重离子加速器中的原子核碰撞虚拟仿真实验的建设与应用

孙宇梁,刘艳鑫,王永佳,李庆峰,沈彩万

(湖州师范学院 理学院,浙江 湖州 313000)

物理学专业培养目标要求学生掌握扎实的实验技能,具备良好的创新实践和自我发展能力. 物理学专业学生的科研能力和科研水平相对较好,学生有进入科学前沿、探索未知的愿望. 因此,需要在近代物理实验课程中为学生开设关于物理科学前沿的实验课程,并将教师的科研成果转化为教学内容,以促进学生能力的提升,满足学生的发展需求.

核物理相关实验在物理学前沿研究中占有相当大比重,在国家两弹一星研制及重离子加速器等大科学装置建设过程中发挥着重要作用. 真实的原子核碰撞实验必须依托大型科学装置——重离子加速器,该实验装置占地面积大,造价十分昂贵,例如“十二五”国家重大科技基础设施强流重离子加速器HIAF概算总投资为16.7亿元,建造周期超过7年,而且运行维护成本非常高[1]. 此外,实验中存在核辐射、高电压等危险性,实验过程中需采取严格的安全防护措施. 因此,普通高校无法开设这类本科教学实验.

为了解决以上问题,本文利用虚拟仿真技术,结合科研成果,根据虚拟仿真实验项目的特点和国家的建设要求[2-6],设计开发了重离子加速器中的原子核碰撞、储存环原子核质量测量、高能粒子在人体组织中的输运特性等一系列原子核物理实验教学项目,应用于近代物理实验课程教学. 这些实验项目能够在电脑上再现真实的实验场景,达到良好的教学效果,解除了实验场地、费用、防护等方面的限制,为培养学生的实验探究设计能力、开拓学生视野提供了重要支撑. 本文以“重离子加速器中的原子核碰撞”为例介绍了本课程中虚拟仿真实验项目的建设与应用.

1 实验教学目标

以下是“重离子加速器中的原子核碰撞”虚拟仿真实验的教学目标.

1)知识目标:

a.通过对原子核物理实验仪器的认知,使学生能够讲述离子源、重离子加速器、粒子探测器等实验设备的基本工作原理,将所学理论知识应用于具体实验;

b.通过对原子核物理实验的操作,使学生掌握相关参量参量的物理意义及对实验现象、实验结果的影响,让学生在实验操作中探索微观粒子运动、作用的物理规律.

2)能力目标:

a.通过进行数据获取及数据分析的练习,使学生具备对实验结果进行数据处理的能力;

b.通过比较不同反应条件下的结果,分析影响原子核碰撞过程的因素,探究原子核的性质和碰撞的物理机制,提高学生的科学研究能力和创新实践能力;

c.通过布置分组实验、讨论、汇报任务,培养学生团队协作、研究问题的能力.

3)素质目标:利用虚拟仿真实验的直观性、可重复性等特点,鼓励学生勇于探索微观世界,锻炼学生的科学思维,培养学生严谨的科学态度和实事求是的科学作风,促使学生充分发挥潜能,实现自我价值,努力做到“知行合一”.

2 虚拟仿真实验项目的构建

2.1 实验设备

重离子加速器装置仿真装置如图1所示,加速器、探测器等实验设备是以中科院近代物理研究所(简称近物所)实际设备为原型制作的3D模型,具有极高的仿真度. 学生可在虚拟实验场景中自由探索,便于理解其构造和工作原理.

图1 虚拟场景中的重离子加速器装置

2.2 实验操作

由于核物理实验存在核辐射、高电压等安全隐患,整个实验过程都是在中央控制室通过电脑远程控制完成的. 仿真实验中的操作界面是根据近物所中央控制室电脑上的远程控制界面设计制作(见图2),实验操作过程也与真实实验相同(见图3). 通过操作界面,可以实现对相关实验仪器的远程控制.

图2 仿真实验中重离子加速器各设备控制界面

图3 原子核碰撞虚拟仿真实验操作流程

2.3 原子核碰撞过程的仿真

仿真实验程序应用了本教学团队的科研成果——UrQMD (Ultrarelativistic quantum molecular dynamics) 模型来模拟原子核碰撞过程,成功实现将教师的科研成果转化为教学内容. UrQMD模型是目前模拟重离子碰撞的主流模型之一,将每个粒子用一定宽度的高斯波包来表示,模型中利用平均场表征粒子间的势相互作用,碰撞项模拟粒子产生、碰撞、衰变等过程[7]. 还能够记录重离子输运的全过程,并通过三维动画的方式呈现[8],模型的模拟结果与实验测量结果符合很好能够达到真实实验不能达到的直观视觉效果(如图4).

图4 UrQMD模型模拟原子核三维碰撞产生的三维动画

3 教学过程

3.1 实验前:发布预习任务

教师通过虚拟仿真实验教学平台发布自主学习单,提供的预习任务包括:虚拟仿真实验程序、实验介绍视频和引导视频、拓展性资源(实验相关参考文献)等. 学生组成学习小组,共同研究实验原理与相关参考文献,培养自学能力. 学生完成预习任务后,利用虚拟仿真程序的学习模式进行初次实验.

3.2 实验中:翻转课堂,体现学生中心

让学生利用虚拟仿真程序的场景漫游模式介绍加速器各个部件的功能,考查学生对实验仪器的掌握情况. 教师通过视频教学法、演示实验法、探究教学法等方法解惑学生在实验预习及试做过程中遇到的相关问题,说明操作注意事项. 学生掌握实验操作过程后,教师展示不同实验参量条件下的原子核碰撞动画,提出思考问题,引导学生分小组研讨各实验参量对原子核碰撞结果的影响,每个小组将实验数据及讨论结果进行课堂展示与汇报,由小组之间及教师进行评价.

3.3 实验后:学生完成实验报告,反思提高

学生完成实验报告提交系统,由教师批改评分. 学生阅读拓展资源,与同学研讨,总结自己实验操作中的得失,并通过重复实验进行反思提高.

4 教学方法

4.1 依据“学习金字塔”理论对教学内容进行设计,体现知识内容的高阶性

课程在“学习金字塔(Cone of learning)”理论(图5)的基础上进行教学内容设计,虚拟仿真场景漫游主要以演示为主,实验操作主要以实际演练为主,实验数据分析环节采用团队开发设计的UrQMD模型,学生可以对实验参量进行自主设计,探索不同条件下实验结果的变化,并给出结果分析与讨论.

图5 学习金字塔理论模型

4.2 依据学生的认知规律和认知特点,对教学方法进行设计,体现实验教学的创新性

依据大学生注意力、记忆力、思维方式等方面的认知规律及认知特点,在教学方法设计方面重点解决如何正确处理学生主体与教师主导的关系问题[9]. 在教学方法设计上采用线上线下教学相融合、翻转课堂、实验探究、小组讨论、课堂展示等多种教学方法,充分体现学生课程学习的主体作用. 实验教学方法设计如图6所示,通过线上教学课前设计、翻转课堂设计、课后提交实验报告等教学环节设计,把课堂还给学生. 通过定期问卷调查反馈,了解学生的学习情况,持续改进实验课程教学.

图6 实验教学方法设计图

4.3 根据虚拟仿真实验的特点,引导学生利用相应方法进行实验

4.3.1 观察法

真实的原子核碰撞是无法用肉眼观察到的,而虚拟仿真实验可以通过读取数据(由UrQMD模型模拟得到)制作逐帧动画的方式产生原子核碰撞的三维动画,让学生可根据自身实际需求从不同视角了解原子核碰撞的全过程,还可使用暂停、前进、后退等命令(图4)实现学生个性化观察. 此外,学生在设置参量时也可以预览碰撞效果(图7).

图7 设置参量时预览碰撞效果(二维动画)

学生一般无法前往兰州参观真实的重离子加速器,而虚拟仿真实验利用电脑3D技术再现原子核碰撞实验装置——重离子加速器,实验时学生需要先利用仿真程序了解实验装置(图1).

4.3.2 比较法

利用虚拟仿真实验可设置不同参量进行反复实验的特点,学生可比较不同参量的实验结果,从而分析实验过程中的物理机制. 例如,对不同碰撞参量的原子核碰撞,得到的粒子快度y0分布有所不同:对于b=0的对心碰撞,由于弹靶核相互阻挡,大量末态粒子的快度将靠近0(即pz=0)附近;而对于较大碰撞参量的擦边碰撞,弹靶中的大量核子几乎仍然保持初始的沿z方向的动量,即约化快度为±1左右,粒子的快度分布呈现出双峰结构,如图8～9所示.

(a)

(a)

5 评价体系

评分体系考查学生是否理解实验的全过程和实验研究的物理意义,能否独立完成实验的各个操作步骤,实验操作完成后能否对所获得的实验数据进行分析并得出物理结论. 对学生的考查更加注重过程评价和能力评价,每次实验的具体分数分配如下:

1)预习(10分). 包括预习系统评分、教师抽查提问.

2)实验操作40分,每一操作步骤系统都有对应分值(表1). 系统依据实验各步骤的目标要求,设计相应操作的赋分模型,虽然各步骤的赋分式有所差异,但实现了对学生实验的全过程评价. 例如,认识加速器的实验步骤中,赋分要求操作时间小于1 min不得分,超过5 min得满分,中间时间与分值呈线性关系. 这样设计赋分模型的目的在于培养学生认真观察实验设备的实验习惯,为后续实验顺利进行奠定基础. 此外,实验系统中内置的评分程序鼓励学生在实验失败情况下重新操作,操作过程中的界面上还会出现与实验步骤对应的选择题考查学生相应知识点的掌握情况.

表1 原子核碰撞虚拟仿真实验各步骤分值

3)实验数据(20分). 记录的数据是否完善、准确(10分),数据的分析处理(10分).

4)实验报告(20分). 实验目的、原理、步骤是否完整(10分),对实验结果的分析和讨论(10分).

5)勇于探索创新,尝试新的实验方法(5分);团队合作(5分),分别设置不同参量进行实验,比较实验结果,一起探讨分析.

6 课程思政元素的融入

本实验项目借助信息技术手段,采用多元化的教学方法,将专业知识中蕴含的思政元素通过恰当的教学方法有效地表达出来:a.通过让学生了解“大国重器”——重离子加速器这一科学装置,培养学生的民族自豪感;b.通过让学生感受实验参量的细微改变也会引起实验结果的变化,鼓励学生培养足够的耐心和良好的观察力,以及百折不挠、细致钻研的科学研究精神;通过了解与加速器建设、核物理学科发展相关的科学家的先进事迹和奋斗历程,激发学生的爱国热情和奉献精神,培养学生的社会责任感和时代使命感,成为合格的社会主义建设者和接班人.

由于虚拟仿真实验不受外界条件限制,不必考虑真实实验的成本,因此学生可以大胆地在虚拟环境进行各类实验的探索和创新,即使首次实验失败了也可以总结原因重新实验. 相对于真实实验,虚拟仿真实验更容易培养学生敢于探索、勇于创新的精神.

课程以完成综合性实验作为考核内容,引导学生利用所学知识点,以团队的形式完成综合性实验的设计、制作和测试,作为学生成绩的考核内容. 通过对实验的设计制作,培养了学生整体设计、综合判断和灵活运用知识解决实际问题的综合能力,以及团队协同合作的能力.

7 教学效果

7.1 改变学生的学习模式,增强学生的综合素质

学生在虚拟仿真实验中通过电脑远程控制完成原子核碰撞实验,实验操作过程与真实实验一致,使学生可以掌握原子核碰撞实验. 由于虚拟仿真实验不受外界条件限制、不必考虑真实实验的成本,学生可以大胆地进行实验条件的探索和创新,即使实验失败也可以总结原因重新实验. 对仿真实验交互性的操作步骤、教学互动过程的精心设计,提高了学生的参与度. 细化考核评价体系,增强学生经过刻苦学习收获知识和提高能力的成就感,提升学生的实践创新能力. 由于对实验进行了层次化、模块化、递进式的内容设计,注重研究性、创新性、综合性内容建设,满足了教学主体多元化需求,为学生实验设计、创新能力、科研能力的培养提供了重要支撑.

7.2 改变教师的教学模式,提升教师的教研水平

通过本实验课程的建设,教师在课程建设、项目建设及教学成果等教学改革方面进行了深入地探索与实践,依托团队教师的专业特点和科研优势,不断推进科研成果转化为教学内容,将信息化教育技术与课程教学相结合,取得了良好的教学效果,教师的教学研究能力得到显著提升. 获批省级虚拟仿真实验教学项目5项,实现了教师教学方式从传统的课堂教学向信息技术融合课堂教学转变. 通过与相关企业合作,团队教师获批教育部产学研合作项目2项,为进一步开展校企合作和科研成果转化为教学成果和产业成果奠定了坚实的基础.

7.3 推进课程开放共享,进一步扩大课程的辐射面

通过网络平台的开放共享,研究课程的共享机制[10]. 本实验课程一方面为国内物理相关专业学生培养提供支撑,另一方面为国内核物理研究生培养提供重要的实验训练平台,为提高人才培养质量保驾护航. 目前,本实验课程被国内4所高校、7个专业应用于本科及研究生教学,网站显示近1 500人次进行实验并对实验课程进行评价. 学生反映该实验具有挑战难度、实验内容丰富、实验界面友好等,得到了广大师生的好评.

8 结束语

本文利用虚拟仿真技术,结合团队科研成果,开发了重离子加速器中的原子核碰撞虚拟仿真实验,再现真实的实验场景,取得了良好的教学效果,为培养学生的实验探究设计能力、开拓学生视野提供重要支撑.