物理实验教学中虚拟实验平台的构建

2006年 11 月 Journal of Science of Teachers′College and University Nov. 2006文章编号：1007-9831（2006）04-0087-04

物理实验教学中虚拟实验平台的构建

刁海军1，尹钊2

（1．徐州师范大学 信息传播学院，江苏 徐州 221009；2．徐州师范大学 物理系，江苏 徐州 221000）

摘要：将虚拟实验平台与传统的物理实验进行比较，在比较的基础上总结出虚拟实验平台的创新之处，提出了虚拟实验平台构建的具体实施方案和要注意的问题．

关键词：虚拟技术；物理实验；教学改革

中图分类号：G642.423 文献标识码：A

随着网络技术和虚拟现实技术的相对成熟，一种新型的实验室——虚拟实验平台越发受到人们的关注．新技术的引入不仅能提高物理实验的精度，而且能提高教师的实验教学水平，增强改革与创新意识．因此在这样的大环境下去研究和构建虚拟实验平台，对于深化物理实验教学改革无疑具有非常重要的意义． 近年来，理工机械制造类、机电一体化等专业十分热门，学生数量也急剧增加，而原有的实验教学器材数量少、设备老化，已经不能满足实验的需求．生产教学仪器设备公司出售的成套电子设备实验箱也只能进行一些有限的实验，不但价格昂贵，还需配套购买相应的测量仪器，例如示波器、信号发生器、万用表、稳压电源等．实验保障条件的制约在一定程度上影响了实验教学的开展和学生实践创新能力的培养．相对于理论教学手段改革来说，实验教学手段的改革需求更为迫切．若能采取虚拟化实验教学，不仅可以解决传统实验教学中“人、财、物”投入大的问题，并将有力地推动实验教学内容与教学方法的深刻变革．

1 虚拟实验平台的创新之处

所谓虚拟实验平台，即计算机+虚拟现实+因特网，是指采用计算机技术、虚拟现实技术（Virtual Reality）等构建虚拟实验环境、虚拟仪器和设备，创建出一个可视化三维环境，其中每一个可视化三维物体代表一种实验对象，用户可以通过终端计算机鼠标的点击以及拖曳等操作，进行虚拟的实验． 虚拟现实技术能够模拟与实际情况类似的环境，能够解决学习中的情景化及自然交互性的要求，因而在教育领域内有着极其巨大的应用前景，是计算机技术在教育中运用的一个发展趋势．与传统的实验教学相比，虚拟实验平台有5个方面的创新和突破：

1.1 降低教育成本，实现实验循环利用和“零”维护

在做杨氏弹性模量测量时（以钢丝为例），由于钢丝相应的伸长量是比较小的位移单位，在传统实验中我们会使用读数显微镜来测量．但是要想精确地调节读数显微镜是件不容易的事，测量结果不能保证其精确度，误差较大．对此，有人提出用CCD光电测量系统来测量钢丝的拉伸长度．CCD光电测量系统的基本原理是：利用激光光束直接照射到可变缝宽的夹缝上产生衍射条纹，再经过光电转换、滤波等处理后从计算机上输出光强分布曲线，以此来计算拉伸长度．这一方法得出的数据非常精确，但所需实验仪器精密、昂贵，使用原理讲解起来也比较复杂，还需要有配套的光电转换、描绘光强分布曲线的软件，因此不适宜大面积推广．利用虚拟实验平台这一系列的问题就都解决了，在虚拟实验平台中，我们可以利用虚拟刻度尺，将刻度尺局部放大，以便精确读出示数，既简单又精确，而且只需要开发这样一个小程序，就可以反

收稿日期：2006-08-10

基金项目：江苏省特色专业（物理教育）培养基金资助项目（2004-2006）

作者简介：刁海军（1985-），男，江苏泰州人，徐州师范大学信息传播学院在读，从事现代教育技术研究．

复多次循环使用，不存在实验器材的消耗问题，节省了使用维护成本．这在目前实验经费紧张的情况下，有较大的优势．

1.2 提供丰富的教学模式，实现实验教学的“一体化”

虚拟技术可以模拟实验现象，构建现实世界的三维模型，为我们提供直观形象、生动活泼的情景，收到逼真的现场实验效果．利用虚拟技术将实验设备、教学内容（包括理论教学）、教师指导和学习者的思考、操作有机融合为一体，形成一部活的、可操作性强的“立体物理实验教科书”．例如，我们在利用弹簧做纵波实验时，由于弹簧的疏密很难调节到最佳状态，学生会对这一问题作出怀疑．而在虚拟实验平台中，利用动态和静态、定格和运动就能清晰地把弹簧上每一支点的振动情况以及各支点间的疏密关系非常清晰地表现出来．这样学生不仅对实验的原理、仪器结构及实验方法的理解可以达到实际实验难以实现的效果，而且能达到培养动手能力，学习实验技能，深化物理知识的目的，增强学生对物理实验的兴趣，提高物理实验教学水平．

1.3 创造理想的教学环境，突破传统实验对“时、空”的限制

大多数的物理实验现象都具有时间性，或者是转瞬即逝，或者是非常漫长，学生很难观察到．利用虚拟现实技术，这一系列的问题就迎刃而解了．例如，在讲授热力学中的宇宙膨胀这一部分的内容时，利用虚拟现实技术能让学生在一节课的时间里非常逼真地观察到这些实验现象；在解释一些基本粒子——电子、中子、质子这部分内容的时候，过多的抽象语言解释会使学生理解起来很困难，利用虚拟实验教学，教师就可以陪学生一起经历虚拟环境，观察一些关键性的问题，还能让学生“深入其中”进行详细观察已获得第一手的概念和知识．通过这样的学习方式，那些原本抽象、枯燥难懂的知识就会以非常生动的形式表达出来，大大提高了学生的理解能力和掌握能力．

1.4 易于进行自主实验设计，提高创新能力

传统电子技术实验中，学生不熟悉电路连接时，极易接错电路，造成元器件及测试仪器的损坏．设备也容易磨损老化，需要定期更新和增减，这需要相当高的教学成本．虚拟技术提供近似真实的实验操作环境，学生不但可以快速完成教学计划规定的实验内容，而且可以进行自主创新实验．例如，要设计一块印刷电路板，指导教师只规定基础模块和功能结果，至于学生用什么解决方案，设计思维以及集成电路的选择完全由学生自己设计．学生从设计电路图到电路调试、优化、直到电路板的生成需要经过相当一段时间的尝试，要充分考虑接地和屏蔽正确结合、抑制反射干扰、器件排列方式、热设计等方面的内容．需要经过不断地验证、不断修改自己的设计电路．在设计过程中难免会导致元器件或测试仪器的损坏，有些精密仪器还比较昂贵．因此学生会有所顾虑，不敢放手去做，创造性思维受到限制．利用虚拟实验平台，学生可以免去这些后顾之忧，随心所欲、大胆创新．这不仅能提高学生的专业知识水平，激发学习兴趣，更能培养学生的自主创新能力，使过去空洞的“纸上谈兵”真正转化为学生的实际动手能力，有利于复合型人才的培养．

1.5 有助于教育资源的共享和实现跨区域教学

虚拟实验技术还可以运用于远程项目合作，创建共享合作空间．教师可以在不同地点上网组织各种实时或非实时的分布式教学，回答学生问题，批改实验报告等．学生可以根据自己的时间安排通过校园网或在家中上网接受教师指导，完成各项实验内容，并上交实验报告．目前在这方面比较成功的有：美国巴尔的摩约翰霍普金斯大学化学工程系的Michael Karweit教授在Web上建立了一个虚拟实验室，为刚开始学习科学和工程学的学生进行实验介绍；中央科技大学和广播电视大学都已经各自开发了网上使用的大学物理仿真实验．这些都是值得借鉴的例子．

2 虚拟实验平台的构建

2.1 基本设计思想

（1）学生在已建立的虚拟实验环境中完成基本的电工电子实验，掌握用虚拟仪器代替传统仪器来进行数据处理、观察和分析实验结果、诊断设备故障等方法．

（2）学生根据指导教师的实验要求，自行设计实验面板进行实验，输出结果，进行实时分析．

（3）增加综合性实验．学生自主选题、制订方案、设计实验，培养学生的科研创新能力．