虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中學(xué)物理實驗教學(xué)中應(yīng)用

1、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用秦艷芳 河北省唐山市第十六中學(xué)【摘要】目前，許多種類的虛擬實驗室大量出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上。但是，這些虛擬實驗室往往都是二維場景，學(xué)生參與實驗的真實感很弱，對學(xué)生的學(xué)習(xí)幫助作用有限。虛擬實驗室本質(zhì)上是對真實實驗場景的仿真模擬，是對實驗條件有限或者真實實驗室無法實現(xiàn)的實驗近乎逼真的顯現(xiàn)，應(yīng)該具有和真實實驗室相同的物理屬性，學(xué)生在其中應(yīng)該具有和真實實驗室相似的體驗和同樣的學(xué)習(xí)效果。因此，虛擬實驗室應(yīng)該能夠滿足學(xué)生進(jìn)行自主探究式操作，這一點，二維的虛擬實驗室是無法實現(xiàn)的，只要三維的虛擬實驗場景才可以達(dá)到這一要求。本文從分析中學(xué)物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀入手，闡述利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行

2、物理實驗教學(xué)的優(yōu)勢，討論虛擬現(xiàn)實技術(shù)在物理實驗教學(xué)中的重要作用和運(yùn)用?！娟P(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實技術(shù)，虛擬實驗室，VB應(yīng)用，ActiveX控件【引言】 物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，加強(qiáng)實驗教學(xué)，不僅可以提高物理教學(xué)效果，還可提高學(xué)生的實驗素質(zhì)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性學(xué)習(xí)能力?，F(xiàn)代，信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，極大豐富了課程和教學(xué)資源。新課程標(biāo)準(zhǔn)指出，實驗教學(xué)要走在教學(xué)改革的前列，必須大膽采用現(xiàn)代信息技術(shù)手段進(jìn)行實驗教學(xué)。信息技術(shù)在物理實驗中的運(yùn)用更新了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的理念、教學(xué)手段和教學(xué)方式。伴隨著計算機(jī)軟件技術(shù)和高級程序語言的人性化發(fā)展，實驗教學(xué)也逐漸走向虛擬化，不僅多種多媒體課件紛紛涌現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實技

3、術(shù)也應(yīng)用于物理實驗教學(xué)中，這是教育技術(shù)發(fā)展的一個飛躍。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立的物理虛擬實驗室擁有傳統(tǒng)實驗室難以比擬的優(yōu)勢。一、中學(xué)物理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀1、實驗室空間相對有限，實驗儀器相對匱乏近年來，由于各種原因，有限的實驗空間和有限的實驗儀器根本無法滿足當(dāng)前物理實驗 教學(xué)的要求，無法反應(yīng)當(dāng)前物理學(xué)發(fā)展前沿，具有非常明顯的陳舊性、滯后性、非實用性。2、危險、復(fù)雜實驗難以操作在物理實驗教學(xué)中，有些物理現(xiàn)象或物理過程很難或無法直接通過實驗演示，造成學(xué)生對這些現(xiàn)象和過程缺乏感性認(rèn)識，因此理解起來比較困難。有些實驗，雖然內(nèi)容比較重要，但對于過程復(fù)雜或成本高等原因采用傳統(tǒng)的教學(xué)手段無法演示，如分子運(yùn)動的特點，

4、布朗運(yùn)動；波的疊加，干涉與衍射；粒子散射等都很難直接通過實驗演示。還有些實驗比較危險，無法進(jìn)行實驗教學(xué)，比如原子核的裂變、聚變；子彈的穿透形式；動量定理在空中的爆炸形式的運(yùn)用等。3、細(xì)致的演示實驗的具體實質(zhì)無法清楚觀察有些演示實驗由于各種原因，導(dǎo)致教師的操作過程，實驗發(fā)生的現(xiàn)象可見度非常小，無法直接讓全班學(xué)生都觀察到。比如游標(biāo)卡尺、螺旋測微器的操作過程及讀數(shù)方法，各種電學(xué)實驗的操作過程及電表指針的偏轉(zhuǎn)情況等。另外，有些實驗受儀器精密度等因素的限制而不宜成功或?qū)嶒灛F(xiàn)象變化太快，現(xiàn)象并不明顯，很難讓學(xué)生信服。4、現(xiàn)有課件缺乏交互性，大多學(xué)生不能深刻掌握實驗的內(nèi)容，束縛了學(xué)生的想象力和自由發(fā)揮的空間

5、教學(xué)中，有些學(xué)校開發(fā)了輔助教學(xué)的CAI多媒體課件，但是在管理模式、內(nèi)容安排、資源建設(shè)和教學(xué)手段諸多方面均存在問題：多媒體課件大多是單機(jī)運(yùn)行的，完全機(jī)械地展示、演示實驗課的內(nèi)容，課件缺乏交互性，大多學(xué)生不能深刻掌握實驗的內(nèi)容，束縛了學(xué)生的想象力和自由發(fā)揮的空間，學(xué)生的積極性并未充分調(diào)動，很難達(dá)到預(yù)期的實驗課教學(xué)效果。如果利用先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，創(chuàng)建一個可視化的三維環(huán)境，學(xué)生就可以進(jìn)行虛擬的實驗，完成難做實驗的仿真模擬、進(jìn)行物理過程的動態(tài)分析，提高物理實驗課教學(xué)效果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)特點和作用虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及顯示技術(shù)，生成三維

6、的虛擬環(huán)境，介入者利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，或者帶上頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進(jìn)入虛擬環(huán)境，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實時交互，并且能夠感知和操作虛擬環(huán)境中的各種對象，獲得身臨其境的感受和體驗。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有沉浸感、交互性和想象力三個基本特征。在具體的教學(xué)實驗中，學(xué)生可以作為主角存在于虛擬環(huán)境中，對虛擬環(huán)境內(nèi)的物體進(jìn)行操作并從環(huán)境中得到自然的反饋，而且當(dāng)學(xué)生沉浸在多維信息空間中時，能夠主動地獲取知識，尋求解答，形成新的概念。虛擬現(xiàn)實技術(shù)以其諸多的優(yōu)點決定了它在教育領(lǐng)域中的重要作用。一是避免真實實驗或操作所帶來的各種危險并降低真實實驗的實驗用品損耗；二是在虛擬實驗中可以獲得與真實實驗一樣的學(xué)習(xí)效果，還可根

7、據(jù)實驗教學(xué)發(fā)展需求“引入”新設(shè)備，不斷對新設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展。三是徹底打破空間與時間的限制?？傊?，虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合多媒體技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，能提高實驗效果與效率，充分發(fā)揮教學(xué)優(yōu)勢。三、虛擬實驗室的實現(xiàn)虛擬實驗室是由虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成的一類適于進(jìn)行虛擬實驗的實驗系統(tǒng)，包括相應(yīng)實驗室環(huán)境、有關(guān)的實驗儀器設(shè)備、實驗對象以及實驗信息資源等。在虛擬實驗室中，學(xué)生能夠在計算機(jī)建立的三維的模擬實驗場景中從不同的視角觀察一個實驗對象，通過鼠標(biāo)的選擇或者拖曳操作便可完成與虛擬實驗對象之間的交互。虛擬實驗室的實現(xiàn)應(yīng)有多種途徑，但無論如何實現(xiàn)，虛擬實驗室應(yīng)具備一些基本特征：與現(xiàn)實的一致性（或現(xiàn)實的延伸）；高度交互性；實時的信

8、息反饋。虛擬實驗室的實現(xiàn)，歸根結(jié)底在于將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖木幹?。大型、?fù)雜儀器的模擬往往使初學(xué)者無從下手，采取分解組合方法無疑是一種行之有效的捷徑。 1、虛擬儀器的組件構(gòu)造方法虛擬實驗室是由各種虛擬儀器組成，虛擬儀器又有具有特定功能的元件組成。建造各種具有特種功能的元件，并確定相互之間的關(guān)系，將成為關(guān)鍵。這種分解組合的方式，利用VB來建立具有很大的方便性，VB的模塊化控件、事件驅(qū)動、面向?qū)ο?、多線程特性滿足了建立虛擬儀器的各種需要?？梢岳肰B的各種控件，來建立各種虛擬儀器的組件，例如：將旋鈕圖片（或編程繪制）放在VB的圖片或圖像控件上，通過設(shè)置控件的屬性來控制旋鈕的外形尺寸和位置，而通過對

9、控件各種事件的編程，可建立與其它組件之間的關(guān)系及所應(yīng)具有的功能。但構(gòu)造過程中通常需要構(gòu)建大量具有相同或相似功能的組件，重復(fù)構(gòu)造不僅效率低，也使問題復(fù)雜。2、用ActiveX控件構(gòu)造虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)組件 ActiveX技術(shù)為我們引入了“軟件組件”這個新的概念，不必再將電腦軟件編寫成一個大型完整且獨(dú)立運(yùn)行的工具。為了能使軟件完成更大更復(fù)雜的任務(wù)，現(xiàn)在可將它分割成小的模塊，這種模塊便是組件。各組件的宗旨便是完成特定的任務(wù)，而且組件能夠跨運(yùn)用程序、跨平臺、跨網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。采用組件思想為構(gòu)造虛擬儀器帶來了很大方便。簡單地說，ActiveX是一種體系結(jié)構(gòu)，它允許使用不同編程語言開發(fā)的軟件組件在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中相互操作

10、。ActiveX體系結(jié)構(gòu)使用了Microsoft的組件對象模型及分布式組件對象模型標(biāo)準(zhǔn)，允許不同組件對象實現(xiàn)本地相互對話及網(wǎng)絡(luò)上對象之間通信。ActiveX這種重復(fù)使用和自包含的本質(zhì)來源于微軟更早的面向?qū)ο蟮膽?yīng)用程序設(shè)計思想，也就是由原來的OLE控制，或OCX控件而發(fā)展成為現(xiàn)在能夠運(yùn)行在Web頁面上的軟件組件，使得創(chuàng)建的運(yùn)用程序能供客戶端下載運(yùn)行。由于ActiveX是一種開放的技術(shù)，開發(fā)者可以創(chuàng)建自己的ActiveX控件，ActiveX控件是程序的自包含片斷或獨(dú)立的組件，不但可以在程序中重復(fù)調(diào)用，也可以調(diào)入其它應(yīng)用程序而成為其一部分。比如我們可以在VB中使用ActiveX技術(shù)，開發(fā)出各種常見的

11、參數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕、數(shù)字顯示屏等通用ActiveX控件（如稱為旋鈕控件和現(xiàn)實控件）。這樣可以在構(gòu)造不同儀器中反復(fù)使用，不但可以由控件組成儀器，還可以由小儀器組成復(fù)雜的大儀器。ActiveX控件的開發(fā)工具有VB6.0，VC+，Delphi等，在VB中建立自己的ActiveX控件最為簡單，他保留了人們熟悉的屬性、事件和方法，通過在程序設(shè)計和運(yùn)行時修改程序的屬性、調(diào)用控件、在控件的事件中加入程序代碼即可方便的組建運(yùn)用程序。ActiveX技術(shù)為虛擬實驗室的建立帶來了極大的便利。3、功能模塊設(shè)計建設(shè)虛擬實驗系統(tǒng)，從功能模塊上均可劃分為三個部分。（1）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。用戶可通過網(wǎng)絡(luò)注冊個人信息并經(jīng)過驗證后登錄虛擬實驗

12、系統(tǒng)。登錄該系統(tǒng)后學(xué)生可自主選擇將要進(jìn)行的實驗，并根據(jù)實際需要獲得相關(guān)的指導(dǎo)。（2）仿真實驗。采用計算機(jī)仿真技術(shù)來構(gòu)建實驗?zāi)Ｐ?，設(shè)計出用于測試的虛擬儀器設(shè)備、實驗線路或回路、實驗元器件或構(gòu)件庫、判別實驗效果的評價標(biāo)準(zhǔn)等。用戶選擇相關(guān)的仿真實驗以后，根據(jù)提示進(jìn)行相關(guān)的操作，觀察實驗現(xiàn)象并記錄實驗結(jié)果。（3）數(shù)據(jù)庫。為虛擬實驗系統(tǒng)提供相關(guān)的數(shù)據(jù)服務(wù)。維護(hù)虛擬實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息及用戶的相關(guān)權(quán)限，為仿真實驗提供支持。四、教學(xué)型虛擬實驗室的建設(shè)的幾點建議 1、用“平民化”的技術(shù)實現(xiàn)教學(xué)型虛擬實驗室的建設(shè)和應(yīng)用; 2、更新實驗教學(xué)觀念,重新認(rèn)識虛擬實驗室; 3、切合實際，合理選擇開發(fā)技術(shù)。 建立一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是成功進(jìn)行虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的關(guān)鍵，而要建立一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，首先要做的工作是選擇實可行的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)解決方案。五、結(jié)束語當(dāng)人們努力在二維世界為創(chuàng)建虛擬實驗室而努力探索時，VRML（Virtual Reality Modeling Language虛擬現(xiàn)實語言）又為人們開創(chuàng)了一個三維立體的可以讓訪問者如身臨其境的真實空間?？梢栽O(shè)想，在不同地點，多人同時進(jìn)入一個虛擬的三維立體實驗室，在電子導(dǎo)師的指導(dǎo)下，相互交談學(xué)習(xí)的虛擬場景，將展現(xiàn)在人們的面前。虛擬實驗教學(xué)的廣泛應(yīng)用將對探索、發(fā)展現(xiàn)代教育思