利用計算機虛擬技術創建中學物理虛擬實驗室平臺

王淑娟

（西安文理學院數學與計算機工程學院,西安,710065）

0 引言

隨著新課改實施及素質教育的進一步深化，不少專家學者和廣大物理教師充分認識到實驗教學是中學物理教學的一個重要環節，對于提高教學質量、提升學生的學習興趣具有重要意義。但在物理實驗教學實踐過程中，存在以下問題：一是思想重視程度不夠。學校和教師受傳統教育的影響，存在重理論輕實驗的思想，實驗課往往被認為是理論課的附屬品。這對培養學生的動手能力、實踐能力及創新能力非常不利。二是實驗教學模式僵化。實驗時學生根據現有的實驗指導書，在規定的有限時間內按給定的儀器設備和實驗步驟完成實驗全過程，從教學內容到教學方式沒有給學生留出足夠的空間。這種教學模式不利于培養學生發現問題和解決問題的能力、不利于引導學生突破思維定式、不利于創新思維和方法的形成、不利于學生智能的發展。三是教學資源分配不平衡。東西部、城鄉之間教學資源分配不平衡，很多偏遠落后地區實驗教學師資力量不足、實驗設施嚴重匱乏，影響了教育教學水平的整體提高。

1 中學物理實驗教學改革實踐

1.1 虛擬實驗技術

虛擬實驗技術是運用信息技術搭建虛擬實驗室。利用計算機軟件開發工具對實驗儀器進行仿真，實現儀器的物理功能，并構建可視化、交互型的人機對話界面。教師和學生通過計算機及網絡來模擬操作實驗,實驗內容不受實體實驗室儀器設備和實驗材料的限制, 虛擬實驗室管理人員可以很方便地管理、使用實驗儀器，也可以根據實際需要調整實驗內容。

虛擬實驗開發技術比較多，以VRML/X3D和Cult3D最為流行，也具有良好的真實性和交互性等特點。但是它們的開發復雜、難度大、不易實現。考慮到中學物理實驗的要求，我們將重點放在對一些基本的物理現象的仿真。為此我們以Microsoft VisualStudio(VS)為編程平臺，選用OpenScenceGraph(OSG)接口與3DMAX商用軟件共同建立中學物理實驗仿真平臺。

1.2 虛擬實驗室平臺在教學中的應用

1.2.1 虛擬實驗室平臺的定位

中學物理虛擬實驗室平臺是對傳統的中學物理實驗教學的補充、完善和擴展，目的是解決目前實體實驗室存在的問題，但它不能從根本上替代實體實驗室達到培養和提高學生實踐能力的功能，只能盡可能給學生提供更多學習設備使用、模擬實驗的機會。它只是作為計算機輔助教學的一種手段出現在中學物理教學中。但不能否認虛擬實驗的價值和對培養創新型人才的作用和影響。虛擬實驗與實體實驗互有優勢、互為促進、相輔相成，兩者共同作用，增強學生的實踐能力。

1.2.2 利用虛擬實驗室平臺充分提高實驗與理論教學質量

一是利用虛擬實驗室平臺學生可以不受時間和空間的限制，能夠自由地依據個人的時間、學習進度和掌握程度進行自主安排實驗，增強了學生自主學習能力，加大了實驗的靈活性。二是學生可以放心、大膽的做各種嘗試。同時，在現實生活中有些實驗不可能做出原型實驗。

1.2.3 利用虛擬實驗室平臺共享優質教學資源

根據學校實際情況，我們可以選擇虛擬實驗室平臺在單機上使用或者互聯網上使用，只要客戶安裝了播放插件，都可以進行虛擬實驗。相比較而言，后一種方法更有利于虛擬實驗室的推廣，實現網上遠程教育，學生在家里也可以根據自己的時間、學習進度多次完成實驗，這樣有力緩解了農村地區實驗教學設施嚴重匱乏的問題，縮小了城鄉之間教學資源差距，促進教育教學公平。

2 虛擬實驗實例

以胡克定律實驗為例，胡克定律實驗討論的是彈力與彈簧伸長的定量關系，所用到的器材有：固定的支架與緊固器件、提供拉力的砝碼、觀測的對象彈簧和可以度量長度的刻度尺。在組裝實驗裝置時，考慮到支架，緊固器件還有刻度尺的坐標都是不變的，在模型設計時就將這三個部分一起建好。對于砝碼，在實驗室中要用到多個，但是每個砝碼的性質都是一樣的，因此只單獨建一個砝碼的模型。彈簧形狀比較規則，建模也比較簡單，可以在3DMAX中設計，也可以在OpenScenceGraph(OSG)設計部分中設計，這里我們利用OSG的接口建立簡單的彈簧模型。

圖1顯示的是在3DMAX中設置實驗裝置中用到器材模型。對于支架、緊固器件和刻度尺位置固定的模型，我們在3DMAX中將它們一起設計，如圖1(a)所示。對于刻度尺模型，除了幾何形狀上的設計，還需要有刻度值，利用軟件中的渲染工具，可以很方便的給刻度尺模型添加刻度值，如圖1(b)所示。對于砝碼模型，由于它的位置會變化，我們單獨建立一個砝碼模型，如圖1(c)所示。

圖1 固定模型的設計

3DMAX模型設計好之后，利用OSG插件可以將其轉成OSG格式的模型文件，利用OSG提供的函數osgDB::readNodeFile(const std::string & filenam)就可以將模型文件讀入物理實驗仿真平臺上。如圖2(a)為設置固定支架的力學屬性，其中一個屬性為“固定”，將這一性質選上，則表示模型的位置形狀都不會發生改變，對砝碼模型，由于是運動的，“固定”這一屬性將不選擇。對于彈簧，結構比較簡單，我們在OSG接口中設置它的屬性并與固定器件相連接，如圖2(b)所示。設置好模型參數后，就可以在界面中操作實驗過程，圖2(c)和圖2(d)顯示了增加一個砝碼與依次增加多個砝碼時的情況，學生在操作過程中，可以依次記錄砝碼的個數與刻度尺上對應的數值，并寫入實驗報告中。此實例將實驗的重點放在描述實驗的物理過程，運用三維視圖呈現給操作者，而不是代替操作者完成實驗的過程。

3 結束語

在這個數字化的時代，中學物理實驗仿真教學對培養學生學習興趣有著重要的作用，為了讓學生更好的理解實驗教程，激發學習興趣，實驗仿真盡量做到與實際情況相似。虛擬環境下的中學物理實驗教學模式不僅可以節約在實驗教學方面的投入, 更重要的是可以完善現有的教學體系,優化資源配置，提高學校教學質量,促進教育教學公平，促進學生信息化環境下自主學習和創新能力的培養。

圖2 模型在仿真界面上的操作

[1]蔡志凌.中學物理實驗教學現狀分析與策略研究[J].天津師范大學學報，2008 (2) 39-42.

[2]孫鴻坤.中學物理實驗教學中培養學生創新思維能力的研究[J].物理實驗，2012 (11) 33-35.

[3]教育部《教育信息化十年發展規劃（2011-2020）》[Z].2011.