近期，我院物理教育教學(xué)中心劉金梅副教授團(tuán)隊(duì)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Design and Implementation of Educational Emulation Experiment Systems Based on Discrete Logic”為題，發(fā)表在國際工程教育期刊IEEE Transactions on Education上。論文以華東師大為第一單位，我院2017級物理學(xué)（師范）專業(yè)本科生郭友猛為第一作者，劉金梅副教授為通訊作者，尹亞玲副教授為共同作者。 

實(shí)驗(yàn)課程是學(xué)科課程的重要組成部分，作為新興的輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的手段，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)首先需滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，幫助學(xué)生掌握一定的實(shí)驗(yàn)知識和技能，提高學(xué)生的創(chuàng)造性和綜合性動手能力，并在這個過程中降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，反饋學(xué)生的認(rèn)知風(fēng)格和學(xué)習(xí)成果，完成概念的轉(zhuǎn)化。

但是受限于基于屏幕的可操作性，學(xué)生在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)操作時，會產(chǎn)生“自己在計(jì)算機(jī)的指引下玩一個沒有探索樂趣的游戲，而非進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”的感覺，這主要是仿真實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵物理過程沒有被學(xué)生所識別，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)邏輯是由計(jì)算機(jī)根據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果逆推，采用程序分支結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，甚至固定實(shí)驗(yàn)操作的步驟和順序。

該研究從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)出發(fā)，探索實(shí)驗(yàn)的組織和操作邏輯（即散序邏輯），以實(shí)現(xiàn)一個虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，整合實(shí)驗(yàn)元素、實(shí)驗(yàn)開發(fā)者和教學(xué)主體。對于學(xué)生和教師來說，該解決了學(xué)生操作策略和教師教學(xué)設(shè)計(jì)的互相反饋和平衡問題，在提升教學(xué)效率的同時關(guān)注學(xué)生的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)策略和經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)。

圖1 雙環(huán)正反饋調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)信息流向圖

該團(tuán)隊(duì)一直以來聚焦于提升虛擬仿真實(shí)驗(yàn)工程教學(xué)能力，解決實(shí)驗(yàn)開發(fā)與教學(xué)主體脫離的難題，如虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備物理行為能力、虛擬實(shí)驗(yàn)信息流等，其中虛擬設(shè)備物理行為能力直接決定了虛擬實(shí)驗(yàn)所能處理和反饋的操作策略信息，而虛擬實(shí)驗(yàn)信息流則決定了實(shí)驗(yàn)的可設(shè)計(jì)性和實(shí)驗(yàn)信息正反饋的實(shí)現(xiàn)。此前該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出并實(shí)現(xiàn)了引入散序邏輯賦予虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備物理行為能力，近期又圍繞實(shí)驗(yàn)組織方面解決教學(xué)實(shí)施可控性提出了Circuit Board模型，取得重要突破。

圖2 分光計(jì)測量三棱鏡折射率實(shí)驗(yàn)設(shè)備和抽象組織層的Circuit Board模型

圖3 分光計(jì)平行光管調(diào)焦

在提升學(xué)生經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)和平衡學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷方面，該團(tuán)隊(duì)基于Circuit Board組織模型實(shí)現(xiàn)了可易設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)操作策略權(quán)衡網(wǎng)絡(luò)，使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平所掌握的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)以替代直接把學(xué)生帶到實(shí)驗(yàn)室中交給其一堆陌生而復(fù)雜的儀器設(shè)備。整個虛擬實(shí)驗(yàn)由模型調(diào)度處理不同學(xué)生的操作策略，同時分析并反饋系統(tǒng)記錄的操作策略和對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置以發(fā)現(xiàn)更為合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。這個研究也為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)信息正反饋提供了基礎(chǔ)條件。

在升級實(shí)驗(yàn)開發(fā)方案方面，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了分級分層方案，解開實(shí)驗(yàn)開發(fā)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的底層耦合，同時各層得以由各自領(lǐng)域的研究進(jìn)行優(yōu)化，推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)簡易化，為解決實(shí)驗(yàn)開發(fā)與教學(xué)主體脫離的難題提供了一個可操作方案。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的驅(qū)動系統(tǒng)當(dāng)前底層引入three.js抽象WebGL技術(shù)構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)場景，引入委托機(jī)制等技術(shù)，應(yīng)用上層實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的計(jì)算模型參數(shù)耦合接口，中間件，將實(shí)驗(yàn)開發(fā)聚焦到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上來而不是考慮計(jì)算機(jī)圖形和計(jì)算機(jī)工程問題。

圖4 系統(tǒng)客戶端設(shè)計(jì)圖

值得一提的是，在數(shù)據(jù)科學(xué)與工程學(xué)院與新葡的京集團(tuán)3512vip教師們的共同指導(dǎo)下，該團(tuán)隊(duì)近幾年獲得國家級和省部級學(xué)術(shù)競賽獎多項(xiàng)，主要有：2020年獲得兩項(xiàng)國家級大學(xué)生學(xué)術(shù)競賽一等獎（第13屆中國大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽和第6屆全國大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽<創(chuàng)新賽>）、第十二屆上海市大學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力大賽一等獎、中美青年創(chuàng)客大賽（上海賽區(qū)）三等獎；2019年獲得第十二屆華東師范大學(xué)本科生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力大賽二等獎，項(xiàng)目系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)獲得了兩項(xiàng)計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)。上述工作得到了上海市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、新葡的京集團(tuán)3512vip科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目支持。

圖、文：郭友猛 劉金梅

審定：蔣旭 徐敏

編輯：袁會敏