楊東俠 劉安平 韓 忠 何光宏 譚紅兵

(重慶大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)國(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心，重慶 401331)

開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式一直是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要方向，目的是在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索創(chuàng)新[1-3]。這種教學(xué)模式將實(shí)驗(yàn)教學(xué)的平臺(tái)、內(nèi)容、資源等開(kāi)放給學(xué)生，改變了教師和學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的角色關(guān)系，教師從主導(dǎo)地位的設(shè)計(jì)者、組織者變?yōu)榱溯o助地位的指導(dǎo)者、輔助者[4,5]，學(xué)生則由“被動(dòng)的”接受者轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)的”探索者；在學(xué)習(xí)過(guò)程中，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，不斷地挖掘?qū)W生的潛力和培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

1 核物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開(kāi)放式教學(xué)設(shè)計(jì)

核物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科專業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中一項(xiàng)十分重要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，屬于物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不可或缺的部分。但由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要用到放射源，面對(duì)可能的輻射風(fēng)險(xiǎn)，人們總是“談虎色變”，該門(mén)課程在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展上顯得“束手束腳”。開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式給核物理實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)很好的教學(xué)方式，虛實(shí)結(jié)合的開(kāi)放式教學(xué)，有利于促進(jìn)核物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深化和改進(jìn)。重慶大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)國(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心通過(guò)建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，開(kāi)辟開(kāi)放式、虛實(shí)結(jié)合的核物理及核應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，發(fā)展核物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和加強(qiáng)本科人才培養(yǎng)。

1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)放式教學(xué)的目的

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法、步驟、儀器是固定不變的，實(shí)驗(yàn)多是對(duì)一些物理原理和現(xiàn)象的演示和驗(yàn)證，少有設(shè)計(jì)和探究，上課也多是老師灌輸和演示操作，學(xué)生再重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程[6,7]，從始至終學(xué)生都處于一個(gè)被動(dòng)的地位，因此，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)提不起興趣，更多是應(yīng)付式的完成任務(wù)。

而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)放式教學(xué)模式完全不同，它顛覆了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和人才培養(yǎng)，給學(xué)生提供了一個(gè)自由發(fā)揮、探索創(chuàng)新的環(huán)境和機(jī)會(huì)，學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和重構(gòu)實(shí)驗(yàn)條件，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和自主性，讓學(xué)生自己去分析和解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)素養(yǎng)[8-11]，使學(xué)生畢業(yè)后能符合社會(huì)發(fā)展需求，成為更具競(jìng)爭(zhēng)力的人才。

1.2 開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)特色

為更好地服務(wù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，重慶大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心建立了一套開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，利用這一套系統(tǒng)，將核物理實(shí)驗(yàn)室建立成一個(gè)開(kāi)放式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)主要分為開(kāi)放式管理、可重構(gòu)系統(tǒng)兩大模塊，在開(kāi)放式管理中：學(xué)生可以使用校園身份證——一卡通，登錄實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站，首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全須知和行為規(guī)范測(cè)試，通過(guò)測(cè)試后便可進(jìn)入個(gè)人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在個(gè)人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中可以進(jìn)行預(yù)約上課時(shí)間、選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、下載實(shí)驗(yàn)資料、上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告等操作，并可以查看當(dāng)值的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師，與老師在線交流；實(shí)驗(yàn)預(yù)約成功后，便可獲得實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁權(quán)限，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)完成后，在個(gè)人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)點(diǎn)擊確認(rèn)“完成實(shí)驗(yàn)并關(guān)好電源、門(mén)窗等”，離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室?？芍貥?gòu)系統(tǒng)中：實(shí)驗(yàn)軟件操作方便，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以重構(gòu)實(shí)驗(yàn)條件的特點(diǎn)使得實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的操作性；學(xué)生利用該平臺(tái)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行個(gè)性化實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在解決問(wèn)題的同時(shí)可以重構(gòu)實(shí)驗(yàn)條件，再設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在整個(gè)過(guò)程中充分發(fā)揮學(xué)生的想象力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和解決問(wèn)題的能力，在完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后可直接在電腦上處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間；實(shí)驗(yàn)教師可遠(yuǎn)程指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)和批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告，極大地提高教學(xué)效率?？芍貥?gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)充分利用實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)放式信息管理的資源，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，為學(xué)生提供了一個(gè)自由、個(gè)性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開(kāi)放式核物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

2.1 核物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

在核物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)上，我們強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，老師作為指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)、獨(dú)立思考、小組協(xié)作探討、科學(xué)研究[12，13]。教學(xué)內(nèi)容分為“基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”和“探究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”兩個(gè)部分?；A(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要為物理相關(guān)專業(yè)的學(xué)生開(kāi)設(shè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)，按照教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)任務(wù)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)核物理基本原理的認(rèn)識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的掌握，將核與粒子物理、核實(shí)驗(yàn)方法、粒子探測(cè)技術(shù)與核電子儀器有機(jī)地結(jié)合，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：吸收強(qiáng)度測(cè)量、電子能譜測(cè)量、壽命譜測(cè)量等。開(kāi)設(shè)“半導(dǎo)體α探測(cè)器實(shí)驗(yàn)”“α粒子的能量損失實(shí)驗(yàn)”“β射線的吸收實(shí)驗(yàn)”“閃爍譜儀測(cè)γ射線能譜實(shí)驗(yàn)”“γ射線的吸收實(shí)驗(yàn)”“測(cè)量X射線特征譜及X吸收實(shí)驗(yàn)”“放射源半衰期實(shí)驗(yàn)”“G-M計(jì)數(shù)管特性研究實(shí)驗(yàn)”等系列核物理與核技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可根據(jù)需要，在平臺(tái)上進(jìn)行重構(gòu)，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

圖3 可重構(gòu)核物理實(shí)驗(yàn)儀器圖

探究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的深化，面向所有理工科學(xué)生開(kāi)放，凡是對(duì)核物理和核技術(shù)感興趣的師生，在了解了射線與物質(zhì)的相互作用規(guī)律、核輻射的統(tǒng)計(jì)規(guī)律、各類常用探測(cè)器的基本原理和技術(shù)性能，掌握了常用核電子學(xué)儀器的原理及使用方法后，可借助該平臺(tái)，在平臺(tái)上進(jìn)行探究創(chuàng)新、研究實(shí)驗(yàn)，教師開(kāi)展教改教研等活動(dòng)，將研究轉(zhuǎn)化為成果，可以不斷地優(yōu)化和發(fā)展核物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生通過(guò)參與學(xué)科競(jìng)賽、SRTP項(xiàng)目、國(guó)創(chuàng)項(xiàng)目等，提高自己的科學(xué)興趣、科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)圖

2.2 可重構(gòu)核物理實(shí)驗(yàn)儀器

可重構(gòu)核物理實(shí)驗(yàn)儀器主要由虛擬放射源、多道分析器、控制軟件、計(jì)算機(jī)構(gòu)成，如圖3所示。用虛擬核信號(hào)發(fā)生器代替實(shí)體放射源，其物理特征：可以給出指定放射源的物理信息，如能量分布信息、粒子信息、探測(cè)器的響應(yīng)信息；可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程，動(dòng)態(tài)產(chǎn)生觸發(fā)判選條件，產(chǎn)生多粒子符合輸出。經(jīng)多道分析器采集信號(hào)，實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行分析、測(cè)量實(shí)驗(yàn)。借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的深入應(yīng)用，我們采用虛實(shí)結(jié)合的模式，為學(xué)生提供一個(gè)安全、方便、優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

3 評(píng)價(jià)系統(tǒng)

核物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在開(kāi)放式教學(xué)中，對(duì)學(xué)生采取多樣化的評(píng)價(jià)方式，評(píng)價(jià)系統(tǒng)分為學(xué)生互評(píng)、教師評(píng)價(jià)兩個(gè)方面，盡量全面、客觀地評(píng)價(jià)學(xué)生。

學(xué)生互評(píng)為競(jìng)爭(zhēng)答辯模式，學(xué)生進(jìn)行小組分類，正方組、反方組競(jìng)爭(zhēng)答辯，其他小組作為打分評(píng)委，每組依次輪換，答辯中注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、問(wèn)題解決情況、研究成果(創(chuàng)新點(diǎn)、問(wèn)題解決方案)4個(gè)方面，正方對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行答辯，反方提出問(wèn)題和質(zhì)疑，正方作答，評(píng)委小組對(duì)正反雙方的表現(xiàn)進(jìn)行打分。

教師評(píng)價(jià)從平時(shí)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)、論文寫(xiě)作、答辯過(guò)程的綜合表現(xiàn)3個(gè)方面進(jìn)行打分。實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)評(píng)價(jià)包括學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告。論文寫(xiě)作主要考查學(xué)生的思考、創(chuàng)新和研究成果。答辯綜合表現(xiàn)把個(gè)人表現(xiàn)和小組表現(xiàn)相結(jié)合打分，既評(píng)價(jià)個(gè)人的獨(dú)立思考、解決問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，個(gè)人在小組團(tuán)隊(duì)中的參與度、協(xié)作能力、交流情況；又評(píng)價(jià)小組的整體表現(xiàn)，小組的問(wèn)題解決方案、解決問(wèn)題情況和研究成果。最后結(jié)合學(xué)生互評(píng)和教師評(píng)價(jià)給出綜合成績(jī)，為優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案申請(qǐng)SRTP項(xiàng)目、國(guó)創(chuàng)項(xiàng)目等，優(yōu)秀論文作品推薦給期刊發(fā)表，認(rèn)可并獎(jiǎng)勵(lì)表現(xiàn)突出的學(xué)生的研究成果。評(píng)價(jià)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 評(píng)價(jià)系統(tǒng)

4 結(jié)語(yǔ)

核物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)放式教學(xué)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的一個(gè)新的嘗試。我們采取虛實(shí)結(jié)合的方式，在硬件條件、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)信息、實(shí)驗(yàn)室管理、教學(xué)評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行建設(shè)[14]，為學(xué)生提供一個(gè)開(kāi)放、靈活、個(gè)性化的學(xué)習(xí)空間，在優(yōu)化和發(fā)展核物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時(shí)，將學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)與社會(huì)人才需求相結(jié)合。

目前，開(kāi)放式核物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)正處于試驗(yàn)教學(xué)階段，基于該平臺(tái)，已成功申報(bào)2項(xiàng)教學(xué)教改項(xiàng)目和1項(xiàng)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；從第一學(xué)期的試驗(yàn)教學(xué)來(lái)看，學(xué)生選課、上課積極，效果顯著；學(xué)生評(píng)價(jià)高：很喜歡這種開(kāi)放、自主的實(shí)驗(yàn)方式和考評(píng)方式，覺(jué)得公平、有發(fā)揮空間(學(xué)生評(píng)語(yǔ))。在后續(xù)工作中我們示范中心將繼續(xù)堅(jiān)持該教學(xué)模式并加以推廣，開(kāi)展更多探究項(xiàng)目和創(chuàng)新活動(dòng)，助推創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。