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1、虚拟现实技术在中学物理实验教学中的应用秦艳芳 河北省唐山市第十六中学【摘要】目前，许多种类的虚拟实验室大量出现在网络上。但是，这些虚拟实验室往往都是二维场景，学生参与实验的真实感很弱，对学生的学习帮助作用有限。虚拟实验室本质上是对真实实验场景的仿真模拟，是对实验条件有限或者真实实验室无法实现的实验近乎逼真的显现，应该具有和真实实验室相同的物理属性，学生在其中应该具有和真实实验室相似的体验和同样的学习效果。因此，虚拟实验室应该能够满足学生进行自主探究式操作，这一点，二维的虚拟实验室是无法实现的，只要三维的虚拟实验场景才可以达到这一要求。本文从分析中学物理实验教学现状入手，阐述利用虚拟现实技术进行
2、物理实验教学的优势，讨论虚拟现实技术在物理实验教学中的重要作用和运用。【关键词】虚拟现实技术，虚拟实验室，VB应用，ActiveX控件【引言】 物理学是一门以实验为基础的自然科学，加强实验教学，不仅可以提高物理教学效果，还可提高学生的实验素质，有助于培养学生的创造性学习能力。现代，信息技术的迅猛发展，极大丰富了课程和教学资源。新课程标准指出，实验教学要走在教学改革的前列，必须大胆采用现代信息技术手段进行实验教学。信息技术在物理实验中的运用更新了传统实验教学的理念、教学手段和教学方式。伴随着计算机软件技术和高级程序语言的人性化发展，实验教学也逐渐走向虚拟化，不仅多种多媒体课件纷纷涌现，虚拟现实技
3、术也应用于物理实验教学中，这是教育技术发展的一个飞跃。利用虚拟现实技术建立的物理虚拟实验室拥有传统实验室难以比拟的优势。一、中学物理实验教学的现状1、实验室空间相对有限，实验仪器相对匮乏近年来，由于各种原因，有限的实验空间和有限的实验仪器根本无法满足当前物理实验 教学的要求，无法反应当前物理学发展前沿，具有非常明显的陈旧性、滞后性、非实用性。2、危险、复杂实验难以操作在物理实验教学中，有些物理现象或物理过程很难或无法直接通过实验演示，造成学生对这些现象和过程缺乏感性认识，因此理解起来比较困难。有些实验，虽然内容比较重要，但对于过程复杂或成本高等原因采用传统的教学手段无法演示，如分子运动的特点，
4、布朗运动；波的叠加，干涉与衍射；粒子散射等都很难直接通过实验演示。还有些实验比较危险，无法进行实验教学，比如原子核的裂变、聚变；子弹的穿透形式；动量定理在空中的爆炸形式的运用等。3、细致的演示实验的具体实质无法清楚观察有些演示实验由于各种原因，导致教师的操作过程，实验发生的现象可见度非常小，无法直接让全班学生都观察到。比如游标卡尺、螺旋测微器的操作过程及读数方法，各种电学实验的操作过程及电表指针的偏转情况等。另外，有些实验受仪器精密度等因素的限制而不宜成功或实验现象变化太快，现象并不明显，很难让学生信服。4、现有课件缺乏交互性，大多学生不能深刻掌握实验的内容，束缚了学生的想象力和自由发挥的空间
5、教学中，有些学校开发了辅助教学的CAI多媒体课件，但是在管理模式、内容安排、资源建设和教学手段诸多方面均存在问题：多媒体课件大多是单机运行的，完全机械地展示、演示实验课的内容，课件缺乏交互性，大多学生不能深刻掌握实验的内容，束缚了学生的想象力和自由发挥的空间，学生的积极性并未充分调动，很难达到预期的实验课教学效果。如果利用先进的通信网络技术，创建一个可视化的三维环境，学生就可以进行虚拟的实验，完成难做实验的仿真模拟、进行物理过程的动态分析，提高物理实验课教学效果。二、 虚拟现实技术特点和作用虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及显示技术，生
6、成三维的虚拟环境，介入者利用键盘、鼠标等输入设备，或者带上头盔、数据手套等传感设备进入虚拟环境，在虚拟环境中进行实时交互，并且能够感知和操作虚拟环境中的各种对象，获得身临其境的感受和体验。虚拟现实技术具有沉浸感、交互性和想象力三个基本特征。在具体的教学实验中，学生可以作为主角存在于虚拟环境中，对虚拟环境内的物体进行操作并从环境中得到自然的反馈，而且当学生沉浸在多维信息空间中时，能够主动地获取知识，寻求解答，形成新的概念。虚拟现实技术以其诸多的优点决定了它在教育领域中的重要作用。一是避免真实实验或操作所带来的各种危险并降低真实实验的实验用品损耗；二是在虚拟实验中可以获得与真实实验一样的学习效果，
7、还可根据实验教学发展需求“引入”新设备，不断对新设备进行扩展。三是彻底打破空间与时间的限制。总之，虚拟现实技术结合多媒体技术和计算机网络，能提高实验效果与效率，充分发挥教学优势。三、虚拟实验室的实现虚拟实验室是由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。在虚拟实验室中，学生能够在计算机建立的三维的模拟实验场景中从不同的视角观察一个实验对象，通过鼠标的选择或者拖曳操作便可完成与虚拟实验对象之间的交互。虚拟实验室的实现应有多种途径，但无论如何实现，虚拟实验室应具备一些基本特征：与现实的一致性（或现实的延伸）；高度交互性；实
8、时的信息反馈。虚拟实验室的实现，归根结底在于将设计思想转变为软件的编制。大型、复杂仪器的模拟往往使初学者无从下手，采取分解组合方法无疑是一种行之有效的捷径。 1、虚拟仪器的组件构造方法虚拟实验室是由各种虚拟仪器组成，虚拟仪器又有具有特定功能的元件组成。建造各种具有特种功能的元件，并确定相互之间的关系，将成为关键。这种分解组合的方式，利用VB来建立具有很大的方便性，VB的模块化控件、事件驱动、面向对象、多线程特性满足了建立虚拟仪器的各种需要。可以利用VB的各种控件，来建立各种虚拟仪器的组件，例如：将旋钮图片（或编程绘制）放在VB的图片或图像控件上，通过设置控件的属性来控制旋钮的外形尺寸和位置，而
9、通过对控件各种事件的编程，可建立与其它组件之间的关系及所应具有的功能。但构造过程中通常需要构建大量具有相同或相似功能的组件，重复构造不仅效率低，也使问题复杂。2、用ActiveX控件构造虚拟仪器的标准组件 ActiveX技术为我们引入了“软件组件”这个新的概念，不必再将电脑软件编写成一个大型完整且独立运行的工具。为了能使软件完成更大更复杂的任务，现在可将它分割成小的模块，这种模块便是组件。各组件的宗旨便是完成特定的任务，而且组件能够跨运用程序、跨平台、跨网络运行。采用组件思想为构造虚拟仪器带来了很大方便。简单地说，ActiveX是一种体系结构，它允许使用不同编程语言开发的软件组件在网络环境中相
10、互操作。ActiveX体系结构使用了Microsoft的组件对象模型及分布式组件对象模型标准，允许不同组件对象实现本地相互对话及网络上对象之间通信。ActiveX这种重复使用和自包含的本质来源于微软更早的面向对象的应用程序设计思想，也就是由原来的OLE控制，或OCX控件而发展成为现在能够运行在Web页面上的软件组件，使得创建的运用程序能供客户端下载运行。由于ActiveX是一种开放的技术，开发者可以创建自己的ActiveX控件，ActiveX控件是程序的自包含片断或独立的组件，不但可以在程序中重复调用，也可以调入其它应用程序而成为其一部分。比如我们可以在VB中使用ActiveX技术，开发出各种
11、常见的参数调节旋钮、数字显示屏等通用ActiveX控件（如称为旋钮控件和现实控件）。这样可以在构造不同仪器中反复使用，不但可以由控件组成仪器，还可以由小仪器组成复杂的大仪器。ActiveX控件的开发工具有VB6.0，VC+，Delphi等，在VB中建立自己的ActiveX控件最为简单，他保留了人们熟悉的属性、事件和方法，通过在程序设计和运行时修改程序的属性、调用控件、在控件的事件中加入程序代码即可方便的组建运用程序。ActiveX技术为虚拟实验室的建立带来了极大的便利。3、功能模块设计建设虚拟实验系统，从功能模块上均可划分为三个部分。（1）网络服务。用户可通过网络注册个人信息并经过验证后登录虚
12、拟实验系统。登录该系统后学生可自主选择将要进行的实验，并根据实际需要获得相关的指导。（2）仿真实验。采用计算机仿真技术来构建实验模型，设计出用于测试的虚拟仪器设备、实验线路或回路、实验元器件或构件库、判别实验效果的评价标准等。用户选择相关的仿真实验以后，根据提示进行相关的操作，观察实验现象并记录实验结果。（3）数据库。为虚拟实验系统提供相关的数据服务。维护虚拟实验系统的数据信息及用户的相关权限，为仿真实验提供支持。四、教学型虚拟实验室的建设的几点建议 1、用“平民化”的技术实现教学型虚拟实验室的建设和应用; 2、更新实验教学观念,重新认识虚拟实验室; 3、切合实际，合理选择开发技术。 建立一个
13、完整的虚拟现实系统是成功进行虚拟现实应用的关键，而要建立一个完整的虚拟现实系统，首先要做的工作是选择实可行的虚拟现实系统解决方案。五、结束语当人们努力在二维世界为创建虚拟实验室而努力探索时，VRML（Virtual Reality Modeling Language虚拟现实语言）又为人们开创了一个三维立体的可以让访问者如身临其境的真实空间。可以设想，在不同地点，多人同时进入一个虚拟的三维立体实验室，在电子导师的指导下，相互交谈学习的虚拟场景，将展现在人们的面前。虚拟实验教学的广泛应用将对探索、发展现代教育思想、提高教育技术水平、改善实验实训环境、优化教学过程，培养具有创新意识和创新能力的人才产生深远的影响。参考文献：1许又泉、谭敏生、邓轶华，网络虚拟实验室及其实现方法研究J.邵阳学院学报（自然科学版），2004（03）.2党保生，虚拟现实及其发展趋势.中国现代教育装备，2007年4月3李志文、韩晓玲，虚拟现实技术研究现状及未来发展，2005年3月4胡小强，虚拟现实技术.北京邮电文学出版社，2005年7月
