王 豐 汪 洋 曾 嶸 魏英智 周 波黑龍江科技大學(xué)理學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150022

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網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下預(yù)習(xí)型物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建研究

王 豐 汪 洋 曾 嶸 魏英智 周 波
黑龍江科技大學(xué)理學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150022

摘 要：預(yù)習(xí)型物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前通過平臺(tái)對(duì)要做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，提高了物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)起點(diǎn)。在預(yù)習(xí)型物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持下，學(xué)生可以通過觀看演示動(dòng)畫、教學(xué)視頻資源、CAI仿真課件、模擬實(shí)驗(yàn)等方式進(jìn)行預(yù)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)的操作方法和技術(shù)規(guī)范，掌握實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作過程，為進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行動(dòng)手實(shí)驗(yàn)做好提前準(zhǔn)備。關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)；虛擬實(shí)驗(yàn)；專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)

當(dāng)今世界進(jìn)入了信息時(shí)代，新的科學(xué)技術(shù)越來越多地進(jìn)入了我們的生活中，影響并改變著我們的生活，以微信為代表的一系列跨平臺(tái)的通訊交通工具的出現(xiàn)為自主學(xué)習(xí)提供了方便，以前學(xué)生預(yù)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)主要是看實(shí)驗(yàn)的教材，通過指導(dǎo)書掌握實(shí)驗(yàn)的目的、原理、儀器[1-5]。由于這種方法缺乏直觀真實(shí)感，學(xué)生對(duì)預(yù)習(xí)容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)障礙，這也影響了學(xué)生自學(xué)能力的培養(yǎng)。而物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)系統(tǒng)，它借助圖像、聲音、動(dòng)畫視頻等現(xiàn)代化多媒體手段，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下創(chuàng)建了一種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生不僅可以很好地熟悉實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)原理及注意事項(xiàng)，而且還可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下先做模擬仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的操作規(guī)范先有一定的認(rèn)知，從而更好地達(dá)到了物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求。預(yù)習(xí)型物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前要通過平臺(tái)對(duì)要做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，提高了物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)起點(diǎn)[6-10]。

1 預(yù)習(xí)型虛擬物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)是實(shí)驗(yàn)操作前的準(zhǔn)備階段。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)可以加深對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容理解及鍛煉學(xué)生自學(xué)能力。只有認(rèn)真做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，才能規(guī)范化的做好實(shí)驗(yàn)。預(yù)習(xí)型虛擬物理實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)前學(xué)生需要掌握的內(nèi)容[11-17]。主要有注意事項(xiàng)模塊、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模塊、預(yù)習(xí)報(bào)告模塊、在線交流四部分(如圖1所示)。

圖1 預(yù)習(xí)型虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建示意圖

2 虛擬物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)輔導(dǎo)案例

2.1 基礎(chǔ)光纖激光實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)介

光纖激光器實(shí)驗(yàn)是我校應(yīng)用物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程針對(duì)本科學(xué)生必開的一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器。光纖激光器特點(diǎn)是耦合效率高，散熱效果好，具有高轉(zhuǎn)換效率，光束質(zhì)量好，閾值低和窄線寬等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 預(yù)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)導(dǎo)航

專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)教材中介紹了基礎(chǔ)光纖激光實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟、注意事項(xiàng)、預(yù)習(xí)思考題以及討論題七部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。其中實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌俗霰緦?shí)驗(yàn)需要達(dá)到的3個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。?shí)驗(yàn)的原理包括了光纖激光器的結(jié)構(gòu)、摻雜銩離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)和光纖諧振腔結(jié)構(gòu)三小部分內(nèi)容，在光纖激光器的結(jié)構(gòu)中，教材給出了光纖激光器的原理方框圖，并對(duì)光纖激光器的各個(gè)組成部分作了簡(jiǎn)要說明，光纖激光器原理是學(xué)生需要掌握的重點(diǎn)內(nèi)容，也是學(xué)生難于理解的一部分內(nèi)容，盡管教材中用文字說明結(jié)合圖像闡述了光纖激光器原理，但學(xué)生理解起來仍然很困難，所以我們制作了CAI課件，用形象生動(dòng)的動(dòng)畫表現(xiàn)出了光纖激光器原理(如圖2所示)。

圖2 預(yù)習(xí)型物理虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)鏈接導(dǎo)圖

2.3 實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)突破模塊

2.3.1 實(shí)驗(yàn)原理與背景知識(shí)模塊

本實(shí)驗(yàn)研究792 nm波段泵浦光泵浦Tm3+的3F4能級(jí)。如圖3所示，該抽運(yùn)波段等效于4準(zhǔn)能級(jí)系統(tǒng)。在激光泵浦的作用下，光纖中的摻銩原子吸收激光的能量從基態(tài)躍遷到3H4能級(jí)，粒子在該能級(jí)的壽命約14.2 μs，粒子最終回落到3H5能級(jí)上，由于3H5能級(jí)的粒子壽命短，粒子又回落到3F4能級(jí)上，從而將此系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)3能級(jí)系統(tǒng)。

圖3 銩離子能級(jí)結(jié)構(gòu)圖

790 nm泵浦銩離子有很高的效率，3H6能級(jí)躍遷到3H4能級(jí)的受激吸收截面如圖4(a)所示。3F4能級(jí)輻射到3H6能級(jí)的受激發(fā)射截面如圖4(b)所示。銩離子基態(tài)3H6到3H4的能級(jí)間距，匹配激光的頻率。

當(dāng)激光達(dá)到使3H4能級(jí)積累的粒子多于基態(tài)，即出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，能級(jí)3H4態(tài)粒子躍遷到基態(tài)的就形成2 μm激光[18]。

圖4

2.3.2 摻銩光纖激光器的設(shè)計(jì)模塊

(1)比較常見光纖激光器的特點(diǎn)。

(2)分析光纖激光器各組成部分的作用。

(3)完成摻銩光纖激光器的設(shè)計(jì)。

2.3.3 摻銩光纖激光器性能參數(shù)的測(cè)試模塊

(1)分析不同實(shí)驗(yàn)方案的特點(diǎn)。

(2)搭建摻銩光纖激光器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

(3)在摻銩光纖激光器的輸出端接上測(cè)量?jī)x器。(4)測(cè)量光纖激光器的性能參數(shù)。

2.4 在線交流

專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)在線交流提供了一種新的交流互動(dòng)模式即移動(dòng)手機(jī)微信群模式，現(xiàn)今微信已經(jīng)被廣泛接受應(yīng)用、同時(shí)也深受大學(xué)生的喜歡、希望通過微信可實(shí)時(shí)進(jìn)行教師-學(xué)生、學(xué)生-學(xué)生討論。在微信中設(shè)實(shí)驗(yàn)討論區(qū)、教師答疑區(qū)和教學(xué)反饋調(diào)查等欄目，使大學(xué)生在快樂中解決自己遇到的問題。

3 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)技術(shù)已成為一門獨(dú)立的科學(xué)，是大學(xué)生必須掌握的一種實(shí)驗(yàn)技能。大學(xué)生在預(yù)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的要求去思考在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)重點(diǎn)觀察什么現(xiàn)象，該紀(jì)錄什么數(shù)據(jù)，做實(shí)驗(yàn)過程中注意事項(xiàng)及如何處理實(shí)驗(yàn)中所出現(xiàn)的問題。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下虛擬物理實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)工作。為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)類似于教師指導(dǎo)的預(yù)習(xí)型物理虛擬實(shí)驗(yàn)，以將網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下虛擬物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)作用為研究?jī)?nèi)容，探討了預(yù)習(xí)型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如何構(gòu)建。為拓展虛擬物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用提供一些借鑒。

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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

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(編號(hào)：GBC1213111)。

作者簡(jiǎn)介：王豐，碩士，副教授。汪洋，博士，教授，主任。

收稿日期：2015-09-07