教学过程与实验方法

一、实验教学过程

       本虚拟仿真实验教学课程是一门在线共享开放课程，计划3个课时。具体实施过程包括课前、课中、课后三个阶段，不同阶段发挥不同功能，达到不同目的。

       实验课前为预习与准备阶段。教师将课件、习题库、实验指导书等教学资源上传至超星学习通、班级微信群或QQ群。通过教师引导、学生自主学习的活动方式，使学生了解实验内容、实验仪器、主要步骤、数据处理方法、注意事项等，理解相关实验原理，明确实验目的。学生根据需要查阅课外资料，归纳、整理所学的知识与技能，还可以在线进入四个模块进行预习，模块中具有暂停、返回等多种功能，可根据情况自主控制。教师可以根据师生、生生在线互动情况掌握学生学习动态，既可集中回答学生预习中出现的共性问题，还可采取点对点的形式对个性问题进行交流、讨论与指导。

       实验课中为虚拟仿真实验操作阶段。教学过程如图1所示。学生通过预习掌握和理解相关知识后，带着问题正式进入虚拟仿真实验平台，在操作设备上以在线实景形式先在“原子结构”模块进行浏览、观察，了解三个重要发展阶段的原子模型，即卢瑟福模型、玻尔模型和量子力学模型。通过交互性操作步骤，学生可分别理解三种原子模型设计思路、主要特征、物理本质、理论贡献以及局限性。进入第二个模块—“激光辐射原理”模块后，观察原子的受激吸收、自发辐射、受激辐射，以及激光产生过程，查看激光产生过程的文字解释，加深对激光产生过程的理解。“原子第一激发电位的测量”模块包含电子与原子的碰撞、实验原理、仪器介绍、模拟实验等四个知识单元。给电子输入不同的能量值，观察电子弹性碰撞和非弹性碰撞过程。进入虚拟实验场景模拟实验，完成线路连接、输入电压、数据处理等一系列步骤。最后进入“核磁共振”模块。在了解核磁共振经典解释、量子力学解释的基础上，连接实验仪器，调节频率，直至共振信号。学生操作四个模块之后，还需完成综合检测习题。系统根据学生实验操作以及习题检测情况，并结合实验预习答题等情况自动生成实验报告，一并给出实验分数。实验报告生成后，学生在系统里提交即可。然后，引导学生开展线下实体实验，补充和拓展平台学习内容，注重理论与实践相结合，通过虚实结合，完成技能目标任务。整个过程以任务驱动方式，引领学生独立完成，突出学生主体与老师的引导作用，师生进行现场或者在线解答，真正实现课堂教学的翻转。

 

图1 模块化教学流程图

       实验课后为吸收内化与成绩评定阶段。教师针对实验操作与实验数据处理过程中出现的问题，引导学生开展讨论，交流心得，达到巩固和消化知识的目的。同时，根据学生线上评分、实验报告以及线上线下交流互动情况对学生进行综合评分。

 

二、实验方法

       本项目综合了模型法、观察法、模拟法、控制变量法、转换法等多种实验方法，使学生全面掌握微观物理虚拟仿真四个模块的操作流程，理解原子、电子相关的物理现象及其规律。

（1） 模型法：原子结构模块中，将微小的原子用简单易懂的具体模型表示，通过模型来揭示原子的形态、特征和本质。构建了三个重要发展阶段的原子模型，即卢瑟福模型、玻尔模型和量子力学模型。通过交互性操作步骤，学生可分别理解三种原子模型设计思路、主要特征、物理本质、理论贡献以及局限性。

（2） 观察法：主要应用在原子模型、激光辐射原理与核磁共振环节。学生通过输入电子能量，观察电子的跃迁情况，从而总结电子跃迁规律。通过观看角动量在磁场中的进动现象，理解核磁共振的量子解释。通过观察原子受激吸收、自发辐射以及受激辐射过程动态协同效应，使抽象复杂问题变为直观简明的动画。

（3） 模拟法：在创设原子能级模型的基础上，动态模拟光与物质相互作用的三种基本过程（即受激吸收、自发辐射以及受激辐射过程）以及三种基本过程的协同作用下激光形成过程。另外，实验中演示了在旋转磁场作用下，原子核的拉莫尔进动现象。在上述模拟法中，通过对物理现象与过程简化以及对时空的放大，揭示了原子与电子的运动特征，对拓展学生思路、激发学生兴趣、突破教学难点等方面发挥着独特作用。

（4） 控制变量法：原子第一激发电位的测量模块中，通过控制变量（电子的能量，即为第二栅极电压）的方法来观察电子与氩原子碰撞过程中电子的运动状态的变化，由此分析电流变化的原因，同时理解在不同电子能量条件下的弹性碰撞和非弹性碰撞过程。

（5） 转换法：原子能级不可见，也不可直接测量。项目中，通过测量夫兰克-赫兹管的电流值与电压值，观察伏安特性曲线起伏变化规律，证明原子能级的存在，并计算氩原子的第一激发电位。