大學物理虛擬實驗一體化設計與實例

王學嚴， 張 茹， 張 虎， 陳 曦

(北京郵電大學 民族教育學院， 北京 102209)

大學物理虛擬實驗一體化設計與實例

王學嚴， 張 茹， 張 虎， 陳 曦

(北京郵電大學 民族教育學院， 北京 102209)

提出了以“預備知識—虛擬操作—面向應用”為主要特點的一體化虛擬實驗設計思想和實例，既融合了當前物理虛擬實驗的優點，更創新性提出了一步到位的一體化思想和理論與應用相結合的學以致用理念，為大學物理虛擬實驗技術的設計和開發提供新的思路。

物理實驗； 虛擬技術； 一體化設計

1 大學物理實驗的特點及虛擬實驗的必要性

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，物理實驗教學的目標不僅是驗證已學過的物理知識和鍛煉學生動手操作能力，更重要的是培養學生觀察物理現象和分析問題的能力，以及創新思維和創新能力[1]。傳統的物理實驗教學主要采用“實驗預習—實驗操作—實驗報告”教學模式[2]，由于資源有限，不能保證每位學生都能完成全部實驗操作。除此之外，還存在一些不可視、不可摸、不可入和危險性大的實驗問題；存在著實驗儀器不足、設備陳舊老化問題；存在實驗內容多與實驗學時少的矛盾等[3]。大學物理實驗課程是高等理工科院校大學生基本實驗訓練的必修課程，改革大學物理實驗教學，提高實驗教學質量是教育工作者刻不容緩的任務。

虛擬實驗教學是一種嶄新的教學模式，它為實驗教學改革提供了新思路，并得到越來越多的關注和重視，已成為我國教育信息化建設和實驗教學發展的重要方向。物理虛擬實驗是虛擬技術在物理實驗中的實際應用[4]，學生通過操作計算機完成物理實驗，從實驗中獲得相關知識和能力。虛擬實驗可以輔助或部分代替傳統的實驗教學，解決傳統實驗教學模式中難以解決的一些問題，提高實驗實效。

2 虛擬實驗對實驗教學的改革和促進作用

2.1 虛擬實驗相對于傳統實驗的優勢

由于技術先進，虛擬實驗常常比真實環境中的實驗更有優勢，不但可以完成真實實驗的各種體驗，而且可以達到真實實驗所不能達到的效果。

(1) 解決實驗儀器和場地短缺和升級困難的問題[5]。購置實驗儀器需要大量的資金，常常導致儀器設備不足，升級換代滯后；而虛擬實驗只需少量資金就可以開發出實驗軟件，且維護方便。由于一般高校計算機機房比較充足，學生可廣泛參與虛擬實驗。

(2) 安全性[6]和經濟性。某些物理實驗具有危險性(比如核反應)和高費用(如太空旅行)，傳統實驗不宜或不能實現，而虛擬技術則可以輕松實現該類型實驗。

(3) 虛擬實驗讓學生“身臨其境”。在虛擬環境下，學生可以在高度模擬的實驗室中完成操作體驗，甚至在有些情況下能得到更好的實驗效果，例如可借助虛擬手段使看不見摸不著的電磁場可視化。

(4) 增強感官效應，提高學習效率。虛擬實驗為學習者提供了聽覺、視覺等多重感官刺激，學習和記憶效果突出。有心理學家發現，對同樣的學習材料，單用聽覺，3小時后的記憶率為70%，3天后降為10%；單用視覺，3小時后的記憶率為72%，3天后降為20%；如果視覺和聽覺并用，3小時后記憶率能保持85%，3天后可保持65%[7]。

(5) 學生可以更加自由地進行實驗操作。由于虛擬實驗的可重復性和無破壞性，學生在實驗操作時不必緊張于繁瑣的注意事項、操作規程，可充分發揮自己的想象力和創造力，輕松愉快地完成實驗。

(6) 虛擬實驗可實現傳統實驗不易實現的實驗。物理實驗涉及的空間大到宇宙、天體，小到分子、原子，有些實驗在普通實驗室的環境下很難或者根本不可能實現，例如物理學中的理想化模型、可見性差的布朗運動，都可借助虛擬實驗彌補教學中的不足。

2.2 虛擬實驗對傳統教學模式的革新

虛擬實驗帶來的不僅僅是全新的操作體驗，同時有助于促進實驗教學模式的變革。

(1) 易于實現教學內容的集成化和一體化。利用虛擬技術將實驗設備、教學內容、教師指導和學習者的構思、操作等各部分內容有機融合為一體，形成一部活的、可操作性強的“立體物理實驗教科書”，有效地擴展信息量。

(2) 虛擬實驗改變教學觀念和學習方式。公共基礎課實驗教學不僅要求學生掌握基本知識、基本技能和基本方法，還要充分發揮學生的學習自主性，培養學生的創新能力[8]。在虛擬實驗環境下，學生成為探索學習的主體[9]，有利于提高自主學習能力、設計能力和創新能力[10-11]。

(3) 開放和共享的實驗模式。虛擬實驗常常基于Web平臺，它不受時空限制，使實驗可以隨時隨地甚至是跨區域進行。在網絡環境下，非常利于學生之間的交流合作并共享實驗成果。

3 以“預備知識—虛擬操作—面向應用”為一體的虛擬實驗設計

3.1 設計原則

在設計虛擬物理實驗時應遵循以下一些原則。

(1) 培養人的原則。以“一體化”的思維，將學習能力、操作能力、應用能力和創新能力融入實驗中，培養會學習的人、具有長遠發展潛質的人。

(2) 良好的交互性。為達到甚至超過真實實驗的效果，虛擬實驗必須具有良好的交互性，計算機應及時給出操作反饋，讓學生看到每一步操作結果。

(3) 簡單易用。虛擬實驗系統應具有友好的交互界面，學生不會把過多時間花費在理解使用方法上。

(4) 科學性。要以科學性為第一宗旨，虛擬實驗原理要正確，表現的內容要符合科學實質。

(5) 響應速度快、安全穩定、易于管理維護。要精心選擇開發工具，實驗操作能快速響應，給出即時數據；系統運行安全穩定；模塊化設計，方便升級改進。

3.2 設計方案

筆者充分借鑒和融合當前已有虛擬實驗的優點，以培養高素質人才為導向，以“一步到位”的設計思路，形成以“預備知識—虛擬操作—面向應用”為特征的一體化虛擬實驗設計方案。各功能模塊構成如下。

(1) 預備知識。內容包括實驗原理、實驗目的、實驗要求等相關知識，以多媒體形式生動展示，并提升信息的密集度和有效性。

(2) 實驗演示。本系統按照先觀摩、再實踐的行為規律設計虛擬實驗。演示實驗模塊起著展示實驗原理、激發學生實驗興趣的作用。為避免重復，演示實驗與操作實驗選擇不同的實驗，演示實驗相對比較簡單，側重于展示實驗規律，而操作實驗的交互性更強、內容更豐富。

(3) 實驗操作。實驗操作是虛擬實驗的核心部分，操作內容包括實驗儀器的操作與反饋、數據的測量與記錄等。以最大真實度模擬真實實驗，讓學生身臨其境地沉浸[12]在實驗之中。學生可以構造不同的實驗環境、設計不同的實驗參數、使用不同的實驗方法，借此提高探索精神和創新能力。

(4) 實驗應用。該模塊是虛擬實驗系統的升華部分，它源于大學和社會之間的供需一致性要求。著名教師梁恕儉認為：教學的實質就是在“學習”與“應用”之間搭橋梁。盡管虛擬實驗具有構建應用環境的可行性，但縱觀當前的物理虛擬實驗系統，鮮有突出這一因素的先例。實際上，學生完成虛擬實驗的操作后，就有迫切了解實驗的實際應用的愿望。作為重要創新之處，該模塊實現了從“學”到“用”的平滑過渡，實現學習層次上的升華，讓實驗教學更“接地氣”。

(5) 實驗練習。本環節為做完實驗之后的練習強化、舉一反三，使學生更深刻地理解和掌握實驗原理。

(6) 實驗幫助。學生在實驗過程中遇到問題時，可借助此模塊獨立嘗試解決問題。

4 實現實例

4.1 開發工具的比較與選擇

目前，用于開發虛擬實驗的常用工具有Java，ActiveX，VRML，QuickTime VR，OpenGL，Flash等，它們各有優勢，但也都存在不足之處。表1為上述開發工具的優劣勢比較[13]。

表1 虛擬實驗開發工具的優劣比較

究竟選擇哪種開發工具，要根據虛擬實驗的特點和開發需求作出綜合考慮和合理取舍。適合制作虛擬實驗的工具必須滿足以下特征：一般要基于Web開發、網上運行，這將決定制作出的文件要小，以保證運行速度；要實現虛擬實驗的效果，開發工具必須支持多媒體屬性；為了突出學生自主實驗能力和操作能力，虛擬實驗還要有較強的交互性。

基于以上分析，筆者選擇使用Flash為開發工具。理由是：Flash工具開發難度較小，動畫效果豐富，無級放大的矢量圖永遠不會產生令人討厭的鋸齒，且易于實現復雜的交互，文件小，適合于網絡平臺[14]。

4.2 開發實例

所開發的虛擬實驗系統適用于大學普通物理實驗教學，可實現完整的大學物理實驗科目，包括力學、電磁學、光學、熱學實驗等。本文以大學物理的典型實驗——動量守恒為例進行示范，以供開發者參考。

動量守恒虛擬實驗的各模塊內容如下。

(1) 預備知識模塊。包括動量守恒相關知識和實驗目的。作為學生閱讀的第一部分，由淺入深地為學生呈現動量守恒定律的有關知識，如動量守恒定律的引入、原理及意義。為引起學生興趣，本例在引入部分以多媒體動畫形式介紹火箭飛行原理。

(2) 實驗演示模塊。設計了靜止在光滑地面上的以彈簧和細線連接起來的兩小車，斷開細線，彈簧脫落，兩小車背向運動。本過程動量守恒，觀察分析兩小車不同質量情況下運動規律，如圖1所示。

圖1 演示實驗

(3)實驗操作。本模塊是虛擬實驗的核心部分，提供構造實驗環境和設置參數的選項，可觀察實驗現象，統計實驗數據，驗證物理規律。實驗過程如下。

① 認識實驗器材：氣墊導軌、兩個光電門，可調節質量的兩滑塊(滑塊上有固定砝碼的槽)，砝碼若干(用于改變滑塊質量)，雙面泡沫膠條，彈簧。

② 實驗操作過程。碰撞是動量守恒的典型應用，為了得到盡可能詳盡的數據，本實驗共設計了3種碰撞：完全彈性碰撞、完全非彈性碰撞和非完全彈性碰撞。完全彈性碰撞通過在一小車的碰撞面裝載彈簧實現；完全非彈性碰撞通過在一小車碰撞面粘貼雙面泡沫膠條實現；非完全碰撞則上述彈簧和膠條均不使用。設計了兩種碰撞方式：一是在一滑塊運動、另一滑塊靜止的情況下相撞；二是兩滑塊相對運動的情況下相撞。通過調節滑塊裝載的砝碼數量改變滑塊質量，通過光電門測量碰撞前后的速度。非完全彈性碰撞如圖2所示。

圖2 非完全彈性碰撞操作實驗

③ 記錄實驗數據，在兩小車接觸面未安裝彈簧及粘貼膠條的情況下，調節砝碼數量和小車初始速度(設向右為正方向)，得出表2所示實驗數據。

表2 實驗數據

(4) 實驗應用。本模塊設計了2個動量守恒定律在生活中的應用。在古代火箭筒的示例中，士兵點燃火箭體上的火藥，燃料氣體以很高的速度向后噴出，火箭獲得向前的反沖速度。在現代灌溉技術中，當水從彎管中噴出時，彎管獲得反向的沖力，自動旋轉，保證了灌溉在各個方向上的均勻性。通過該模塊，可以學到古代和現代人們應用自然規律的智慧。

(5) 實驗練習。本部分設計了2個人們熟悉的應用場景，一個場景如圖3所示的“人船模型”，質量為m1的人以水平速度v0跳上靜止在水面上的質量為m2的船上，計算人和船的共同速度；另一個實驗場景是兩個人在光滑冰面上拔河，計算相遇位置，如圖4所示。

圖3 人船模型

圖4 冰面拔河

(6) 實驗幫助。實驗過程中遇到疑問時通過查詢幫助系統進行查詢解決。

5 結束語

物理虛擬實驗是教育信息化的產物之一。物理虛擬實驗有效地解決了傳統實驗面臨的實驗重要性與實驗配置相對不足的矛盾，同時也推動了實驗教學模式向學生為主體和自主化學習方向的變革，有效地提高了學生的探索精神和創新精神。本文提出的“預備知識—虛擬操作—面向應用”一體化的物理虛擬實驗設計理念融合了現有物理虛擬實驗的優點，可有效提高虛擬實驗效果。

References)

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[4] 張景川，石魯珍.大學物理虛擬實驗實踐教學與理論分析[J].高等理科教育，2009(2)：79-82.

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[11] 吳旭燕.虛擬實驗技術及其在中學物理實驗教學中應用[D].上海：華東師范大學，2008.

[12] 吳雪黎.基于WWW的虛擬實驗系統的研究與實現[D].青島：山東科技大學，2003.

[13] 李美娜.初中物理力學虛擬實驗系統的設計與實現[D].長春：東北師范大學，2011.

[14] 王自浩.初中物理虛擬實驗開發與應用研究[D].濟南：山東師范大學，2012.

Design of virtual university physics experiment characterized by “all in one” and its example

Wang Xueyan, Zhang Ru, Zhang Hu, Chen Xi

(School of Ethnic Minority Education, Being University of Posts and Telecommunications, Beijing, 102209, China)

Teaching of physics experiment is commonly considered as an important part in teaching, but also the weakest part. The appearance of virtual physics experiment provides a new approach for the experimental teaching. This paper proposes a new design idea with an example which integrates “preliminary knowledge, virtual operation and application oriented” as a whole. On the one hand, this idea integrates advantages of current virtual physics experiment systems, and on the other hand, more importantly, it gives two new design ideas, which are “all in one step” and “combining theory with application.” It provides a new way for the design and development of the virtual university physics experiment.

physics experiment; virtual technology; design of “all in one”

2014- 09- 03

北京郵電大學“2013青創基金”項目(2013XZ08)支持

王學嚴(1979—)，男，河北保定，碩士，講師，研究方向為大學物理教學及實驗.

E-mail：wangxueyan@bupt.edu.cn

TP391.9

A

1002-4956(2015)9- 0124- 04