袁欣雨

摘要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，其滲透力度也不斷加大，從生產(chǎn)制作到醫(yī)療，再到教育領(lǐng)域，無(wú)處不見(jiàn)其身影。虛擬仿真技術(shù)在高中物理中的應(yīng)用也在很大程度上給實(shí)驗(yàn)操作帶來(lái)了便利，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中很多問(wèn)題，讓每一個(gè)高中生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作不再受局限。近幾年虛擬仿真技術(shù)發(fā)展程度不容小覷，但仍存在一些問(wèn)題。比如對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，其環(huán)境的真實(shí)還原還有待優(yōu)化，診斷操作也需要不斷改進(jìn)完善等。本文針對(duì)高中物理電學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室中操作診斷問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞物理電學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)室；診斷問(wèn)題

以前的高中物理實(shí)驗(yàn)方法是老師進(jìn)行簡(jiǎn)要講解后引領(lǐng)中學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際操作，以達(dá)到更深入地理解物理課本知識(shí)的目的。但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作中存在很多弊端，成本、安全等問(wèn)題一直都是不容忽視的。虛擬仿真技術(shù)的引入，給高中物理實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了新活力。首先，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以保證學(xué)生的實(shí)驗(yàn)安全性；另外，根據(jù)不同要求能給實(shí)驗(yàn)提供豐富的虛擬器材選擇，保證了我們的實(shí)驗(yàn)可操作性；除此之外，虛擬實(shí)驗(yàn)室成本還較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)低得多，一套軟件就幾乎可以涵括高中物理教學(xué)的所有所需內(nèi)容。學(xué)生自主操作機(jī)會(huì)增多，也會(huì)大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

1電學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室概述

1.1概要介紹

虛擬實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的衍生物，其研究和實(shí)現(xiàn)的技能方法都在相關(guān)人員的不懈努力、鉆研下發(fā)展。因此在不同視角，不同立場(chǎng)，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念確定也會(huì)有不同，人們也往往會(huì)根據(jù)自己實(shí)際情況實(shí)際需要進(jìn)行定義。

在實(shí)驗(yàn)效果方面，虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中裝入相應(yīng)軟件，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)在軟件中模擬各種各樣需要的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，操作人員可以跟真實(shí)的場(chǎng)景一樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并可以控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，提升實(shí)驗(yàn)效率，在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)效果上可以與真正的實(shí)驗(yàn)匹敵甚至超越。

在組成方面，虛擬實(shí)驗(yàn)是由程序、實(shí)驗(yàn)?zāi)K、所需參考資料等組成的可以與操作人員人機(jī)交互進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的環(huán)境。用戶(hù)可以加入其它需要的資料、工具來(lái)增加實(shí)驗(yàn)所需虛擬物體或者增加實(shí)驗(yàn)單元。

在虛擬實(shí)驗(yàn)室用到的原理和工具方面，虛擬實(shí)驗(yàn)室是以實(shí)驗(yàn)實(shí)際內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、信息科學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)及其相關(guān)的很多知識(shí)為鋪墊，以計(jì)算機(jī)以及產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的一系列表現(xiàn)儀器為依托，充分利用面向?qū)ο蟮木幊趟枷雽?shí)現(xiàn)一個(gè)有人機(jī)交互、能夠進(jìn)行相應(yīng)操作的環(huán)境，來(lái)達(dá)到模擬現(xiàn)實(shí)中很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目過(guò)程的目的。

綜合以上對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)室各種角度的描述，可以從技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)操作2個(gè)方面來(lái)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的作一個(gè)相對(duì)全面的概括。虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為平臺(tái)，利用虛擬仿真的技術(shù)，在系統(tǒng)中創(chuàng)造邏輯空間，利用面向?qū)ο蟮乃枷?，營(yíng)造出各種各樣需要的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在實(shí)際操作中，可以直接利用鼠標(biāo)或者鍵盤(pán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器的選擇、參數(shù)的確定或者結(jié)果的處理，跟真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景一對(duì)一匹配，盡可能使操作人員在實(shí)驗(yàn)中收獲傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一樣的甚至更優(yōu)的效果。

虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)際上是基于人工智能的發(fā)展的，表示用計(jì)算機(jī)創(chuàng)造一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，操作人員可以按照要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。目前來(lái)說(shuō)，虛擬實(shí)驗(yàn)室在高中理化生中應(yīng)用廣泛，電學(xué)部分作為高中物理較為重要的一個(gè)部分，其對(duì)應(yīng)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)也是數(shù)量繁多，電學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室則能正好為其提供電學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)中配備各式電學(xué)所需儀器，進(jìn)行電學(xué)方面實(shí)驗(yàn)操作。

1.2虛擬實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)及問(wèn)題

隨著科技領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，人們對(duì)虛擬仿真技術(shù)要求不斷提升，虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)展到今天，方向及特征不斷明確：1）真實(shí)性，虛擬實(shí)驗(yàn)室的主要目的就是給人們提供一個(gè)虛擬空間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以實(shí)驗(yàn)環(huán)境的創(chuàng)建就顯得十分重要，要盡可能為人們提供真實(shí)、生動(dòng)、引人入勝的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)；2）智能性，虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心就是要做到虛擬空間能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)實(shí)中實(shí)驗(yàn)一樣甚至更為優(yōu)化的功能，更為智能化；3）靈活多樣性，實(shí)驗(yàn)者可以在虛擬空間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)隨時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的改變自定義一些資料的使用，新增或者編輯，并且對(duì)于所得數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析對(duì)比總結(jié)，或是直接出圖表進(jìn)一步研究。

近年來(lái)，雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)得到很大的發(fā)展，但目前，虛擬實(shí)驗(yàn)室仍舊存在如下一些不足：1）操作診斷尚需改進(jìn)，在實(shí)驗(yàn)操作中，如果實(shí)驗(yàn)人員操作出現(xiàn)錯(cuò)誤，虛擬實(shí)驗(yàn)室可能不能準(zhǔn)確甚至無(wú)法給出相應(yīng)的警示，不能及時(shí)得知自己錯(cuò)誤所在進(jìn)行修正，這也在一定程度上對(duì)其在實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練效果上大打折扣；2）對(duì)于其他探索性的實(shí)驗(yàn)可能還不能很好滿(mǎn)足，在高中物理實(shí)驗(yàn)中，虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)單元有既定的實(shí)驗(yàn)流程，只能根據(jù)輸入的實(shí)驗(yàn)一步步進(jìn)行，如果我們高中生在操作中有其他想法，想進(jìn)行進(jìn)一步探索實(shí)驗(yàn)，則很可能無(wú)法實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)邏輯上的誤解。

2電學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室操作診斷

2.1電學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)知識(shí)表示方法

電學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)在對(duì)知識(shí)表示方法選擇方面，主要根據(jù)以下幾個(gè)原則：1）從表示能力來(lái)說(shuō)，知識(shí)表現(xiàn)方法的最重要的目的就是將知識(shí)內(nèi)容真實(shí)、準(zhǔn)確并且高效地進(jìn)行傳遞，因此其準(zhǔn)確有效性就是關(guān)鍵的量尺。2）從推理能力來(lái)說(shuō)，虛擬實(shí)驗(yàn)空間中知識(shí)庫(kù)為推理提供了支持，推理的速度對(duì)于實(shí)驗(yàn)運(yùn)行效率高低有直接的作用，而語(yǔ)義的準(zhǔn)確程度對(duì)于推理效果來(lái)說(shuō)也是一大影響因素，所以，合適的推理能力是知識(shí)庫(kù)進(jìn)行有效推理的保證。

在虛擬實(shí)驗(yàn)操作診斷系統(tǒng)中，要求將實(shí)驗(yàn)中所涉及的對(duì)象的屬性以及行為都進(jìn)行相應(yīng)的描述，并要有效表示出老師指導(dǎo)的信息以及實(shí)驗(yàn)中錯(cuò)誤診斷的信息，合理的推理能力以及對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的控制作用等都是不可缺少的，綜合考慮之下，面向?qū)ο蟮闹R(shí)表示方式是最適宜的。面向?qū)ο蟮闹R(shí)表示方法就是充分引入面向?qū)ο蟮乃枷耄灶?lèi)、對(duì)象為基礎(chǔ)，將類(lèi)的封裝性、繼承性等合理加入，使之知識(shí)表示方法能對(duì)大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作且具備高效的推理能力。

2.2電學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室操作診斷

中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)操作診斷系統(tǒng)中基于實(shí)驗(yàn)所需器材以及實(shí)驗(yàn)知識(shí)、流程等進(jìn)行面向?qū)ο笾R(shí)方法表示后，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中一步步操作的跟蹤監(jiān)控，來(lái)判斷其準(zhǔn)確性。在本診斷系統(tǒng)中，是通過(guò)兩層結(jié)構(gòu)的監(jiān)控跟蹤來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)中一步步過(guò)程的正確性進(jìn)行確定的，具體如下：

首先來(lái)說(shuō)，進(jìn)行每一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)都是要明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约皟?nèi)容的，一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，也有規(guī)定的流程，有確定的實(shí)驗(yàn)步驟，此時(shí)，就需要診斷系統(tǒng)對(duì)于操作人員在實(shí)驗(yàn)操作中進(jìn)行的每一步進(jìn)行監(jiān)控以及檢測(cè)，來(lái)判斷其操作是否越出該步驟要求的界限，或者違背步驟規(guī)定的要求。在該系統(tǒng)中，這層準(zhǔn)確性的判斷是上層。

其次，基于操作人員在實(shí)驗(yàn)步驟規(guī)定的要求下進(jìn)行，診斷系統(tǒng)還需要操作人員對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的一些應(yīng)用進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，通過(guò)實(shí)驗(yàn)器材事先確定好的屬性以及操作的要求，來(lái)建立起下層的操作準(zhǔn)確性判斷，確定該用戶(hù)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)有沒(méi)有正確使用器材、方式是否正確，檢測(cè)出錯(cuò)誤后，對(duì)出錯(cuò)原因進(jìn)行及時(shí)反饋。比如說(shuō)，在電學(xué)實(shí)驗(yàn)操作中，導(dǎo)線本身是在允許范圍內(nèi)的，但是連接方法是否正確則需要進(jìn)行判定。

最后，在實(shí)驗(yàn)操作中，其正確性不單單是由實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性決定的，得出的數(shù)據(jù)結(jié)果是不是合理、能與實(shí)驗(yàn)過(guò)程相配也是需要考慮的，因此結(jié)果判斷的過(guò)程也必不可少。

3結(jié)論

高中物理電學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室是將虛擬仿真技術(shù)與高中實(shí)驗(yàn)進(jìn)行密切結(jié)合的產(chǎn)物，能夠保證我們實(shí)驗(yàn)的高效性、安全性，大大提升我們的自主能動(dòng)性、對(duì)知識(shí)的掌握程度以及對(duì)于未知世界的好奇心。而在現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)上進(jìn)行操作診斷的研究則具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，能很大程度上改善我們的中學(xué)生實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，增加訓(xùn)練效果。