趙延

（河南警察學(xué)院公安專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)部，河南 鄭州 450000）

1 引言

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，大量物理定律以及科學(xué)理論都是在實驗研究的基礎(chǔ)上所進行的。在目前初等高等的物理課程教學(xué)中，物理實驗的課堂展示主要是基于相關(guān)實驗儀器所進行的，但是由于受到課程教學(xué)時間以及教學(xué)效率的影響，物理實驗在操作的過程中往往不能自己設(shè)置數(shù)據(jù)參數(shù)去調(diào)試儀器，這使得學(xué)生難以對相應(yīng)的物理儀器以及實驗器具的性能與結(jié)構(gòu)進行全面的認識與了解[1]。物理仿真實驗的產(chǎn)生與發(fā)展，能夠通過個體與計算機的人機交互來設(shè)置參數(shù)，以此來更好地探索實驗的最終結(jié)果，培養(yǎng)個體的實踐動手能力。

2 計算機物理仿真實驗應(yīng)用特點

目前，物質(zhì)仿真實驗在操作與應(yīng)用的過程中，主要是基于計算機虛擬仿真實驗室所開展的一系列物理性質(zhì)的操作，并且能夠為大眾提供一個綜合性的、全方面的物理實驗操作平臺。例如“大學(xué)物理仿真實驗for windows”、“大學(xué)物理仿真實驗for DOS”、“基礎(chǔ)物理學(xué)CAI”等軟件平臺，都能夠作為優(yōu)質(zhì)的物理實驗操作平臺來實現(xiàn)相應(yīng)的物理實驗課程的教學(xué)，從而通過一定的編程設(shè)計來達到掌握實驗要領(lǐng)、得出實驗結(jié)論的目的[2]。

2.1 多元數(shù)值輸入，實驗結(jié)果直觀

在物理仿真實驗的操作過程中，用戶個體能夠在這種人機交互的環(huán)境中對于物理實驗的各項指標進行設(shè)定，從而通過多元化數(shù)據(jù)的輸入來觀測不同實驗情境中的實驗效果。例如在電路實驗過程中，學(xué)生能夠自主設(shè)置電路的串并連類型，并且通過計算機中指標的拖動來完成整個電路的連接，同時在電路連接的過程中也能夠?qū)τ谙鄳?yīng)的電壓、電阻設(shè)備等進行數(shù)值設(shè)定，從而更好地觀察實驗中小燈泡的亮度變化，并分析其中的影響因素。這個虛擬的仿真實驗過程能夠通過精確的數(shù)值設(shè)定來實現(xiàn)相應(yīng)的結(jié)果觀測，從而使實驗者能夠更為直觀地分析實驗過程，并且在安全的實驗環(huán)境中探究實驗結(jié)果。

2.2 數(shù)控模擬指令，技術(shù)操作簡便

在物理仿真實驗的操作過程中，學(xué)生能夠基于實驗的要求以及性質(zhì)來進行人機交互，通過鼠標的拖動以及指令來完成整個實驗的操作。比如在NB物理實驗的操作平臺中，該系統(tǒng)針對高中的物理實驗形成了252個實驗平臺，且能夠基于各個實驗平臺來進行數(shù)控操作，例如調(diào)整實驗設(shè)備的組接方式、創(chuàng)設(shè)新的實驗方法等，都能夠基于這種數(shù)字化的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)相應(yīng)的指令操作與執(zhí)行。整個系統(tǒng)中操作難度較小，能夠通過模擬指令來快速觀測到相應(yīng)的實驗結(jié)果。

2.3 媒體輔助解讀，利于實驗拓展

在仿真實驗的操作過程中，能夠通過儀器設(shè)備的應(yīng)用來進行模塊化組合，也就是個體能夠?qū)ο到y(tǒng)中提供的儀器設(shè)備進行自由組合，并且能夠用不同的方法完成同一實驗?zāi)繕薣3]。同時，在實驗操作的過程中，該系統(tǒng)能夠通過媒體視頻的演示來對整個設(shè)備操作的流程進行講解，從而在操作的過程中對實驗的歷史背景和意義、現(xiàn)代應(yīng)用等方面都能有一個全面的了解?？梢哉f，仿真實驗成為連接物理課程理論教學(xué)與實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生理論與實踐相結(jié)合思維的一種嶄新的教學(xué)模式，可使實驗教學(xué)的內(nèi)涵在時間和空間上得到延伸。

3 計算機物理仿真實驗的技術(shù)要點分析

計算機物理仿真實驗是以一定的技術(shù)依托為基礎(chǔ)而形成的，需要基于一定的操作系統(tǒng)以及軟件參數(shù)設(shè)置才能開展相應(yīng)的虛擬實驗操作。目前，在物理仿真實驗的技術(shù)性操作中，主要基于三維模型創(chuàng)建、貼圖設(shè)計繪制以及程序指令編制等操作來實現(xiàn)相應(yīng)的技術(shù)性的操作與處理，從而更好地在實驗中降低誤差，保證實驗操作的精準性與有效性。

3.1 三維模型創(chuàng)建

三維立體模型的創(chuàng)建是整個虛擬仿真實驗的重要組成部分，其能夠通過三維立體場景的建構(gòu)來更好地開展相應(yīng)的實驗測試。目前，我國常用的模型建構(gòu)軟件是3DS Max，其能夠在創(chuàng)建實驗場景的過程中，對于實驗室、實驗桌、回收站、實驗儀器列表等內(nèi)容進行設(shè)計與創(chuàng)建，并且也能夠?qū)嶒炛谐Ｓ玫碾娋€、小球等輔助性的實驗工具進行技術(shù)性的設(shè)計與呈現(xiàn)。一方面，在基礎(chǔ)建模中，需要基于修改器的操作來實現(xiàn)三維模型的設(shè)計，這就需要對于其技術(shù)性命令進行準確選擇，從而保證其基礎(chǔ)的操作設(shè)計。另一方面，在高級建模的過程中，需要基于函數(shù)的應(yīng)用來進行高級的模型設(shè)計，例如面片建模、曲線建模等，需要對于函數(shù)的使用進行準確選擇，從而保證模型呈現(xiàn)的相對真實性[4]。

3.2 貼圖設(shè)計繪制

在三維模型創(chuàng)建之后，需要基于實驗的儀器與設(shè)備來繪制相應(yīng)的貼圖，例如物理實驗平臺中工具欄所呈現(xiàn)出來各種畫筆、設(shè)備等，這些貼圖的繪制與設(shè)計需要重點考量如何將立體化的設(shè)備通過平面化貼圖來呈現(xiàn)，這就需要運用美術(shù)學(xué)中的透視原理以及明暗原理進行設(shè)計，并且通過PS等軟件的摳像功能進行整體的貼圖設(shè)計，從而將基本的貼圖置于相應(yīng)的情景實驗室中，摒棄誒基于三維游戲引擎中的場景編輯、環(huán)境監(jiān)視等實現(xiàn)相應(yīng)的設(shè)計與繪制，從而輔助實現(xiàn)真實的實驗情景的創(chuàng)設(shè)。

3.3 程序指令編制

要將相應(yīng)的物理實驗器具在實驗中通過移動與變換來實現(xiàn)實驗操作，需要對于整個實驗的程序指令進行全面的編制。在一般的控制類腳本的程序編制中，例如查看實驗原理、實驗回放、開始或者退出實驗等，其指令只需要基本的按鈕組件便能夠?qū)崿F(xiàn)整個實驗設(shè)備的操作運行。這就需要在程序編制的過程中對于判斷語句進行鏈接性的設(shè)置，從而保證實驗開始與暫停的準確性。而在實驗內(nèi)容控制腳本的運作過程中，對于物體擺放的位置、使用設(shè)備時候產(chǎn)生的作用力的大小、物理設(shè)備特殊屬性的添加與移除等，都需要通過一系列的指令完成操作。在這些內(nèi)容性指令的技術(shù)性設(shè)計中，需要對于代碼的運作環(huán)境、運行數(shù)據(jù)參數(shù)、運作形式進行專業(yè)化的精確設(shè)計，從而更好地基于代碼編制來形成相應(yīng)的指令控制。

4 計算機物理仿真實驗的技術(shù)防護路徑探究

4.1 優(yōu)化技術(shù)指標，降級外界因素干擾

在計算機物理仿真實驗設(shè)計過程中，需要對其整個系統(tǒng)中的相應(yīng)指標進行優(yōu)化，從而使得整個運作效率得到保障，還需在軟件操作的過程中降低外界因素的干擾，以此來提高仿真實驗的精準操作性。例如，使用3DS Max的建模與動畫技術(shù)、Unity3D的三維空間游戲技術(shù)來對于整個計算機物理仿真實驗中的運行環(huán)境、運作指標等方面進行相關(guān)的數(shù)據(jù)設(shè)計，并且在設(shè)計的過程中以實際的物理實驗為參照依據(jù)，以此來實現(xiàn)虛擬仿真實驗室的創(chuàng)建與發(fā)展[5]。同時，還需要在物理實驗數(shù)據(jù)中加強外界系統(tǒng)防護，特別是關(guān)于國家高度機密的物理科學(xué)實驗等，都需要通過構(gòu)建三層外界防護網(wǎng)絡(luò)來使整個實驗中的數(shù)據(jù)免受外界攻擊，從而全面保障實驗數(shù)據(jù)的準確性。

4.2 數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)控，安全環(huán)境實時評估

在計算機物理仿真實驗操作的過程中，需要設(shè)計相應(yīng)的數(shù)據(jù)檢測網(wǎng)絡(luò)來進行整個實驗環(huán)境的動態(tài)評估。在內(nèi)部實驗內(nèi)容監(jiān)控中，例如對于運動衛(wèi)星撞擊地球所產(chǎn)生影響的虛擬實驗中，需要基于空間目標探測系統(tǒng)來對于運動目標的運動軌跡、運動速率、運行方向等方面進行檢測，且為了保證整個運動目標的動態(tài)數(shù)據(jù)檢測的精準性，需要在運作的過程中將空間坐標系中的各個空間碎片進行動態(tài)監(jiān)測，從而基于此實驗所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行全面而精準的分析。而在外部實驗監(jiān)控中，則需要對于外界可侵入的鏈接、代碼、程序等內(nèi)容進行綜合分析，從而在外界環(huán)境的監(jiān)測中更好地保證物理實驗室的安全屬性。

4.3 安全性能考量，提高設(shè)備運作效率

安全性能評估是保障實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)信息安全、提高控制器運作效率的有效手段，其能夠在數(shù)據(jù)中心信息系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)上通過安全技術(shù)應(yīng)用的架構(gòu)來實現(xiàn)系統(tǒng)的安全服務(wù)與管理。首先，需要在數(shù)據(jù)中心平臺的基礎(chǔ)上建立一定的可視化安全控制與管理系統(tǒng)，從而對于網(wǎng)絡(luò)安全的配置以及用戶使用范圍上的管理系統(tǒng)進行完善，以此來在系統(tǒng)化的更新中實現(xiàn)控制器的常規(guī)化運作。其次，需要在系統(tǒng)安全管理的基礎(chǔ)上對于安全服務(wù)準入與接入規(guī)則進行實驗的控制與管理，對于實驗系統(tǒng)中的授權(quán)服務(wù)、訪問控制、審核管理等方面的安全進行保障，以此來提高整個系統(tǒng)的安全服務(wù)系數(shù)。此外，還需要在保證控制器運作效率的基礎(chǔ)上，通過安全性能評估來進行全面的系統(tǒng)監(jiān)測，從而在等級風(fēng)險的綜合考量中實現(xiàn)安全性能的全面評估，提高物理實驗的運作效率。

4.4 優(yōu)化運作環(huán)境，避免網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)攻擊

運作環(huán)境的優(yōu)化是整個物理仿真實驗的重要保障，需要通過相應(yīng)的軟件防護來保證實驗數(shù)據(jù)免受網(wǎng)絡(luò)攻擊。例如在實驗室環(huán)境的運作中充分應(yīng)用SDN安全策略，從而基于數(shù)據(jù)的動態(tài)預(yù)測來及時預(yù)警，在相應(yīng)的數(shù)據(jù)調(diào)度中保證數(shù)據(jù)的可靠性與安全性。而且計算機系統(tǒng)能夠建設(shè)一個完善的數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測模型，該模型能夠基于數(shù)據(jù)的測算來進行數(shù)據(jù)跟蹤，并且將動態(tài)變化的數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)的信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)指標進行對比，以此來實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源在信息系統(tǒng)中的遷移應(yīng)用，從而更好地在控制器動態(tài)調(diào)度中及時隱藏真實的數(shù)據(jù)，從而保障實驗中核心信息的安全性。

5 結(jié)語

綜上所述，計算機物理仿真實驗?zāi)軌蛟诰W(wǎng)絡(luò)空間的技術(shù)性操作中，用技術(shù)化的手段來呈現(xiàn)相應(yīng)的物理實驗過程，從而在全面節(jié)省物理材料消耗的基礎(chǔ)上幫助個體掌握物理實驗操作中的技術(shù)要領(lǐng)。對此，在計算機物理仿真實驗應(yīng)用的過程中，需要針對技術(shù)性的操作流程以及運作模式進行不斷優(yōu)化，并且加強技術(shù)防護，從而在此基礎(chǔ)上不斷改進虛擬仿真實驗操作平臺，切實提高計算機物理仿真實驗的應(yīng)用水平。