張春光 皮艷梅 牟艷男

【摘要】? ? 光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程，注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和綜合知識(shí)運(yùn)用能力。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式基礎(chǔ)上引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器套數(shù)不足，實(shí)驗(yàn)效率偏低等問題。本文以傅里葉光學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，說明仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中取得的成果。通過對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)分析其優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)《傅里葉光學(xué)實(shí)驗(yàn)》具體應(yīng)用情況進(jìn)行成績(jī)對(duì)比分析，研究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)和效果。

【關(guān)鍵詞】? ? 仿真實(shí)驗(yàn)? ? 傅里葉光學(xué)? ? 大學(xué)物理

一、基于組件的虛擬物理仿真實(shí)驗(yàn)軟件

以學(xué)生為主體的教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的基本保證。面向大面積學(xué)生開設(shè)開放性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是創(chuàng)建激發(fā)大面積學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力的教學(xué)環(huán)境的有效途徑。開展這項(xiàng)工作需要大量的設(shè)備和優(yōu)質(zhì)的師資力量，這已成為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和發(fā)展的瓶頸。

學(xué)生聯(lián)網(wǎng)后只要在線運(yùn)行即可使用基于組件的虛擬物理仿真實(shí)驗(yàn)，不受空間和時(shí)間的限制，系統(tǒng)給學(xué)生提供一個(gè)自主學(xué)習(xí)的網(wǎng)上環(huán)境。

系統(tǒng)功能如下：可實(shí)驗(yàn)方案定制化，選擇必要的項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)中可靈活組合儀器，教師可根據(jù)大綱和學(xué)生水平，制定不同層次的實(shí)驗(yàn)方案以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。可以讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?yōu)化選擇不同的實(shí)驗(yàn)儀器條件，然后完成相同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?？梢泽w現(xiàn)相同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但引入隨機(jī)化條件實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使仿真實(shí)驗(yàn)具有操作導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差，有較高實(shí)驗(yàn)真實(shí)度。提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，可以作為物理實(shí)驗(yàn)考試系統(tǒng)和物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)的操作內(nèi)容;應(yīng)用組件技術(shù)開發(fā)，實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)真實(shí)。包括實(shí)驗(yàn)大廳功能，用戶可通過實(shí)驗(yàn)大廳在網(wǎng)上運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)。具有統(tǒng)計(jì)分析功能，能夠分析學(xué)生使用仿真實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、次數(shù)等。根據(jù)用戶實(shí)際需要，提供本實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)儀器面板定制服務(wù)。不限制用戶登錄節(jié)點(diǎn)數(shù)，最大可以允許超過 6000 人同時(shí)登錄。

（一）系統(tǒng)特色

仿真實(shí)驗(yàn)具有研究性和設(shè)計(jì)性，能夠?yàn)閷W(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的平臺(tái)和良好的教學(xué)環(huán)境，克服了使面向?qū)W生人數(shù)過多開設(shè)研究性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中受到實(shí)驗(yàn)室與實(shí)驗(yàn)課時(shí)的限制等教學(xué)資源不足的困難。提供了學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上自主學(xué)習(xí)的良好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

仿真模擬軟件能夠深入剖析教學(xué)整個(gè)過程，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上能夠充分體現(xiàn)教學(xué)思想的指導(dǎo)，大部分學(xué)生應(yīng)該在深入思考然后理解的基礎(chǔ)上才能正確實(shí)驗(yàn)操作，克服了實(shí)際實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的走過場(chǎng)和盲目操作損壞儀器現(xiàn)象，提高了很多物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平和質(zhì)量。

應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用B/S和C/S混合模式，使操作更加統(tǒng)一和簡(jiǎn)潔，更具人性化。

在已有的基礎(chǔ)上增加了實(shí)驗(yàn)數(shù)量，是實(shí)驗(yàn)總數(shù)達(dá)到將近70個(gè)。

二、大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)和它在教學(xué)中的應(yīng)用模式

1.利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在網(wǎng)上開設(shè)開放實(shí)驗(yàn)，以營(yíng)造多元化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境

開設(shè)實(shí)驗(yàn)作業(yè)，開設(shè)選修實(shí)驗(yàn)課程，以各種形式使學(xué)生的進(jìn)步需求和求知欲望得到滿足，拓展學(xué)生的視野，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣得到提高。

2.2實(shí)現(xiàn)兩段式的教學(xué)然后與真實(shí)實(shí)驗(yàn)良好結(jié)合

實(shí)驗(yàn)用到的大型貴重儀器和調(diào)節(jié)的難度比較大的儀器，比如STM隧道顯微鏡、學(xué)生型分光計(jì)等，應(yīng)該讓學(xué)生先預(yù)做仿真實(shí)驗(yàn)，熟悉實(shí)驗(yàn)過程以及注意事項(xiàng)和相關(guān)儀器操作，然后再利用真實(shí)儀器進(jìn)一步操作。這樣可縮短進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，提高進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)的教學(xué)效果，使設(shè)備安全性以及利用率得到提高。

2.3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后使學(xué)生了解真實(shí)儀器構(gòu)造提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

大部分實(shí)驗(yàn)儀器都是封裝結(jié)構(gòu)，儀器的內(nèi)部構(gòu)造學(xué)生看不到，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)儀器原理和實(shí)驗(yàn)原理不能理解，但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)儀器的內(nèi)部構(gòu)造，直觀演示儀器內(nèi)部的一些運(yùn)行機(jī)制。對(duì)很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有必要的解釋，通過虛擬與真實(shí)并用可有力提高教學(xué)效果。

三、傅里葉光學(xué)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

傅里葉光學(xué)原理的發(fā)明最早可以追溯到1893年阿貝（Abbe）為了提高顯微鏡的分辨本領(lǐng)所做的努力。他提出一種新的相干成像的原理，以波動(dòng)光學(xué)衍射和干涉的原理來解釋顯微鏡的成像的過程，解決了提高成像質(zhì)量的理論問題。電子信息論的結(jié)果被大量應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)分析中。兩者一個(gè)為時(shí)間信號(hào)，一個(gè)是空間信號(hào)，但都具有線性和不變性，所以數(shù)學(xué)上都可以用傅立葉變換的方法。將光學(xué)衍射現(xiàn)象和傅立葉變換頻譜分析對(duì)應(yīng)起來，進(jìn)而應(yīng)用于光學(xué)成像系統(tǒng)的分析中，不僅是以新的概念來理解熟知的物理光學(xué)現(xiàn)象，而且使近代光學(xué)技術(shù)得到了許多重大的發(fā)展，例如澤尼克相襯顯微鏡，光學(xué)匹配濾波器等等，因此形成了現(xiàn)代光學(xué)中一門技術(shù)性很強(qiáng)的分支學(xué)科—傅里葉光學(xué)。

（一）實(shí)驗(yàn)儀器

傅里葉光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置包括：激光器、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直鏡、傅里葉透鏡、物屏、光屏和濾波器。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

熟悉各個(gè)儀器的工作原理和使用方法;調(diào)節(jié)平行光，測(cè)傅里葉透鏡的焦距f;利用夫瑯和費(fèi)衍射測(cè)一維光柵常數(shù);

1.光路：激光器→擴(kuò)束鏡→準(zhǔn)直鏡→光柵→傅里葉透鏡→屏（此光路滿足遠(yuǎn)場(chǎng)近似）;

2.光柵方程：dsinθ=kλ，其中，k=0，±1，±2，±3…請(qǐng)自己選擇待測(cè)量的量和求光柵常數(shù)的方法。記錄一維光柵的衍射圖樣、可看到哪些級(jí)？記錄 0級(jí)、±1級(jí)、±2級(jí)光斑的位置。

觀察并記錄下述傅立葉頻譜面上不同濾波條件的圖樣或特征。

1.光路：

激光器→擴(kuò)束鏡→準(zhǔn)直鏡→光柵→傅里葉透鏡→濾波范本（位于空間頻譜面上）→傅里葉透鏡→光屏;

2.一維光柵

（1）濾波范本只讓0級(jí)通過;

（2）濾波范本只讓0、±1級(jí)通過;

（3）濾波范本只讓0、±2級(jí)通過。

3.二維光柵

（1）濾波范本只讓含0級(jí)的水平方向一排點(diǎn)陣通過;

（2）濾波范本只讓含0級(jí)的豎直方向一排點(diǎn)陣通過;

（3）濾波范本只讓含0級(jí)的與水平方向成45度一排點(diǎn)陣通過;

4.“光”字屏濾波，物面上是規(guī)則的光柵和一個(gè)漢字組成疊加，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（1）在像面上僅看到一個(gè)漢字“光”;

（2）如何操作可看到像面上是“光”字中僅有橫條紋，或“光”字中僅有豎條紋。

（三）實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)及難點(diǎn)

根據(jù)光學(xué)實(shí)驗(yàn)原理，利用所給儀器在導(dǎo)軌上擺放出正確的光路;能夠根據(jù)透鏡成像原理，測(cè)量傅里葉透鏡的焦距;利用夫瑯和費(fèi)衍射測(cè)一維光柵常數(shù);觀察并記錄下述傅立葉頻譜面上不同濾波條件的圖樣或特征。

（四）教學(xué)效果

以黑河學(xué)院18電子1、2班為例。在2019-2020第2學(xué)期，由于新冠疫情，我們組織了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。傅里葉光學(xué)是其中一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。在2學(xué)時(shí)的時(shí)間內(nèi)有85人完成了該實(shí)驗(yàn)，成績(jī)良好。

從傅里葉仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)來看：平均分為92.7。100分的有34人，90-99分的有27人。優(yōu)秀率達(dá)到了72.6%。這個(gè)成績(jī)是要比實(shí)物實(shí)驗(yàn)高很多的。但是，由于學(xué)生只是在屏幕上通過鼠標(biāo)操作完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)不夠充分。相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的操作難度也大大降低。這一方面會(huì)使學(xué)生能在有限的時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)較難的實(shí)驗(yàn)。也會(huì)對(duì)學(xué)生真實(shí)的操作水平產(chǎn)生不利影響。所以，學(xué)校不能把所有實(shí)驗(yàn)都一刀切的開設(shè)為仿真實(shí)驗(yàn)。應(yīng)該做到虛實(shí)結(jié)合，把仿真實(shí)驗(yàn)作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)有力的補(bǔ)充。

四、結(jié)束語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是為本科教學(xué)而實(shí)現(xiàn)及設(shè)計(jì)的。依托多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)交互、結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建成功比較仿真的實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)象和營(yíng)造虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。學(xué)生利用電腦和網(wǎng)絡(luò)在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)效果。結(jié)合特色專業(yè)和開設(shè)課程，使學(xué)校學(xué)科的專業(yè)優(yōu)勢(shì)得到發(fā)揮，積極利用軟件開發(fā)能力和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，優(yōu)化整合學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，用培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力以及綜合設(shè)計(jì)能力為出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)用高水平軟件創(chuàng)造性地共享與建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)、儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)等教學(xué)資源。達(dá)到拓展實(shí)踐領(lǐng)域，優(yōu)化教學(xué)能力，提高教學(xué)水平，降低風(fēng)險(xiǎn)和成本的目的。開展多種虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以完成或者不具備的一些教學(xué)功能。建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心應(yīng)充分體現(xiàn)相互補(bǔ)充、虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛的建設(shè)原則。

作者單位：張春光? ? 皮艷梅? ? 牟艷男? ? 黑河學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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