王淑娟

（西安文理學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,西安,710065）

0 引言

隨著新課改實(shí)施及素質(zhì)教育的進(jìn)一步深化，不少專家學(xué)者和廣大物理教師充分認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量、提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣具有重要意義。但在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐過程中，存在以下問題：一是思想重視程度不夠。學(xué)校和教師受傳統(tǒng)教育的影響，存在重理論輕實(shí)驗(yàn)的思想，實(shí)驗(yàn)課往往被認(rèn)為是理論課的附屬品。這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力非常不利。二是實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式僵化。實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，在規(guī)定的有限時(shí)間內(nèi)按給定的儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)全過程，從教學(xué)內(nèi)容到教學(xué)方式?jīng)]有給學(xué)生留出足夠的空間。這種教學(xué)模式不利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力、不利于引導(dǎo)學(xué)生突破思維定式、不利于創(chuàng)新思維和方法的形成、不利于學(xué)生智能的發(fā)展。三是教學(xué)資源分配不平衡。東西部、城鄉(xiāng)之間教學(xué)資源分配不平衡，很多偏遠(yuǎn)落后地區(qū)實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資力量不足、實(shí)驗(yàn)設(shè)施嚴(yán)重匱乏，影響了教育教學(xué)水平的整體提高。

1 中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是運(yùn)用信息技術(shù)搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室。利用計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)工具對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)儀器的物理功能，并構(gòu)建可視化、交互型的人機(jī)對(duì)話界面。教師和學(xué)生通過計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)來模擬操作實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不受實(shí)體實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)材料的限制, 虛擬實(shí)驗(yàn)室管理人員可以很方便地管理、使用實(shí)驗(yàn)儀器，也可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)技術(shù)比較多，以VRML/X3D和Cult3D最為流行，也具有良好的真實(shí)性和交互性等特點(diǎn)。但是它們的開發(fā)復(fù)雜、難度大、不易實(shí)現(xiàn)?？紤]到中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的要求，我們將重點(diǎn)放在對(duì)一些基本的物理現(xiàn)象的仿真。為此我們以Microsoft VisualStudio(VS)為編程平臺(tái)，選用OpenScenceGraph(OSG)接口與3DMAX商用軟件共同建立中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)在教學(xué)中的應(yīng)用

1.2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的定位

中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)是對(duì)傳統(tǒng)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充、完善和擴(kuò)展，目的是解決目前實(shí)體實(shí)驗(yàn)室存在的問題，但它不能從根本上替代實(shí)體實(shí)驗(yàn)室達(dá)到培養(yǎng)和提高學(xué)生實(shí)踐能力的功能，只能盡可能給學(xué)生提供更多學(xué)習(xí)設(shè)備使用、模擬實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。它只是作為計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的一種手段出現(xiàn)在中學(xué)物理教學(xué)中。但不能否認(rèn)虛擬實(shí)驗(yàn)的價(jià)值和對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的作用和影響。虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)互有優(yōu)勢(shì)、互為促進(jìn)、相輔相成，兩者共同作用，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

1.2.2 利用虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)充分提高實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)質(zhì)量

一是利用虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)學(xué)生可以不受時(shí)間和空間的限制，能夠自由地依據(jù)個(gè)人的時(shí)間、學(xué)習(xí)進(jìn)度和掌握程度進(jìn)行自主安排實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，加大了實(shí)驗(yàn)的靈活性。二是學(xué)生可以放心、大膽的做各種嘗試。同時(shí)，在現(xiàn)實(shí)生活中有些實(shí)驗(yàn)不可能做出原型實(shí)驗(yàn)。

1.2.3 利用虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源

根據(jù)學(xué)校實(shí)際情況，我們可以選擇虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)在單機(jī)上使用或者互聯(lián)網(wǎng)上使用，只要客戶安裝了播放插件，都可以進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。相比較而言，后一種方法更有利于虛擬實(shí)驗(yàn)室的推廣，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上遠(yuǎn)程教育，學(xué)生在家里也可以根據(jù)自己的時(shí)間、學(xué)習(xí)進(jìn)度多次完成實(shí)驗(yàn)，這樣有力緩解了農(nóng)村地區(qū)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)施嚴(yán)重匱乏的問題，縮小了城鄉(xiāng)之間教學(xué)資源差距，促進(jìn)教育教學(xué)公平。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)例

以胡克定律實(shí)驗(yàn)為例，胡克定律實(shí)驗(yàn)討論的是彈力與彈簧伸長的定量關(guān)系，所用到的器材有：固定的支架與緊固器件、提供拉力的砝碼、觀測(cè)的對(duì)象彈簧和可以度量長度的刻度尺。在組裝實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，考慮到支架，緊固器件還有刻度尺的坐標(biāo)都是不變的，在模型設(shè)計(jì)時(shí)就將這三個(gè)部分一起建好。對(duì)于砝碼，在實(shí)驗(yàn)室中要用到多個(gè)，但是每個(gè)砝碼的性質(zhì)都是一樣的，因此只單獨(dú)建一個(gè)砝碼的模型。彈簧形狀比較規(guī)則，建模也比較簡(jiǎn)單，可以在3DMAX中設(shè)計(jì)，也可以在OpenScenceGraph(OSG)設(shè)計(jì)部分中設(shè)計(jì)，這里我們利用OSG的接口建立簡(jiǎn)單的彈簧模型。

圖1顯示的是在3DMAX中設(shè)置實(shí)驗(yàn)裝置中用到器材模型。對(duì)于支架、緊固器件和刻度尺位置固定的模型，我們?cè)?DMAX中將它們一起設(shè)計(jì)，如圖1(a)所示。對(duì)于刻度尺模型，除了幾何形狀上的設(shè)計(jì)，還需要有刻度值，利用軟件中的渲染工具，可以很方便的給刻度尺模型添加刻度值，如圖1(b)所示。對(duì)于砝碼模型，由于它的位置會(huì)變化，我們單獨(dú)建立一個(gè)砝碼模型，如圖1(c)所示。

圖1 固定模型的設(shè)計(jì)

3DMAX模型設(shè)計(jì)好之后，利用OSG插件可以將其轉(zhuǎn)成OSG格式的模型文件，利用OSG提供的函數(shù)osgDB::readNodeFile(const std::string & filenam)就可以將模型文件讀入物理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)上。如圖2(a)為設(shè)置固定支架的力學(xué)屬性，其中一個(gè)屬性為“固定”，將這一性質(zhì)選上，則表示模型的位置形狀都不會(huì)發(fā)生改變，對(duì)砝碼模型，由于是運(yùn)動(dòng)的，“固定”這一屬性將不選擇。對(duì)于彈簧，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，我們?cè)贠SG接口中設(shè)置它的屬性并與固定器件相連接，如圖2(b)所示。設(shè)置好模型參數(shù)后，就可以在界面中操作實(shí)驗(yàn)過程，圖2(c)和圖2(d)顯示了增加一個(gè)砝碼與依次增加多個(gè)砝碼時(shí)的情況，學(xué)生在操作過程中，可以依次記錄砝碼的個(gè)數(shù)與刻度尺上對(duì)應(yīng)的數(shù)值，并寫入實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。此實(shí)例將實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)放在描述實(shí)驗(yàn)的物理過程，運(yùn)用三維視圖呈現(xiàn)給操作者，而不是代替操作者完成實(shí)驗(yàn)的過程。

3 結(jié)束語

在這個(gè)數(shù)字化的時(shí)代，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣有著重要的作用，為了讓學(xué)生更好的理解實(shí)驗(yàn)教程，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，實(shí)驗(yàn)仿真盡量做到與實(shí)際情況相似。虛擬環(huán)境下的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不僅可以節(jié)約在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的投入, 更重要的是可以完善現(xiàn)有的教學(xué)體系,優(yōu)化資源配置，提高學(xué)校教學(xué)質(zhì)量,促進(jìn)教育教學(xué)公平，促進(jìn)學(xué)生信息化環(huán)境下自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

圖2 模型在仿真界面上的操作

[1]蔡志凌.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析與策略研究[J].天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2008 (2) 39-42.

[2]孫鴻坤.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的研究[J].物理實(shí)驗(yàn)，2012 (11) 33-35.

[3]教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》[Z].2011.