重離子加速器中的原子核碰撞虛擬仿真實驗的建設與應用

孫宇梁,劉艷鑫,王永佳,李慶峰,沈彩萬

(湖州師范學院 理學院,浙江 湖州 313000)

物理學專業培養目標要求學生掌握扎實的實驗技能,具備良好的創新實踐和自我發展能力. 物理學專業學生的科研能力和科研水平相對較好,學生有進入科學前沿、探索未知的愿望. 因此,需要在近代物理實驗課程中為學生開設關于物理科學前沿的實驗課程,并將教師的科研成果轉化為教學內容,以促進學生能力的提升,滿足學生的發展需求.

核物理相關實驗在物理學前沿研究中占有相當大比重,在國家兩彈一星研制及重離子加速器等大科學裝置建設過程中發揮著重要作用. 真實的原子核碰撞實驗必須依托大型科學裝置——重離子加速器,該實驗裝置占地面積大,造價十分昂貴,例如“十二五”國家重大科技基礎設施強流重離子加速器HIAF概算總投資為16.7億元,建造周期超過7年,而且運行維護成本非常高[1]. 此外,實驗中存在核輻射、高電壓等危險性,實驗過程中需采取嚴格的安全防護措施. 因此,普通高校無法開設這類本科教學實驗.

為了解決以上問題,本文利用虛擬仿真技術,結合科研成果,根據虛擬仿真實驗項目的特點和國家的建設要求[2-6],設計開發了重離子加速器中的原子核碰撞、儲存環原子核質量測量、高能粒子在人體組織中的輸運特性等一系列原子核物理實驗教學項目,應用于近代物理實驗課程教學. 這些實驗項目能夠在電腦上再現真實的實驗場景,達到良好的教學效果,解除了實驗場地、費用、防護等方面的限制,為培養學生的實驗探究設計能力、開拓學生視野提供了重要支撐. 本文以“重離子加速器中的原子核碰撞”為例介紹了本課程中虛擬仿真實驗項目的建設與應用.

1 實驗教學目標

以下是“重離子加速器中的原子核碰撞”虛擬仿真實驗的教學目標.

1)知識目標:

a.通過對原子核物理實驗儀器的認知,使學生能夠講述離子源、重離子加速器、粒子探測器等實驗設備的基本工作原理,將所學理論知識應用于具體實驗;

b.通過對原子核物理實驗的操作,使學生掌握相關參量參量的物理意義及對實驗現象、實驗結果的影響,讓學生在實驗操作中探索微觀粒子運動、作用的物理規律.

2)能力目標:

a.通過進行數據獲取及數據分析的練習,使學生具備對實驗結果進行數據處理的能力;

b.通過比較不同反應條件下的結果,分析影響原子核碰撞過程的因素,探究原子核的性質和碰撞的物理機制,提高學生的科學研究能力和創新實踐能力;

c.通過布置分組實驗、討論、匯報任務,培養學生團隊協作、研究問題的能力.

3)素質目標:利用虛擬仿真實驗的直觀性、可重復性等特點,鼓勵學生勇于探索微觀世界,鍛煉學生的科學思維,培養學生嚴謹的科學態度和實事求是的科學作風,促使學生充分發揮潛能,實現自我價值,努力做到“知行合一”.

2 虛擬仿真實驗項目的構建

2.1 實驗設備

重離子加速器裝置仿真裝置如圖1所示,加速器、探測器等實驗設備是以中科院近代物理研究所(簡稱近物所)實際設備為原型制作的3D模型,具有極高的仿真度. 學生可在虛擬實驗場景中自由探索,便于理解其構造和工作原理.

圖1 虛擬場景中的重離子加速器裝置

2.2 實驗操作

由于核物理實驗存在核輻射、高電壓等安全隱患,整個實驗過程都是在中央控制室通過電腦遠程控制完成的. 仿真實驗中的操作界面是根據近物所中央控制室電腦上的遠程控制界面設計制作(見圖2),實驗操作過程也與真實實驗相同(見圖3). 通過操作界面,可以實現對相關實驗儀器的遠程控制.

圖2 仿真實驗中重離子加速器各設備控制界面

圖3 原子核碰撞虛擬仿真實驗操作流程

2.3 原子核碰撞過程的仿真

仿真實驗程序應用了本教學團隊的科研成果——UrQMD (Ultrarelativistic quantum molecular dynamics) 模型來模擬原子核碰撞過程,成功實現將教師的科研成果轉化為教學內容. UrQMD模型是目前模擬重離子碰撞的主流模型之一,將每個粒子用一定寬度的高斯波包來表示,模型中利用平均場表征粒子間的勢相互作用,碰撞項模擬粒子產生、碰撞、衰變等過程[7]. 還能夠記錄重離子輸運的全過程,并通過三維動畫的方式呈現[8],模型的模擬結果與實驗測量結果符合很好能夠達到真實實驗不能達到的直觀視覺效果(如圖4).

圖4 UrQMD模型模擬原子核三維碰撞產生的三維動畫

3 教學過程

3.1 實驗前:發布預習任務

教師通過虛擬仿真實驗教學平臺發布自主學習單,提供的預習任務包括:虛擬仿真實驗程序、實驗介紹視頻和引導視頻、拓展性資源(實驗相關參考文獻)等. 學生組成學習小組,共同研究實驗原理與相關參考文獻,培養自學能力. 學生完成預習任務后,利用虛擬仿真程序的學習模式進行初次實驗.

3.2 實驗中:翻轉課堂,體現學生中心

讓學生利用虛擬仿真程序的場景漫游模式介紹加速器各個部件的功能,考查學生對實驗儀器的掌握情況. 教師通過視頻教學法、演示實驗法、探究教學法等方法解惑學生在實驗預習及試做過程中遇到的相關問題,說明操作注意事項. 學生掌握實驗操作過程后,教師展示不同實驗參量條件下的原子核碰撞動畫,提出思考問題,引導學生分小組研討各實驗參量對原子核碰撞結果的影響,每個小組將實驗數據及討論結果進行課堂展示與匯報,由小組之間及教師進行評價.

3.3 實驗后:學生完成實驗報告,反思提高

學生完成實驗報告提交系統,由教師批改評分. 學生閱讀拓展資源,與同學研討,總結自己實驗操作中的得失,并通過重復實驗進行反思提高.

4 教學方法

4.1 依據“學習金字塔”理論對教學內容進行設計,體現知識內容的高階性

課程在“學習金字塔(Cone of learning)”理論(圖5)的基礎上進行教學內容設計,虛擬仿真場景漫游主要以演示為主,實驗操作主要以實際演練為主,實驗數據分析環節采用團隊開發設計的UrQMD模型,學生可以對實驗參量進行自主設計,探索不同條件下實驗結果的變化,并給出結果分析與討論.

圖5 學習金字塔理論模型

4.2 依據學生的認知規律和認知特點,對教學方法進行設計,體現實驗教學的創新性

依據大學生注意力、記憶力、思維方式等方面的認知規律及認知特點,在教學方法設計方面重點解決如何正確處理學生主體與教師主導的關系問題[9]. 在教學方法設計上采用線上線下教學相融合、翻轉課堂、實驗探究、小組討論、課堂展示等多種教學方法,充分體現學生課程學習的主體作用. 實驗教學方法設計如圖6所示,通過線上教學課前設計、翻轉課堂設計、課后提交實驗報告等教學環節設計,把課堂還給學生. 通過定期問卷調查反饋,了解學生的學習情況,持續改進實驗課程教學.

圖6 實驗教學方法設計圖

4.3 根據虛擬仿真實驗的特點,引導學生利用相應方法進行實驗

4.3.1 觀察法

真實的原子核碰撞是無法用肉眼觀察到的,而虛擬仿真實驗可以通過讀取數據(由UrQMD模型模擬得到)制作逐幀動畫的方式產生原子核碰撞的三維動畫,讓學生可根據自身實際需求從不同視角了解原子核碰撞的全過程,還可使用暫停、前進、后退等命令(圖4)實現學生個性化觀察. 此外,學生在設置參量時也可以預覽碰撞效果(圖7).

圖7 設置參量時預覽碰撞效果(二維動畫)

學生一般無法前往蘭州參觀真實的重離子加速器,而虛擬仿真實驗利用電腦3D技術再現原子核碰撞實驗裝置——重離子加速器,實驗時學生需要先利用仿真程序了解實驗裝置(圖1).

4.3.2 比較法

利用虛擬仿真實驗可設置不同參量進行反復實驗的特點,學生可比較不同參量的實驗結果,從而分析實驗過程中的物理機制. 例如,對不同碰撞參量的原子核碰撞,得到的粒子快度y0分布有所不同:對于b=0的對心碰撞,由于彈靶核相互阻擋,大量末態粒子的快度將靠近0(即pz=0)附近;而對于較大碰撞參量的擦邊碰撞,彈靶中的大量核子幾乎仍然保持初始的沿z方向的動量,即約化快度為±1左右,粒子的快度分布呈現出雙峰結構,如圖8～9所示.

(a)

(a)

5 評價體系

評分體系考查學生是否理解實驗的全過程和實驗研究的物理意義,能否獨立完成實驗的各個操作步驟,實驗操作完成后能否對所獲得的實驗數據進行分析并得出物理結論. 對學生的考查更加注重過程評價和能力評價,每次實驗的具體分數分配如下:

1)預習(10分). 包括預習系統評分、教師抽查提問.

2)實驗操作40分,每一操作步驟系統都有對應分值(表1). 系統依據實驗各步驟的目標要求,設計相應操作的賦分模型,雖然各步驟的賦分式有所差異,但實現了對學生實驗的全過程評價. 例如,認識加速器的實驗步驟中,賦分要求操作時間小于1 min不得分,超過5 min得滿分,中間時間與分值呈線性關系. 這樣設計賦分模型的目的在于培養學生認真觀察實驗設備的實驗習慣,為后續實驗順利進行奠定基礎. 此外,實驗系統中內置的評分程序鼓勵學生在實驗失敗情況下重新操作,操作過程中的界面上還會出現與實驗步驟對應的選擇題考查學生相應知識點的掌握情況.

表1 原子核碰撞虛擬仿真實驗各步驟分值

3)實驗數據(20分). 記錄的數據是否完善、準確(10分),數據的分析處理(10分).

4)實驗報告(20分). 實驗目的、原理、步驟是否完整(10分),對實驗結果的分析和討論(10分).

5)勇于探索創新,嘗試新的實驗方法(5分);團隊合作(5分),分別設置不同參量進行實驗,比較實驗結果,一起探討分析.

6 課程思政元素的融入

本實驗項目借助信息技術手段,采用多元化的教學方法,將專業知識中蘊含的思政元素通過恰當的教學方法有效地表達出來:a.通過讓學生了解“大國重器”——重離子加速器這一科學裝置,培養學生的民族自豪感;b.通過讓學生感受實驗參量的細微改變也會引起實驗結果的變化,鼓勵學生培養足夠的耐心和良好的觀察力,以及百折不撓、細致鉆研的科學研究精神;通過了解與加速器建設、核物理學科發展相關的科學家的先進事跡和奮斗歷程,激發學生的愛國熱情和奉獻精神,培養學生的社會責任感和時代使命感,成為合格的社會主義建設者和接班人.

由于虛擬仿真實驗不受外界條件限制,不必考慮真實實驗的成本,因此學生可以大膽地在虛擬環境進行各類實驗的探索和創新,即使首次實驗失敗了也可以總結原因重新實驗. 相對于真實實驗,虛擬仿真實驗更容易培養學生敢于探索、勇于創新的精神.

課程以完成綜合性實驗作為考核內容,引導學生利用所學知識點,以團隊的形式完成綜合性實驗的設計、制作和測試,作為學生成績的考核內容. 通過對實驗的設計制作,培養了學生整體設計、綜合判斷和靈活運用知識解決實際問題的綜合能力,以及團隊協同合作的能力.

7 教學效果

7.1 改變學生的學習模式,增強學生的綜合素質

學生在虛擬仿真實驗中通過電腦遠程控制完成原子核碰撞實驗,實驗操作過程與真實實驗一致,使學生可以掌握原子核碰撞實驗. 由于虛擬仿真實驗不受外界條件限制、不必考慮真實實驗的成本,學生可以大膽地進行實驗條件的探索和創新,即使實驗失敗也可以總結原因重新實驗. 對仿真實驗交互性的操作步驟、教學互動過程的精心設計,提高了學生的參與度. 細化考核評價體系,增強學生經過刻苦學習收獲知識和提高能力的成就感,提升學生的實踐創新能力. 由于對實驗進行了層次化、模塊化、遞進式的內容設計,注重研究性、創新性、綜合性內容建設,滿足了教學主體多元化需求,為學生實驗設計、創新能力、科研能力的培養提供了重要支撐.

7.2 改變教師的教學模式,提升教師的教研水平

通過本實驗課程的建設,教師在課程建設、項目建設及教學成果等教學改革方面進行了深入地探索與實踐,依托團隊教師的專業特點和科研優勢,不斷推進科研成果轉化為教學內容,將信息化教育技術與課程教學相結合,取得了良好的教學效果,教師的教學研究能力得到顯著提升. 獲批省級虛擬仿真實驗教學項目5項,實現了教師教學方式從傳統的課堂教學向信息技術融合課堂教學轉變. 通過與相關企業合作,團隊教師獲批教育部產學研合作項目2項,為進一步開展校企合作和科研成果轉化為教學成果和產業成果奠定了堅實的基礎.

7.3 推進課程開放共享,進一步擴大課程的輻射面

通過網絡平臺的開放共享,研究課程的共享機制[10]. 本實驗課程一方面為國內物理相關專業學生培養提供支撐,另一方面為國內核物理研究生培養提供重要的實驗訓練平臺,為提高人才培養質量保駕護航. 目前,本實驗課程被國內4所高校、7個專業應用于本科及研究生教學,網站顯示近1 500人次進行實驗并對實驗課程進行評價. 學生反映該實驗具有挑戰難度、實驗內容豐富、實驗界面友好等,得到了廣大師生的好評.

8 結束語

本文利用虛擬仿真技術,結合團隊科研成果,開發了重離子加速器中的原子核碰撞虛擬仿真實驗,再現真實的實驗場景,取得了良好的教學效果,為培養學生的實驗探究設計能力、開拓學生視野提供重要支撐.