一、实验的必要性
对于极小原子尺度的微观世界，由于其不可直观感受，学生普遍反应难以理解相关的物理现象与规律。本实验项目通过3D建模技术，将有关原子、电子的物理概念、现象与规律可视化。结合人机交互等技术，自主研发了基于原子尺度的微观物理虚拟仿真实验，以解决有关微观世界的物理实验教学中的瓶颈问题：
（1） 实验内容抽象难懂。由于有关原子、电子的物理知识深奥抽象、理论性强，仅凭简单的课堂讲解或平面多媒体辅助教学，学生缺乏身临其境的参与感，很难将所学知识内化成能力。
（2） 实验资源缺乏。在现实教学中，涉及原子模型、能级、电子云与角动量以及激光形成、拉莫尔进动等概念、过程与现象的教学资源十分稀少，且缺乏系统性与完整性。通过本虚拟仿真实验教学项目，解决部分微观物理实验教学资源不足的问题。
（3）实验条件相对匮乏。尽管有关原子的实验内容（如激光产生、夫兰克-赫兹实验、核磁共振实验等）可开展实物实验，但其所属课程《大学物理实验》具有量大、面广、开设时间集中的特点，许多高校现有实验条件还无法在真实环境中大规模集中开展教学实训与实验，学生个性差异亦得不到兼顾。
二、实验的实用性
本实验项目包括原子结构、激光辐射原理、原子第一激发电位的测量与核磁共振等四个模块。原子结构模块介绍了原子结构模型发展历程，通过仿真几个重要发展阶段的原子模型，呈现电子跃迁、α粒子散射等现象，可替代课堂讲解、多媒体图片、教学教具模型，有助于学生迅速掌握电子轨道、能级、电子云与角动量等抽象概念。激光辐射原理模块动态模拟了原子受激吸收、自发辐射、受激辐射等过程，能帮助学生在微观层面上理解激光辐射原理与特性。原子第一激发电位的测量模块模拟了电子与原子碰撞和能量交换过程，构建了虚拟实验场景。学生通过仿真连接电路、调节电压、处理数据等步骤，获得氩原子第一激发电位。然后，学生线下实操演练，通过虚实结合，达到技能目标。核磁共振模块通过交互步骤，观察拉莫尔进动现象，捕捉核磁共振信号，学生能更加直观便捷地从经典力学与量子力学角度理解核磁共振现象。九个教学周期的实践表明，学生在虚仿实验中通过自主体验、感悟与内化等过程，大大降低了理解有关原子的物理概念、过程与现象的难度，且能有效激发学生的学习兴趣，90%以上的学生能准确理解并表述实验中的关键知识点，近年参与原子物理、量子领域学术研究的本科生人数大幅增加。通过虚实结合，实现虚拟实验情景与实体实验情景的相互补充促进，切实提高了实验教学效果，实验平均成绩较项目开发前提高了7.8%。
三、教学设计的合理性
本项目搭建“以学生为中心，以能力培养为主线”的实践教学平台，采用“实验内容模块化、抽象知识直观化、核心素养能力化”的教学设计思路。项目设置了四个既相互关联又各自独立的实验模块。原子结构模块与激光辐射原理模块将微观物理知识可视化、直观化，使学生理解有关原子物理的基本概念与规律（如原子轨道、能级、电子跃迁、受激吸收、自发辐射、受激辐射等），培养学生的自主学习的能力。在原子第一激发电位的测量与核磁共振模块中，通过连接电路、调节仪器、处理数据等过程，激发学生自主探究欲望，提升学生实践能力与创新能力。本虚拟仿真实验功能齐全，设计了18个交互性步骤，每个模块自带练习题，系统自动批改并提示正确与否，实验结束自动生成实验报告。本实验需要3个课时，内容难度适中，内容安排与递进式能力培养符合学生的认知规律，亦可兼顾学生的个性差异，促进人才培养质量不断提升。
四、实验系统的先进性
为改变教学实训课时不足、传统实验教学受时空环境的限制以及不能兼顾学生个性差异的现状，本实验项目通过采用三维仿真技术，将电子轨道、电子云与角动量等概念以及激光形成、拉莫尔进动等物理过程与现象可视化，仿真了原子的卢瑟福模型、玻尔模型与量子力学模型、电子跃迁、电子与原子的碰撞，使实验现象直观形象；通过键盘和鼠标在虚拟场景中进行实验操作，增强了学生的实践体验和参与感；系统能自动判断学生实验操作正确与否，错误次数达到三次时给予提示，并记录操作全过程，能批改检测试题并给出正确答案，能自动生成实验报告并给出成绩评定，确保了全过程评价以及评价的真实性和多元性。通过虚拟仿真实验教学平台使学生在较少的课时内，完成四个模块实验，缩短了实验时间。本虚拟仿真实验教学平台以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体，具有良好的自主性、交互性和可扩展性。