基于組件的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：從大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)放性、設(shè)計(jì)性的特點(diǎn)出發(fā)，以促進(jìn)自主學(xué)習(xí)和提升教學(xué)效果為目標(biāo)，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)和Web開(kāi)發(fā)技術(shù)，構(gòu)建了基于組件的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。提出了平臺(tái)建設(shè)的設(shè)計(jì)原則，并結(jié)合功能模塊進(jìn)一步給出了平臺(tái)的開(kāi)發(fā)路線(xiàn)。基于組件的物理仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想，提升了實(shí)驗(yàn)方案的靈活性和實(shí)驗(yàn)器材選擇的多樣性，實(shí)質(zhì)性地推動(dòng)了以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式的開(kāi)展，使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)和考核等多環(huán)節(jié)的教學(xué)效果得到了顯著提升。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué);自主學(xué)習(xí);虛擬仿真技術(shù);組件

中圖分類(lèi)號(hào)? TP339? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）28-0268-04

Abstract： Starting from the characteristics of openness and design of college physics experiment teaching， aiming at promoting autonomous learning and improving teaching effect， a component-based college physics simulation experiment platform is constructed by using virtual simulation technology and Web development technology. The design principle of platform construction is put forward， and the development route of platform is further given in combination with functional modules. The design idea of component-based physical simulation experiment improved the flexibility of experimental scheme and the diversity of experimental equipment selection， substantially promoted the development of student-centered and teacher-led teaching mode， and achieves marked improvement in the teaching effect of many assessment of physical experiment teaching such as preview， doing experiment and examination.

Key words： physics experiment teaching; autonomous learning; virtual simulation technology; components

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)進(jìn)程中不可或缺的重要組成部分，是學(xué)生加深理論知識(shí)理解的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是學(xué)生提高創(chuàng)造性思維和實(shí)踐能力的一個(gè)有效手段。在當(dāng)前的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，受限于實(shí)驗(yàn)的種類(lèi)和數(shù)量的繁多、儀器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜以及價(jià)格不菲等因素，往往不能充分滿(mǎn)足學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)、自主選用實(shí)驗(yàn)器材、反復(fù)多次調(diào)試實(shí)驗(yàn)儀器的需要。這對(duì)于學(xué)生熟悉儀器結(jié)構(gòu)與性能、理解實(shí)驗(yàn)的基本原理、設(shè)計(jì)思想和方法步驟造成了較大困難。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)，特別是虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)的虛擬化，在很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中在人力、物力、時(shí)間和空間上的不足[1]。國(guó)內(nèi)外先后出現(xiàn)了運(yùn)用各種虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，例如美國(guó)密西西比州立大學(xué)的Taha Mzoughi等人使用早期虛擬仿真技術(shù)中的VRML語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了物理虛擬實(shí)驗(yàn)室[2]，主要模擬了學(xué)生對(duì)波和光的觀察與學(xué)習(xí);同濟(jì)大學(xué)的周培聰基于X3D技術(shù)開(kāi)發(fā)了磁場(chǎng)的模擬實(shí)驗(yàn)[3];福建師范大學(xué)盧宇等人基于Cult3D技術(shù)開(kāi)發(fā)了虛擬光學(xué)實(shí)驗(yàn)[4];吉林大學(xué)高等教育研究所黃海林利用Cult3D和Flash技術(shù)相結(jié)合開(kāi)發(fā)了大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)[5]。

這些仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，主要采用相對(duì)固定封閉的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑磳?shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)方案都是相對(duì)固定的，而實(shí)驗(yàn)儀器沒(méi)有從特定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中獨(dú)立出來(lái)，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)境，所需的實(shí)驗(yàn)儀器都會(huì)擺在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，采用的實(shí)驗(yàn)方案也都是由老師唯一指定的，這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法針對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放性和設(shè)計(jì)性。近年來(lái)，高等教育領(lǐng)域的一個(gè)新動(dòng)向是“促使學(xué)生從以往課程內(nèi)容單一的消費(fèi)者向創(chuàng)造者和設(shè)計(jì)者轉(zhuǎn)變”[6]。使實(shí)驗(yàn)者能根據(jù)自己的設(shè)計(jì)思想和方案選擇儀器來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，成為當(dāng)前物理仿真實(shí)驗(yàn)亟待解決的新課題。

我校物理實(shí)驗(yàn)中心作為天津市級(jí)優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)單位，一直在著力探索真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)和仿真物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的道路，特別是物理仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放性和設(shè)計(jì)性。為此，我中心在原有物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)絡(luò)綜合服務(wù)平臺(tái)[7]中仿真預(yù)習(xí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建設(shè)了一個(gè)基于組件的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則

1.1 以虛擬仿真技術(shù)為依托

虛擬仿真技術(shù)，是在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它是通過(guò)一個(gè)虛擬的系統(tǒng)環(huán)境來(lái)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。它最典型的特征就是構(gòu)建一個(gè)全系統(tǒng)完整統(tǒng)一的虛擬環(huán)境，并通過(guò)虛擬環(huán)境來(lái)集成和控制為數(shù)眾多的實(shí)體[8]。

我中心在物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)中，對(duì)于構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)器材的物理模型，需要用到三維建模技術(shù);對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)常會(huì)出現(xiàn)的發(fā)光、波動(dòng)、干涉和衍射等現(xiàn)象的模擬，需要由動(dòng)畫(huà)技術(shù)來(lái)呈現(xiàn);對(duì)于部分物理實(shí)驗(yàn)中的碰撞、振動(dòng)、磁懸浮等現(xiàn)象以及實(shí)驗(yàn)者的操作交互效果，需要借助仿真交互技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn);再配以網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將服務(wù)器端與學(xué)生的客戶(hù)端建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。這些都離不開(kāi)虛擬仿真技術(shù)的強(qiáng)大支撐[9]。

1.2 以促進(jìn)自主學(xué)習(xí)為重點(diǎn)

長(zhǎng)期以來(lái)由于教學(xué)資源的缺乏和教學(xué)時(shí)間有限，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往是以教師擬定好實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生機(jī)械地按教師給出的方案來(lái)操作的模式進(jìn)行。這種教學(xué)模式抑制了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情，將學(xué)生的創(chuàng)造性思維限制在極小的范圍內(nèi)。多年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，實(shí)施以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的教學(xué)是激發(fā)學(xué)生興趣、確保教學(xué)質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的重要舉措[10]。因此，大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的需要，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主選擇可用的實(shí)驗(yàn)儀器、自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案完成實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造條件。

基于組件的設(shè)計(jì)思想，就是將實(shí)驗(yàn)儀器根據(jù)自身特點(diǎn)設(shè)計(jì)成獨(dú)立于具體實(shí)驗(yàn)的組件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過(guò)儀器接口加載儀器到實(shí)驗(yàn)通用儀器庫(kù)中[11]。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生從通用儀器庫(kù)中自由選取實(shí)驗(yàn)儀器，并加入相關(guān)實(shí)驗(yàn)的操作平臺(tái)，自行操作;實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)學(xué)生操作實(shí)時(shí)生成儀器關(guān)系、形成實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)程序調(diào)用對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)算法進(jìn)行處理，將結(jié)果通過(guò)實(shí)驗(yàn)界面以圖像、動(dòng)畫(huà)、文字等形式表現(xiàn)為相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1.3 以設(shè)計(jì)性開(kāi)放性為特色

同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，采用同樣的實(shí)驗(yàn)儀器，在不同的設(shè)計(jì)方案指引下會(huì)產(chǎn)生不同的教學(xué)效果。所謂的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，就是由教師給出實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)要求及可供學(xué)生選擇的實(shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自己提出設(shè)計(jì)思想、擬定實(shí)驗(yàn)方案，選擇必要的實(shí)驗(yàn)儀器，確定實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并基本獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放性，是指實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、時(shí)間和空間對(duì)學(xué)生的開(kāi)放。來(lái)自不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生對(duì)聲、光、力、熱、電、磁等方面物理知識(shí)的需求和興趣不同，大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可為不同層次和需求的學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方式上的個(gè)性化選擇[12];此外，大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)全天候24小時(shí)開(kāi)放，學(xué)生可以自己安排實(shí)時(shí)在線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)考核。

注重實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)性、開(kāi)放性是在教學(xué)過(guò)程中真正實(shí)施以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)方法的具體體現(xiàn)，并能充分用發(fā)揮現(xiàn)有的硬件和軟件教學(xué)資源[13]。

2 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)實(shí)施

2.1仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)

基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則，我們將仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三大功能模塊，分別為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、通用器材庫(kù)和實(shí)驗(yàn)操作，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊，按照實(shí)驗(yàn)類(lèi)別呈現(xiàn)了平臺(tái)所有的物理仿真實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)提供了實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、動(dòng)畫(huà)演示等基本信息;通用器材庫(kù)模塊，是基于組件的設(shè)計(jì)思想的重要體現(xiàn)，它提供實(shí)驗(yàn)中可能要用到的通用器材，如量具、接線(xiàn)、光源等，這些通用器材可以由相應(yīng)的算法控制，被應(yīng)用到不止一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，也可以根據(jù)需要在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用多個(gè);實(shí)驗(yàn)操作模塊，是整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作和交互的中樞系統(tǒng)，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)器材的匹配、操作的判斷以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理。

2.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的最直觀的呈現(xiàn)，我們將目前我中心設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的二十余個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)屬性劃分了四個(gè)實(shí)驗(yàn)類(lèi)別，學(xué)生通過(guò)點(diǎn)擊左側(cè)實(shí)驗(yàn)類(lèi)別的目錄樹(shù)，選擇自己感興趣的具體實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步選擇右側(cè)上部的導(dǎo)航選項(xiàng)，可以分別顯示實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)儀器、在線(xiàn)演示、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)下載等內(nèi)容，幫助學(xué)生增加對(duì)實(shí)驗(yàn)了解，做好必要的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備。如圖2所示。該模塊的設(shè)計(jì)，主要通過(guò)ASP.NET和SQL Server相結(jié)合的Web開(kāi)發(fā)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3 通用器材庫(kù)模塊

通用器材庫(kù)中的各類(lèi)實(shí)驗(yàn)通用器材，首先是借助3DS MAX這樣的三維建模軟件，配以貼圖賦材質(zhì)的技巧，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)器材的物理建模，如圖3所示，為某型號(hào)信號(hào)發(fā)生器的三維建模界面。然后再將這些建好模的器材，以文件的形式分類(lèi)別定義到通用器材庫(kù)中。

而那些可以在多個(gè)實(shí)驗(yàn)中通用的實(shí)驗(yàn)器材，都放在通用器材庫(kù)中，學(xué)生可以自行將所需的實(shí)驗(yàn)器材拖放到實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，進(jìn)行必要的測(cè)量或者調(diào)節(jié)操作。如圖5所示的單擺側(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)，就是特定儀器與通用器材的最直觀實(shí)例。

通用器材庫(kù)定義了四個(gè)類(lèi)別的器材，分別是量具類(lèi)、連接頭線(xiàn)類(lèi)、實(shí)驗(yàn)光源類(lèi)和其他器材類(lèi)。它們分別可以單一或者組合的形式應(yīng)用于不同類(lèi)別的實(shí)驗(yàn)中。

2.3.1 量具類(lèi)

量具類(lèi)包括米尺（卷尺）、游標(biāo)卡尺、千分尺（螺旋測(cè)微計(jì)）和秒表，凡是需要測(cè)量長(zhǎng)度和時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同精度的要求進(jìn)行選取，如單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)、拉伸法測(cè)金屬絲的彈性模量實(shí)驗(yàn)都需要用到米尺和千分尺，扭擺法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)和導(dǎo)入系數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)都需要用到游標(biāo)卡尺等。

2.3.2 連接頭線(xiàn)類(lèi)

連接頭線(xiàn)類(lèi)主要包括Q九頭線(xiàn)（也叫BNC頭線(xiàn)）和香蕉插頭線(xiàn)，對(duì)于那些需要進(jìn)行示波器與其他儀器實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)連接的實(shí)驗(yàn)都需要用到BNC頭的線(xiàn)，如示波器的使用實(shí)驗(yàn)、空氣熱機(jī)特性研究實(shí)驗(yàn)、音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)等;對(duì)于那些需要進(jìn)行基本電路連接的實(shí)驗(yàn)都需要用到香蕉插頭線(xiàn)，如交流電橋?qū)嶒?yàn)、RLC串聯(lián)電路實(shí)驗(yàn)、燃料電池特性研究實(shí)驗(yàn)等。

2.3.3實(shí)驗(yàn)光源類(lèi)

實(shí)驗(yàn)光源類(lèi)包括鈉光燈、汞燈和激光器，邁克爾遜干涉儀的調(diào)整與使用實(shí)驗(yàn)需要用到HeNe激光器和鈉光燈，射譜與譜線(xiàn)分析實(shí)驗(yàn)需要用到鈉光燈和汞燈，等厚干涉、透鏡側(cè)焦距需要用到鈉光燈，分光計(jì)的調(diào)整與使用實(shí)驗(yàn)需要用到汞燈。

2.3.4 其他器材類(lèi)

在其他器材類(lèi)中，目前主要有三種器材，一種是讀數(shù)顯微鏡，這類(lèi)設(shè)備同時(shí)具備測(cè)量、顯微、分光的功效，主要在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中與各種光源配合使用，如等厚干涉、透鏡測(cè)焦距以及射譜與譜線(xiàn)分析等實(shí)驗(yàn);第二種是信號(hào)發(fā)生器，是用于產(chǎn)生所需參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)的儀器，主要是配合實(shí)驗(yàn)儀器產(chǎn)生函數(shù)（波形）信號(hào)、脈沖信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)，在超聲光柵特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)和音頻信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)中都需要使用到它;第三種是示波器，由于物理實(shí)驗(yàn)涉及力學(xué)、電學(xué)、電磁學(xué)以及熱學(xué)的很多實(shí)驗(yàn)儀器，都需要與示波器連接，測(cè)定和調(diào)整對(duì)應(yīng)參數(shù)形成的曲線(xiàn)和波形，以得到進(jìn)一步的觀測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果，因此示波器是物理實(shí)驗(yàn)中最常用的儀器組件之一，在通用器材庫(kù)中，我們根據(jù)需要設(shè)計(jì)了模擬示波器和數(shù)字示波器，廣泛使用在分光計(jì)的調(diào)整與使用、空氣熱機(jī)特性研究、固定均勻弦振動(dòng)、超聲測(cè)速、RLC串聯(lián)電路等實(shí)驗(yàn)中。

2.4 實(shí)驗(yàn)操作模塊

實(shí)驗(yàn)操作模塊是整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作和交互的中樞控制系統(tǒng)，該模塊為每個(gè)具體實(shí)驗(yàn)設(shè)置了實(shí)驗(yàn)交互的算法接口，這個(gè)接口主要完成實(shí)驗(yàn)儀器的匹配、實(shí)驗(yàn)操作的判斷和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集與處理。這里定義了一個(gè)算法的接口，通過(guò)引入算法接口，使平臺(tái)、算法與儀器分離：實(shí)驗(yàn)算法不和具體儀器相關(guān)，在同一實(shí)驗(yàn)中根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)方案調(diào)入的實(shí)驗(yàn)儀器可按同一算法處理，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不依賴(lài)于單一算法，通過(guò)算法接口調(diào)用不同的實(shí)驗(yàn)算法完成不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)充，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)可設(shè)計(jì)性[14]。

對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)而言，其具體算法輸入的參數(shù)類(lèi)型、個(gè)數(shù)不可能統(tǒng)一，輸出的結(jié)果也不統(tǒng)一，因此算法接口在算法的輸入、輸出部分用散列表對(duì)象（Hashtable）。

2.4.1 實(shí)驗(yàn)儀器的匹配

實(shí)驗(yàn)儀器的匹配，主要是判斷某個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中是否被拖放了正確的實(shí)驗(yàn)儀器和數(shù)量，除特定實(shí)驗(yàn)本該有的特定實(shí)驗(yàn)儀器外，在通用器材庫(kù)中的多類(lèi)器材如果被錯(cuò)誤拖放到該實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，系統(tǒng)會(huì)提示使用正確的實(shí)驗(yàn)器材，并將該器材自動(dòng)放回原來(lái)的組件庫(kù)當(dāng)中。

2.4.2實(shí)驗(yàn)操作的判斷

實(shí)驗(yàn)操作的判斷，主要是針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的正確操控的判斷和提示。例如，在圖6所示的邁克爾遜干涉儀的調(diào)整與使用實(shí)驗(yàn)中，在判定好所測(cè)干涉條紋是“淹沒(méi)”或者“涌出”現(xiàn)象之后，調(diào)節(jié)微調(diào)手輪的方向就應(yīng)該確定了，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在測(cè)量過(guò)程中，不允許再朝著反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，一旦反轉(zhuǎn)便會(huì)產(chǎn)生“螺距差”，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)量的失敗。因此，仿真實(shí)驗(yàn)在這里設(shè)置了一個(gè)算法，如果在不該出現(xiàn)反轉(zhuǎn)的地方做了反向拖動(dòng)微調(diào)手輪，系統(tǒng)會(huì)提示錯(cuò)誤，并將之前連續(xù)測(cè)量的數(shù)據(jù)清空，讓實(shí)驗(yàn)者重新測(cè)量，以此來(lái)提高對(duì)實(shí)驗(yàn)者的警示。

2.4.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集與處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集與處理，是通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接口，從仿真實(shí)驗(yàn)中得到儀器狀態(tài)和儀器間關(guān)系，從而得到實(shí)驗(yàn)的當(dāng)前狀態(tài)，通過(guò)學(xué)生的操作結(jié)果與系統(tǒng)自動(dòng)擬定的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果，進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，以供實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)判。例如，在單擺測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)中，擺長(zhǎng)約70cm， 秒表精為0.01s ，實(shí)驗(yàn)者啟動(dòng)和暫停秒表的反應(yīng)時(shí)間為0.1s。實(shí)驗(yàn)要求重力加速度的最大不確定度Δg/g應(yīng)該<1%，來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)量的單擺周期數(shù)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)前可自行擬定實(shí)驗(yàn)方案，計(jì)算需測(cè)量的單擺周期數(shù)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)自動(dòng)計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值，通過(guò)對(duì)比操作結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果，可對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作和結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。

3 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行成效

基于組件的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)于2016年底基本建成，運(yùn)行近兩年來(lái)，廣泛應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的預(yù)習(xí)、上課、復(fù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)考核等各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，教學(xué)成效顯著。

3.1 促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)的課前預(yù)習(xí)

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)程中，長(zhǎng)期以來(lái)課前預(yù)習(xí)對(duì)于相當(dāng)一部分學(xué)生來(lái)說(shuō)形同虛設(shè)，學(xué)生課前沒(méi)有進(jìn)行充分的預(yù)習(xí)，不僅容易使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程陷入很多誤區(qū)，而且對(duì)教師的教學(xué)進(jìn)程也帶來(lái)很大影響。而基于組件的物理仿真實(shí)驗(yàn)，采用動(dòng)畫(huà)的形式和實(shí)時(shí)交互的手段，讓學(xué)生不受時(shí)間和空間的約束，感受身臨其境的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，在很大程度地上調(diào)動(dòng)了學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)的積極性。有了對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)儀器的足夠認(rèn)知，后續(xù)開(kāi)展的真實(shí)實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)，都會(huì)有的放矢、效率倍增。在線(xiàn)問(wèn)卷調(diào)查顯示，基于組件的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行以來(lái)，學(xué)生的課前預(yù)習(xí)率，已經(jīng)由過(guò)去的不足50%，提升到現(xiàn)在的接近95%。

3.2 推動(dòng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)

學(xué)生可根據(jù)教師提供的實(shí)驗(yàn)方案自行選取合適的儀器完成實(shí)驗(yàn)，也可以在充分預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)儀器的認(rèn)知自行擬定可行的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣便充分發(fā)揮了教師指導(dǎo)下學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。基于組件的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成了營(yíng)造開(kāi)放性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的有力工具。

3.3 完善了實(shí)驗(yàn)的考核機(jī)制

以前的物理實(shí)驗(yàn)考核，若采取在線(xiàn)的客觀題的形式，便無(wú)法兼顧實(shí)驗(yàn)操作的主觀評(píng)判，若采取面對(duì)面的實(shí)驗(yàn)操作的主觀評(píng)判，又浪費(fèi)了大量人力物力和時(shí)間，效率也不高。而基于組件的物理仿真實(shí)驗(yàn)可通過(guò)模塊的算法有效記錄實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)操作，在此基礎(chǔ)上抽選出的“實(shí)驗(yàn)操作題”，可有效評(píng)估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和實(shí)驗(yàn)知識(shí)的掌握程度，使實(shí)驗(yàn)操作的考核客觀化、精確化，并有效解決了面向大面積學(xué)生操作考核需要大量?jī)x器和實(shí)驗(yàn)教師的難題，為實(shí)現(xiàn)大面積學(xué)生高效的實(shí)驗(yàn)考核提供了有效支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于組件的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，充分挖掘了虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)實(shí)踐中的潛能，它將實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方案、學(xué)生的思考和教師的指導(dǎo)有機(jī)地融為一體，它營(yíng)造了大面積對(duì)學(xué)生開(kāi)設(shè)開(kāi)放性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)境。實(shí)質(zhì)性地推動(dòng)了以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式的開(kāi)展，有效提高了物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效率和教學(xué)效果[15]。

今后，我中心還將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，從豐富仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)量和提高仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的效果這兩方面，不斷改進(jìn)和提高，為建成“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”[16]的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心而不斷努力。

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