实验要求
（1）了解尘埃等离子体实验的基本原理。
（2）完成实验操作步骤，掌握产生尘埃等离子体的基本过程。
（3）了解尘埃等离子体调制过程的基本原理。
（4）掌握尘埃等离子体系统的表征手段，并学会利用仿真数据实现对相关物理量的计算和初步分析。
教学成果
实验背景
（1）尘埃等离子体虚拟仿真实验是培养学生物理实验思维和创新能力的重要载体。
物理实验是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学，它必须以客观事实为基础，依靠大量的实验观测，并总结规律。归根结底物理学是一门实验科学，无论物理概念的建立，还是物理规律的发现，都必须以严格的科学实验为基础，并通过今后大量的科学实验来进一步证实。然而，对于像尘埃等离子体等诸多物理实验，由于实验过程本身非常复杂，实验过程往往伴随着一定的危险性，完成整个实验流程需要经过长时间的培训，而且执行过程需要多人共同协作。物理仿真实验是通过计算机把实验设备、教学内容、教师指导和学生操作几部分有机地融合为一体，通过对实验环境的模拟，加强学生对实验的物理思想和方法、仪器的结构及原理的理解，并加强对仪器功能和使用方法的训练，培养设计思考能力和比较判断能力，可以达到实际实验难以实现的效果，实现了培养动手能力，学习实验技能，深化物理知识的目的。此外，物理仿真具有一定的灵活度，使得学生通过物理仿真过程，建立物理直觉，具有开拓创新的特点。
（2）尘埃等离子体系统具有动力学慢化、单颗粒追踪、强耦合等实验特性，依托虚拟仿真手段开展实验对理解固体液体物质的微观动力学机制具有重要且不可替代的作用。
对固体液体的基础物性、凝聚态系统中基础物理过程及其微观机制，一直是物理学研究的前沿问题。然而自然界中绝大多数组成固体和液体的原子/分子，其微观动力学过程的空间尺度极小、时间尺度极短，实验中无法诊断其详尽的微观运动细节。尘埃等离子体系统由于具有动力学慢化、单颗粒追踪、强耦合等一系列特性，再加之其丰富有效的实验调制手段，可借助尘埃等离子体系统，从单颗粒动理学层面，深入细致地研究固体液体中不同基础物理过程的微观动力学过程。然而，传统教学方法一般只能通过图片、视频等方式向学生单向灌输，学生被动接受而毫无参与感和体验感，难以深刻理解并掌握相关知识要点。
尘埃等离子体虚拟仿真实验课程，构建了高度仿真的实验场景。学生直接参与整个虚拟尘埃等离子体实验过程，能观察到组成固体和液体的的微观颗粒详尽的动力学过程。结合系统宏观物理量的实时展示，让学生有效建立起微观动力学过程和宏观物理量之间的联系，能够深入理解固体液体的基础物理性质和微观机制。本课程将最新科研成果和虚拟仿真技术相结合，将抽象的物理概念可视化，从而可以实现课程的易学和好教，有助于培养学生的物理直觉的准确度，能够对抽象的物理过程建立起准确的物理图像。
（3）开展尘埃等离子体虚拟仿真实验有助于提升物理学专业本科生的培养手段。
过去对于物理学专业本科生的培养，多以理论教学为主。对于物理学中的基本概念，如固体、液体、气体等物态的区别，很难让学生有直观清晰的认知。开展尘埃等离子体虚拟仿真实验，可以让学生直观地观察固体、液体、气体在原子层面微观动力学过程的不同，这有助于提升物理学专业本科生的培养手段。
设计原则
对液体和固体的性质及其微观物理规律的研究是物理学学科的前沿问题，而自然界中绝大多数固体和液体物质，由于其微观动力学过程的空间尺度足够小以及时间尺度足够短，很难在实验上精确捕捉诸多物理过程的微观运动细节。然而，作为近二十多年发展起来的实验模型系统，尘埃等离子体具备多项优势，包括动力学慢化、单颗粒追踪、强耦合特性、以及丰富有效的实验调制手段等，使得可以借助尘埃等离子体系统深入细致的研究固体液体中的微观动力学过程。
由于传统教学方法只能通过图片、视频等方式向学生展示，学生毫无参与感和体验感，难以深刻理解并掌握相关知识要点。
针对上述问题，本团队将自主开发了尘埃等离子体虚拟仿真实验课程，构建了高度仿真的实验场景，学生可以参与整个虚拟尘埃等离子体实验过程，观察到固体和液体的基本微观组成的微观动力学过程，结合系统宏观物理量的实时展示，使得学生建立起微观动力学过程和宏观物理量之间的联系，达到深入理解固体和液体的物理机制。此外，本课程将最新科研成果和虚拟仿真技术相结合，将抽象的物理概念可视化，从而可以实现课程的易学和好教，有助于激发学生的物理直觉，并建立起物理图像。
在虚拟实验仿真设计方面，本课程的核心要素主要由两部分组成，一是对尘埃等离子体的实验流程进行仿真，二是对实验中不同参数条件下尘埃颗粒的运动过程进行仿真。
实验流程方面，本仿真实验采用3D仿真、数学建模和组件开发等技术，力求最大程度地还原尘埃等离子体实验的完整过程。仿真实验的所有虚拟器件依据真实实验器材1:1建模，其功能也与真实器件一致，完整复刻线下实验的操作环境。仿真实验中的激光调制系统与线下实验操作一致，可对腔内的尘埃颗粒进行照明以及剪切调制，通过相机实时监控，可观察到尘埃颗粒的运动轨迹。
除了仿真实验中展示的尘埃颗粒运动录像外，本课程还在开源网站上配套提供尘埃颗粒系统运动规律的仿真程序。链接为https://isti115.github.io/dusty-plasma-molecular-dynamics/
实验目标
（1）通过对射频放电尘埃等离子体实验过程的完整模拟，辅以大量交互练习及操作，让学生能够基本掌握常见等离子体射频装置的使用方法和调节手段，以及常见激光器等光学器件的操作，了解尘埃等离子体系统的基本物理过程与尘埃颗粒调制实验的基本原理。
（2）通过尘埃等离子体动力学仿真程序，让学生能够直观地观测尘埃颗粒的运动现象，并能够深入理解固体、液体中原子的微观动力学行为特征与差异。在利用仿真程序得到的颗粒运动数据而计算系统的动理温度、径向分布函数学以及声子谱的过程中，让学生初步掌握尘埃等离子体实验数据分析基本方法，强化学生对《电磁学》、《热力学与统计物理》、《固体物理》、《流体力学》等理论课程中相关知识点的深入理解。
（3）通过3D建模的尘埃等离子体仿真实验以及尘埃颗粒运动规律仿真程序，强化学生的直观感知，调动学生学习的积极性，激发学生进行自主式、探究式学习，培养学生的创新能力与实践能力，学会将课堂所学的理论知识运用到实际问题解决之中。
综上，本课程注重对学生创新能力、实践能力和自主学习能力的综合培养，旨在全面推进以学生为中心的研究性和创新性实验教学，调动学生自主探索未知的积极性，激发学生的学习兴趣，增强学生的实践创新能力。
成绩评定
本项目重视实验的过程化考核，注重培养学生独立分析问题和解决问题的能力，提高学生的实践能力和创新能力。成绩评定借助先进的信息技术，在实验过程各节点设置打卡评分环节，加强对实验过程的管理，让学生按照步骤进式操作完成全部实验内容。学生开展实验的过程，就是完成尘埃等离子体实验仿真的具体过程，学生完成任务的效率和质量是实验成绩评定的主要依据。