利用计算机虚拟技术创建中学物理虚拟实验室平台

2014-11-15王淑娟

电子测试 2014年5期

王淑娟

（西安文理学院数学与计算机工程学院,西安,710065）

0 引言

随着新课改实施及素质教育的进一步深化，不少专家学者和广大物理教师充分认识到实验教学是中学物理教学的一个重要环节，对于提高教学质量、提升学生的学习兴趣具有重要意义。但在物理实验教学实践过程中，存在以下问题：一是思想重视程度不够。学校和教师受传统教育的影响，存在重理论轻实验的思想，实验课往往被认为是理论课的附属品。这对培养学生的动手能力、实践能力及创新能力非常不利。二是实验教学模式僵化。实验时学生根据现有的实验指导书，在规定的有限时间内按给定的仪器设备和实验步骤完成实验全过程，从教学内容到教学方式没有给学生留出足够的空间。这种教学模式不利于培养学生发现问题和解决问题的能力、不利于引导学生突破思维定式、不利于创新思维和方法的形成、不利于学生智能的发展。三是教学资源分配不平衡。东西部、城乡之间教学资源分配不平衡，很多偏远落后地区实验教学师资力量不足、实验设施严重匮乏，影响了教育教学水平的整体提高。

1 中学物理实验教学改革实践

1.1 虚拟实验技术

虚拟实验技术是运用信息技术搭建虚拟实验室。利用计算机软件开发工具对实验仪器进行仿真，实现仪器的物理功能，并构建可视化、交互型的人机对话界面。教师和学生通过计算机及网络来模拟操作实验,实验内容不受实体实验室仪器设备和实验材料的限制, 虚拟实验室管理人员可以很方便地管理、使用实验仪器，也可以根据实际需要调整实验内容。

虚拟实验开发技术比较多，以VRML/X3D和Cult3D最为流行，也具有良好的真实性和交互性等特点。但是它们的开发复杂、难度大、不易实现。考虑到中学物理实验的要求，我们将重点放在对一些基本的物理现象的仿真。为此我们以Microsoft VisualStudio(VS)为编程平台，选用OpenScenceGraph(OSG)接口与3DMAX商用软件共同建立中学物理实验仿真平台。

1.2 虚拟实验室平台在教学中的应用

1.2.1 虚拟实验室平台的定位

中学物理虚拟实验室平台是对传统的中学物理实验教学的补充、完善和扩展，目的是解决目前实体实验室存在的问题，但它不能从根本上替代实体实验室达到培养和提高学生实践能力的功能，只能尽可能给学生提供更多学习设备使用、模拟实验的机会。它只是作为计算机辅助教学的一种手段出现在中学物理教学中。但不能否认虚拟实验的价值和对培养创新型人才的作用和影响。虚拟实验与实体实验互有优势、互为促进、相辅相成，两者共同作用，增强学生的实践能力。

1.2.2 利用虚拟实验室平台充分提高实验与理论教学质量

一是利用虚拟实验室平台学生可以不受时间和空间的限制，能够自由地依据个人的时间、学习进度和掌握程度进行自主安排实验，增强了学生自主学习能力，加大了实验的灵活性。二是学生可以放心、大胆的做各种尝试。同时，在现实生活中有些实验不可能做出原型实验。

1.2.3 利用虚拟实验室平台共享优质教学资源

根据学校实际情况，我们可以选择虚拟实验室平台在单机上使用或者互联网上使用，只要客户安装了播放插件，都可以进行虚拟实验。相比较而言，后一种方法更有利于虚拟实验室的推广，实现网上远程教育，学生在家里也可以根据自己的时间、学习进度多次完成实验，这样有力缓解了农村地区实验教学设施严重匮乏的问题，缩小了城乡之间教学资源差距，促进教育教学公平。

2 虚拟实验实例

以胡克定律实验为例，胡克定律实验讨论的是弹力与弹簧伸长的定量关系，所用到的器材有：固定的支架与紧固器件、提供拉力的砝码、观测的对象弹簧和可以度量长度的刻度尺。在组装实验装置时，考虑到支架，紧固器件还有刻度尺的坐标都是不变的，在模型设计时就将这三个部分一起建好。对于砝码，在实验室中要用到多个，但是每个砝码的性质都是一样的，因此只单独建一个砝码的模型。弹簧形状比较规则，建模也比较简单，可以在3DMAX中设计，也可以在OpenScenceGraph(OSG)设计部分中设计，这里我们利用OSG的接口建立简单的弹簧模型。

图1显示的是在3DMAX中设置实验装置中用到器材模型。对于支架、紧固器件和刻度尺位置固定的模型，我们在3DMAX中将它们一起设计，如图1(a)所示。对于刻度尺模型，除了几何形状上的设计，还需要有刻度值，利用软件中的渲染工具，可以很方便的给刻度尺模型添加刻度值，如图1(b)所示。对于砝码模型，由于它的位置会变化，我们单独建立一个砝码模型，如图1(c)所示。

图1 固定模型的设计

3DMAX模型设计好之后，利用OSG插件可以将其转成OSG格式的模型文件，利用OSG提供的函数osgDB::readNodeFile(const std::string & filenam)就可以将模型文件读入物理实验仿真平台上。如图2(a)为设置固定支架的力学属性，其中一个属性为“固定”，将这一性质选上，则表示模型的位置形状都不会发生改变，对砝码模型，由于是运动的，“固定”这一属性将不选择。对于弹簧，结构比较简单，我们在OSG接口中设置它的属性并与固定器件相连接，如图2(b)所示。设置好模型参数后，就可以在界面中操作实验过程，图2(c)和图2(d)显示了增加一个砝码与依次增加多个砝码时的情况，学生在操作过程中，可以依次记录砝码的个数与刻度尺上对应的数值，并写入实验报告中。此实例将实验的重点放在描述实验的物理过程，运用三维视图呈现给操作者，而不是代替操作者完成实验的过程。

3 结束语

在这个数字化的时代，中学物理实验仿真教学对培养学生学习兴趣有着重要的作用，为了让学生更好的理解实验教程，激发学习兴趣，实验仿真尽量做到与实际情况相似。虚拟环境下的中学物理实验教学模式不仅可以节约在实验教学方面的投入, 更重要的是可以完善现有的教学体系,优化资源配置，提高学校教学质量,促进教育教学公平，促进学生信息化环境下自主学习和创新能力的培养。