总的知识点数量：12 （个）

用于科学分析的仪器，从根本上说，就是借助特定的机械系统，基于激励源和待测对象的相互作用，得到“物理信号”，一般再通过传感器得到电学信号，然后经由信号电路、电脑接口和分析控制软件得到所需的结果。国内学生的仪器原创能力较弱，与我们的实验教学对物理信号的产生、获取和处理过程的强调不足有很大的关系。

以光学仪器为例，厂家在开发光学仪器的过程中，一般都会使用光学工程软件，如Zemax等，对系统进行仿真，不仅可以提高设计的效率，还能加快调试的进程。但我们的学生，尽管在多个实验中使用光栅光谱仪，但对光栅光谱仪的内部结构和元器件的调节的掌握有很大的不足。例如，1）学生一般只知道光谱仪的分辨率和所用的光栅常数有关，不知道光谱仪中的元器件的同轴要求不满足，就会大大降低光谱仪的性能；2）在二维平面上调节光路时，学生不善于结合观察到的实验现象，判断哪些元件需要做怎样的调节和优化等等。

高端科学仪器中，有很大一部分是以带电粒子为源，如小焦斑X光管、扫描或透射电子显微镜、俄歇电子能谱，或者以带电粒子为分析对象，如X射线光电子能谱、质谱仪，这些仪器的设计制作都涉及电子光学技术。电子光学是借鉴几何光学的方法，研究带电粒子在空间电场或磁场中的运动规律，并对所要研究的带电粒子进行聚焦、偏转等。很可惜，国内开展电子光学相关实验教学的物理实验教学单位仅有我们一家。

本项目建设的电子光学教学实验项目：1）四极杆质谱仪的分辨率研究；2）扫描电子显微镜聚焦系统的解剖和设计分析。

1）四极杆质谱仪的分辨率研究的实验原理：

质谱实验在现代生产、生活和研究中的应用非常广泛，而其中最常用的质量分离元件是四极杆滤质器。尽管我们在《近代物理实验》课的教学中已经开设了四极杆质谱实验，然而四极杆滤质器的工作原理仍是学生实验理解上的难点；而且，在实验上，质谱仪的分辨和哪些参数有关也很难设计合适的实验内容来进行探究。

四极杆质谱仪的分辨率和四极杆的几何参数（包括长度、直径）和四极杆上所加电场的直流与交流成分的比值有关。本仿真实验要求学生在Simion软件中自己构建四极杆滤质器的模型，并设定输入粒子流的参数，研究不同参数下得到的质谱。

对应的知识点：

(1)电场偏微分方程的边界条件；

(2)马修方程的求解；

(3)带电粒子的荷质比；

(4)离子囚禁；

2）扫描电子显微镜聚焦系统的解剖和设计分析的实验原理：

电子显微镜的聚焦系统将电子束聚为微米级、甚至纳米级的束斑，是电子显微镜具有优于光学显微镜的分辨率的前提。但在现行的实验教学中，一般最多开设电子显微镜的应用实验，而没有显微镜性能探究甚至改进的实验项目。

本仿真实验仪扫描电子显微镜为例。扫描电子透镜的灯丝在高温下发射热电子，电子在透镜电极构成的静电场中被聚焦。学生要拆解一台闲置扫描电子显微镜的电子透镜系统，确定透镜电极的参数和空间位置，在Simon软件中建立电子透镜的模型，设定透镜电极上的电压，研究不同电压下，电子束的聚焦行为。

对应的知识点：

(5)热电子发射；

(6)浸润式静电透镜；

(7)磁透镜；

(8)电子透镜的焦距；

高端仪器的调试过程，需要研发人员有非常系统、缜密的思维，对仪器的原理和信号处理过程有非常深入、细致的理解，并能从已得到的实验现象中，或者设计专门的判断实验得到有用的信息，借助逻辑推理找到仪器故障所在，并能有效地排除仪器故障，进而逐步优化仪器参数提升仪器性能。本项目建设的查错训练虚拟仿真实验项目——惠斯通电桥查错；用以训练学生在实验过程中的系统思维。该实验的实验原理是：

虚拟仿真实验已经预先设计好了电路中不工作的元器件，包括导线，电键、电阻箱、检流计、电源等（根据学生自己选择的实验难度，电路中的不工作元件数量不同）；学生要根据“开始实验”后，电路中出现的现象，借助虚拟的万用表，来分析确定哪些元器件不工作。学生以怎样的方式查找不工作的元件，是否能找到所有的不工作元件，都将是学生实验得分的评判依据。

对应的知识点：

(9)电路接线方法；

(10)电桥平衡判据；

(11)灵敏电路元件的保护；

所用短路元件性能对电桥灵敏度的影响；

为了提升学生对光谱仪原理的掌握、提高光路调节能力、激发学生基于光栅光谱仪设计功能更复杂的光学仪器的创新意识，我们在前期的实验教学中，自主建设了虚实结合的积木式光栅光谱仪实验，实验要求学生：

（1）、首先确定自己的拟搭建的光栅光谱仪的性能指标：包括分辨率和背景噪声的水平等；

（2）、然后，在Zemax等光学工程设计软中建立光栅光谱仪的模型，然后调节模型中各元件的参数设置，设定输入条件，得到模拟的光谱图，然后根据自己的需要，对模型中个元件的参数（包括会聚透镜的面积、光栅的光栅常数，以及它们的空间参数等）设置进行调整以得到趋近于自己的设计目标的光谱结果；

（3）、根据自己设计的模型，在实验室选择相应的光学元件，在光学平台上搭建自己的光谱仪，比较自己的光谱仪的输出结果和软件模拟的结果；

（4）、利用设计软件对光谱仪的参数设置进行尝试性调节，以寻找实际光谱仪输出结果与模拟结果之间的差异的产生原因，进而比较高效地完成光谱仪的调节和性能优化；在此基础上总结光学元件的调节实战经验。

“积木式光栅光谱仪”在2016年举行的全国自制物理教学实验仪器评比中，获得二等奖。三年多的教学实践也取得了良好的效果：做过该实验的学生（每年近100位学生）不仅对光谱仪有了更深入的了解，而且，光路调节能力也有了明显的提升。

电子光学仿真设计实验，结合实物参数测量和实验，完成建模和模拟（因需要专门的仿真软件Simion，具体实验过程不再叙述）。仿真设计实验加深了学生对实验原理的了解，也掌握系统设计的过程。

实验设备/装置的查错(Trouble Shooting)是独立实验能力的基础，而我们的实验课程因为课时限制，学生在实验过程中，遇到仪器工作不正常就向老师求助（很多时候，这些“不正常工作的仪器”并非故障所致，而是学生操作不当的结果）。学生往往没有很扎实的查错训练，从而影响独立实验能力的提升。

我们曾开展惠斯通电桥实验的查错训练，取得很不错的效果，也受到学生欢迎。但实际查错训练的限制比较多，譬如：需要“破坏”一些仪器和元件，需要有老师现场给予指导和帮助等，覆盖面小，效率低。

为此，我们开发查错训练的虚拟仿真实验。用以训练学生在实验过程中的独立查错能力，进而提高实验水平。同时，可以丰富实验内容，提高效率，扩大训练覆盖面。基于虚拟仿真查错训练具有如下优点：

1、一个实验项目可以同时允许很多同学做实验，而且，训练不再受时间和空间限制，学生在任何时间都可以做实验；大大提高训练效率；

2、虚拟仿真查错训练可以预先设定好故障，随机地“生成”到各个元器件上，不再需要“破坏”实际实验设备，而且，每一个学生拿到的训练案例可以各不相同，可以提高训练效果；

3、虚拟仿真查错训练项目提供实验过程互动界面，学生可以将思路、操作方法输入到自己的电脑终端，进而上传到数据库，后台软件可以根据学生的具体情况，提供针对性的启发式指导，实现“个性化”教学，而且，教学实践的过程也积累大量的学生“操作实例”，可以进一步分析学生实验思维上的不足，为进一步的实验教学改革提供参考。

这样的查错训练虚拟仿真实验，是虚拟仿真实践教学的新思路，可以充分发挥虚拟仿真技术的优势，从不同的角度助力实验教学改革。这一虚拟实验教学新模式，在充分实践的基础上，非常值得在不同高校和不同学科的实验训练中推广。

电子光学仿真实验项目采用虚实结合的教学模式，我们提供仿真设计的科研仪器核心部件（电子显微镜的聚焦系统）和教学中已经在使用的四极杆质谱实验仪，而仿真需要专门的电子光学设计软件Simion，具体操作过程这里不作详细介绍。

作为示例，惠斯通电桥电路查错项目的设计方案如下：

1、在界面注册后，学生可以自己选择实验项目的难易程度：“简单”对应2个故障；“中等”对应4个故障；这两个级别的故障只包含导线、开关等的故障；“复杂”对应5-6个故障，而且可能包含电阻箱、检流计、电源等的故障；

2、实验项目提供元器件（这些元器件中包含学生自己根据难易程度选择所对应的故障，而故障出现在哪个元件上，则是完全随机的）让学生选择，连接电路，并开始实验；根据故障分布，实验会出现相应的实验现象；学生可以使用万用表来辅助查错；

3、学生需要在每一步的操作前，从项目提供的备选查错方案中做出选择，确定自己设计的方案，并将检测结果输入电脑；后台会根据实验的方案和结果对学生做出评分；这个环节，学生也可以申请提示；项目对每一个环节设计针对的引导性问题，帮助学生理请思路，选择更高效的实验方案；

做完虚拟仿真查错实验，学生可以申请实际操作实验的查错。

学生交互性操作步骤说明：

1.学生选择实验难易程度；

2.基于系统提供的实验元件，按照原理连接电路；

3.选择需要的工具；

4.设计方案：选择实验步骤；

5.提交需要设定的参数；

6.合上开关，观察并记录实验现象（输入到系统）；

7.根据自己的思路，对“可疑”元件进行检测（两种不同的方案）；

8.输入得到的结果；（7,8两个步骤需要多次重复进行，以找到所有的故障）；

9.分析、总结整个查错过程，输入到系统；

10.提交实验报告；

11.改变难度，再次实验，或者申请实际操作实验。

电子光学仿真设计的考核要求：

1、完成电子聚焦透镜系统、四极杆滤质系统的建模，得到模拟的结果；

2、虚拟仿真实验的评分考核学生完成实验的完整性，对实验结果的分析讨论的深度。

查错虚拟仿真实验的考核要求是：

实验要求学生将步骤、结果都记录在系统里，系统会自动生成查错过程记录，在学生补充分析和总结之后，即可生成“实验报告”。

评分将结合学生的步骤、结果记录，及查错思路的合理性，是否能在系统的提示下优化实验方案等来综合评分。