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物理实验教学思路论文模板
“真空系统实验CAI”建立虚拟实验环境中的高真空实验系统，为各真空部件和操作单元设计独立的状态表及相互联系，允许学生对各操作单元进行独立操作，并模拟、记录、展示“当前操作”长时间运行的结果，该软件可以让学生了解正常的操作流程，明白各种错误操作会导致的仪器损坏，并掌握如何通过监测仪表等及时发现自己的错误操作，以便及时纠正。
“真空系统实验CAI”教学软件的使用不但提高了高真空实验的训练效果，还可以避免因为学生操作不当而不及时纠正导致真空系统的损坏。
经过二十余年的开发积累和教学实践，我们已建成了特色鲜明的虚拟仿真实验教学体系，包括“虚拟仿真实验开发课”、“虚实结合的实验教学”、“医学物理虚拟仿真实验”和“互联网远程控制实验”4个模块。
1.1专门开设“虚拟仿真实验开发课”
虚拟仿真实验课包括“物理CAI课件设计”和“计算物理模拟实验”，训练学生自主开发虚拟仿真实验的能力。
该课程要求学生基于分子动力学模拟和第一性原理计算，运用计算图像显示技术，针对1个或多个物理知识难点，结合当前凝聚态物理研究前沿，设计虚拟仿真实验，帮助学生了解并领会计算物理基本内涵与技巧，初步掌握计算物理处理实际问题的思路与策略，为训练与提高科研能力打下基础。
基于这些课程，在独立开发虚拟仿真实验的过程中，学生能较好地掌握如何构建物理模型，对描述物理体系的关键参量的理解更加深入，物理体系随参量化过程的物理图像也更清晰。
这些课程受到学生的普遍欢迎。
1.2在实验课程的日常教学中，引入多款通用的设计、仿真软件，深入开展虚实结合的实验教学新模式
虚实结合的实验教学除了可以补充实验课程内容上的不足(很难可持续地开展易耗、高成本、高危性质的教学实验)，或者帮助学生做好实验前的预习准备，提高实验课的效率，更可以借助自主开发的实际实验和虚拟仿真相结合的实验项目，发挥实验操作训练和虚拟仿真各自的优势，深入挖掘实验现象背后的物理实质，直观地展示知识难点，详尽地剖析实验技术的精髓，加深学生对实验的理解，让学生在充分理解的基础上做好实验，还能“无成本”地拓宽和加深实验教学的内容，提高实验综合能力培养的水平。
在实验教学中引入的虚拟仿真软件包括：电路仿真软件MultiSim和OrCAD;光学系统设计仿真软件TracePro和Ze-max;机械3D设计软件SolidWorks、ProE;电子光学仿真软件SimIon;多物理场模拟软件Com-sol;荷能离子轰击固体表面的模拟软件SRIM和Trim-DYN;高能粒子和物质相互作用模拟软件Geant4。
1.3自主建设的医学物理模拟实验
为了揭示人体的物理奥秘，利用物理知识开展精确医学诊疗，为医学生开设“医学物理与实验”新课程，自主研制了听觉物理、呼吸物理以及血液循环等虚拟仿真系统。
研制的苹果手机应用软件“Love-Ears”，可以随时随地进行与听觉物理相关的虚拟实验;肺呼吸物理仿真模型可以模拟肺的粘弹性及病理特征，进行肺顺应性曲线的模拟测量;正在建设的血液循环虚拟仿真系统，可以模拟各种心血管疾病形成的物理因素。
1.4自主建设的互联网远程控制实验
“网络控制牛顿环实验”和“网络控制静电实验”允许学生在任何时间通过网络操作实验设备，得到实验结果;在建的“网络控制单摆实验”则允许实时测量重力加速度随海拔和纬度的变化。
2虚实结合的实验教学案例
2.1积木式光栅光谱仪的设计与搭建
实验光栅光谱仪是使用非常广泛的科学仪器，我们的实验教学体系中也有多个与光栅光谱仪相关的教学实验项目，包括“光栅光谱仪的应用”和“氢光谱与类氢光谱实验”，但学生对光栅光谱仪的结构如何、分辨率与信噪比跟哪些因素有关等内容掌握得不深入、不全面，而在二维平面上光学元件调节技能方面的欠缺更是明显;为此，我们专门开发了虚实结合的“积木式光栅光谱仪的设计与搭建实验”。
实验要求学生借助TracePro、Zemax等光学设计软件，选择光学元器件，设计、搭建、调试满足自己需求的光栅光谱仪(如：波长分辨率优于1nm等)。
学生在确定光谱仪性能指标后，在TracePro、Zemax等光学工程设计软中建立光栅光谱仪的模型，然后调节模型中各元件的参量设置，设定输入条件，得到模拟的光路图，然后根据自己的需要，对模型中各元件的参量(包括会聚透镜的面积、光栅的光栅常量以及它们的空间参量)设置进行调整，得到趋近于自己的设计目标的光谱结果。
基于自己设计的模型，学生可以在实验室选择相应的光学元件，在光学平台上搭建光谱仪，比较自己的光谱仪的输出结果和软件模拟的结果;再利用设计软件对光谱仪的参量设置进行尝试性调节，以寻找实际光谱仪输出结果与模拟结果之间产生差异的原因，进而高效地完成光谱仪的调节和性能优化，完成满足自己设定指标的光栅光谱仪。
2.2克拉尼图形实验
共振是日常生活和科学研究中经常遇到的现象，其数学描述比较复杂，特别是实际体系较为复杂的边界条件往往使波动方程的数学求解变得很困难，甚至无法得出解析解，而解析解往往也是用特殊函数表达，很不直观，学生很难建立数学解与实际实验现象之间的关联，进而影响对实验内容的掌握，用方形薄板和三角形薄板演示克拉尼图形就存在这样的问题。
为此，开发了虚实结合的“克拉尼图形”实验。
实验要求学生首先用压电陶瓷片驱动金属薄圆盘，借助细沙粒得到薄圆盘在不同频率下的共振模式。
然后尝试给出其数学解，并在Comsol软件中建立二维圆盘的模型，得到其共振模式，比较并分析实验测量结果与模拟结果、解析解之间的异同，进而利用模拟软件研究圆盘参量(如材料、大小、厚度等)变化时，圆盘共振频率和共振模式如何变化。
3总结和展望
虚实结合的实验教学可以让学生更好地理解实验现象背后的物理实质，从而明明白白地做实验，而不是机械地参考实验讲义完成实验。
虚拟仿真技术在实验教学中的合理使用，可以帮助学生自主建立物理模型，把握研究对象、实验系统的关键特性，理解实验方法的设计思路，学习合理地评估实验结果，有望明显改善实验教学的效果。
2015年，我们申报国家级虚拟仿真实验教学中心获得批准。
在今后的建设过程中，我们将建设更多的虚实结合的实验教学案例，更全面地实践“虚实结合”的实验教学模式，为切实提高学生的实验能力继续探索。
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