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我院物理学专业师范生郭友猛在国际工程教育期刊IEEE Transactions on Education发表高水平文章
发布时间:2021-08-20   浏览次数:10

近期,我院物理教育教学中心刘金梅副教授团队在虚拟仿真实验教学方面取得重要进展,相关研究成果以“Design and Implementation of Educational Emulation Experiment Systems Based on Discrete Logic”为题,发表在国际工程教育期刊IEEE Transactions on Education上。论文以华东师大为第一单位,我院2017级物理学(师范)专业本科生郭友猛为第一作者,刘金梅副教授为通讯作者,尹亚玲副教授为共同作者。 

实验课程是学科课程的重要组成部分,作为新兴的辅助实验教学的手段,虚拟仿真实验可以实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。虚拟仿真实验首先需满足实验教学的要求,帮助学生掌握一定的实验知识和技能,提高学生的创造性和综合性动手能力,并在这个过程中降低学生的认知负荷,反馈学生的认知风格和学习成果,完成概念的转化。

但是受限于基于屏幕的可操作性,学生在进行仿真实验操作时,会产生“自己在计算机的指引下玩一个没有探索乐趣的游戏,而非进行实验”的感觉,这主要是仿真实验中的关键物理过程没有被学生所识别,因为传统的仿真实验的实验逻辑是由计算机根据真实实验结果逆推,采用程序分支结构进行设计的,甚至固定实验操作的步骤和顺序。

该研究从实验教学的特点出发,探索实验的组织和操作逻辑(即散序逻辑),以实现一个虚拟仿真实验系统,整合实验元素、实验开发者和教学主体。对于学生和教师来说,该解决了学生操作策略和教师教学设计的互相反馈和平衡问题,在提升教学效率的同时关注学生的实验经验策略和经验学习。

图1 双环正反馈调节实验信息流向图

该团队一直以来聚焦于提升虚拟仿真实验工程教学能力,解决实验开发与教学主体脱离的难题,如虚拟实验设备物理行为能力、虚拟实验信息流等,其中虚拟设备物理行为能力直接决定了虚拟实验所能处理和反馈的操作策略信息,而虚拟实验信息流则决定了实验的可设计性和实验信息正反馈的实现。此前该团队创新性地提出并实现了引入散序逻辑赋予虚拟实验设备物理行为能力,近期又围绕实验组织方面解决教学实施可控性提出了Circuit Board模型,取得重要突破。

图2 分光计测量三棱镜折射率实验设备和抽象组织层的Circuit Board模型

图3 分光计平行光管调焦

在提升学生经验学习和平衡学生认知负荷方面,该团队基于Circuit Board组织模型实现了可易设计的实验操作策略权衡网络,使虚拟仿真实验根据学生的认知水平所掌握的实验经验进行设计以替代直接把学生带到实验室中交给其一堆陌生而复杂的仪器设备。整个虚拟实验由模型调度处理不同学生的操作策略,同时分析并反馈系统记录的操作策略和对应的参数设置以发现更为合适的实验设计方案。这个研究也为实现实验信息正反馈提供了基础条件。

在升级实验开发方案方面,该团队设计了分级分层方案,解开实验开发和计算机软件技术的底层耦合,同时各层得以由各自领域的研究进行优化,推进虚拟仿真实验开发简易化,为解决实验开发与教学主体脱离的难题提供了一个可操作方案。该团队设计的驱动系统当前底层引入three.js抽象WebGL技术构建仿真实验场景,引入委托机制等技术,应用上层实现统一的计算模型参数耦合接口,中间件,将实验开发聚焦到实验内容上来而不是考虑计算机图形和计算机工程问题。

图4 系统客户端设计图

值得一提的是,在数据科学与工程学院与物理与电子科学学院教师们的共同指导下,该团队近几年获得国家级和省部级学术竞赛奖多项,主要有:2020年获得两项国家级大学生学术竞赛一等奖(第13届中国大学生计算机设计大赛和第6届全国大学生物理实验竞赛<创新赛>)、第十二届上海市大学生计算机应用能力大赛一等奖、中美青年创客大赛(上海赛区)三等奖;2019年获得第十二届华东师范大学本科生计算机应用能力大赛二等奖,项目系统以及实验获得了两项计算机软件著作权。上述工作得到了上海市大学生创新创业项目、物理与电子科学学院科研创新基金项目支持。


相关链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9501952

 

图、文:郭友猛 刘金梅

审定:蒋旭 徐敏

编辑:袁会敏