experiment in lab.

Keywords:experiment preparation; virtual experiment; professional physical experiment

基金项目：黑龙江省教育科学“十二五”规划课题(编号：GBC1213111)。

作者简介：王丰，硕士，副教授。汪洋，博士，教授，主任。

收稿日期：2015-09-07