激光全息微結(jié)構(gòu)制作的虛擬仿真與實(shí)體實(shí)驗(yàn)融合的教學(xué)實(shí)踐

梁文耀，戚志明

(1.華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣東開(kāi)放大學(xué)(廣東理工職業(yè)學(xué)院)，廣東 廣州 510091)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的重要陣地，是培養(yǎng)高水平創(chuàng)新型人才的重要手段[1-2].近代物理實(shí)驗(yàn)是面向應(yīng)用物理、凝聚態(tài)物理等專業(yè)設(shè)置的綜合性必修課程，內(nèi)容主要是近代物理學(xué)上具有重要科學(xué)意義的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，包括一些能夠充分反映量子力學(xué)、相對(duì)論等領(lǐng)域的里程碑實(shí)驗(yàn)，物理思想精辟.然而，長(zhǎng)期以來(lái)，近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容缺乏及時(shí)、有效的更新，難以反映當(dāng)代物理學(xué)的發(fā)展前沿，并且傳統(tǒng)的近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在教學(xué)過(guò)程枯燥、教學(xué)手段落后、教學(xué)效果欠佳等不足，因此亟需探索新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法[3-6].

新形勢(shì)下人才培養(yǎng)要求越來(lái)越高，高校紛紛加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)建設(shè).近年來(lái)，虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為高等教育的發(fā)展帶來(lái)了重要契機(jī)，不僅深刻改變了傳統(tǒng)的面授實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，而且為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了先進(jìn)的現(xiàn)代化教學(xué)手段，應(yīng)用前景極其廣闊.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通過(guò)虛擬仿真技術(shù)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以人機(jī)交互的方式，使學(xué)生像在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中一樣，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中各種虛擬設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行虛擬操作，從而完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目各項(xiàng)預(yù)定內(nèi)容.將虛擬仿真技術(shù)引入近代物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)實(shí)踐中，不僅可以克服近代物理實(shí)驗(yàn)存在的不足，而且有助于解決當(dāng)前普遍存在的實(shí)驗(yàn)教育資源投入增加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上實(shí)際發(fā)展需要等問(wèn)題，并可以為大學(xué)生創(chuàng)建全新的物理實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境[7].

國(guó)內(nèi)外高校在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方面取得了重要進(jìn)展.在美國(guó)，休斯頓大學(xué)、卡羅萊納州立大學(xué)等高校開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已投入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并發(fā)揮著重要作用.其中，休斯頓大學(xué)建立的“虛擬物理實(shí)驗(yàn)室”系統(tǒng)在虛擬實(shí)驗(yàn)仿真度、實(shí)驗(yàn)建模等方面處于領(lǐng)先地位[8]；卡羅萊納州立大學(xué)利用Java建立的探究式虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)室允許學(xué)生不受時(shí)間、空間限制自主開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果突出[9].在國(guó)內(nèi)，許多高校也紛紛加強(qiáng)虛擬仿真在物理實(shí)驗(yàn)方面的建設(shè)，取得了明顯成效[10-21].其中，浙江大學(xué)建設(shè)了基于Web的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[10]；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)開(kāi)發(fā)了虛擬仿真高危核物理實(shí)驗(yàn)等教學(xué)系統(tǒng)，有效降低了實(shí)驗(yàn)成本和實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)[11]；東北大學(xué)開(kāi)發(fā)了AR虛擬實(shí)驗(yàn)室[12]；華南理工大學(xué)加強(qiáng)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真的建設(shè)，取得了較好的效果[13-15].然而，盡管我國(guó)高校在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面發(fā)展迅速，其建設(shè)仍存在一些問(wèn)題：

1)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室仍處于從屬地位，其發(fā)展在一定程度上受到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的制約，未能充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì).

2)物理方面的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源主要面向理工科專業(yè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，而對(duì)專業(yè)必修課近代物理實(shí)驗(yàn)的投入極少.可見(jiàn)，近代物理實(shí)驗(yàn)在虛擬仿真開(kāi)發(fā)方面還有巨大的發(fā)展空間.

3)已有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)大多基于Matlab,C++,Flash等軟件開(kāi)發(fā)[10,18,22-23]，其編程建模精度較低，開(kāi)發(fā)效率不高，交互性有待進(jìn)一步提升.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文結(jié)合光學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一的激光全息制作人工微結(jié)構(gòu)理論[24-26]，開(kāi)發(fā)人工微結(jié)構(gòu)制作實(shí)驗(yàn)，并建設(shè)相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)一步將其納入近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).以該實(shí)驗(yàn)為例開(kāi)展虛實(shí)結(jié)合的近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，探索虛擬仿真教學(xué)手段在近代物理實(shí)驗(yàn)中的適用性和拓展性.這不僅能豐富近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，還有助于學(xué)生開(kāi)闊視野并提高自主主動(dòng)探究科學(xué)問(wèn)題的能力，虛實(shí)結(jié)合的新型物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，助力提升了近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.

1 多光束激光全息干涉法微結(jié)構(gòu)制作的虛擬仿真和實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1 理論基礎(chǔ)

本實(shí)驗(yàn)涉及固體物理、光學(xué)和大學(xué)物理等知識(shí)，多光束干涉原理是激光全息法制作周期微結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ).設(shè)有同頻率的N束等強(qiáng)度平面光發(fā)生干涉，其中第j束光的參量包括波矢kj、電矢量Ej(含振幅E和偏振方向ej)和初相位δi，則N束光干涉光強(qiáng)的空間分布為

(a)斜方晶格(|G31|≠|(zhì)G23|,θ(G31, G23)≠90°)

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指利用虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器模擬實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程.根據(jù)上述多光束干涉理論，本文綜合運(yùn)用Unity,3Ds Max,C#等技術(shù)開(kāi)發(fā)了周期微結(jié)構(gòu)全息制作的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖2所示.

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面

在Unity環(huán)境中，運(yùn)用CAD軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀器模型，模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境.

1)通過(guò)建模、編程建立常用光學(xué)元件庫(kù).利用Solidworks設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀器的反射鏡、半透半反鏡、光具座等基礎(chǔ)模型，使用3Ds Max對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和UV展開(kāi)，進(jìn)一步使用Substance Painter進(jìn)行模型貼圖.以工業(yè)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),配合專業(yè)美工軟件高精度還原實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?

2)結(jié)合532 nm半導(dǎo)體激光器性質(zhì)，采用遞歸算法模擬激光的產(chǎn)生和傳播.發(fā)射的特定頻率激光束能夠自動(dòng)識(shí)別傳播途中遇到的光具座，并根據(jù)光具座的性質(zhì)，產(chǎn)生具有同樣遞歸性質(zhì)的新激光束，從而使得每一束新產(chǎn)生的模擬激光都具有獨(dú)立性，且繼承原激光束的激光特性，并能夠根據(jù)使用者加入的光具座性質(zhì)(如反射、透射等)自動(dòng)演算后續(xù)的光路現(xiàn)象.

3)在上述基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)各路模擬激光，使其會(huì)聚到空間特定位置，利用干涉光強(qiáng)空間分布公式計(jì)算其干涉圖樣，在屏幕上顯示干涉結(jié)果及重要參量.

按照上述步驟完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)，根據(jù)需要將該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)布成exe可執(zhí)行程序，用于電腦單機(jī)使用，同時(shí)也發(fā)布成WebGL程序，部署到校內(nèi)服務(wù)器.學(xué)生可隨時(shí)隨地在校園網(wǎng)內(nèi)訪問(wèn)服務(wù)器，進(jìn)行在線虛擬實(shí)驗(yàn)操作，完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，從而滿足教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的需要.

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供預(yù)設(shè)光路、自設(shè)光路2種模式，在打開(kāi)激光器綠色開(kāi)關(guān)時(shí)可以進(jìn)行選擇.預(yù)設(shè)模式供學(xué)生熟悉和預(yù)習(xí)虛擬實(shí)驗(yàn)；自設(shè)模式供學(xué)生自行開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)和課外創(chuàng)新性研究.平臺(tái)界面上包括實(shí)驗(yàn)介紹、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、添加儀器、使用說(shuō)明、處理要求等菜單：

a.實(shí)驗(yàn)介紹：介紹實(shí)驗(yàn)背景、特色和優(yōu)點(diǎn).

b.實(shí)驗(yàn)步驟：介紹實(shí)驗(yàn)的主要步驟.

c.實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在顯示器上給出多光束干涉圖樣，并給出關(guān)鍵的幾何參量和最終計(jì)算得到的周期微結(jié)構(gòu)的晶格常量.

d.添加儀器：提供了激光器、萬(wàn)向鏡、分束鏡、偏振片、顯微物鏡等一系列虛擬光學(xué)儀器，供學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)需要選用.

e.使用說(shuō)明：介紹了虛擬仿真平臺(tái)的視角、前后左右控制,儀器的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和交互等按鍵操作方法.

f.處理要求：介紹本實(shí)驗(yàn)的處理要求.

1.3 實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

進(jìn)一步搭建相應(yīng)微結(jié)構(gòu)制作的實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備包括激光器、可調(diào)衰減器、分光鏡、萬(wàn)向鏡、顯微物鏡、CCD及電腦系統(tǒng)等.在實(shí)驗(yàn)中采用工作波長(zhǎng)為532 nm的單縱模連續(xù)半導(dǎo)體激光器作為實(shí)驗(yàn)光源，其輸出功率約為60 mW，線寬小于1×10-5nm，偏振度大于100∶1，相干長(zhǎng)度超過(guò)50 m，能夠滿足全息實(shí)驗(yàn)對(duì)光源的要求.由于激光輸出功率較大，為防止激光危害，在激光器出口處放入連續(xù)可調(diào)濾波片以降低光強(qiáng).

本文以二維三角晶格周期微結(jié)構(gòu)制作為例進(jìn)行說(shuō)明，此時(shí)需要3束非共面激光參與干涉.如圖3(a)所示，實(shí)驗(yàn)光路可進(jìn)一步細(xì)分為平面和立體光路部分.平面光路將入射激光分為3束，立體光路(綠色箭頭所示)將3束光分為上、下光路會(huì)聚于顯微物鏡入口處發(fā)生干涉.出射激光經(jīng)可調(diào)濾波器衰減后，由第1個(gè)分束鏡分為2束，其中，1束由萬(wàn)向鏡反射至100倍顯微物鏡鏡口處，為下光路光束a；另1束激光經(jīng)第2個(gè)分光鏡一分為二，再分別反射至顯微物鏡口，分別為上光路的光束b和下光路光束c.根據(jù)光束配置調(diào)整各光束傳輸方向，在顯微物鏡口會(huì)聚干涉，從而產(chǎn)生二維周期微結(jié)構(gòu)圖樣.最后，進(jìn)一步利用CCD采集微結(jié)構(gòu)圖像并傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析.圖3(b)為搭建的實(shí)體實(shí)驗(yàn)裝置.

(a)實(shí)驗(yàn)光路圖

2 虛擬仿真與實(shí)體實(shí)驗(yàn)融合教學(xué)實(shí)踐

為方便教學(xué)管理，將本實(shí)驗(yàn)納入近代物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，以該實(shí)驗(yàn)為例，根據(jù)虛擬仿真平臺(tái)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，按照課前、課中、課后3個(gè)環(huán)節(jié)開(kāi)展虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，探索實(shí)體實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法.

2.1 課前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

該虛擬仿真平臺(tái)已經(jīng)發(fā)布在學(xué)校教務(wù)處網(wǎng)站上，學(xué)生可在校內(nèi)通過(guò)Firefox或Chrome瀏覽器直接訪問(wèn).上課前，學(xué)生認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)講義和有關(guān)資料，由學(xué)校網(wǎng)站進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展預(yù)習(xí).首先選擇預(yù)設(shè)模式，熟悉虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本操作、虛擬元件的使用方法和實(shí)驗(yàn)光路的調(diào)節(jié)技巧.然后選擇自設(shè)模式，自行開(kāi)展三角晶格微結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)，具體步驟如下：

1)按照?qǐng)D1所示的三角晶格參量條件，根據(jù)固體物理的正、倒空間基矢關(guān)系，確定晶格類型和干涉光束波矢差的對(duì)應(yīng)關(guān)系，作出光束配置圖(即確定光束傳播方向、夾角等).

2)繪制實(shí)驗(yàn)光路圖，注意分為平面部分(分光部分)和立體部分光路(光束光路).

3)結(jié)合實(shí)驗(yàn)光路圖，選取合適元件，在虛擬仿真平臺(tái)上自行搭建實(shí)驗(yàn)光路.

4)初步調(diào)節(jié)光路，使從3個(gè)萬(wàn)向鏡反射的光束在顯微物鏡入口處發(fā)生干涉.

5)采用控制變量法，擋住任何1束光，觀察光束間干涉的結(jié)果，調(diào)節(jié)2束反射光a和c時(shí)擋住其余光束，調(diào)節(jié)光束參量達(dá)到最佳干涉狀態(tài)，點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)結(jié)果”按鈕，得到仿真結(jié)果及參量，截圖保存；同理完成其他光束兩兩間的干涉調(diào)節(jié)，截圖保存，最后得到3張干涉圖樣.

6)讓3束光同時(shí)入射，點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)結(jié)果”圖標(biāo)，虛擬仿真界面上將出現(xiàn)三角晶格干涉圖樣，虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，截圖保存.

圖4 三角晶格微結(jié)構(gòu)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

7)分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，了解和熟悉實(shí)驗(yàn)儀器的性能和基本操作步驟.總結(jié)預(yù)習(xí)過(guò)程中存在的問(wèn)題，寫(xiě)好預(yù)習(xí)報(bào)告.

2.2 課中實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作

課上學(xué)生結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)過(guò)程中的問(wèn)題，在教師指導(dǎo)下開(kāi)展實(shí)體實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)操作中思考和解決問(wèn)題.步驟如下：

1)按光束配置要求搭建實(shí)體實(shí)驗(yàn)光路；

2)通過(guò)CCD將顯微物鏡入口處產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)干涉圖樣傳輸至計(jì)算機(jī)，利用配套軟件Microvision MV Camera Performance實(shí)時(shí)觀察干涉圖樣.

3)調(diào)整光路參量?jī)?yōu)化干涉微結(jié)構(gòu)，以干涉圖樣對(duì)比度為目標(biāo)優(yōu)化參量，根據(jù)需要加入偏振片和1/4波片調(diào)節(jié)各光束的強(qiáng)度和偏振.調(diào)節(jié)光束干涉，以獲得最高對(duì)比度的微結(jié)構(gòu)圖樣，保存干涉圖樣.最后3束光同時(shí)入射在干涉區(qū)域產(chǎn)生二維微結(jié)構(gòu)圖案，如圖5所示.

圖5 三角晶格微結(jié)構(gòu)實(shí)體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4)將微結(jié)構(gòu)圖樣傳送到計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示和調(diào)節(jié)，并將最優(yōu)結(jié)果截圖保存.在實(shí)體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可根據(jù)需要隨時(shí)登錄虛擬仿真平臺(tái)重復(fù)虛擬實(shí)驗(yàn).通過(guò)虛實(shí)對(duì)比和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)，深刻理解二維光子晶體微結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)原理和光路調(diào)節(jié)過(guò)程，快速掌握實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)驗(yàn)技能.

2.3 課后虛實(shí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告總結(jié)與拓展

在課后階段，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，具體包括虛擬仿真和實(shí)體實(shí)驗(yàn)2大部分，并進(jìn)行對(duì)比分析和總結(jié).

對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)部分，報(bào)告處理要求為：

1)將3張兩兩干涉截圖和3光束干涉的最終微結(jié)構(gòu)截圖進(jìn)行對(duì)比分析，理解周期微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的物理機(jī)制.

2)利用虛擬仿真結(jié)果給出的空間坐標(biāo)參量(即圖4中的A,B,C,D4點(diǎn))，利用幾何關(guān)系計(jì)算周期微結(jié)構(gòu)的晶格常量，具體計(jì)算方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15].總結(jié)周期微結(jié)構(gòu)全息制作的影響因素及規(guī)律，分析實(shí)驗(yàn)參量對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.

對(duì)于實(shí)體實(shí)驗(yàn)部分，報(bào)告處理要求為：

1)分析兩兩干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果和周期微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，掌握兩兩干涉圖樣如何疊加形成周期微結(jié)構(gòu).

2)討論實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的周期微結(jié)構(gòu)對(duì)比度的影響因素，總結(jié)周期微結(jié)構(gòu)元胞形狀的分布特點(diǎn).

3)對(duì)比虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)體實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)規(guī)律和總結(jié)心得體會(huì).

通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法，深刻掌握不同維度、不同類型周期全息微結(jié)構(gòu)的制作方法，理解全息干涉法在各種維度微結(jié)構(gòu)制作方面的巨大潛力和方便、快捷等優(yōu)點(diǎn).

3 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐效果分析

經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，本實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)體實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融合的教學(xué)模式取得了良好的教學(xué)效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和動(dòng)手操作能力，還在大學(xué)生課外創(chuàng)新方面取得了較好的效果.

以本實(shí)驗(yàn)為試點(diǎn)，在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真內(nèi)容，按照課前、課中、課后3個(gè)階段，科學(xué)安排虛擬仿真和實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，改變傳統(tǒng)以教師為主導(dǎo)的“教師講授-演示-學(xué)生操作”的教學(xué)模式.學(xué)生課前登錄學(xué)校教務(wù)處網(wǎng)站的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自主開(kāi)展課前預(yù)習(xí)，初步熟悉和了解儀器使用和實(shí)驗(yàn)光路.然后在課中階段進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)，針對(duì)預(yù)習(xí)中遇到的問(wèn)題，在教師指導(dǎo)下搭建實(shí)驗(yàn)光路，開(kāi)展實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作.學(xué)生可以隨時(shí)多次登錄虛擬仿真平臺(tái)，對(duì)比實(shí)體實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)思考，由淺入深地理解實(shí)驗(yàn)原理及其物理思想.

該虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?利用該實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生自行閱讀實(shí)驗(yàn)教材或?qū)嶒?yàn)資料，應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將教材中不易理解、較抽象的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行形象化和圖形化處理，進(jìn)而展現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生如臨其境.學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行模擬操作，對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容反復(fù)操作，可積累經(jīng)驗(yàn)，有效避免實(shí)體實(shí)驗(yàn)中的操作失誤，提高實(shí)體實(shí)驗(yàn)效率，使學(xué)生獲得實(shí)驗(yàn)成功的成就感，對(duì)提高學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)分析能力和創(chuàng)造能力，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成良好的科學(xué)素養(yǎng)有重要意義.

依托該實(shí)驗(yàn)開(kāi)展大學(xué)生課外創(chuàng)新實(shí)踐研究，成效顯著.本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有很好的拓展性和開(kāi)放性，可用于制作各種不同維度的周期微結(jié)構(gòu).由于實(shí)驗(yàn)條件所限，要研究更復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，例如二維復(fù)式結(jié)構(gòu)、三維周期微結(jié)構(gòu)等，在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中需要投入大量資金和搭建更復(fù)雜的光路，難以有效進(jìn)行，而本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以有效克服這些困難.

經(jīng)過(guò)上述虛擬仿真和實(shí)體實(shí)驗(yàn)融合教學(xué)訓(xùn)練，學(xué)生已熟練掌握了多光束全息干涉法產(chǎn)生人工微結(jié)構(gòu)的原理.可進(jìn)一步結(jié)合自身興趣，在教師指導(dǎo)下研究各種新穎的人工微結(jié)構(gòu)全息制作問(wèn)題，并充分利用該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究.2017年，物理實(shí)驗(yàn)中心依托該全息實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，指導(dǎo)3名本科生開(kāi)展了“基于激光全息干涉和泰伯效應(yīng)的光學(xué)晶格制作和測(cè)量”研究，在卓越大學(xué)聯(lián)盟舉辦的首屆“卓越杯”大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽中榮獲一等獎(jiǎng)，并參加了學(xué)校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)月展示；2019年，帶領(lǐng)本科生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了改進(jìn)，有關(guān)成果發(fā)表在《物理實(shí)驗(yàn)》上[14]；2021年，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展了多光束偏振組合對(duì)二維復(fù)式微結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值仿真研究，有關(guān)成果發(fā)表在《光學(xué)學(xué)報(bào)》上.以上充分表明該虛擬仿真和實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在大學(xué)生課外創(chuàng)新性研究中具有重要潛力.

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合本校的物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和設(shè)備現(xiàn)狀，將激光全息法制作光子晶體人工微結(jié)構(gòu)的虛擬仿真和實(shí)體實(shí)驗(yàn)納入近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并以該實(shí)驗(yàn)為試點(diǎn)開(kāi)展了虛擬仿真與實(shí)體實(shí)驗(yàn)融合的教學(xué)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)面授為主向虛實(shí)融合信息化教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)代化改革.這不僅有助于提高學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和主動(dòng)探究科學(xué)問(wèn)題的能力.此外，該實(shí)驗(yàn)通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)廣度，具有較高的開(kāi)放性，為學(xué)生開(kāi)展課外創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究提供了重要平臺(tái)，實(shí)踐效果顯著.今后將進(jìn)一步完善和豐富該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能，探索推廣虛實(shí)融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，并繼續(xù)依托該實(shí)驗(yàn)開(kāi)展大學(xué)生課外創(chuàng)新實(shí)踐.