物理電學虛擬實驗室中操作診斷研究

袁欣雨

摘要隨著科學技術的不斷發展進步，其滲透力度也不斷加大，從生產制作到醫療，再到教育領域，無處不見其身影。虛擬仿真技術在高中物理中的應用也在很大程度上給實驗操作帶來了便利，解決了傳統實驗中很多問題，讓每一個高中生體驗實驗操作不再受局限。近幾年虛擬仿真技術發展程度不容小覷，但仍存在一些問題。比如對于虛擬實驗來說，其環境的真實還原還有待優化，診斷操作也需要不斷改進完善等。本文針對高中物理電學虛擬實驗室中操作診斷問題進行分析研究。

關鍵詞物理電學；虛擬實驗室；診斷問題

以前的高中物理實驗方法是老師進行簡要講解后引領中學生在實驗室進行實際操作，以達到更深入地理解物理課本知識的目的。但傳統實驗操作中存在很多弊端，成本、安全等問題一直都是不容忽視的。虛擬仿真技術的引入，給高中物理實驗帶來了新活力。首先，利用虛擬實驗室進行實驗可以保證學生的實驗安全性；另外，根據不同要求能給實驗提供豐富的虛擬器材選擇，保證了我們的實驗可操作性；除此之外，虛擬實驗室成本還較傳統實驗低得多，一套軟件就幾乎可以涵括高中物理教學的所有所需內容。學生自主操作機會增多，也會大大提高學生的學習積極性，加深對所學知識的理解，提高學習質量。

1電學虛擬實驗室概述

1.1概要介紹

虛擬實驗是計算機及互聯網技術的衍生物，其研究和實現的技能方法都在相關人員的不懈努力、鉆研下發展。因此在不同視角，不同立場，對虛擬實驗室的概念確定也會有不同，人們也往往會根據自己實際情況實際需要進行定義。

在實驗效果方面，虛擬實驗實際上是指在計算機系統中裝入相應軟件，通過虛擬仿真技術在軟件中模擬各種各樣需要的實驗環境，操作人員可以跟真實的場景一樣進行實驗項目，并可以控制實驗進度，提升實驗效率，在學習實驗效果上可以與真正的實驗匹敵甚至超越。

在組成方面，虛擬實驗是由程序、實驗模塊、所需參考資料等組成的可以與操作人員人機交互進行實驗的環境。用戶可以加入其它需要的資料、工具來增加實驗所需虛擬物體或者增加實驗單元。

在虛擬實驗室用到的原理和工具方面，虛擬實驗室是以實驗實際內容、實驗原理、信息科學技術、計算機系統技術及其相關的很多知識為鋪墊，以計算機以及產生實驗現象的一系列表現儀器為依托，充分利用面向對象的編程思想實現一個有人機交互、能夠進行相應操作的環境，來達到模擬現實中很多實驗項目過程的目的。

綜合以上對于虛擬實驗室各種角度的描述，可以從技術以及實驗操作2個方面來對虛擬實驗的作一個相對全面的概括。虛擬實驗實際上是以計算機系統為平臺，利用虛擬仿真的技術，在系統中創造邏輯空間，利用面向對象的思想，營造出各種各樣需要的實驗環境，在實際操作中，可以直接利用鼠標或者鍵盤進行實驗儀器的選擇、參數的確定或者結果的處理，跟真實的實驗場景一對一匹配，盡可能使操作人員在實驗中收獲傳統實驗一樣的甚至更優的效果。

虛擬實驗室實際上是基于人工智能的發展的，表示用計算機創造一個虛擬的實驗環境，操作人員可以按照要求進行實驗。目前來說，虛擬實驗室在高中理化生中應用廣泛，電學部分作為高中物理較為重要的一個部分，其對應的電學實驗也是數量繁多，電學虛擬實驗室則能正好為其提供電學實驗平臺，在實驗中配備各式電學所需儀器，進行電學方面實驗操作。

1.2虛擬實驗室特點及問題

隨著科技領域的迅猛發展，人們對虛擬仿真技術要求不斷提升，虛擬實驗室發展到今天，方向及特征不斷明確：1）真實性，虛擬實驗室的主要目的就是給人們提供一個虛擬空間進行實驗，所以實驗環境的創建就顯得十分重要，要盡可能為人們提供真實、生動、引人入勝的實驗體驗；2）智能性，虛擬實驗室的核心就是要做到虛擬空間能夠實現現實中實驗一樣甚至更為優化的功能，更為智能化；3）靈活多樣性，實驗者可以在虛擬空間進行實驗時隨時根據實驗的改變自定義一些資料的使用，新增或者編輯，并且對于所得數據進行系統分析對比總結，或是直接出圖表進一步研究。

近年來，雖然虛擬現實技術已經得到很大的發展，但目前，虛擬實驗室仍舊存在如下一些不足：1）操作診斷尚需改進，在實驗操作中，如果實驗人員操作出現錯誤，虛擬實驗室可能不能準確甚至無法給出相應的警示，不能及時得知自己錯誤所在進行修正，這也在一定程度上對其在實驗訓練效果上大打折扣；2）對于其他探索性的實驗可能還不能很好滿足，在高中物理實驗中，虛擬實驗室的實驗單元有既定的實驗流程，只能根據輸入的實驗一步步進行，如果我們高中生在操作中有其他想法，想進行進一步探索實驗，則很可能無法實驗，出現邏輯上的誤解。

2電學虛擬實驗室操作診斷

2.1電學虛擬實驗知識表示方法

電學虛擬實驗在對知識表示方法選擇方面，主要根據以下幾個原則：1）從表示能力來說，知識表現方法的最重要的目的就是將知識內容真實、準確并且高效地進行傳遞，因此其準確有效性就是關鍵的量尺。2）從推理能力來說，虛擬實驗空間中知識庫為推理提供了支持，推理的速度對于實驗運行效率高低有直接的作用，而語義的準確程度對于推理效果來說也是一大影響因素，所以，合適的推理能力是知識庫進行有效推理的保證。

在虛擬實驗操作診斷系統中，要求將實驗中所涉及的對象的屬性以及行為都進行相應的描述，并要有效表示出老師指導的信息以及實驗中錯誤診斷的信息，合理的推理能力以及對于整個實驗過程的控制作用等都是不可缺少的，綜合考慮之下，面向對象的知識表示方式是最適宜的。面向對象的知識表示方法就是充分引入面向對象的思想，以類、對象為基礎，將類的封裝性、繼承性等合理加入，使之知識表示方法能對大量復雜的數據進行操作且具備高效的推理能力。

2.2電學虛擬實驗室操作診斷

中學物理虛擬實驗操作診斷系統中基于實驗所需器材以及實驗知識、流程等進行面向對象知識方法表示后，通過對實驗中一步步操作的跟蹤監控，來判斷其準確性。在本診斷系統中，是通過兩層結構的監控跟蹤來對實驗中一步步過程的正確性進行確定的，具體如下：

首先來說，進行每一個物理實驗都是要明確實驗目的以及內容的，一個實驗中，也有規定的流程，有確定的實驗步驟，此時，就需要診斷系統對于操作人員在實驗操作中進行的每一步進行監控以及檢測，來判斷其操作是否越出該步驟要求的界限，或者違背步驟規定的要求。在該系統中，這層準確性的判斷是上層。

其次，基于操作人員在實驗步驟規定的要求下進行，診斷系統還需要操作人員對實驗器材的一些應用進行跟蹤監控，通過實驗器材事先確定好的屬性以及操作的要求，來建立起下層的操作準確性判斷，確定該用戶在進行實驗時有沒有正確使用器材、方式是否正確，檢測出錯誤后，對出錯原因進行及時反饋。比如說，在電學實驗操作中，導線本身是在允許范圍內的，但是連接方法是否正確則需要進行判定。

最后，在實驗操作中，其正確性不單單是由實驗操作的規范性決定的，得出的數據結果是不是合理、能與實驗過程相配也是需要考慮的，因此結果判斷的過程也必不可少。

3結論

高中物理電學虛擬實驗室是將虛擬仿真技術與高中實驗進行密切結合的產物，能夠保證我們實驗的高效性、安全性，大大提升我們的自主能動性、對知識的掌握程度以及對于未知世界的好奇心。而在現有的虛擬實驗室技術上進行操作診斷的研究則具有重要的現實意義，能很大程度上改善我們的中學生實驗體驗，增加訓練效果。