孫繼浩

(燕山大學(xué)理學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

1 引言

當(dāng)前各學(xué)校的物理實(shí)驗(yàn)課程普遍存在著一些問題和不足，限制著實(shí)踐教學(xué)的開展：實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施缺乏，設(shè)備更新?lián)Q代速度慢[1]；學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前缺少實(shí)驗(yàn)機(jī)會；密集使用時(shí)設(shè)備易損壞，維護(hù)成本高。基于這些原因，針對實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，開發(fā)適用于本實(shí)驗(yàn)室的虛擬仿真軟件就非常必要了。在一些物理實(shí)驗(yàn)中，雖然儀器的功能結(jié)構(gòu)各不相同，但它們基本都由顯示窗口和操作面板組成，對這類儀器的虛擬仿真不需要特定的視角轉(zhuǎn)換，也不需要移動位置或進(jìn)行立體空間的操作，這類儀器可以統(tǒng)稱為面板類儀器。2020年疫情期間我校物理實(shí)驗(yàn)課采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在線平臺授課，根據(jù)實(shí)際使用感受和學(xué)生反饋，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：1.在線的實(shí)驗(yàn)仿真軟件一定程度上解決了實(shí)驗(yàn)課的網(wǎng)上授課問題，軟件開發(fā)比較成熟，但并不完全符合本校實(shí)驗(yàn)室內(nèi)儀器和課程的實(shí)際情況，個(gè)別參數(shù)和實(shí)際要求有所區(qū)別；2.疫情在國家的有效干預(yù)下得到控制，預(yù)期以后的實(shí)驗(yàn)課程仍以線下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)為主（虛擬仿真原則：虛實(shí)結(jié)合，以實(shí)為主、能實(shí)不虛），但學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前需熟悉實(shí)驗(yàn)儀器和操作等。自主開發(fā)符合實(shí)際需求、具有自主產(chǎn)權(quán)、免費(fèi)使用、且不受限于網(wǎng)絡(luò)平臺的實(shí)驗(yàn)虛擬仿真軟件是十分必要的。其次能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的測量和教師對實(shí)驗(yàn)的考查，能夠在特殊情況下應(yīng)急替代實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在電腦上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。本文以密立根油滴實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真開發(fā)為例，分析面板類儀器的虛擬仿真過程，總結(jié)出虛擬仿真的設(shè)計(jì)原則，為面板類儀器的其它實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬仿真提供必要參考。

2 密立根油滴實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容

密立根油滴實(shí)驗(yàn)是近代物理學(xué)發(fā)展史上一個(gè)十分重要的實(shí)驗(yàn)，它證明了任何帶電體所帶的電荷都是某一最小電荷（基本電荷e）的整數(shù)倍，明確了電荷的不連續(xù)性，并精確地測定了基本電荷的數(shù)值。

如圖1所示，密立根油滴實(shí)驗(yàn)儀的主要組成為顯示器和主機(jī)操作面板，是一個(gè)具有代表性的面板類儀器。顯示器用來顯示當(dāng)前電壓、下落時(shí)間、平衡電壓、參考線和動態(tài)顯示油滴運(yùn)動狀態(tài)等；主機(jī)包含一個(gè)可調(diào)位置的顯微鏡、可噴油的油霧室、電源鍵、油滴和電壓控制按鍵、計(jì)時(shí)秒表控制按鍵、水平氣泡等。

圖1 密立根油滴儀的外觀結(jié)構(gòu)（左-顯示器 右-操作面板）

以平衡法為例，用密立根油滴儀測量油滴帶電量的主要步驟為：1.調(diào)節(jié)水平氣泡；2.噴油，選擇合適的油滴（對油滴的平衡電壓和下落時(shí)間有要求）；3.將選好的油滴移到測量開始位置以上，調(diào)節(jié)平衡使油滴保持靜止，記錄平衡電壓；4.去掉電壓，當(dāng)油滴降落至開始位置時(shí)，開始計(jì)時(shí)，降落至終點(diǎn)位置時(shí)停止計(jì)時(shí)；5.記錄下落特定距離需要的時(shí)間，把油滴提升至上方再次測量，重復(fù)測量若干次；6.重新噴油，選擇一個(gè)新油滴繼續(xù)測量，測量若干油滴。該實(shí)驗(yàn)的操作流程可用圖2表示。

圖2 密立根油滴實(shí)驗(yàn)的操作流程

根據(jù)上課實(shí)際反饋，密立根油滴實(shí)驗(yàn)在實(shí)際操作中存在幾個(gè)難點(diǎn)，第一，油滴帶電情況難以控制，尤其是空氣濕度大的時(shí)候，油滴難以通過與空氣摩擦帶電；第二，成像芯片的穩(wěn)定性和成像效果隨著儀器使用年限的延長而迅速下降，平均壽命5年的儀器就很難觀察到較為清晰的油滴；第三，學(xué)生在操作不熟練的情況下，用油壺進(jìn)行噴油，常出現(xiàn)反復(fù)噴油導(dǎo)致過量，或者噴油方法不對導(dǎo)致無法出現(xiàn)油滴的情況。學(xué)生本該把實(shí)驗(yàn)的關(guān)注點(diǎn)放在觀察油滴的平衡狀態(tài)、平衡電壓和下落、提升等操作上，因?yàn)橐陨系膶?shí)際問題，導(dǎo)致學(xué)生的效能感降低，在課上規(guī)定時(shí)間內(nèi)部分學(xué)生無法正常完成實(shí)驗(yàn)。為解決以上問題，開發(fā)密立根油滴實(shí)驗(yàn)虛擬仿真軟件是十分必要的，既可以讓學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前提前練習(xí)操作儀器，減少進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后對儀器的無意義損耗，又能結(jié)合理論知識提高對實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)高效完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還能在特定情況下完成虛擬實(shí)驗(yàn)的測量，整體上提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效能感。

3 虛擬仿真軟件的需求分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[2]可以了解虛擬仿真軟件近些年的發(fā)展趨勢：整體上技術(shù)發(fā)展迅速，從早期的Java、Flash等，過度到中期的Matlab、Virtools、組件庫等，發(fā)展到現(xiàn)在的Unity3D、虛實(shí)結(jié)合等。技術(shù)上表現(xiàn)手法更加完善，教學(xué)上理念和方式更加成熟，但針對具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，需要考慮該項(xiàng)目的目標(biāo)需求和實(shí)現(xiàn)功能的具體技術(shù)手段。在對面板類儀器進(jìn)行虛擬仿真的時(shí)候，只需要關(guān)注操作面板的調(diào)節(jié)和顯示窗口的輸出，而對儀器的3D 建模和非關(guān)鍵部件的外觀仿真則不是必要的。通過對儀器結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的分析，可以簡化開發(fā)流程、加速開發(fā)進(jìn)度，其它面板類儀器的開發(fā)流程也可以對此進(jìn)行參考比照。該虛擬仿真軟件采用Visual C# 2010編寫，基于Microsoft .NET Framework 4 運(yùn)行，其優(yōu)勢有如下三點(diǎn)：1.在Windows7 以上系統(tǒng)可直接運(yùn)行，無需額外安裝支持文件；2.可直接打包成一個(gè)exe 文件，單個(gè)文件大小控制在1MB 左右，無需安裝，運(yùn)行方便，便于分享；3.代碼便于修改，也可利用第三方控件，仿真度高，開發(fā)快捷。

虛擬仿真軟件在進(jìn)行開發(fā)前，需要了解以下幾個(gè)問題：1.該軟件的用途，是用于課前預(yù)習(xí)的模擬操作，還是用于完全的虛擬實(shí)驗(yàn)中操作并測量數(shù)據(jù)。2.軟件界面和功能是追求高大全，還是簡單實(shí)用。3.哪些是基礎(chǔ)的必須功能，哪些是可選的擴(kuò)展功能。在課程改革的大背景下，實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)時(shí)數(shù)減少，而我們的實(shí)驗(yàn)仍然以線下為主，所以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的主要用途是用于學(xué)生的課前預(yù)習(xí)，需要選擇基本功能快速開發(fā)，擴(kuò)展功能可以根據(jù)需要逐漸添加。由此，密立根油滴實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真軟件的功能需求和設(shè)計(jì)原則如圖3 所示。內(nèi)容的顯示和實(shí)驗(yàn)的操作是必需的基本功能，需要優(yōu)先開發(fā)；其他拓展功能可以根據(jù)難度和需求度進(jìn)行后續(xù)開發(fā)；仿真軟件中的物理邏輯要保證物理參數(shù)的真實(shí)性和設(shè)計(jì)隨機(jī)函數(shù)等，使得仿真軟件的使用具有真實(shí)感和區(qū)別度。

圖3 仿真軟件的功能需求和設(shè)計(jì)原則

4 仿真軟件的基本功能和物理邏輯

結(jié)合前文分析，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，秉持著以下幾個(gè)原則[3]：交互性原則，開放性原則，簡單易用原則，安全穩(wěn)定原則。密立根油滴實(shí)驗(yàn)虛擬仿真軟件的基本功能：顯示窗口和操作窗口的設(shè)計(jì)。從具體內(nèi)容來看，顯示窗口需要顯示要測量的數(shù)值、運(yùn)動的油滴并根據(jù)操作變化，操作窗口要有各種操作的按鍵、旋鈕等。

如圖4 所示，左側(cè)為顯示窗口打開“電源”并“確認(rèn)”后的界面，右側(cè)為操作窗口。其中，顯示窗口基本還原了顯示器的顯示樣式，而操作窗口則根據(jù)仿真軟件的特點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)整。在操作上，儀器實(shí)物是通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕改變顯微鏡位置，軟件上則是設(shè)置了一個(gè)顯微鏡調(diào)節(jié)旋鈕，通過鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)，從而在顯示器上改變油滴的大小；噴油在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，是用油壺從油霧室進(jìn)行噴油，而軟件中直接簡化為一個(gè)按鈕，點(diǎn)擊按鈕，屏幕上則出現(xiàn)隨機(jī)質(zhì)量、隨機(jī)電量、隨機(jī)位置和隨機(jī)數(shù)量的油滴；其他按鈕或旋鈕除了樣式不一致，基本上與實(shí)物儀器操作類似。

圖4 仿真軟件的顯示窗口和操作窗口

界面的仿真可以使虛擬仿真軟件的操作更具有代入感，但軟件代碼中的物理邏輯對于實(shí)現(xiàn)仿真軟件的功能才是更重要的。根據(jù)密立根油滴實(shí)驗(yàn)的需求，軟件代碼中需要實(shí)現(xiàn)如下幾項(xiàng)：1.預(yù)置基本參數(shù)，如極板間距、空氣的粘滯系數(shù)、重力加速度、大氣壓強(qiáng)、油的密度、修正常數(shù)等，這些參數(shù)參與到油滴運(yùn)動狀態(tài)的模擬中；2.模擬真實(shí)噴油的操作，用隨機(jī)函數(shù)定義油滴初始參數(shù)，模擬噴油一次，則出現(xiàn)隨機(jī)數(shù)量（40～60 個(gè)不等）、隨機(jī)位置（顯示窗口內(nèi)外都有）、隨機(jī)質(zhì)量（一定范圍內(nèi)隨機(jī)半徑的球形油滴）、隨機(jī)電量（基本電荷的整數(shù)倍）的油滴；3.根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算所有油滴的運(yùn)動狀態(tài)，根據(jù)屏幕參考線代表的空間實(shí)際距離，設(shè)置一定的屏幕刷新率和時(shí)間的數(shù)字變化間隔，從顯示窗口上顯示油滴的運(yùn)動和時(shí)間的變化。如圖5 所示為實(shí)現(xiàn)基本功能的仿真軟件，除了顯示窗口和操作窗口，為了方便了解儀器實(shí)物，界面右上位置放置了密立根油滴儀的顯示器和實(shí)驗(yàn)儀照片。

圖5 實(shí)現(xiàn)基本功能的仿真軟件

設(shè)置的油滴初始參數(shù)保證了一定的隨機(jī)性，而隨機(jī)性是非常重要的，它保證了每次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都不雷同，即：每個(gè)同學(xué)做的幾次實(shí)驗(yàn)，或不同同學(xué)做的實(shí)驗(yàn)之間，結(jié)果都不相同，只有這樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果才具有一定的可考查性。從前面的分析來看，這里從操作者角度來講，保證了實(shí)驗(yàn)上兩方面的隨機(jī)性：1.油滴的隨機(jī)性，每個(gè)油滴的初始參數(shù)都是隨機(jī)而不完全相同的，但所有的油滴都是按照既定的物理參數(shù)，在一定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)，按照受力情況上下運(yùn)動；2.計(jì)時(shí)的隨機(jī)性，要求油滴從特定位置降落到另一特定位置（一般是從0線降落至6 線），油滴有一定的大小且操作有一定的反應(yīng)時(shí)間，則油滴位置和計(jì)時(shí)器的調(diào)節(jié)和判斷都是有一定的人為操作誤差的，而以上的隨機(jī)性都是符合實(shí)際實(shí)驗(yàn)的流程和規(guī)范的。

5 仿真軟件的拓展功能

拓展功能主要是指在完成基本必需功能之外，能夠進(jìn)一步完成實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)測量和實(shí)驗(yàn)考核等的非必需功能。以密立根油滴實(shí)驗(yàn)為例，它的擴(kuò)展功能為水平氣泡調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)功能、幫助功能、數(shù)據(jù)處理功能等。

圖6 為添加了部分拓展功能的密立根油滴實(shí)驗(yàn)仿真軟件的第二版，主要添加的功能有：1.水平氣泡調(diào)整功能，添加該功能后，通過點(diǎn)擊照片上的水平氣泡，可以調(diào)出調(diào)節(jié)界面（如圖6 右下所示），如氣泡未調(diào)節(jié)至中央位置，則無法進(jìn)行儀器的狀態(tài)確認(rèn)，亦不能進(jìn)行后續(xù)的各種操作。2.網(wǎng)絡(luò)功能因?yàn)榉?wù)器原因未添加網(wǎng)絡(luò)存儲等功能，但軟件運(yùn)行后點(diǎn)擊電源鍵，需要網(wǎng)絡(luò)支持并獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間才可繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)顯示操作人的姓名學(xué)號（如圖6 右上所示）。3.幫助功能，點(diǎn)擊“Help”鍵可彈出軟件的使用說明和實(shí)驗(yàn)的操作說明等幫助文檔。4.數(shù)據(jù)記錄功能，可以設(shè)置要測量的油滴個(gè)數(shù)，每個(gè)油滴測量多次，并把數(shù)據(jù)直接記錄至左下區(qū)域。5.數(shù)據(jù)處理功能，按照實(shí)際實(shí)驗(yàn)的不同要求，可以測量不同的下降距離，把測量得到的平衡電壓和下落時(shí)間輸入至計(jì)算區(qū)域，可以輸出計(jì)算結(jié)果，減少實(shí)驗(yàn)的運(yùn)算量。

圖6 實(shí)現(xiàn)完整功能的虛擬仿真軟件

第一版的仿真軟件可以完成預(yù)習(xí)操作和測量的功能，通過添加以上的拓展功能，第二版的仿真軟件可以完成更細(xì)致的操作并能結(jié)合實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的考核，后續(xù)考核提交實(shí)驗(yàn)截圖即可。

6 持續(xù)改進(jìn)和數(shù)據(jù)評測

對于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來說，通過細(xì)節(jié)的不斷優(yōu)化進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)是非常重要的。前文已實(shí)現(xiàn)的仿真軟件，具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.不依賴于服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定依然可以運(yùn)行，排除了部分同學(xué)反饋的因網(wǎng)絡(luò)問題而無法在線實(shí)驗(yàn)的困難；2.自主產(chǎn)權(quán)，永久免費(fèi)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際需求開發(fā)，適用性和目的性強(qiáng)；3.通用開發(fā)框架，可以快速開發(fā)其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以隨時(shí)調(diào)整代碼；4.操作邏輯上，左右鍵可分別代表減小和增大以及旋鈕的左旋和右旋，操作易上手。從實(shí)際使用的反饋來講，該仿真軟件完成度比較高，可用于密立根油滴實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬實(shí)驗(yàn)操作和測量，同時(shí)也存在一些可以改進(jìn)和參考的建議：1.界面是平面化的，沒有視角轉(zhuǎn)換；2.沒有網(wǎng)絡(luò)存儲功能。關(guān)于建議1，本文針對的主要是面板類儀器，不需要進(jìn)行視角轉(zhuǎn)換和空間操作，而且不需要進(jìn)行3D 建模，減少了開發(fā)難度，對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作也沒有影響。關(guān)于建議2，在線實(shí)驗(yàn)操作和存儲確實(shí)有一定的優(yōu)勢，但也存在一些缺陷且不是必需的，通過開發(fā)邏輯里的隨機(jī)性等功能，可以實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)的操作和數(shù)據(jù)考查，提交的報(bào)告里包含軟件截圖即可，教師可以通過如圖7 所示的程序進(jìn)行評測。通過虛擬仿真軟件的使用，配合相應(yīng)的考查方案，可以實(shí)現(xiàn)對該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的仿真操作及成績考核，還能收集學(xué)生測量得到的大量數(shù)據(jù)來進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4]。

圖7 實(shí)現(xiàn)完整功能的虛擬仿真軟件

7 結(jié)語

密立根油滴實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真開發(fā)思路具有一定的普適性，依托于實(shí)驗(yàn)室實(shí)際設(shè)備，按照課程的具體要求，可完成該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備了解、原理預(yù)習(xí)、操作練習(xí)、數(shù)據(jù)測量和結(jié)果評測等。實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備損耗快、儀器維護(hù)成本高、實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)不足等問題，同時(shí)可以作為特定時(shí)期線上實(shí)驗(yàn)的應(yīng)急方案使用。另外其快速開發(fā)思路可應(yīng)用于其它實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對于實(shí)驗(yàn)室建立一批虛擬仿真項(xiàng)目具有參考價(jià)值，從而提升實(shí)驗(yàn)課程整體的教學(xué)效果。同時(shí)也要認(rèn)識到，實(shí)驗(yàn)課程的虛擬仿真要遵循以實(shí)為主、虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛的原則，實(shí)驗(yàn)教學(xué)要以實(shí)驗(yàn)室的線下教學(xué)為主，虛擬仿真軟件作為輔助，要以提高學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰閷?dǎo)向。