初中物理的虚拟实验

初中物理的虚拟实验（精选11篇）

初中物理的虚拟实验 篇1

一引言

为了贯彻基础教育改革, 教育部制定了《全日制义务教育物理课程标准 (实验稿) 》。从《全日制义务教育物理课程标准 (实验稿) 》的基本理念中可以看出, 注重全民素质的培养并且要求教学中有真实的情境, 有科学探究的环节, 有多种学习方式, 有评价反馈。这对于传统的教学资源来讲无疑是一个挑战, 而利用信息技术的虚拟实验资源, 构建新型的教学模式, 可以弥补常规教学的不足。

二初中物理实验教学的现状

物理学是一门实验科学, 物理实验不仅是物理学发展的基本动力, 还是物理教学的主要内容、方法和手段。物理实验的主要目的是给学生学习物理创造一个良好的学习环境, 使学生能主动地获取物理知识, 掌握学习的方法, 培养实验能力, 形成科学的品质。传统的物理教学以学生掌握和巩固知识为目的, 对实验在知识、能力、方法、情感态度与价值观等综合科学素质教育中的重要作用认识不足, 因此实验教学基本上以教师为中心。演示实验主要是教师做、学生看;分组实验则让学生按教师设计好的方案进行, 缺乏独立思考和创造性活动。而按照新的课程理念, 演示实验应该重视学生参与, 随堂实验、学生分组实验则要尽量采用探究式, 让学生真正进入科学研究的状态, 扮演研究者的角色。这就要求实验不能只限于教科书规定的有限几个, 而是要根据探究活动的需要, 让学生尽可能多地进行实验活动;学生可以尝试自己设计实验、选择仪器、收集数据、归纳并总结规律。但是在真正的物理实验教学中, 按照新课程理念开展实验却存在多方面的困难, 如实验设备资源紧缺, 实验室资源更新换代慢等现状, 很难满足新课标的要求。

信息技术与物理实验教学整合, 可利用视听资料、网络资源等加强实验教学与社会、生活、科学技术之间的联系, 信息技术的交互性和超文本链接优势, 又为“师生互动”提供了可靠的保证。在实验的不同环节, 信息技术都可发挥独特的作用:在观察环节大大扩展实验的可视性和可重复性, 在数据采集环节使物理量的测量不但简单方便, 而且精度高, 在数据分析环节则让学生从机械、繁琐的数据处理过程中解脱出来, 投入更有创造力的方面。因此, 借助信息技术的优势可以实现物理实验教学的新要求。

三虚拟实验简介

虚拟实验是以现代教育理论为指导, 以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托, 而建立的一种新型实验教学系统。虚拟实验利用计算机技术来实现各种虚拟实验环境, 实验者以交互的方式进行实验操作, 可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目, 最大限度地模拟真实实验的场景, 并提供与实际实验的操作方法相类似的实践体验。作为传统实验教学的一种有效的补充, 虚拟实验教学已经成为加强实践教学, 提高教学质量的重要手段, 它不仅可以在一定程度上代替传统的实验教学, 而且可以克服传统实验的各种制约和弊端, 从而有效地解决目前实验教学中存在的诸多问题, 达到优化教育资源、提高教学质量的目的。

虚拟实验概念的提出至今仅十几年, 但因其诱人的应用前景, 各国均在大力开发, 已经取得了一些进展。目前国内外开发的虚拟实验平台主要有两种:一种是演示实验, 另一种是探究实验。演示实验主要是用来给学生演示一些实验现象, 一般不需要学生动手控制;而探究实验则要求学生进行多方面探究性学习, 一般都需要学生动手控制, 对于让学生经历科学探究过程, 学习科学研究方法, 培养学生的探索精神、实践能力以及创新意识等方面有其独特的优势。

四结束语

目前, 初中物理虚拟实验平台已在全国部分中学开始使用, 笔者也深入了解了物理实验课堂调研物理虚拟实验平台的使用情况, 调研结果表明, 该实验平台的使用效果还不错, 基本实现了研发时的预期目标。当然在学生使用的过程中也发现一些问题, 我们和合作学校开展了长期合作, 会不断地完善虚拟实验平台的功能, 以期待最大限度地提高实验课的教学质量。

虚拟实验是对真实实验的模拟, 在很大程度上改善了真实实验设备硬件不足的现状。但是虚拟实验绝对不能完全取代真实实验, 因为学生在真实实验中可以锻炼自己的动手操作能力, 而这正是虚拟实验所没有的。因此, 在物理实验教学中, 虚拟实验应以真实实验为依托, 真实实验也应以虚拟实验为手段和辅佐, 做到虚中有实、实借助虚, 使虚拟实验与真实实验在实现物理实验教学目的方面相得益彰、优势互补。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部制定.全日制义务教育物理课程标准 (实验稿) [M].北京:北京师范大学出版社, 2001

[2]廖伯琴、张大昌.全日制义务教育物理课程标准 (实验稿) 解读[M].武汉:湖北教育出版社, 2002

[3]虚拟实验室国内外研究的状况[EB/OL].http://www.cgtiger.com/news/552.html, 2009-07-06

初中物理的虚拟实验 篇2

通过网络多媒体工具建立网络虚拟实验室,克服传统物理化学实验教学时间少,实验设备不足的现状;提高学生的创造能力,有利于实验教学质量的提高,真正实现物理化学实验教学的全部目标。

[关键词] 物理化学实验 虚拟实验室 学生

物理化学实验是一门理论和实践性很强的基础实验课程,与其它化学实验课程(无机化学实验、分析化学实验、有机化学实验)相比,其实验内容更侧重于定量地解释化学过程的规律,实验手段基本是采用各种各样的实验仪器,涉及到热、电、光、声、磁等物理方面的内容较多,这要求学生掌握一些仪器的操作,同时更注重培养学生解决问题时的研究方法和思路。

该课程的特点决定了其在培养学生实验基本技能、独立操作能力、综合实验能力以及创新能力方面的特殊意义。

相对于其它化学实验来说,物理化学实验显得更为抽象和复杂。

近年来,各种先进的物理化学研究手段和仪器设备发展迅速,尤其是计算机技术的发展使物理化学实验技术的更新逐年增大,但目前物理化学实验内容大多仍在沿用经典教材。

这直接导致目前物理化学实验教学中普遍存在如下的问题:

1.学生操作仪器时间较少

物化实验的特点是使用电子仪器多,而前几门化学实验课大多用玻璃仪器,所以学生对所使用仪器陌生;在预习实验中,学生仅在教材中看到仪器的草图,对仪器的整体构造,没有大致了解;而且相当大部分的仪器只在一个实验中使用,在反复压缩课时的情况下,实验时间又少,实验拖堂是无法避免的问题。

尽管教师延长教学时间,但使学生在有限的实验时间内,熟练掌握所用的各种仪器仍是难题。

因此物化实验普遍存在学生不能熟练掌握所用仪器。

2.实验仪器不足

物理化学实验大都需要使用比较精密的仪器,价格比较昂贵,因此仪器的数量就受到了一定的限制,一些大型仪器只能多人组开设,使部分学生动手机会少;有些实验因为仪器价格太高,在教学中只能选择放弃,这都影响了实验教学效果。

3.实验教学形式单一

物理化学实验教学模式通常是学生预习,教师现场讲解,学生再进行实验。

学生在整个实验过程没有发挥主体作用,缺乏学习的主动性和积极性,对实验课不重视,教学效果差, 达不到实验教学的目的。

4.物理化学理论教学内容与实验内容不同步

物理化学实验教学中, 普遍存在教学内容落后于实验内容的情况。

学生还没有学到相关方面的基础理论知识, 就要开始这方面的实验, 学生要在不知道实验理论基础、没见过实验仪器的情况下完成实验。

这样做既不利于学生实验思维能力的提高, 也不能激发学生的积极性和创造性, 更不能将所学理论知识通过实验进一步消化理解。

正是由于这些问题的存在制约了物理化学实验的教学。

基于此,构建现代物理化学实验教学新体系势在必行,我们提出了虚拟物理化学实验室的的课程教学计划。

该课程计划的目的是通过网络多媒体工具与建立网络虚拟实验室,使学生能在实际操作之外更多地学习和巩固物理化学实验的相关理论和操作;克服传统物理化学实验教学时间少, 缓解实验设备不足的现状;提高学生的创造能力,使学生获得了更多的实验信息,从而有利于实验教学质量的提高,真正实现物理化学实验教学的全部目标。

该课程教学计划包括:(1)修订完善编制的物化教材与网上教学资料;(2)根据本校实验仪器录制实验教学片;(3)制作部分仿真实验;(4)开设开放性实验。

1.全新的物理化学实验教材

现有物理化学实验教材的编写通常是依据编者所在单位的仪器设备条件而定的,而我院实验室的实际仪器装备条件不可能与其完全一致。

而且随着科技的进步,新型设备的不断引入,也会出现部分实验步骤不一致的情况。

目前,我们已经编制适合现代物理化学实验仪器的实验教材。

该教材的电子版可以在网站上浏览,更与利于学生的自学,同时可以根据实验设备的更新而同步更新。

该教材更新的主要部分有:(1)计算机辅助开放性的物理化学实验,有燃烧热,熔解热,金属二元相图,凝固点降低法测物质的摩尔质量。

在整个实验过程中,利用计算机进行实验记录和数据处理。

修订了原有的实验操作步骤使之与新设备吻合。

(2)增加了分子结构的构建与模拟实验。

利用免费的分子模拟软件以及我院购买版权的量子化学软件,增加了小分子分子结构的设计以及分子轨道、振动频率、偶极距等计算。

使学生一方面对分子的结构有直观的认识,进而对物质结构方面实验有一些理论上的了解;另一方面,可以让学生对物理化学科学前沿的发展有一个简单的了解。

(3)针对不同专业方向的设计实验,例如燃烧热实验,化工专业可以选择化工产品,食品专业可以选择食物。

解决了实验内容的更新慢而且与专业联系不足的缺点。

2.利用新设备制作操作实验录像

利用实验室近几年更新的计算机控制处理的实验设备,重新录制比较标准的实验教学录像片。

该教学片系统地讲授物理化学实验技术以及每个实验的实验原理、具体的操作步骤、正确的实验现象。

学生在实验前通过观看教学录像,了解所用实验仪器的原理和操作方法、实验中的现象,使学生在进入实验室后,能在有限的`实验教学时间内,熟悉所用仪器,加深对物理化学研究方法的了解,拓宽学生知识面,增强学生学习兴趣,完善学生的知识结构,全面理解实验的各个步骤,进而熟练的进行实验操作。

同时可以在某种程度上缓解实验设备不足的现状。

3.多媒体与虚拟仿真实验

把一些验证性的实验和设备价值较高无法开设的实验改成仿真摸拟实验, 帮助理解物化理论知识, 使学生对物化实验及仪器使用有一个感性认识。

可以通过校园网络, 开设实验教学网站,制作仿真实验软件, 让学生能根据理论课进度, 进行模拟仿真实验, 这样, 提高了学生对理论课知识的理解和对实验的兴趣,还可为学生提供现有的各种仪器的工作原理和使用说明, 使他们通过网络熟悉仪器, 产生感性认识, 为必修实验打下基础。

同时,生活生产中与物理化学实验相关的材料也可以以多媒体的形式挂在网站上,开阔学生的眼界。

通过仿真模拟实验, 实现了物理化学实验的第一层次要求, 既使学生对物化实验产生了兴趣, 又使学生获得了更多的实验信息, 从而有利于实验教学质量的提高。

4.开设开放性实验

在学生有了一定的实验操作动手能力、调动起了学习积极性的基础上,可以进行开放性实验探讨。

开设开放性大多为具有一定深度和前沿性的小课题或直接参与老师的科研项目,学生自己查阅相关资料、设计实验方案, 确定实验内容和实验时间,自己动手做一切与实验相关的工作。

以学生为主体的开放性实验, 学生自主学习, 独立思考, 自由发挥, 从而激发学生的创造性思维和探索精神, 培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力,实验室与实验设备也得到充分利用,学生通过对实验结果的检测, 使用到大型的精密仪器设备, 学以致用, 更进一步激发学生对实验的兴趣。

整个课程教学改革计划四部分内容是一个有机的整体,学生学习物理化学实验的步骤按照:实验教材中的实验→对应的实验录像→多媒体与虚拟仿真实验→实验室操作,开放性实验则是最后的检验环节。

该计划可以一方面解决目前物理化学实验教学中普遍存在的多种问题,全面实现物理化学实验教学目的;另一方面可以在有限的实验教学时间内,扩大学生的知识面,使学生了解物理化学实验与实际生产的联系,激发学生们的求知欲望和探索精神, 提高了学生的创造能力。

结论:

该课程计划首次把多媒体技术,电影,虚拟仿真技术联合应用到物理化学实验教学上,构建一个完整的虚拟物理化学实验室。

其目的是使学生能掌握物理化学实验的基本方法和技能,从而能根据所学原理设计实验,选择和使用仪器,培养动手能力,锻炼学生的观察能力,正确记录数据、处理数据、分析实验结果的能力,培养学生的创新精神以及严肃认真、事实求是的科学态度和作风。

其特色和创新之处在于:

1.多媒体技术+电影+仿真技术有机结合的虚拟实验室。

可以更新的电子版实验书以及相关的多媒体资料,使学生了解原理的同时开阔眼界,标准的实验录像使学生对实验有一个直观的了解,易于掌握实验的标准化操作。

仿真实验使学生利用电脑模拟真实环境,并根据真实环境中的理论和实际操作情况在虚拟的环境中进行操作、验证、设计、运行。

在此基础上,学生进入实验室进行操作。

优点:投资小,收效高;维护简单,更新方便;资源丰富,适用面广;提高设备利用效率,使用灵活;利于学生自主学习,提高学习效率。

2.真正的开放性实验。

虚拟实验室的建立不仅节省了学生的学习时间,节约了设备的投入,关键是培养了学生自己学习设计实验,选择和使用仪器和进行开放性实验的能力。

参考文献:

[1]张西亚.浅谈物理化学实验教学改革的必要性.石油化工应用.,27(5):119-120.

[2]刘弋潞,胡晓洪,梁舒萍.建现代物理化学实验教学新体系.实验室研究与探索,2009,28(4):133-136.

[3]邓型深.改革物理化学实验教学,提高学生的创造能力.实验室科学,2008,(6):30-31.

[4]过家好,陈俊明.物理化学实验教学的探索与改革.广州化工,2009,37(5):232-234.

[5]李茂莲,郑韵英,陆来仙.论物理化学实验的开放式教学与学生能力拓展.钦州学院学报,2008,23(6):75-77.

[6]石海信.物理化学实验开放式研究性教学模式的研究与探索[J].广东化工,2008,35(4):119-122.

[7]金为群等.物理化学实验课开设综合性设计性实验的探索[J].高教研究与实践,,(3):23-24.

初中物理的虚拟实验 篇3

关键词：虚拟实验；实验教学；教学效率

物理是一门以实验为基础的学科，其知识的产生、定理的形成都是在大量实验的基础上得出的，实验在整个物理体系中处于重要的地位，因此，实验是物理教学活动中一个至关重要的过程，它对于培养学生的实际操作能力和解决问题能力发挥着重要的作用。在初中物理教学中，运用虚拟实验是现代科技迅猛发展下教育信息化的产物，是深化物理教学改革的必要趋势，是激发学生学习兴趣、提高实验教学效率的重要手段。

一、虚拟实验常见的两种形式

（一）动画演示课件

动画演示是科学技术用于教育体系最初级的表现形式，是科学技术和课程整合的最低层次，目前，很多老师都是采用这种形式和方法。老师可以使用现成的计算机辅助教学软件或者多媒体素材库，选择其中较为合适的部分用在自己的课程教学中，也可以利用PowerPoint、Flash、几何画板、Authorware等软件，综合利用各种教学素材，将实验过程或现象设计成模拟真实情况的演示文稿和多媒体课件，演示某些实验现象，动态形象地展示理论模型和实验过程，帮助学生更好地理解所学知识，从而实现常规教学无法实现的教学功能。

（二）虚拟仿真实验

虚拟仿真实验是利用计算机创建一个可视化的实验操作环境，其中的任何一个仿真物体都代表着一种实验仪器或设备，学生通过鼠标点击或者拖曳动作，来操作这些虚拟的实验仪器或设备，即可进行各种实验，从而达到与真实实验一致的教学要求和目的。虚拟仿真实验是虚拟仿真技术、计算机技术和专业理论知识多方面结合的结晶。无论是学生还是教师都可以自由、无顾虑地随时通过虚拟实验来操作仪器进行各种实验，为实验教学的改革提供条件及技术支持。

二、虚拟实验的优势

（一）降低实验成本，保证人身安全

传统的物理实验需要借助一定的实验器材来完成，大部分实验器材费用高，数量需求大，使用频率强，仪器损坏率高，造成采购与维修都需要很多的资金。但虚拟实验是通过仿真系统实现的，实现了实验器材的数字化，可以说是一次性投入，并不存在上述问题，并且可以反复同时供多人使用，这使得教学成本大大降低。另一方面，一些实验危险系数较高，如果操作失误会对操作者带来危害，抑或是一些实验本身就具有危险性，在现实条件下无法完成，这些在传统实验教学中不能完成。虚拟实验可以避免因操作失误所带来的危害，并且完成所有的实验，更加具有安全性。

（二）激发学习兴趣，实现快乐教学

想要提高教学效率，激发学生的学习兴趣至关重要。传统实验教学中教学手段单一，教学氛围枯燥，对于大部分实验是通过老师口述或者书本完成，异常单调枯燥，以至于学生的注意力不集中，思维不活跃。即便一些实验可以真实实践，也并不能激发学生的学习热情。但虚拟实验以计算机与互联网技术为基础，将学生带入全新的仿真系统中，唯美的画面、绚丽的色彩、鲜艳的文字、动听的音乐，带给学生强烈的感官冲击，使得实验更加生动形象，富有趣味性，能吸引学生的注意力，激活学生的思维，激发学生强烈的学习兴趣。这样使得学生不再是被动地机械灌输知识，而是主动积极地参与，从而向有效的实验教学迈出了坚实的一步。

（三）实现各种实验，引导学生探索

物理实验作为重要的教学内容，同时也是主要的研究方法与学习手段。但传统的实验教学中受各种因素的制约，并不能完成所有的实验，不利于突破教学的重、难点，但通过虚拟实验可以有效弥补这些不足。如，在教学“马德堡半球实验”时，教师可以通过抽掉合在一起的两个马德堡半球里面的空气后无法拉开来证明大气压强的存在，学生对此并没有概念。为此，教师可以运用虚拟实验，向学生真实地再现300多年前的马德堡半球实验，将两边的马匹由3匹增加到6匹、12匹、24匹，并配以相应的背景音乐，直至将两个半球分开。通过这样声情并茂的模拟实验，将学生带入真实的实验场景之中，可以使学生真切地感受大气压强的存在与巨大。此时对马德堡半球实验进行全面而细致的剖析与讲解，这样使得学生对于大气压强这一节知识的理解更为深刻，从而有效地突出了重点，突破了难点，这正是传统实验教学所难以取得的效果。

参考文献：

李琨.虚拟实验室在中学物理实验中的应用[J].中国教育技术装备，2012（6）.

初中物理的虚拟实验 篇4

1.认知主义学习理论

认知主义学习理论把学习看作对信息进行主动选择和理解的过程, 认为人的认知过程实际上是一个信息加工过程, 知识不是由外界刺激直接给予的, 而是外界刺激和认知主体内部心理过程相互作用的结果。采用三维虚拟实验进行教学, 认知对象从传统的与现实世界打交道, 变成与虚拟世界进行交互, 从而产生了一种新的认知方式。因此设计三维虚拟实验时, 必须从学生的认知心理出发, 注重学生的具体经验和对情境的了解, 使学习者新旧知识之间的同化能顺利完成, 最终促进自己的认知发展。

2.情境学习理论

情境学习理论认为, 特定的知识应该在特定的情境中去学习, 学习是一个社会性过程, 知识在这个过程中由学习者与周围环境相互作用共同构建。情境学习理论强调学习者应经历社会真实情境, 通过实际活动使其在真实情境中学习知识、技能和策略, 对知识做合理的解释并能灵活运用知识。因此, 设计三维虚拟实验时, 必须创设实验过程所需要的各种情境, 为学生主动探究提供环境支撑。

3.建构主义学习理论

建构主义认为, 学习是建构内在心理表征的过程, 学习者以已有的经验为基础, 通过与外界的相互作用来建构新的理解, 学习者知识的获得是个体与外部环境交互的结果。因此, 设计三维虚拟实验时, 必须提供灵活的交互方式, 同时为学习者提供丰富的资源和工具, 方便学生进行科学的探究活动, 有效建构自己的知识。

中学物理探究性三维虚拟实验设计

1.设计原则

直观性:三维虚拟实验设计要为学习者提供逼真的实验环境, 增加学生者亲身体验的经历。由于操作步骤复杂、观测过程漫长、实验仪器昂贵等原因而无法完成的实验要逼真模拟, 实验现象抽象和微观的就要突破时空限制转变为直观呈现, 实验过程不能及时控制的要设计关键现象模拟情境, 使学习者在虚拟环境下, 便于观察物理现象, 更好地理解和掌握实验原理。

交互性:三维虚拟实验设计要为学习者提供更多交互的环节和实时的反馈, 方便学习者选择实验设备、操作实验仪器、设置实验条件、改变实验参数。使学习者在虚拟环境下, 按照自己的学习特征、学习进度和学习方式进行主动探究。

开放性:三维虚拟实验设计要为学习者提供可以自主设计实验的学习资源和工具, 使学习者能够按照自己的兴趣自由地设计实验方案、演示实验效果, 并提供及时的反馈。

趣味性:三维虚拟实验设计要为学习者提供能够激发好奇心和求知欲的实验过程和现象, 能够吸引学生的注意力, 给学习者悦趣的体验, 激发其学习物理的兴趣。

2.设计过程

(1) 实验类型和主题的设计

按照实验内容分为:声音类、光学类、电路类、电磁类、理学类、能量类。本研究从众多实验中选择了部分实验进行开发仿真, 具体包括真实实验中不易观察的实验、真实实验中不易控制的实验两类。

(2) 虚拟实验模块设计

探究性三维虚拟实验共包括实验介绍、实验操作、实验提示、实验评价四个模块。其中, 实验介绍包括仪器介绍和内容介绍。仪器介绍阐述虚拟实验中用到的关键仪器的功能、使用方法等。内容介绍阐述实验目的、实验原理等;实验操作是虚拟实验的核心部分, 通过分析该阶段学生的认知结构, 设计交互式的用户界面和探究性实验环节, 学生根据实验原理和步骤, 在三维虚拟实验场景中对相关实验仪器进行操作, 完成实验;实验提示是指对实验中容易出错的地方为学生提供必要的帮助;实验评价是根据具体的实验要求, 对学生的实验操作结果进行评价。

中学物理探究性三维虚拟实验的实现

1.主要开发工具的选择

探究性三维虚拟实验的实现主要包括虚拟实验场景、各种实验仪器设备的三维建模, 以及提供探究活动的虚拟现实交互体验的开发, 用到的开发工具主要包括三维建模工具3ds Max和虚拟现实开发工具Unity 3D。

(1) 3ds Max

3ds Max是Autodesk公司开发的基于PC的三维动画制作、编辑、播放与三维建模和渲染软件。它具有易于使用、功能强大、性价比高等优点, 是许多个人和公司用户首选的三维建模与动画软件。3ds Max被广泛应用于广告、影视、游戏开发、计算机艺术、角色动画、工业设计和辅助教学等诸多领域。

(2) Unity 3D

U n i t y 3 D是由U n i t y Technologies公司推出的一款强大的3D跨平台游戏引擎, 包括图形、光照、音频、渲染、物理和网络等多方面的引擎支持, 目前已不仅仅局限于游戏开发, 而成为强大的综合性虚拟现实开发工具, 在虚拟漫游与实时设计、虚拟现实交互体验、人体数字化展示等领域都得到有效应用。

2.开发流程

三维虚拟实验的开发步骤为:①三维虚拟实验场景、实验仪器的建模;②分析学生的心理和认知结构, 设计探究环节;③设计交互界面, 实现实验的交互操作;④测试虚拟实验, 进行调试和优化;⑤发布虚拟实验。

3.探究性三维虚拟实验的开发

(1) 实例1:布朗运动

①实验设计思路:布朗运动是由微观分子间做无规则运动而形成的。在现实生活中, 难于操作, 不易观察, 只有借助显微镜才能观察, 使得学生缺乏创造力和空间想象力。而在三维虚拟实验中可以克服这些不足, 利用Unity 3D提供的物理引擎, 可以很好地模拟微观分子的无规则运动。本实验通过设计交互式的界面接口, 使学生可以通过控制温度变化或调整微观分子大小, 模拟微观分子的运动变化情况, 从而使实验者更好地理解布朗运动。

②虚拟实验场景和实验器材的三维建模。实验采用3ds Max对三维仿真实验中用到的模型进行构建, 主要包括实验桌、实验仪器, 实验主界面如下页图1所示。

③虚拟仿真实验的实现。本实验提供了两个观察角度, 即宏观和微观, 宏观角度用来展示实验前的状况;微观角度用来展示微观粒子的运动状况, 通过使用摄像机效果, 使得观察者能够清晰地看到微观世界中分子的无规则运动情况, 实验操作界面如下页图2所示。

下面详细介绍微观角度下实验的实现过程。首先, 学生点击微观按钮后, 摄像机被激活显示, 同时向液体分子拉近, 这时出现图2所示的界面, 屏幕下方出现对应的滑动条用于控制条件, 一种是温度变化, 一种是分子大小变化。这里用到了NGUI插件里的Tween Position动画。其次, 液体分子的无规则运动模拟是用Unity自带的碰撞检测函数来实现的。当分子之间相互碰撞时, 会触发自身的碰撞检测, 从而受到一个反向作用力被反弹回去。当多个分子发生碰撞时, 它们的运动就会变得毫无规律, 从而形成了无规则运动。

(2) 实例2:光的反射与折射

①实验设计思路:光的反射与折射定律探究的是光从一种介质照射到另一种介质时发生传播方向改变的光学现象。在现实生活中, 为了确保实验的准确性和灵活性, 特别要保证三线共面, 需要实验操作细致, 入射角、反射角、折射角的测量也很费时, 且不易控制。而在三维虚拟仿真实验中可以克服这些不足, 利用Unity 3D可以很好地模拟光线的反射、折射现象, 以及入射角、反射角、折射角之间的关系。

②虚拟实验场景和实验器材的三维建模。本实验采用3ds Max对三维仿真实验中用到的模型进行构建, 主要实验仪器如图3所示。

③虚拟仿真实验的实现。本实验用来展示入射角变化时, 反射角、折射角的变化情况, 通过圆盘上的刻度标定, 能够随时读出确切的值, 实验者能够清晰地看到入射角、反射角、折射角的关系, 实验操作界面如图4所示。

结束语

新技术、新媒体的发展对传统教育教学改革具有推动作用, 利用虚拟现实技术设计并实现初中物理探究性三维虚拟实验, 能够有效改进传统中学物理实验教学的不足, 为学生进一步理解基本概念、掌握实验规律和实验原理, 提供了主动探究的环境, 对学生创新思维的培养具有重要价值, 对探索信息技术环境下中学实验教学新方法具有重要意义。

摘要：研究通过分析中学物理实验传统教学中存在的不足, 提出了利用虚拟现实技术设计并实现探究性三维虚拟实验, 解决传统实验教学存在的实验设备不全、实验环境受限、实验过程缺乏创造性等问题, 同时讨论了探究性三维虚拟实验设计的理论基础、设计原则和过程、实现技术与方法, 并通过案例进行了详细阐述。

关键词：探究性,三维虚拟实验

参考文献

[1]马发挥, 李献业, 钟永江, 陈红珍.初中物理虚拟实验室教学模式研究[J].中国信息技术教育, 2010 (9) :48-50.

[2]姬洪强.《现代教育技术》虚拟实验室的设计与实现[D].金华:浙江师范大学, 2009.

[3]张秀敏.仿真实验室在初中物理虚拟实验中的应用[J].中国教育技术装备, 2015 (11) :158-159.

[4]张林誉.初中物理虚拟试验系统的设计与实现[D].武汉:华中师范大学, 2013.

[5]徐一帆.基于虚拟现实的中学物理仿真实验的设计与实现[D].长沙:湖南大学, 2013.

[6]单美贤.虚拟试验系统的分类研究[J].现代教育技术, 2011, 21 (10) :117-120.

[7]白伟洁.高中物理探究性虚拟实验的教学实践应用研究[D].兰州:西北师范大学, 2014.

初中物理的虚拟实验 篇5

摘要：

物理学是理工科类学生必修的一门重要的基础课程， 而大学物理实验是辅助大学物理教学的重要手段之一。基于传统物理实验不便于搬入课堂这一缺点， 讨论了虚拟仿真实验和传统课堂结合的可能性。基于MATLAB软件作为开发平台， 可以在课堂上以虚拟仿真实验为基础介绍大学物理理论， 使得枯燥的理论知识形象直观， 可以激发学生的学习兴趣， 从而提高大学物理课程的教学质量。

关键词：

大学物理; 虚拟仿真; 物理实验;

物理学的基本理论渗透在自然科学各个领域， 应用于生产技术的许多部门， 是其他自然科学和工程技术的基础[1]。物理学不仅仅是一门自然科学， 也是一门实验科学， 这就要求物理学要以实验为依据， 同时也要接受实验的检验[2]。物理实验能够直观形象的展示物理现象和物理规律， 是辅助教学的重要手段， 对于大学物理的理论教学具有重要的意义。

但是传统的物理实验由于受到实验空间和实验仪器设备等教学资源的限制， 不适合搬入到理论课堂中。随着计算机网络技术的普及和发展， 虚拟仿真技术已经被广泛应用于各种实验教学中[3]， 现在各个高校的多媒体教学方式的普及， 将虚拟仿真实验引入到理论教学中， 不仅能激发学生的好奇心和求知欲， 还能提高学生的自主创新能力和学习的能动性。

1 虚拟仿真实验概述

大学物理虚拟仿真实验是选取了一个物理系统或者抽象系统的一些特性， 再使用另外一种方法来表现它们的特性的过程[4]。

随着计算机技术的发展， 现在有很多的.软件可以实现虚拟仿真实验的设计， 例如MATLAB软件， 可以实现很多光学现象等的虚拟仿真;LAB―VIEW软件功能比较强大， 在虚拟仪器构建方面能力较强， 主要被应用在物理虚拟设备方面;或者采用FLASH技术或者3D MAX技术[5]， 都具有较强的人机互动性能。特别是FLASH技术， 可以采用IE的内嵌技术使得FLASH发布的相关作品可以直接通过网络进行播放， 实现物理实验的一些动画设计。其中MATLAB软件功能最为强大， 它不仅仅可以用来处理一些图像， 对于数据处理方面的表现也非常好， 是各大高校使用率较高的软件之一， 所以这里以MATLAB软件为例， 介绍大学物理中虚拟仿真做实验的制作方法。

由于物理理论各个部分特点不同， 所以在使用演示实验配合大学物理教学过程中， 也应该根据工具软件的特点， 制作出相应的虚拟仿真实验， 保证仿真实验能够在大学物理理论教学过程中能有较好的效果。

2 MATLAB制作仿真软件

MATLAB软件是由美国Math Works公司推出的一套具备高性能的数值计算和可视化软件。由于MATLAB可以将矩阵运算、图形显示、信号处理以及数值分析集于一体， 构造出的用户环境使用方便、界面友好， 因此MATLAB受到众多科研工作者的欢迎[6]。

2。1 衍射仿真实验

以大学物理中波动光学的内容为例， 基于各种衍射现象的理论， 借助惠更斯―菲涅尔原理， 使用MATLAB软件， 并且基于该软件内嵌的GUI技术， 设计出的夫琅禾费衍射仿真系统界面如图1所示。在仿真系统中， 学生可以根据需要先选择衍射类型， 然后输入合适的参数， 最后点击执行仿真按钮， 即可查看需要的衍射结果。

例如在上图中选择矩孔衍射， 输入各个参数的具体数值， 最后点击执行仿真按钮， 宽度和长度均为0。5mm的矩孔仿真结果。

2。2 振动系统仿真实验

若以大学物理中振动波动的内容为例， 基于各种情况下的多振动合成理论， 使用同样的方法， 也可以设计出基于GUI的振动合成系统， 设计好的振动合成系统界面。

用户可以根据需要选择待合成振动的数目和合成模式， 再输入分振动的各个参数， 如果输入有误， 还可以通过点击数据清空按钮重新输入， 若无误， 可直接点击合成按钮。

若选择合振动个数3个， 模式为同方向， 再分别输入三路振动参数如图3所示， 最后点击合成按钮， 合成结果如图4所示。

3 课堂上使用仿真实验系统

使用各种软件设计好了虚拟仿真实验系统以后， 利用各大高校已经建设好的多媒体教学设备， 可以将MATLAB设计好的各种仿真实验系统移植到课堂教学的计算机中， 由讲授教师在课堂中操作， 并在授课的同时， 演示给学生， 可以大大激发学生在课堂上的学习积极性。学生边学习物理理论知识， 边在仿真实验现象的基础上， 使用学习到的理论去分析该现象的产生原因和产生过程， 提高学生的创造性思维能力和实践动手能力。除此之外， 还可以由学生按自己的想法修改仿真实验的一些数据， 自行总结出条件改变之后， 仿真实验结果的改变规律。

也可以将虚拟仿真实验系统通过在线教学的模式上传至相应的教学网站， 由学生在课前预习， 或者课后复习的时候自行操作。

4 结语

物理学是一门实验科学， 大学物理的理论教学是离不开物理实验教学的， 所以物理的演示教学在课堂教学中也是必不可少的重要手段， 通过课堂的演示实验， 可以使具体的物理理论形象化， 枯燥的课堂气氛活跃化。但是基于传统物理实验的一些局限性， 使用虚拟仿真实验代替传统实验是非常有效的一个手段。它既可以帮助学生理解和掌握物理的理论知识， 还可以提高学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。

可以看出， 使用MATLAB软件作为仿真平台， 基于GUI技术设计出的大学物理虚拟仿真实验， 可以在课堂上利用现代化多媒体教学技术， 形象生动直观的给学生们展示出各种不同的物理现象， 使得不具备MATLAB技术的学生也可以轻松掌握， 并可将理论和实际现象结合起来， 激发学生的学习兴趣， 达到加深理解的目的。

参考文献

[1]麻华丽， 霍瑞娜， 曾凡光。提高《大学物理》教学质量探讨[J]。管理工程师， (1) ：68―70。

[2]王金玉， 赵言诚， 孙秋华， 等。浅谈演示实验在大学物理教学中的作用[J]。教育教学论坛， (5) ：208―209。

[3]肖瑞， 刘敏。大学物理演示实验室的扩大建设与管理[J]。实验室科学， 2018 (2) ：184―186。

[4]刘丹， 张进， 于晓燕， 等。大学物理实验中仿真实验研究[J]。贵阳学院学报 (自然科学版) ， (4) ：15―22。

[5]武艳玲。基于Flash技术的虚拟近代物理实验研究[J]。西安文理学院学报 (自然科学版) ， 2018 (4) ：21―24。

初中物理的虚拟实验 篇6

【关键词】虚拟现实技术;虚拟实验;物理实验;初中;应用

初中物理课程的教学离不开实验，实验和理论是构成物理课程的两大重要部分，在教授学生物质知识的同时，提高其实践动手操作能力，实验也是初中物理教学的重要手段。通过实验，给学生创设物理知识的环境，提高学生学习物理课程的积极性，这也是中学物理新课改的要求。将虚拟现实技术运用到物理教学中可以摆脱实验受到时间和空间的限制，解决学校实验器材等问题。

一、虚拟现实技术在初中物理实验中的重要性

通过搭建虚拟现实技术平台能够给初中生学习物理创建良好的环境，摆脱时间和空间的限制，在开放式的实验环境，学生们可以自己选择实验要求，实验主题选择合适的仪器精心实验，改变了传统的教师灌输式教学手段，最大程度发挥学生的潜力。

第一，节约成本。初中学校一般办学规模比较小，资金有限，很多实验器材更新缓慢，通过建立虚拟的实验室，有效降低实验室的投入，实验器材的购买和使用，降低由于操作问题导致的器材损耗。第二，提高教学效果。学生利用好计算机就可以实现实验效果，再短时间内做到预习、操作实验、处理数据、分析结果等，例如，在光学实验中，受到观测精度的限制，如果器材调节不当很难得到理想效果。第三，提高实践能力。通过虚拟现实技术，学生能够根据需要改变实验参数，实验各种因素的影响。初中实验很多都是验证性的，缺乏创造性，运用虚拟实验可以创造性地改变实验过程，真正在短时间实践自己的实验，提高学生的创造性思维。

二、虚拟现实技术在物理实验中的应用

1.在演示型实验中的应用

演示型实验是物理教师常用的手段，通过演示可以引起初中生的兴趣，激发学生的探究兴趣，但是演示型实验在很大程度上受到实验室的限制，对实验环境要求比较高，例如，在演示光的反射时，一旦有条件不符合，那么实验可能会失败，影响物理知识的科学性，这时就可以运用虚拟现实技术，首先介绍光的基本概念，如，入射光线、反射光线等，然后建立光的反射设计模型，演示光的反射实验，然后教师可以要求学生在虚拟的实验平台上通过移动鼠标改变入射角的大小再观察光线的改变，这样能够引起学生主动探究的心理，对比入射角和反射角，得出结论，然后再有老师规范光的反射定理。

2.在探究型实验中的应用

探究型实验就是要求学生主动探究，总结实验现象所对应的规律，能够提高初中生的观察力和探究力，但是在探究的过程中会受到各方面条件的影响，导致探究结果的不准确，计划的实验过程实施受阻。运用虚拟现实技术就会保证探究实验的顺利进行。例如，在教师的指导下，探究凸透镜的成像的规律时，运用现实实验，学生很难总结成像的规律，最后只能死记硬背，运用虚拟现实技术，教师可以演示物体由远到近逐渐靠近凸透镜的过程，学生通过观察和呈现的想象总结成像的特征，提高学生创新的发散思维。然后，指导学生进行虚拟实验，使用鼠标拖动物体，由远及近，很容易操作，也便于观察，在观察的同时，做好成像的记录，总结特点，最后由教师规范成像规律。

3.在操作型实验中的应用

操作型实验就是在教师的指导下，根据已经具备的知识进行连接、安装和设计总结发现相应的规律。在实际的初中物理教学中，学生很少有机会真正进行操作，没有实现新课改的目标。借助虚拟现实技术可以提高学生操作训练的机会。例如，在研究电路短路的规律时，受到设备安全性的限制，学生基本不进行实际操作，这样不利于学生解决生活中的实际问题。教师可以首先了解电路短路的情况，通过演示展现给学生，然后指导学生在虚拟的实验平台上建立用导线连接电源两级的类似的闭合回路，通过拖动鼠标很容易实现，构成闭合电路，然后闭合开关，再观察电路现象。单击鼠标就能观察电流表串联到电路后闭合开关产生的现象。通过虚拟实验，学生可以任意实验自己的创造性想法，不会担心安全问题。

总之，物理实验的主要目的就是要求学生在掌握物理基本知识的基础上提高实验分析能力、动手操作能力及运用物理知识解决实际问题。借助虚拟现实技术，可以打破时间和空间的限制，帮助学生进行理想实验，将物理学科的科学性及严谨性体现出来，培养学生的科学精神。

参考文献：

[1]何克抗，黄荣怀.基于Internet的教育网络与21世纪的教育革新[J].计算机世界，1999，（3）

[2]喻红，何岭松，王峻峰.WWW模式的工程测试远程教学实验基地建设[J].实验技术与管理，1999，（16）

[3]宋达.虚拟现实技术在教育领域中的应用与设计[M].长春：东北师范大学出版社，2005

网络虚拟实验与物理教学 篇7

一、信息技术与物理实验教学整合, 发挥演示实验作用

通过信息技术与物理实验整合, 可以突破常规实验仪器的局限性, 所以应当充分发挥信息技术的特长, 对那些难以观察到的、复杂、困难的实验进行模拟和提供帮助, 成为常规实验的补充, 并把两者结合起来, 使实验教学上升到一个新的层次, 从而有助于学生发现规律、获得知识, 提高他们的科学文化素质和实验技能水平。

如做凸透镜成像规律实验时, 先用常规仪器按传统实验方法进行演示, 由于常规实验仪器的限制, 蜡烛在光屏上所形成的像随着物距的变化而变化的这一现象不是很明显, 致使学生对凸透镜成像的特点不甚理解, 并产生迷惑。此时如采用多媒体技术进行凸透镜成像规律模拟实验, 演示物距从无穷远至小于焦距的整个实验过程中物距、像距和像的变化的情况, 则整个模拟实验过程流畅、直观、明了, 能使学生对该实验有一个清晰完整的认识。

二、在网络技术环境支持下, 发挥学生自主探讨性实验作用

在传统物理实验室, 一方面由于怕发生意外和造成实验仪器的损失, 有许多实验室规章制度, 对学生诸多限制;另一方面由于实验环境和实验条件的限制, 实验结果往往和物理理论不一致, 甚至出现相反的数据, 这一切无不暴露出了传统实验室的弊端。

让学生在网络环境下进行虚拟实验室操作, 以自主模拟实验为基础进行多媒体教学, 则可以解决这一难题。如在上传统电学实验课时, 通常会告诉学生, 电流表的接线柱不能接错、电压表不能超过量程, 电池组不能短路。很多实验不允许学生自己操作, 这些规定无形中扼杀了学生的创造性思维, 而有些学生自主意识很强, 常常会进行一些“地下操作”, 最终损坏了仪器。要知道, 这些“破坏性”强的学生实际上往往是动手能力、创造能力强的学生。在网络环境下, 倡导学生自主探讨性实验, 既可保护仪器又能培养学生的创新能力, 并能把很多传统实验做不到的效果一一再现。学生在网络技术环境进行多媒体实验操作, 通过网上人机对话, 可以一边操作一边在网上畅游, 获取新知识, 或与其他同学交流。如果学生在网络虚拟实验室遇到问题, 就可以通过网络从其他同学那里获取相关信息, 进行讨论, 并自主观察模拟实验, 从而掌握学习成果和学习方法。

初中物理的虚拟实验 篇8

1、虚拟现实系统的技术特点

虚拟现实是近年来出现的高新技术, 也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界, 提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟, 让使用者如同身历其境一般, 可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

(1) 虚拟现实首先是一种可视化界面技术, 可以有效地建立虚拟环境, 这主要集中在两个方面, 一是虚拟环境能够精确表示物体的状态模型, 二是环境的可视化及渲染。 (2) 虚拟现实仅是计算机系统设置的一个近似客观存在的环境, 为用户提供逼真的三维视感、听感、触感和嗅感的感受。它是硬件、软件和外围设备的有机组合。 (3) 用户可通过自身的技能以6个自由度在这个仿真环境里进行交互操作。 (4) 虚拟现实的关键是传感技术。 (5) 虚拟现实离不开视觉和听觉的新型可感知动态数据库技术。可感知动态数据库技术与文字识别、图像理解、语音识别和匹配技术关系密切, 并需结合高速的动态数据库检索技术。 (6) 虚拟现实不仅是计算机图形学或计算机成像生成的一幅画面, 更重要的是人们可以通过计算机和各种人机界面与机交互, 并在精神感觉上进入环境。它需要结合人工智能, 模糊逻辑和神经元技术。

2、大学物理虚拟实验建模开发与设计存在的问题

作为新兴的技术应用在传统基础学科上的教学, 大学物理虚拟实验三维建模中存在的问题主要如下:

(1) 对建模对象的分析不足, 不了解所开发对象的特性; (2) 三维虚拟建模的开发与设计就像一个工程项目一样, 需要多人的分工与合作, 有了合理的分工, 虚拟建模工作才能有效地开展和进行; (3) 三维虚拟建模有完整的开发与设计要求, 比如, 度量单位、利用哪种建模方法, 命名等。所以, 在虚拟建模过程要使用规范的、标准的、通用的虚拟建模方式。缺乏完善的规则, 可能会造成工作的无序和混乱; (4) 虚拟建模前期未能充分考虑建模后对象所占的系统资源过高。影响建模对象的系统资源占用率的因素有很多, 其中最主要的是材质的精细度、模型的点、面数以及模型的环境效果; (5) 虚拟建模方式的不灵活, 使三维虚拟模型的升级与后续开发难度增大, 即不便于二次开发; (6) 虚拟环境 (场景) 设置不科学。实验室模型场景布置主要是指实验环境设置及仪器模型如何在实验环境中摆放的问题。如果场景布置不好, 就会影响虚拟实验场景的仿真效果。对于环境的设置, 应根据实际的实验条件来布置, 如采光、环境温度等;对于仪器模型的布置, 则应该根据实验的呈现方式和模型的仿真度要求等因素合理摆放, 以求在真实的基础上更加直观、清晰地把实验过程表现出来。

3、基于VR的三维建模的方法

不同性质物体建模有不同的方法, 常见的三维虚拟建模方法有三种, 分别是:

(1) 使用计算机描述一个系统的行为。 (2) 使用计算机以数学方法描述物体和它们之间的空间关系。例如, 计算机辅助设计 (CAD) 程序可在屏幕上生成物体, 使用方程式产生直线和形状, 依据它们相互之间及与所在的二维或三维空间的关系精确放置。 (3) 应用程序和数据建模是为应用程序确定、记录和实现数据和进程要求的过程。

4、影响大学物理虚拟实验的因素分析

三维虚拟实验是一项涉及技术与管理的工程, 所以在开发与设计过程中要科学合理地利用技术且要有经验丰富的人来引导整个虚拟实验开发的过程, 这样可以提高实验开发的效率, 降低开发的风险, 具体涉及到大学物理虚拟实验开发的因素有:

(1) 参与技术开的人是否技术熟练且经验丰富, 是否有过成功的实验项目管理的管理人员。 (2) 虚拟实验应应用前沿的、成熟的, 但非极端前沿的技术, 这样可保证虚拟实验开发的成功率。 (3) 待开发的实验项目自身的因素待开发的实验项目自身的因素主要有:实验的类型 (如:验证性实验、设计性实验、综合性实验等) 、实验的特点和实验的要求等。在开发虚拟实验过程对, 必须要对自己要开发的实验有明确的认识, 要明确这实验的实验环境、实验过程、操作特性等。 (4) 虚拟实验的开发是一项系统工程, 所以应运用正确的开发设计流程——现代软件项目开发设计, 它的标准的特性要求使用一种螺旋式的开发流程。

5、结束语

大学物理虚拟实验通过计算机把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体, 通过对实验环境的模拟, 加强学生对实验的物理思想和方法、仪器的结构及原理的理解, 并加强对仪器功能和使用方法的训练, 培养设计思考能力和比较判断能力, 可以达到实际实验难以实现的效果。

但由于虚拟物理实验只是对现实物理实验的一种模拟, 而被虚拟化仪器是一种基于软件的模拟技术, 与实际硬件系统必然存在差异, 在大学物理实验教学中具有一定的局限性。因此, 在实践教学中一定要正确处理硬件技术与虚拟仪器技术的关系。

参考文献

[1]方淑萍.虚拟仪器的开发和应用[J].现代制造技术与装备, 2010, (01) .

[2]凌锋.基于LabVIEW的网络化虚拟仪器实验与教学管理系统的设计[J].丽水学院学报, 2009, (02) .

[3]廖仕东, 徐显秋.虚拟实验教学浅谈[J].重庆科技学院学报, 2005, (03) .

初中物理的虚拟实验 篇9

关键词：虚拟仪器,实验建设,应用

物理学科的基础就是实验, 学科注重培养学生的实践动手能力, 实验教学是其中一个重要的环节, 更是学生学习质量的保证。因此实验室的建设就显得尤为重要。实验室建设的发展应该面向培养学生的的创新实践能力来进行。在当下这个无建设不发展的时代, 实验室建设就一定是要投入相当大的人力物力, 然而由于实验设备使用期限和资金拨款的问题, 导致很多的实验室仪器设备的陈旧老化, 功能不全, 不能够适应飞速发展的现代化科学的强烈需求。因此为了更快的适应新时代的科学发展观, 我们在物理实验室建设中投入了虚拟仪器的技术思想, 并对这种模式进行了讨论, 以下是虚拟仪器在物理实验室建设中实际应用的一些分析和见解。

一、实验室虚拟仪器的基本原理

在科学飞速发展的现在, 数字化的测量方式已经成为测量仪器的发展方向。虚拟仪器的成功研制当时是在上个世纪末, 由美国当地的仪器公司研制而成, 虚拟仪器的成功研制带动了社会的经济发展和科学技术。虚拟仪器就是在电脑和仪器硬件的平台下, 利用电脑软件来进行测试功能的无实物的仪器。它是一种优化资源的解决方案, 通过计算机进行操作的模块化虚拟仪器系统。一般的仪器设备有的功能虚拟仪器都有, 一般仪器设备没有的特殊功能, 虚拟仪器也拥有。虚拟仪器的面板简单明了的显示在电脑的屏幕上, 利用鼠标点击不同的按钮来进行不同的操作, 所以, 虚拟仪器在物理教学的实验中拥有绝对优势。

(一) 实验仪器的发展主要有以下几个阶段

第一阶段:模拟仪器, 例如指针式的万能用表、晶体管集成电压表等等。

第二阶段:数字化仪器, 例如数字电器表、数字测频机等等。

第三阶段:智能仪器, 这样的仪器内部都放置着精密的处理器, 既可以进行测试检验又可以进行数据的处理。我国如今的试验器械大多数是模拟的仪器和数字化的仪器, 其应用广泛的原因在于低成本价格, 智能仪器相比较之下就显得价格比较昂贵, 使用的人数相对模拟仪器和数字化仪器较少。

(二) 虚拟仪器的优势

老式的仪器设备功能都是由生产厂家来进行设定, 而虚拟仪器的功能可以由使用者本身进行设定。虚拟仪器的制造厂商为使用者提供基础的软件和硬件, 比如信号的转换器, 调换器等等硬件设施和虚拟仪器的使用软件生成的环境等软件。使用者需要什么样的仪器功能自己就可以进行设定了。老式的实验仪器和其它的设备仪器相连接会受到一定的限制, 然后虚拟的仪器它的系统设定是在计算机上的, 可以实时的进行资源的共享, 方便和其它的设备网络连接。老式的仪器图案形状界面比较小, 人工的读数和信息量都不多, 虚拟仪器是利用计算机编程之后来展现各种各样的图形画面, 信息量也相对的丰富, 电脑自主进行读数, 自主存档进行分析和处理。老式的仪器设备硬件是最重要的环节, 然而虚拟仪器的重要环节却是软件, 它的显示功能和测试功能都是由软件来形成的, 硬件仅仅是一个辅助的环节。老式的仪器系统相对的比较封闭陈旧, 性能也古板, 想扩展比较困难, 虚拟仪器相对来说更加的灵活, 进行编程后可以组成很多种仪器, 扩展起来也更加的方便和简洁。信号在每一次的硬件处理过后都有一定的误差, 而虚拟仪器硬件的使用并不多, 所以误差更少, 测量结果更准确。老式的仪器价格不菲, 技术更新较慢, 检修和维护的费用也相对的高, 虚拟的仪器整体价格都比较低, 并且可以重复的进行使用, 系统更新也更快, 节省了大部分的物力和财力。

二、虚拟仪器在物理实验室建设中的实际应用

虚拟仪器在物理实验室建设中的最基础的应用就是可以取代单独的设备仪器, 比如:万用表、函数发生器之类的。通过虚拟的仪器进行数值的测量和试验测试都很简单方便, 相对于老式的仪器更快更易上手, 使用者设定编程, 随意变换成多种仪器, 使用更广泛。

把虚拟的仪器和计算机进行技术上的融合, 让虚拟仪器的系统得到进一步的升级, 甩开了老式仪器的陈旧理念, 从真正意义上实现实时共享, 远程测试也不再是问题, 使用者不受地域限制, 在任何时候都可以和他人进行同行合作, 分享数据和计算机资源。

在物理教学实验中, 每个学生根据教师的要求去设定适合的虚拟仪器功能, 可以自己设计综合性创新性的实验课题, 有助于学生创新能力的养成。

三、利用虚拟仪器建设虚拟实验室

虚拟实验室就像是一个没有墙的中心, 使用者存在其中可以进行各种物理研究和工程设计, 不受地域的限制, 可以和朋友、同事之间进行设备、数值、电脑资源的共享。利用虚拟仪器建设虚拟实验室没有物理空间的制约, 但是还是可以在逻辑上进行制约的。因此使用者可以在实验室进行要做的试验, 研究物理的各种实验和数值。

结语

虚拟仪器在物理教育教学上是一个技术上的革新, 在新的教育形势下, 大力应用虚拟仪器进行物理教育教学将有力的推动教育模式、方法、手段的一个改革。为虚拟仪器实验教学建立了一个新的发展方向, 在实验室仪器设备使用上, 尽可能的做到资源的共享, 极大限度的去发挥实验室的实验效果。跟随着计算机技术飞速的发展的脚步, 虚拟仪器通过计算机对设备进行编程, 更灵活的为研究者所使用, 虚拟仪器技术也将在更广阔的平台上得到更大的发展和使用。

参考文献

[1]胡新颜.虚拟仪器在物理实验室建设中的应用[J].仪器仪表用户, 2007, 05:128.

[2]师黎, 万红, 刘瑞兰, 吴天福, 杨晟.虚拟仪器技术在实验室建设中的应用研究[J].郑州工业大学学报, 1999, 02:102-103.

初中物理的虚拟实验 篇10

关键词：三维虚拟技术,LabVIEW,虚拟仪器技术,物理实验

2009年8月14日收到 浙江省大学生科技成果推广项目(zx0903

2001)、浙江省新世纪高等教育教学改革

研究项目(yb05064)、杭州师范大学研究

生教改基金项目(200709),浙江省大学

生科研创新团队等项目资助LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是1986年由美国国家仪器公司——NI公司设计的,它是一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化程序开发环境,能够完成仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等任务;以Cult3D为核心的三维虚拟现实技术是由瑞典的Cycore公司推出的一种崭新的网络三维技术,这一技术是通过计算机生成一种模拟环境,实现用户与该环境直接、自然的交互,使用户亲身体验仪器模型的各种操作,甚至参观那些不可能进入的实验空间,如核反应堆、粒子对撞空间等。

近年来这两种技术逐渐走进实验领域,且应用日趋广泛,其中前者倾向于较抽象的数据采集和数据分析等任务的精确性,而后者更注重虚拟仪器的交互性、沉浸性和思想性。研究表明:对使用者而言,学习物理的难点不是因为物理规律或公式不熟,而是难以想象完整的物理情景,以至于无法准确地判断物理过程。因此,要想借助虚拟技术为使用者创造更有效的实验方式,需要将两种技术进一步加工、整理、组合,使两种手段整体协调,相互渗透,充分发挥各自的最大效益,为使用者提供一个系统的、集形象思维和抽象思维于一体的交互界面。本文以“电子示波器的使用”实验为例,探讨这两种技术与物理实验整合的技术实现及其应用。

1 整合的技术实现

1.1 三维虚拟仪器的开发

1.1.1 应用3Ds max软件建模

应用3Ds max建模大体上可以分为两个过程,其一是“制作”;其二是“加工”。“制作”就是模拟实物建立模型,3Ds max三维造型软件为用户提供了基础建模、Boolean建模、放样建模、旋转和拉伸建模、NURBS建模等多种建模方式 ,同时3Ds max软件为用户提供了从前后左右各个角度观察的视图、顶视图和透视图,而且各视图可以任意缩放,建模时可以根据不同的需要从不同视图入手,制作出逼真的三维模型。“加工”则分为色彩效果处理(材质和贴图)、视觉效果处理(灯光与摄影)、动态生成处理(动画制作)、后期处理(渲染合成输出)等几个过程。

对于示波器而言,其外形及面板上的按钮多数为标准形状,因此建模相对较为简单,多数可采用基础建模。为使模型更形象、逼真,面板上的按钮或旋钮以及旋钮上的螺纹、面板上的文字等通过布尔运算、放样等处理即可制成非常逼真的模型。此外,示波器的显示窗口需要另作加工,单独赋予该窗口玻璃材质。最后利用3Ds max中的阵列功能以及视图中精确的坐标为各旋钮、按钮、通道以及显示窗口确定位置,组装好示波器前面板。

建模完成后,将文件导出为*.c3d格式文件。在模型输出时,需先在本机上安装相应的Cult3D exporter for 3Ds max插件,这个插件支持从3Ds max到Cult3D的中间文件格式,否则无法输出Cult3D中需要的*.c3d格式文件。

1.1.2 三维交互行为的实现

将从3ds max中导出的可编辑*.c3d文件载入Cult3D designer软件,该软件为三维交互提供了鼠标、键盘等多种事件,且将很多基本的命令模块化,即使不懂编程语言也可以很方便地添加多种效果。例如鼠标左(右、中)击、键盘键按下、记时、音效等,为模型添加点击粗调旋钮和微调旋钮时的效果以及旋转、换档位等功能,并设置适当的参数,便可以通过这些参数控制与该事件相关的行为,实现与用户的三维交互。设置完成后将文件保存为Cult3D Project文件,文件格式选择为*.c3p,以便于以后修改[1]。

1.1.3 Cult3D的发布

三维交互程序设置完成后,利用File菜单下的Save Intermit file将3D模型导出为Cult3D Player文件,Cult3D Player文件是经过压缩而且不可修改的,文件的格式是*.CO,该文件可以嵌入LabVIEW、Word、PowerPoint、Acrobat 、PDF文档或者通过Html 文件在网上发布。在此需要申明的是用户浏览或操作时,需要在本机上装有Cult viewer for web browsers插件,这是一个共享插件,是终端播放器,只有安装此插件后,使用者才能够在LabVIEW、IE、Office、Authorware 以及 等环境中插入、浏览、控制*. co格式的三维模型,否则其功能无法实现。三维虚拟示波器模型如图1所示[2]:

1.2 D技术与LabVIEW技术的整合

LabVIEW软件支持对ActiveX控件的调用,ActiveX控件是一个动态链接库,是作为基于 COM服务器进行操作的,并且可嵌入到包容器宿主应用程序中。由于 ActiveX控件与开发平台无关,因此,在一种编程语言上开发的ActiveX控件可无须作任何修改,即可在另一种编程语言中使用,其效果如同使用 Windows通用控件一样,因此可以实现LabVIEW技术与三维虚拟技术的完美结合。

LabVIEW与三维虚拟仪器的整合步骤如下:

(1) 新建VI,从控件模板中的Containers子模板中选取ActiveX Container对象,并置于前面板;

(2) 在ActiveX Container对象上单击鼠标右键,从弹出的快捷菜单中选择“Insert ActiveX Object”,在弹出的Insert ActiveX Object对话框中选择“Create Control”选项,并在下面列出的ActiveX控件中选择“Cult3D ActiveX Player”对象,单击“OK”退出Insert ActiveX Object对话框;

(3) 切换到程序后面板,从函数模板中的Connectivity子模板中选择ActiveX子模板,从ActiveX子模板中选择“Invoke Node”函数,放在后面模板适当位置,将Cult3D ActiveX Player控件的输出端口与Invoke Node函数的Reference输入数据端口相连,单击Method,从中选择“LoadCult3D”方法,这种方法的含义是打开Cult3D输出的*. Co,在FileName数据输入端口单击右键,选择“Create Control”,前面板上相应出现FileName输入控件;

(4) 在FileName输入控件中输入*. Co路径及文件名,通过路径访问模型,加载惯性平台上的3D模型;

(5) 点击运行按钮,即可在前面板上看到3D模型。[3,4,5]

至此,3D模型运行在LabVIEW环境中,依据 Cult3D或 Java的设定可以用鼠标、键盘等外设进行手动控制或自动控制惯性平台模型,进行旋转、缩放以及各种模拟调节。三维虚拟仪器与LabVIEW环境结合的程序框图及用户界面如图2(a)、图2(b)所示。

1.3 LabVIEW技术与物理实验的整合

这里整合的含义更侧重于整理、组合之意,也就是利用LabVIEW提供的选项卡控件将实验教学的各个模块整合为一个整体。本实验包括实验原理,三维虚拟,实验内容,实验过程,李萨茹图形[6,7]五个模块,用五个选项卡分别代表五个模块的标签,每个选项卡里包含着与之相对应的内容。整合后的实验界面如图3所示:

2 整合技术在物理实验中的应用

LabVIEW与三维虚拟现实技术整合完成后,将LabVIEW程序生成为可执行文件,这个可执行文件可以象各种影像素材一样插入PowerPoint、Authorware等开发软件中,在播放过程中可实现三维虚拟、数据采集等各种功能,既可以用于演示,也可以作为网络开放性实验室,使用者不仅可以通过网络进行演示,同时也可以通过开放性实验室平台按照自己的风格进行设计、开发、模拟实验等。

3 整合的意义

3.1 打破传统实验多年的瓶颈

虚拟仪器与物理实验整合后,改变了以往实验设备不足、很多实验没有条件开设等现状,为使用者提供一个理想的自己动手操作的平台,通过这个平台既可以观察实验现象、动手操作、验证公式、原理、定理等,也可以作为演示实验的有力工具。在提高效率的同时,对于难做的实验,使用者可以重复进行试验,并且不受时间、场地、安全等实际实验条件的限制,既方便了实验演示,同时又可以减少以往实验中的盲日操作、仪器损坏等现象的发生。此外使用者可以充分发挥自己的想象力,根据自己的实验习惯和思路设计实验方案,编写实验程序,选择所需的虚拟仪器进行实验,在实验过程中可多次修改设计方案,重复实验,从中选出最佳设计方案。这样不仅节约了大量的经费投入,而且使使用者的实验技能得到提高,培养其创新能力,达到传统实验无法达到的效果。

3.2 将计算机虚拟技术推向了新的高度

随着三维技术的出现和快速发展,虚拟技术取得了长足进展,尤其是通过3Ds max和 Cult3D 的完美结合,可以形象地模拟场景,给用户以丰富的感性认识,赋予虚拟实验以沉浸性、交互性及思想性,克服了二维平面模型只注重结果展示的弊端。然而单纯的三维虚拟环境也不可避免的存在自身缺陷,诸如无法实现科学精确的数据显示、数据采集等功能。LabVIEW技术恰好弥补了三维虚拟技术的这一缺陷,在配备数据采集卡的基础上,使用LabVIEW即可在单个环境下提供广泛的数据采集、分析和显示功能,可以采集到真实的物理数据。二者的完美结合,既可以实现形象的仪器演示,同时也可以进行精确的数据采集和分析,实现了形象思维和抽象思维的过渡和统一,将计算机虚拟技术推向了新的高度[8]。

总之,LabVIEW技术和三维虚拟技术与物理实验的有机融合,为用户建立了一个感性认识和理性认识相统一的实验室环境,给使用者以逼真的体验,既克服了以往LabVIEW技术缺乏沉浸性、思想性、交互性的弊端,同时又可以弥补三维虚拟技术疏于精确的不足,为物理实验开辟了新的天地。

参考文献

[1]张飞刚,蔡建乐.三维虚拟仪器的制作及其应用研究.实验技术与管理,2007;7(7):48—50

[2]撒凤杰,蔡建乐,张飞刚.交互式三维虚拟离心节速器演示角动量守恒.大学物理(教育专刊),2008;1(20):78—80

[3]潘华,李安,胡柏青。Cult3D虚拟现实在导航装备在线监测系统中的应用研究.科学技术与工程,2007;7(6),1036—1038

[4]王磊,陶梅.精通LabVIEW8.0.北京:电子工业出版社,2007;1

[5] National Instrument Corporation.LabVIEW 7 Express Getting Startedwith LabVIEW,April 2003 Edition

[6]王银峰,陶纯匡,汪涛等.大学物理实验.北京:机械工业出版社,2005

[7]张孝英,吴先球.李萨如图形的虚拟示波器仿真.大学物理(教育专刊),2008;(1):82—84

初中物理的虚拟实验 篇11

一、交互功能的设计

像真实实验一样, 学生首先要选择实验仪器, 选择好后可以进行实验仪器的组装, 组装好实验仪器就可以进行实验操作。能否选择正确的实验仪器, 能否正确组装实验仪器, 能否正确操作实验, 依赖于学生的交互性操作。

在选择实验仪器时, 课件界面左侧区域列出多个实验仪器, 供学生选择。学生将选择的实验仪器拖入到右侧区域, 如果是实验所需仪器, 实验仪器将停留在右侧区域, 并出现提示信息“请继续选择其他实验仪器”;否则实验仪器无法停留在右侧区域, 返回到原来位置, 并给出相应提示信息“您选择的实验仪器不正确, 请重新选择”。如果全部选中实验所需仪器, 则出现“下一步”按钮, 提示用户可以组装实验仪器。

在组装实验仪器时, 课件界面上部已经列出实验所需仪器, 但实验仪器放置的位置不正确。如果学生拖动实验仪器到正确的位置, 实验仪器将停留在正确位置, 否则回到原来位置, 等待学生再次拖拽。每种操作结果都会出现相应的提示信息, 提示学生进行下一步操作。

实验仪器组装完毕后, 进入实验的操作阶段。在仿真实验过程中, 可以让学生自行操作容易出错的实验环节, 如果操作正确, 实验继续进行, 否则实验停止, 等待学生再次操作, 直到操作正确, 实验才继续进行。这种设计激发了学生的学习热情, 并使学生能牢牢掌握实验操作的要点, 避免在真正实验操作中发生类似错误。实验操作完毕后, 会出现“重放”按钮, 学生可以反复操作, 达到熟练掌握实验的目的。

二、交互功能的实现

1. 拖曳实验仪器的交互实现

实验仪器的选择和组装都是通过拖拽方式来完成交互性操作。本文仅以实验仪器的选择为例说明其交互实现过程。

选择实验仪器之前, 在界面左侧显示备选仪器如图1) , 将所需仪器拖入到右侧区域后, 在右侧区域显示放大的实验仪器, 同时左侧备选区的实验仪器消失。实验所需仪器全部选中后界面如图2所示, 由于长颈漏斗和锥形瓶不是本实验所需仪器, 所以无法被拖动到右侧区域。

假设左侧备选区的长颈漏斗实验仪器影片剪辑为d 1, 连接导管实验仪器影片剪辑为d 2, 界面右侧放大的连接导管实验仪器影片剪辑为s 2, “下一步”按钮为n e x t 1, 动态文本框的变量名为t 1。在选择实验仪器之前s 2和n e x t 1都被隐藏。选中场景第1帧, 在帧动作面板中输入如下语句。

当实验仪器全部选中后, 出现“下一步”按钮, 点击“下一步”按钮, 可以跳转到第2帧, 进行实验仪器的组装。

2. 实验操作过程的交互实现

氧气收集完毕后, 应先把导管从水槽里撤出, 再熄灭酒精灯, 目的为了防止水槽里的水倒流到试管, 导致试管炸裂。在仿真实验时, 应该让学生自行完成这些操作, 以便加强学生对实验操作要点的理解。

创建一个影片剪辑元件, 完成氧气制取实验的整个操作过程。假设第1 2 0 0帧完成气体的收集, 将第1 2 0 1帧设为关键帧, 从第1 2 0 2帧开始制作导管从水槽里撤出的操作。

在第1 2 0 1帧拖入按钮实例a 1, 调整它的大小和位置, 使其覆盖导管, 并将其a l p h a值设定为0, 即透明。当动画播放到第1 2 0 1帧时停止播放, 等待学生进行交互操作, 当导管被点击后, 动画继续播放, 从而实现了交互操作。