摘 要：基于原子力显微镜（AFM）教学知识点和半实物虚拟仿真理念，研究开发了虚实一体的原子力显微镜实验系统，由AFM原理演示及模拟扫描软件系统、AFM模拟演示探头系统和AFM实验仪器装置等部分组成。开展了AFM实验背景的介绍、相关原理的仿真演示、AFM操作的模拟训练、AFM模拟扫描成像实验数据的测量及相关的实验研究。实现了对学生进行创新思维、操作技能、知识整合等各种层次的训练，并建立了“回顾历史、触摸现在、遇见未来”的四维空间物理实验教学模式，具有低成本、多功能和高效率等特点。该虚实一体的AFM实验系统符合教育部“关于开展新工科研究与实践的通知”对人才培养的要求，以及教育部关于实验室建设“能实不虚，虚实结合”的理念，已在我校得到很好的推广与应用。
关键词：原子力显微镜；模拟演示探头系统；模拟扫描；半实物虚拟仿真
原子力显微镜（AFM）是利用AFM微探针扫描和观察待测样品表面微观形貌的实验测试仪器。由于AFM既具有很高的扫描成像分辨率，又不受微纳米样品的导电性和物质态的限制，因此可广泛应用于物理学、化学、微电子学、光电科学、生物医学、材料科学和微纳米加工等领域，极大地推动了纳米科学的发展[1-2]。同时，AFM是集物理学、光学、电子学与计算机于一体的科学仪器，其中物理原理丰富、技术系统新颖、实验方法巧妙，现已成为大学物理实验中不可或缺的内容之一。在AFM系统中，微探针是其核心部件，由针尖和对原子力十分敏感的微悬臂两部分组成。当AFM微探针的针尖靠近样品表面时，探针尖端原子与样品表面原子之间将产生相互作用的原子力，并推动微悬臂使之发生形变弯曲；当微探针与样品在横向相对扫描时，通过检测微悬臂的形变量并将其转换成可被采集的电信号，即可获得样品表面的原子排布及纳米结构等信息[3]。然而，物理实验是大学生进校后的第一门实验课程，面向的是大一大二的学生，他们的实验技能还没有经过太多的训练。在AFM实验操作过程中，由于学生操作不当而造成AFM探针乃至仪器损坏的现象时有发生，使AFM实验成为高成本、高消耗的实验。同时，在目前的高校物理实验教学中，对于学生物理思维、实验方法等的训练未得到充分重视，学生的实验能力还存在较大的提高空间，现行的实验训练在课程设计、实验仪器系统及教学实践的某些环节存在着亟需改进和优化之处[4]。
为此，本文结合“教育部办公厅关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知”的精神[5]，以及物理学史在工科大学物理实验中的教育功能[6-13]，探索新的实验教学模式，针对学生创新思维培养不够、实验消耗大、实验成本高等情况，提供一种可靠、安全、经济和高效的虚实一体的原子力显微镜实验项目。该实验项目是基于半实物半虚拟仿真理念建立的，由AFM原理演示及模拟扫描软件系统、AFM模拟演示探头系统和AFM实验仪器装置等部分组成。利用AFM原理演示及模拟扫描软件系统，实现AFM原理的模拟演示和AFM在多参数条件下的模拟扫描；利用AFM模拟演示探头系统，实现AFM技术方法的模拟演示和AFM操作的模拟训练；利用AFM实验仪器装置，实现实际的微纳米样品的扫描成像实验及相关数据的测量与研究。基于虚实一体的原子力显微镜实验系统及其实验过程，低成本、多功能、高效率地对学生进行创新思维、操作技能、知识整合等各种层次的训练。