跟隨在線指導及系統指令
物理與電子科學學院
物理系基地班的
42名同學
在家中完成了
“超冷原子玻色愛因斯坦凝聚態的製備和物性研究”
虛擬仿真實驗
（虛擬實驗！
怎麼做到的？）
▼ 看這波實驗操作！
點擊“銣原子氣池閥門”連接線圈連線、觀察線圈內部的磁場分佈；打開激光器電源，設定冷卻光、回泵光、成像光的功率和頻譜，選擇“光路調節”時序，點擊“執行”按鈕，搭建六束激光光路；選擇“MOT成像”時序，點擊“執行”按鈕後利用CCD測量MOT中冷原子團的分佈，獲得冷原子團的溫度；選擇“FORT裝載”時序，點擊“執行”將冷原子裝載到光學偶極阱中……
……
2017級物理師範專業本科生楊佛靈說，“實驗模擬效果很好，可以手動調節，也可以選擇自動調節，實驗步驟的指導也會幫助學生在很短的時間內完成現實中很難完成的實驗”。
還有同學表示，“平臺通過簡單新穎的方式，生動展示了深奧的冷原子操作過程和原理”，“非常有利於初學者對冷原子理論和實驗進行啟蒙認識，將複雜的實驗原理操作講得很清晰”。
自主研發虛擬仿真實驗平臺
新冠疫情防控期間，如何將實驗教學快速轉變為線上課程？教師的線上實驗指導、平臺的網絡技術保障、學生的遠端互動參與等又如何實現？
針對同學們的居家實驗需求，華東師範大學物理與電子科學學院在2月10日左右“喚醒”了在寒假期間“休眠”的自主研發的虛擬仿真實驗平臺。
原子光學是近現代物理學的重要分支，不僅孕育了量子力學的誕生，加深了人們對於微觀世界的認識，還直接推動了科學技術發展和人類社會進步。將原子光學前沿研究成果引入本科教學，特別是引導學生參與前沿的科研實驗，有助於提升學生專業素養和思維深度。
由於超冷原子方面的實體實驗系統複雜、儀器昂貴，不便於大範圍普及，導致了許多高校的物理和相關本科專業學生缺乏實驗機會。
基於此，作為上海市實驗教學示範中心的華東師大物理與電子科學學院物理實驗教學中心，從教學實際與學生需求出發，結合本校光學學科優勢，依託精密光譜科學與技術國家重點實驗室武海斌課題組在超冷原子研究領域的傳統優勢和最新成果，設計開發了“超冷原子玻色愛因斯坦凝聚態的製備和物性研究”虛擬仿真實驗，並於2019年8月正式上線，主要用於本科教學。
該項目適用範圍廣，受益面大，對外開放近半年來，訪問人次達5000人次以上，目前已入選2019年度上海市級虛擬仿真實驗教學項目，武海斌教授、程亞教授、周先榮教授為項目負責人。
一鍵直達 突破實驗時空限制
虛擬仿真實驗利用虛擬現實或實物仿真技術創建、重塑或還原實驗實踐教學場景，打破了傳統實驗的時間與空間限制。
“超冷原子玻色愛因斯坦凝聚態的製備和物性研究”虛擬仿真實驗平臺可通過網頁直接訪問，供學生24小時使用，同時在線人數可達1000人。
進入平臺後，有實驗講義、操作指導視頻，學生可以多次練習複雜的超冷原子玻色愛因斯坦凝聚態的製備，同時瞭解原子玻色愛因斯坦凝聚態的應用；在實驗過程中有操作提示、學習討論區、實驗報告提交系統、實驗思考與拓展參考資料等；實驗結束後，該平臺還會對學生的實驗在線操作、實驗報告、實驗知識掌握等方面的具體情況分別進行測試與評價，最後給出綜合測評結果。
自3月份學校開展線上教學以來，已有200餘名學生通過此平臺進行“雲實驗”。除面向本校學生開放外，該平臺同時已在杭州電子科技大學信息工程學院、青島黃海學院等高校使用，校外參與學習人數達1400餘人次。
以虛補實 創新傳統教學方式
“超冷原子玻色愛因斯坦凝聚態的製備和物性研究”虛擬仿真實驗採用“虛”“實”結合的教學方式。
“實”是學生提前學習掌握《激光原理及技術》《光學》《原子物理》等課程內容；“虛”是學生在具備一定知識儲備的基礎上，通過虛擬仿真實驗教學平臺開展學習、實驗操作與考核。
據介紹，該項研究實體實驗複雜、實驗儀器昂貴，從零開始搭建時間很長，對實驗人員實驗技能要求高，加上實驗操作複雜，限制了學生探究實驗過程的自主性。
而虛擬仿真實驗項目降低了實驗所需要的條件成本，強調“大平臺”“交互性”原則，學生是實驗平臺主體，可以簡單靈活地完成實際中較困難的操作，從而獲得物理實驗的思維訓練與能力提升。
在實際教學中，任課教師還可以根據教學需求，靈活採用線上線下相結合的教學模式，加強相關知識的教學指導，培養學生物理科學探究和科學思維素養。
虛擬仿真實驗的沉浸感、交互性、想象性，給傳統大眾教育的課堂式教學注入新的活力。
物理實驗教學中心副主任尹亞玲說，該平臺幾乎涵蓋了實驗的所有教學內容，主要分為實驗模式和考核模式，學生可通過操作引導視頻等快速進入實驗狀態，實驗結束後平臺能夠提供全過程評價。針對不同學生的實驗需求，該平臺還設有在線討論區、學生實驗評價區及拓展實驗部分，使實驗教學更富有“彈性”。
由物理實驗教學中心開發的“分子超快動力學成像虛擬仿真實驗項目”和“穆斯堡爾譜虛擬仿真實驗項目”也已在今年4月份開放。
▼ 直 鏈 實 驗！
來源 | 物理與電子科學學院 教務處
文｜物理與電子科學學院 戴琪
圖片｜物理與電子科學學院
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