西南大学虚拟仿真实验教学管理平台物理虚拟仿真实验教学中心

西南大学起源于1906年4月建立的川东师范学堂,成立于2005年7月,由原西南师范大学、西南农业大学合并组建而成,是教育部直属重点综合大学,国家“211工程”和“985工程优势学科创新平台”建设高校。学校秉承“特立西南,学行天下;含弘光大,继往开来”的办学精神和信念,坚持以人才培养为中心,围绕“注重人格塑造,突出综合培养,强化学术训练,服务社会民生”的教学理念,不断强化教学的中心定位。

西南大学物理实验教学中心为校院共建共管单位,中心经历了基础建设阶段(2004年以前)、整合培育阶段(2005-2006年)、发展阶段(2007年以来);2004年批准为校级实验示范中心,2006年被评为重庆市教学示范中心。中心设主任1名,副主任2名,汇聚了18名教授、33名副教授为主体的实验指导教师队伍和实验技术骨干,其中博士占整个师资队伍的70%,教师学科专业涵盖理论物理、计算物理、原子核物理、天文学、磁学、半导体、太阳能电池、有机发光、光学、教学论等各个领域等领域。中心拥有实验设备2200多台套,总资产3500余万元;网络服务器1套,模拟计算服务器2套,模拟仿真软件7套,仿真终端计算机120余台,累计投资520万元(平台软件190万,平台硬件330万),承担有全校24个专业2500人的实验教学任务。

实验教学是培养创新人才的关键环节,但是某些物理学实验由于种种条件限制,导致无法真实地在实验室为学生开设,在一定程度上影响了创新人才的培养。比如:物理学科中大量的微观模型难以进行实验展示,学生学习很抽象,限制了教学效果和质量;部分实验需在超低温、极高真空的极端条件下进行,而现阶段实验的设备不可能达到这样的条件要求;部分高精尖实验设备运行成本高、设备贵重、动手机会少,不可能组织大规模的学生进入实验室进行实际操作;此外,受师资及硬件条件的限制,无法开放所有真实实验仪器来满足大规模学生的预习、复习、以及课堂外的个性化培养需求,学生在课堂外学习时无法对实验环境建立直观认识,这些都成为制约提升学生实践培养质量的瓶颈问题。为解决上述实验教学中的问题,物理实验教学中心在2005年就开始尝试开展虚拟仿真实验教学,在国内率先开设了“微结构材料设计与物性仿真实验”和“大学物理虚拟仿真实验”,把它作为真实实验的有益补充,并于2011年正式成立了“物理虚拟仿真实验教学中心”,开始全面面向全校师生服务。

中心秉承“强化基础、重在素质、虚实为用、实践创新”的教学理念,依托物理学国家级特色专业、固态物理与化学博士点、物理学一级学科硕士点、以及物理学重庆市重点学科的优势,以“全国一流、西部领先”为建设目标,按照“虚实结合、互为补充、能实不虚”的原则,聚焦于“基础通识→综合训练→专业设计→研究创新”的大学全程培养环节,构建了层次化、模块化、开放式的创新实验教学体系,成立了大学物理公共课实验室、普通物理实验室、近代物理实验室、中学物理实验室、科研训练实验室5大类实体实验室;构建了包含大学物理公共课仿真实验室、普通物理仿真实验室、近代物理仿真实验室、中学物理仿真实验室、基于LabVIEW平台的趣味物理实验室、以及微结构材料设计与物性仿真实验室等6大类虚拟仿真实验室。经过多年的建设和发展积累,逐步形成了中心建设与科研、特色学科发展相长、实验教学与技能培训结合、夯实基础与个性发展并举的教学特色,成为我校培养创新精神和创新能力的大学生实践基地。目前,中心所开设课程几乎涵盖了物理学的主干学科课程,开设有比较固定的虚拟仿真实验项目100多个(其中网络可操作项目近50个),可完成简单科研训练的综合设计性项目80余个。

中心与依托于中国科技大学的科大奥锐公司高校实验事业部、美国国家仪器有限公司(NationalInstruments,NI)、北京创腾科技有限公司、北京宏剑公司、北京泰科博思科技有限公司等公司已形成深度的合作关系,先后引进了大学物理仿真实验平台软件、LabVIEW虚拟实验平台软件、以及微结构材料设计与物性仿真软件6个。中心实验指导教师在这些平台项目软件的基础上,结合教学科研经验和软件研发企业的技术支持,开发了数十个适用于本科教学的实验项目,这些具有特殊的实验项目进一步扩充了平台资源。虚拟仿真实验教学中心充分发挥现有资源优势,积极为高等教育和基础教育发展服务,并起到良好的示范辐射作用。中心借助于物理学国家特色专业和物理教育学科在基础教育教学改革方面的影响力,通过高师进修、教育硕士班、中学物理骨干教师培训等形式为本地区和边远地区高校(特别是师范院校)和基础教育单位培训了一批实验师资,如贵州民族大学、毕节学院、长江师范学院、重庆文理学院、渭南师范学院等院校,受培训的实验教师很快成长为本单位的教学科研骨干。

近年来,物理虚拟仿真实验教学中心不断取得进步,取得各项荣誉,如:物理学专业获国家级特色专业、中心教师获国家级教学成果二等奖1项、国家技术发明奖二等奖1项、重庆市教学成果二等奖1项;建设有国家级精品课程和国家级精品资源共享课程各1门、重庆市精品资源共享课程1门,《物理教育学》教学团队被评为重庆市优秀教学团队。中心最近五年,出版实验教材4部、理论课程教材7部、教辅参考书11部,承担了国家级科研项目45项、省部级项目36项,发表教学研究论文48篇,建设各类精品课程8门(国家级2门、重庆市2门),网上资源共享课程12门,获得省部级以上科研奖励5项,申请专利43项。在ACSNano、Small、PhysRevB、JChemPhys等国内外著名刊物上发表SCI论文300余篇。特别是,实验教师利用中心的虚拟仿真实验软件发表SCI论文30余篇,并将丰富的科研成果迅速转化为实验项目。在科研项目研究的基础上,构建了微结构材料设计与性能模拟实验室,为本科学生开发了80余个虚拟仿真实验项目。

2009年以来,中心教师指导物理学专业本科学生获得国家级大学生创新项目27项、校级项目38项,发表SCI论文12篇,申请专利17项,获国家级奖项25项、省级奖项44项。中心充分发挥资源优势,积极为高等教育和基础教育发展服务,利用高师进修、国家级和省级物理骨干教师培训、教育部普通高中课程改革物理教师远程培训、省市级初高中物理名师工作室高级研修班等形式,为本地区和西部地区高校和基础教育单位培训了一大批实验师资,吸引了众多高校和中学实验人员前来考察和参观学习,中心建设获得全国物理学实验专家的高度评价,取得的成果和经验获得兄弟院校的好评和借鉴。

物理虚拟仿真实验教学中心将继续以“学生创新实践”为根本任务,进一步增加虚拟实验教学资源,并依托学校数字化校园的网络支撑,面向兄弟院校和社会共享,满足广大物理学教育工作者和学生的紧迫需求,培养更多理论与实践相结合的全面发展人才,推动我国物理学实验教学改革!

二、中心特色

中心秉持“强化基础、重在素质、虚实为用、实践创新”的教学理念和“校企共建共管、教研开发拓展”建设方针,通过强化“一个虚拟平台、三支实验队伍、五类实体实验”为主体的建设,不断将科研成果转化为实验教学内容,快速高效地构建起了“基础训练”、“专业实践”、“综合设计”、“创新研究”四层次的仿真实践训练体系,形成了以“掌握基本实验技能→完成创新实验项目(参与教师科研项目)→课外科技实践锻炼→毕业论文设计”为主线的大学全程培养过程,旨在让学生在大学各阶段的学习中都能开展实验操作,通过激发学生的求知欲来提高学习兴趣,从而增强学生理论知识和实验知识的融合贯通,全面提升学生的实践能力、创新意识和综合素质。

中心特色具体体现在以下几个方面:

1.融合科研

在保障验证性、综合性和设计性虚拟仿真实验的基础上,中心坚持教学与科研相结合,打破教学实验与科研实验的壁垒,以科研人员为基础、科研软硬件平台为支撑,开发出88个科研创新性实验项目,做到教学科研的深度融合。

第一,中心科研团队人员均参与实验教学、实验项目开发、毕业论文指导、学生科技活动指导、学生自主学习指导等,教师在实验教学中潜移默化地向学生渗透科研思想、科研精神、和科研方法,努力培养学生的创新能力和创新意识。

第二,科研仿真软硬件平台支撑实验教学。学校将科研与教学方面具有共用性的仪器设备集中存放,统一管理使用,为学生虚拟仿真教学与科研服务,发挥虚拟仿真资源的效益。例如:中心利用Material-Studio、MAPS、MedeA-VASP、Gaussian-VIEW、LabVIEW、LLGSimulator和OOMMF等7大科研仿真软件,以及学科的高性能集群,建立了适合本科教学的“LabVIEW虚拟仿真实验教学平台”和“微结构材料设计与物性仿真教学平台”。

2.深入微观

第一,平台模块在计算机虚拟环境下可以从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次展示,将研究对象从3维体系扩展到2→1→0维的微观纳米体系,如:扫描隧道显微镜、真空镀膜、纳米构型观测等实验,解决了物理学高精尖实验仪器运行成本高、设备贵重动手机会少、制约学生动手实践的问题。

3.形成系统

第一,中心构建了层次化、模块化、全流程的“虚实互补”仿真实验教学体系,形成了培养体系的系统性。构建起了基础训练→专业实践→综合设计→科研创新“四个层次”的实验教学体系,覆盖了人才培养过程的整个流程。第一层次的强调基础,利用“普通物理实验仿真模块”和“大学物理实验公共课模块”开展基础性认知与验证性模拟仿真实验,锻炼学生基本的动手能力,对非物理类学生利用进行验证性实验操作;第二层次注重衔接,利用“近代物理实验仿真模块”和“中学物理实验仿真模块”开展专业技能训练,提升专业实践能力,在向行业特色进行过渡中掌握更深层次的理论知识体系;第三层次着眼融合,利用“LabVIEW虚拟实验平台”进行综合设计实验,培养综合实践开发的能力;第四层次致力跨越,利用“微结构材料设计与物性仿真平台”开展设计创新性实验,个性化激发科研创新的潜能。先进的开放式教学平台,可以用来“学”、用来“教”、用来“做”、用来“改”、用来“增”、用来“组”,还可以用来“研”,既提高教学质量,又提升学生的实践动手能力和创新能力。

第二,虚拟仿真实验项目和实验教学内容具有系统性。中心的虚拟仿真实验项目涵盖力学、热学、光学、电学、磁学、声学、核物理学等物理学分支学科最具代表性的基础性实验,以及近代物理和科技前沿实验。

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