2 基于數字化技術的物理實驗教學改革 憶璽智科.pdf

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1、2024年10月26日 浙江 德清 基于數字化技術的物理實驗教學改革探討憶璽智能科技（杭州）有限公司 首屆全國數字化物理實驗教學和高質量發展研討會 隋成華企業概況01憶璽智科YIXI Smarttech02注冊地址：杭州市富陽經濟技術開發區03股權結構浙江工業大學富陽創新研究院培育企業隋成華|執行董事卡文迪許|員工持股平臺玻恩|外部自然人投資平臺核心員工持股計劃讓員工與企業一同成長榮譽科研工作學歷浙江省高校教學名師，國家教學成果二等獎獲得者浙江大學信電系物理電子學工學博士，英國帝國理工學院高級訪問學者原浙江工業大學國家級物理實驗教學示范中心主任、應用物理系主任主持國家863計劃、國家基金等10

2、余項，發表SCI、EI論文60多篇，授權發明專利7項隋成華：執行董事、二級教授、博士生導師產品線 Products Lines光電測量Light Analysis光譜儀、光功率計等，并提供光電測量一站式解決方案Spectrometer,optical power meter,etc.,and provide a one-stop solutions for light analysis物理實驗Physics Experiment數字化技術賦能普通物理與近代物理Digital technology empowers general and modern physics experiments醫療

3、設備Medical Devices光學實訓Optical Training專業的光學實驗與光學技能培訓Professional optical experiments and optical skills training開發視光學與腦健康方向的醫療設備Medical devices and solutions related to optometry and brain health-5-一、背景介紹二、改革思路三、數字賦能四、產教融合五、實踐探索目 錄CONTENTS1.人工智能浪潮已席卷全球大數據無處不在ChatGPT，文心一言機器會思考無人駕駛城市大腦元宇宙 聯合國教科文組織文件北京共

4、識人工智能與教育：促進人工智能與學習方式變革的深度融合；在學習場境中引入能夠通過運用人工智能實現的新的教育模式；培養人工智能時代生活和工作所需的價值觀和技能。教育部 頒發普通高等學校本科教育教學審核評估實施方案（20212025年）：要求推進信息技術與教學過程融合，加強線上教學資源建設，提高課程高階性，創新性和挑戰度。教育部高教司函關于開展實驗教學和教學實驗室建設研究工作的通知（2024-1號文件）：明確提出發揮數字賦能作用，推動實驗教學改革，開展針對數字化實驗教學資源的開發建設、技術應用等研究。關于開展普通本科高?！笆奈濉笔〖壷攸c建設實驗教學示范中心建設工作的通知：以新工科、新醫科、新農科

5、、新文科建設為重點，以數字化改革為抓手，強化產教融合、校企合作，增強實踐教學的時代性、先進性和實效性。數字化（人工智能）對人類社會、經濟和勞動力市場以及教育和終身學習體系有著深遠的影響。為此，聯合國教科文組織、國務院、教育部、各省市等均出臺了一些相應的政策文件：一、背景介紹2.與數字化相關的政策文件2023版實驗基本要求：明確50項實驗：力學(13項)、熱學(5項)、電磁學(9項)、光學(10項)、近代物理(13項)。每個項目統一：實驗名稱、實驗目的；設置分層次實驗內容，包括：基礎內容(A類)、提升內容(B類)、進階內容(C類)、高階內容(D類);明確了該項目的能力培養及相應的知識點。普適性、

6、靈活設置：所有內容均為主題詞概述，具體實驗內容與方案各?？山Y合本校實際進行設計、拓展。3.教育部高等學校物理教指委文件：理工科類大學物理實驗課程教學基本要求（2023版）一、背景介紹光學（10）：1.透鏡焦距測量2.分光計的調整及使用3.玻璃折射率與波長的關系4.邁克爾孫干涉儀實驗5.衍射光柵實驗6.光柵單色儀的調整與應用7.光的偏振實驗8.牛頓環實驗9.旋光現象實驗10.光學全息實驗力學（13）：1.單擺法測重力加速度2.速度和加速度3.動量守恒、能量守恒定律的驗證4.質量和密度的測量5.液體表面張力系數的測量6.弦振動實驗7.阻尼、受迫振動8.聲速的測定9.彈性模量的測定10.物體轉動慣量

7、的測量11.復擺實驗12.力學傳感器及其應用熱學（5）：1.熔解熱與汽化熱測定2.熱導率的測定3.金屬線膨脹系數的測量4.溫度傳感器及其應用5.液體粘度實驗近代物理（13）：1.黑體輻射實驗2.弗蘭克-赫茲實驗3.光電效應實驗4.密立根油滴法測電子電荷實驗5.塞曼效應實驗6.用X射線測定材料的晶格參數7.逸出功的測定實驗8.真空的獲得與測量9.蓋革-米勒計數器和輻射計數的統計規律10.拉曼光譜實驗11.鎖相放大器與弱信號測量12.激光原理和激光縱橫模式分析與測量實13.閃爍體探測器和能譜測量實驗明確50項實驗：電磁學（9）：1.RLC諧振電路實驗2.示波器原理及其應用3.無線電能傳輸實驗4.電

8、子荷質比的測定5.直流電橋6.元件的伏安特性7.霍爾效應8.弱電流測量9.電位差計原理和使用3.教育部高等學校物理教指委文件：理工科類大學物理實驗課程教學基本要求（2023版）一、背景介紹一、背景介紹4.當前物理實驗教學中存在問題實驗技術過時（學生戲稱是爺爺輩做的實驗）實驗手段落后（手動測量，人工記錄數據）實驗方式落伍（黑匣子實驗-知其然而不知所以然）實驗內容陳舊（時代性、先進性和實效性不足）伏安特性測量實驗電位差計實驗伏安特性測量（黑匣子）氣墊導軌實驗所以利用現代化的數字技術對傳統的物理實驗教學進行改革勢在必行！對學生創造性、思維能力的培養不夠！培養人才與社會需求相脫節！二、改革思路l以數字

9、化改革為抓手；l強化產教融合、校企合作；l增強實驗教學的時代性、先進性和實效性。改革思路：關鍵問題：l貫徹國家教指委理工科類大學物理實驗課程教學基本要求（2023版）的精神！l用數字化技術改造物理實驗的同時，保留傳統物理實驗的精髓！l盡可能將現代物理的實驗思想和方法以及物理在科技前沿中的應用引進到實驗教學中來！1、在經典力學實驗中融合數字化的“轉動、壓強、聲波、力”等傳感器，利用其高速的數據采樣率和計算機強大的數據處理和分析能力，使物理奧秘瞬間顯現，規律盡在掌握！密度測量實驗擺動系列實驗聲速的測量實驗液體表面張力系數實驗弦振動實驗阻尼與受迫振動實驗三、數字賦能力學傳感器及其應用實驗2、同樣在經

10、典熱學實驗中融匯數字化的“溫度、位移、壓強、磁場”等傳感器，利用其高速的數據采樣率和計算機強大的數據處理和分析能力，以實現理查德費曼所說的：科學真正的榮光在于我們能夠找到一種思想和方法，使定律顯而易見！熱機循環實驗半導體致冷控溫實驗居里溫度實驗理想氣體定律實驗溫度傳感器標定和應用實驗金屬熱膨脹系數實驗三、數字賦能氣體比熱容比實驗3、在傳統的經典電磁學實驗中則融合了數字化的“電壓、電流、微電流、磁場”等傳感器，由于電子儀器與器件的最古老的和最新型的共存現象比較普遍，所以在此采取了“手動與自動”并存模式。使得電磁學實驗既有鮮明的數字化特點，又保留了手動操作與人工記錄這一傳統方式！安培力實驗電學系列

11、實驗電子荷質比的測定能量在電磁場中傳輸特性實驗地磁場水平分量的測量霍爾效應實驗磁滯回線和磁化曲線測定三、數字賦能弗蘭克-赫茲實驗三、產品舉例范例：弗蘭克-赫茲實驗（YMP-6102A/S）手動測量UG2K (V)1.02.03.04.085.0I(10-10A)峰值U1U2U3U4U5U6UG2K(V)I(10-10A)自動測量智析物理，規律昭然科學調控，實驗精研萬象深實驗創新：1.融合實驗新技術，既保留手動測量精髓，又邁向教學數字化新紀元。2.實驗具有綜合性、設計性、開放性特點，滿足分層次實驗教學的需要；3.改變了“黑盒子”實驗的狀況；4.提高實驗室空間利用率，減輕實驗管理工作量。實驗目的：

12、1.深入了解經典的電學現象和原理；2.了解目前主流的電子產品，深入理解其工作原理、特性及應用。實驗特色：1.交直流電源組合了的量程分別為20毫安、2000毫安高精度電流表，量程為2伏、20伏高精度電壓表，0-5伏、0-15伏的兩檔可調直流恒壓源，帶中心抽頭，輸出正負8V的交流電壓源。2.單模塊可容納多種規格的元器件，便于實驗中元件參數改變；3.模塊下半部分采用透明結構，所有元器件均可視；4.模塊化設計，開模制成，箱式儲存，實驗管理更高效。數字化實驗：采用無線電壓、電流、微電流傳感器采集數據；通過藍牙或USB通訊實時采集實驗數據；采樣頻率高達1KHz 準確度：0.5%；采用鋰電池，藍牙連接工作狀

13、態120 小時。范例：電學系列實驗（YGP-6204）實驗內容：1.RLC電路實驗；2.直流電橋原理及應用；3.非線性元件的伏安特性；4.示波器原理及其應用；5.等等.。三、數字賦能4、在經典光學實驗中融合了科研與工業級的數字化“光強、線陣CCD、面陣CCD、轉動”等傳感器，將目前應用于科研和工業中的光電測量技術滲透到大學物理實驗中，以實現國家教指委在基本要求中提出的“分層次實驗教學，提高課程高階性，創新性和挑戰度”的要求光的偏振實驗等厚干涉（牛頓環）實驗分光計調整及原子光譜實驗透鏡焦距測量實驗邁克爾孫干涉實驗晶體電光、聲光、磁光效應實驗三、數字賦能范例：分光計及原子光譜(YMP-6116)實

14、驗器材：a)基礎內容 粗調、細調、精調分光計；測定三棱鏡頂角。b)提升內容 用掠入射法測量玻璃三棱鏡折射率。c)進階內容 用最小偏向角法測量玻璃三棱鏡折射率；利用光柵方程測量光柵常數。d)高階內容 測量氫、汞、氦、氬、氮、氖的原子光譜。實驗內容：開放的構架，自主平行光管和望遠鏡；利用光傳感器和傳動傳感器，可以在實時測量光強-角度曲線；配套有讀數盤與轉動傳感器兩種讀數方式，即實現實驗數字化的同時，保留了傳統手動讀數的方式。配套有6種不同元素光源，豐富實驗教學內容。實驗特點：名稱數量X-Y向調節架1X向調節架1狹縫1光闌1光柵1雙凸透鏡2玻璃三棱鏡1光譜儀附件組1氫光譜管1氦光譜管1汞光譜管1氬光

15、譜管1氮光譜管1氖光譜管1譜線管電源1 傳感器采樣頻率高達1KHz；光傳感器分辨率可達 0.01 Lux at 1000 Hz;0.0005Lux at 5 Hz；轉動傳感器角分辨率可達0.18(0.00314弧度)。傳感器指標：三、數字賦能實驗器材：a)基礎內容 觀察界面反射光的偏振現象；測量線偏振光透過偏振片后的光強，驗證馬呂斯定律；觀測線偏振光通過半波片前后偏振方向的變化；利用1/4波片把線偏振光變換成圓偏振、橢圓偏振光。b)提升內容 判定圓偏振、橢圓偏振的左右旋方向；檢驗橢圓偏振光和部分偏振光。c)進階內容 觀測顯色偏振現象；探究偏振光的干涉。d)高階內容 測定雙折射晶體的光軸取向，探

16、究o光和e光在雙折射晶體中的傳播。實驗內容：光的偏振性質使人們對光的傳播規律有了新的認識，它在成像、光學計量、信息技術、光彈技術、薄膜技術等領域有著重要的應用。器材豐富，滿足分層次實驗教學要求，提高課程高階性，創新性和挑戰度！實驗特點：名稱數量偏振片3/2 波片2/4波片2左旋圓偏光器2可變光闌2雙凸透鏡1加強鋁反射鏡2空間濾波器1白屏1偏振分光棱鏡1寬帶消偏振分光棱鏡1冰洲石晶體1激光器系統1激光功率計1CMOS相機1分析軟件1范例：光的偏振實驗(YMP-6214)三、數字賦能5.將數字化技術與近代物理實驗相融合，以此弘揚“諾貝爾”精神，加強科學素養培養，啟迪學生的創新思維！黑體輻射實驗塞曼

17、效應實驗光電效應實驗金屬逸出功實驗核磁共振實驗密立根油滴實驗微波光學實驗三、數字賦能巨磁阻特性測量范例：理想真空二極管實驗YMP-6109理想真空二極管盒;螺線管線圈;高精度的直流微安表；0-100mA，0-800mA，0-1A的可調恒流源；0-12V，0-160V的可調恒壓源。電壓傳感器、專用數據分析軟件。實驗裝置：1.金屬電子逸出功的測定；2.磁控法測量電子荷質比；3.費米-狄拉克分布的研究；4.真空二極管伏安特性的測量。實驗內容：費米能量分布圖電子數變化率按能量的分布逸出功測量實驗界面三、數字賦能馬云談ChatGPT:過去的200年是知識的時代，科技的時代。機器會取代過去200年來很多的

18、技術和科技。未來的100年是智慧的時代，是體驗的時代，是服務的時代。智慧：傳感器智能捕捉數據，專屬軟件深剖物理奧秘。體驗：正如費曼在費曼物理學講義所言：“我最希望做到的是，讓你們欣賞這奇妙的世界以及物理學家觀察他的方法?！备呔葻o線電壓傳感器，配全新軟件，詮釋諾獎實驗，啟迪創新思維，培育科學探索之魂。服務：融合物理知識，解決實際問題，鍛造學生應對現實之能力，更好地服務社會。l 真空二極管的發明標志著人類進入電子時代！l 熱電子發射定律的發現對無線電電子學的發展有深遠影響！體驗科學 服務社會 智慧實驗三、數字賦能6、數字化與現代物理技術相結合增強實踐教學的時代性、先進性和實效性！LED綜合特性測

19、試激光雷達實驗光纖視頻傳輸網絡實驗激光原理實驗拉曼光譜實驗振鏡式激光掃描實驗光譜分析實驗掃描隧道顯微鏡三、數字賦能范例：數字化+光譜分析技術 水果糖度計測量水果（農產品）的吸光度，建立對應數學模型和數據庫。透過率測量 吸光度測量 反射率測量其中：S=樣品的光譜D=暗背景光譜R=參比光譜 水污染、氣體污染監測儀中華人民共和國國家標準 GB/T 38821-2020 和田玉鑒定與分類Hetian Yu-Testing and classification 珠寶鑒定方面的應用測量原理：光譜測量拓展與應用拓展與應用三、數字賦能范例：數字化+微觀探索技術 掃描隧道顯微鏡 原子力顯微鏡納米粗糙度用其他儀器

20、是很難測的，STM和AFM就能勝任！三、數字賦能高速穩定的掃描振鏡生動有趣的實驗結果內內置了一款16線的激光雷達振鏡式激光掃描實驗范例：數字化+激光應用技術激光雷達實驗3D 點云數據三、數字賦能數字技術賦能物理實驗，人工智能提升實驗教學，以達到：改革實驗教學手段，提高學生的科學精神、實踐能力與創新意識，促進物理實驗教學體系革新。為達此目的，必須通過產教融合，攜手并進，才能共筑人才培育新篇章。三、數字賦能各種光譜儀各種光源光機附件各種電源產教融合的方式發揮學校專業優勢和企業的技術優勢，研制優質教學裝備0301將產業應用的工藝、技術融入教學實踐，開發實踐能力項目02為學生提供高水平的創新平臺，聯合開展學生創新能力培養四、產教融合五、實踐探索實踐案例還有很多.五、實踐探索試用申請二維碼我們真誠地希望能與全國高校的教師們在數字化物理實驗教學改革中進行合作！如果與會的老師對我們這些數字化物理實驗改革的初步成果感興趣的話，我們愿意免費提供各種傳感器，附件，以及專用、通用軟件，SDK開發包等。并在傳感器使用、應用軟件、SDK開發包以及結構設計與制作等方面提供技術支持。懇請各位老師的批評指正！