物理實驗論文一（1）：
題目：探討VR技術在高中物理實驗中的應用
摘要：本文闡述了VR技術在中學物理實驗中的應用, 還原了實驗的真實性, 更加容易的探求實驗的物理規律, 提升中學實驗的實驗質量。
關鍵詞：VR; 虛擬現實技術; 物理實驗;
虛擬現實技術 (VR) 構想最初是在二十世紀八十年代早期出現的, 它的內容是基於人機交互手段這個基礎的創新, 使用的是計算機和新式的傳感器工藝。VR技術讓人們把概念上的虛擬現實技術用實踐的手段投入到中學物理實驗裏面, 藉此研究虛擬現實技術能夠在物理實驗方面的應用前景以及投入與收穫的性價比。
1 虛擬現實技術在物理實驗中的應用前景
虛擬現實技術的成長是建立在不斷進化的計算機科學之上的複雜的實驗性技術, 它可以根據實驗者的意願形成類同的模擬實驗情景, 實驗的人可以親身體會到實驗基中周遭環境的改變。其中虛擬實驗運用了計算機裏面的圖形形成技術, 採取用“虛擬”的手段模仿實驗環境和流程, 這樣就能方便實驗的進行。
虛擬現實技術投入到物理教學實驗裏面, 不僅讓實驗教學手段生動科學, 而且可以讓同學對物理學習充滿積極性和趣味性, 而且運用虛擬技術可以讓教學資源的分佈變得合理化和高性價比化。和之前經典的實體操作不同, 虛擬實驗技術可以任意設定工具和儀器, 而且能夠消除設備數據誤差, 在短時間內調整出多組數據, 另外它在物理實驗中限制很小, 幾乎都能應用。虛擬實驗對設備的損耗微小, 不會受到實驗室大小和工具種類的限制, 因此能夠提高實驗的淨收益。這種實驗技術是以高端計算機技術爲基礎的, 所以能夠達到實驗進行的高效性和實驗結果的精確性, 可以應用在多原理和手段的物理實驗中, 透過這種實驗手段, 同學對物理學習的積極性大大提高, 資源的共享也增加了同學學習的效率。虛擬實驗裏面得到的實驗結果可以連接計算機上的打印機直接打印出來, 更加地適於互相探討和分享。將現代計算機技術投入到物理學科教學之中, 可以使同學和教師寓教於樂, 在一種輕鬆愉悅的環境中學習知識, 透過這樣開展的教學使得同學對學習物理的好奇心日益增長, 有助於高效地完成教學目標。
2 虛擬現實技術在高中物理實驗中的具體應用
目前高中物理實驗的分類大致分爲:測量型實驗、探究型實驗、演示型實驗、設計型實驗等。
2.1 虛擬現實技術如何投入到演示型實驗裏
在物理的課堂上, 教師們常常用到演示實驗。同學在觀察過教師對物理實驗的演示之後, 能夠激發自己對物理學科內容的好奇心和求知慾。由於自身特性, 演示實驗的完成效果會被實驗室的環境所改變, 若是周圍實驗條件不好則實驗效果也會不好, 這樣實驗就不夠準確了。在做光的反射實驗時, 教師會運用演示設備告訴同學們光反射的基本原理以及現象。由於實驗室外界的光線條件不可控制, 這個實驗的效果的完成度也會受到波及, 這樣就失去了實驗的科學性。但是如果教師使用虛擬實驗技術來補完在現實條件下無法控制的元素, 就能改善這一結果。實體實驗中無法完全獲取的平行光, 可以透過虛擬實驗來補充, 之後再根據平面鏡對光的反射的相關知識, 將該實驗對同學進行演示。之後再讓同學從中領悟, 從自己的角度總結出從光反射演示實驗中觀察得到的結論和規律。教師還可以讓同學輪流使用儀器, 選取一個自己的入射角然後觀察光的反射, 然後將自己的數據記錄下來, 和其他學生的數據進行類比。根據同學的實驗結果, 教師綜合起來得到較爲規範的光反射規律。
2.2 VR如何運用在一些探究型實驗之中
探究型實驗注重培養同學的動手能力和對真理的一種探索精神。教師合理的利用VR技術來讓學生們在虛擬現實之中進行實驗操作, 不僅排除了可能對實驗產生影響的因素, 而且會讓同學更有新奇感, 激發同學的實驗興趣。就拿探討凸透鏡成像規律的實驗舉例, 在現實中光線會對該實驗產生非常大的影響, 經常會導致實驗結果和預期結果產生較大的差距, 所以可以利用VR技術進行虛擬實驗。根據物理實驗的七大步驟, 教師首先在現實中進行實際的實驗操作, 在進行實際的實驗教程之後同學對實驗之中一些現象提出想相關的問題, 然後教師讓同學們對這些問題的答案進行一些假設和猜想, 比如凸透鏡和物體之間的距離的長短會對成像產生怎樣的影響等。之後學生們在教師創立好的一個虛擬實驗空間裏進行虛擬實驗操作, 先將物體放在離凸透鏡較遠的距離, 然後緩緩的利用鼠標縮小物體和凸透鏡的距離, 觀察這一過程中物體透過凸透鏡成像的特點, 然後用相關的物理知識總結出規律。老師在學生總結完規律之後再用規範的物理知識解釋凸透鏡成像的原理。
由於中學的物理實驗課程時間較少, 同學對這類實驗可操作的次數沒有那麼多, 使得一些學到的知識沒有得到實踐操作的鞏固而容易忘記, 不能完成相關的教學目的'。所以爲了使同學學的知識和實踐操作能夠得到完美的融合, 可以利用VR技術來完成一些現實生活中難以實現的實驗, 使得同學們能夠在實驗之中結合自己已經學到的知識, 增加對物理學科的興趣, 打下堅實的知識基礎。比如中學物理實驗的“探究電路短路問題”這一實驗之中由於現實設備如果短路會對設備造成很大的損壞, 所以難以在現實之中完成, 大多數老師們只能透過課堂講解的方式讓同學們懂得電路短路的有關物理知識, 所能夠學到的知識非常有限, 在面臨現實中實際電路短路的時候也無法運用及時有效的途徑去解決, 雖然有一些老師用演示的方法對有關知識進行了講解, 但是依然無法讓同學們可以自己動手進行相關的物理實驗操作。相反, 如果利用VR技術, 就可以模擬出電路短路的物理實驗, 讓同學們可以直接動手進行相關的操作, 不僅讓同學們懂得了電路短路的產生原理, 也讓同學們知道了如何進行有效的解決短路問題。而且由於採取的是虛擬實驗的技術, 可以避免了現實之中可能導致安全隱患因素的產生。在電路短路實驗之中, 首先是電源短路, 同學們在設立好的虛擬空間利用鼠標將一根導線直接將電源正負極連接起來, 觀察電路現象, 然後將所有元件用導線連接起來組成線路, 觀察電路的情況, 用電流表測量電路之中的電流, 用電壓表測量負載的電壓。記錄好測量的數據, 然後將電源短路, 再用電流表測量電路的電流, 用電壓表測量負載的電壓。對比兩次測量數據的不同, 總結電路短路的規律和特點, 然後同學結合自己已經學到的知識和剛剛在實驗之中的操作, 可以得到如果電源短路就會導致電路之中的電流超過負載的額定電流, 導致負載也就是我們日常生活中所使用的電器被燒壞等。透過實驗之後同學們也會知道如何可以預防電源短路的現象的產生以及產生之後的處理方法, 使得同學們對於電路問題的理解更加的深刻了。探究完電源短路之後還可以探究負載被短路的情況, 比如同學可以利用鼠標將兩個或者更多的燈泡串聯在一起, 然後用鼠標控制導線將小燈泡正負兩級連接在一起, 用電流表測量此時電路的電流, 然後用電壓表分別測量未短路燈泡的電壓和短路燈泡的電壓, 將小燈泡短路和未短路的作比較和將短路電源和短路燈泡的電路中的電流作比較, 總結出兩者的不同和相關的規律。之後如果有機會還可以讓同學們做出並聯電路中燈泡的短路會對電路帶來什麼影響等擴展實驗, 這種利用VR技術的虛擬實驗在保證了實驗的安全性和不被影響性的情況下可以極大的激發同學們對於物理世界的探索興趣。
3 結束語
透過對VR技術在中學實驗中運用的可實現性和優點的分析和討論, 可以看出VR的虛擬技術其實對中學物理實驗有着非常大的作用, 還原了實驗的真實性, 培養學生嚴謹精神, 保持對真理織織不倦的探索精神。虛擬技術高度模擬出真實的實驗場景, 提升中學實驗的實驗質量。
參考文獻
[1]賈瑞 Neo現北京課堂VR或帶來教育“三維革命”[J].計算機與網絡, 2017, (9) :77.
[2]李琨.虛擬實驗室在中學物理實驗中的應用[J].中國教育技術裝備, 2012, (6) :121-122.
[3]李琨.少年強則中國強.消費保與深圳中學學子交流AR/VR技術[J].消費電子, 2017, (6) :90-91.
[4]顧鳳梅.基於VR技術的生物課堂演示實驗教學模式的構建[J].寧波教育學院學報, 2011, (5) :138-140.
[5]胡善聞.中學資訊化教學模式探討[J].新西部 (中旬刊) , 2017, (5) :135, 4.
[6]朱福全, 楊麗平, 李昌國等.基於Open GL的虛擬化學實驗系統的研究[J].計算機工程與設計, 2008, (3) :722-724.
[7]朱福全, 楊麗平, 李昌國等.基於VIRTOOLS探究性仿真物理實驗的設計與實現[J].合肥師範學院學報, 2009, (6) :60-63.
物理實驗論文一（2）：
題目：網絡虛擬物理實驗教學的研究
摘要：網絡虛擬物理實驗教學是在計算機與網絡技術的基礎上採用的一種新型的物理實驗教學模式, 其獨特的經濟性、可靠性、共享性、高效性和開放性, 可以彌補實體實驗的不足。將其有效地和實體物理實驗相結合, 可促進物理實驗教學改革, 提高物理實驗教學的質量和效率。
關鍵詞：網絡; 虛擬實驗; 物理實驗教學;
一、引言
近幾十年來, 隨着計算機和網絡技術等資訊技術的迅速發展, 運用計算機軟件技術和通信手段將傳統物理實驗內容做成虛擬網絡實驗項目, 不僅迎合現代大學生對資訊技術的需求, 同時作爲一種新型的實驗教學手段, 可以彌補傳統實驗教學在硬件、空間和時間上的不足, 拓寬實驗教學新模式, 使傳統而又經典的物理實驗教學煥發新的活力。對網絡虛擬物理實驗教學進行深入研究, 在促進物理實驗教學改革, 提高物理實驗教學質量和效率, 推動和促進物理實驗教學發展, 具有重要意義。
二、網絡虛擬物理實驗的優勢
1. 虛擬物理實驗的經濟性。
設立在計算機中的虛擬物理實驗沒有場地限制, 學生既可以在實驗室的虛擬實驗室中完成, 也可隨時隨地在任何有網絡的計算機和手機上完成實驗內容, 沒有空間、耗材使用和儀器損耗的問題, 不受空間和時間等外界條件的限制, 降低了實驗經費。同時, 虛擬物理實驗項目僅需要進行定期的計算機維護, 降低了實驗技術人員在儀器維修和耗材購置上的人員成本。
2. 虛擬物理實驗的可靠性。
物理實體實驗中, 客觀條件對實驗的影響很大, 例如不同的溫度、溼度和氣壓條件, 以及市電的波動, 都會對實驗結果產生影響。由於學生缺乏對複雜條件下實驗結果不確定的分析, 不能理解不同條件下獲得的不同實驗結果, 就會對整個實驗過程產生懷疑。虛擬實驗的標準條件的設定, 可以克服客觀條件的不確定性, 使得初次進行實驗的低年級學生對實驗過程的原理、操作過程和實驗結果有了確定性的積極認識。同時, 物理虛擬實驗能夠克服實體實驗的不安全性, 虛擬實驗不會因操作失誤而造成人身事故。
3. 虛擬物理實驗的共享性。
網絡虛擬實驗以計算機大容量的存儲介質爲平臺, 運用計算機或計算機網絡, 以軟件實現實驗的可視化和模擬操作。在傳統的實體實驗教學中, 一方面由於單個實驗項目沒有實體實驗人數的限制, 學生無法自由地進入實驗室完成所需的實驗項目;另一方面, 由於時間的限制, 在實驗過程中, 學生沒有更多地機會仔細研究實驗內容和實驗過程, 實驗教學效果很難得到保證, 而虛擬實驗則不受實驗空間和時間的限制。
三、網絡虛擬實驗的不足
網絡虛擬物理實驗作爲物理實驗教學的拓展和補充, 展示了網絡和計算機技術在物理實驗教學中的特色和優勢。但由於虛擬物理實驗自身存在的不足, 它無法替代傳統實體物理實驗在實驗教學過程所發揮的作用。
首先, 雖然虛擬實驗能夠完全模擬實物物理實驗的環境和儀器設備外形, 但學生透過視頻對實驗環境和儀器的感性認識不如親臨實驗環境和感觸儀器的真實認識;同時在虛擬實驗過程, 透過鼠標或觸摸式搭建和操作的實驗過程, 也不似實體實驗中儀器間接線連接和實驗中旋鈕旋轉力度的真實感覺, 學生的動手能力得不到訓練和強化。
其次, 虛擬物理實驗情境中, 學生透過網絡資源和虛擬實驗提供的輔助材料, 根據實驗步驟一步一步地完成儀器的連接和實驗操作, 沒有可能出現實體實驗中種種無法預測的問題。同時, 在完成虛擬實驗過程中, 面對毫無感覺的計算機和軟件系統, 對學生思維的正常發展和健康人格的形成將產生負面影響。
最後, 虛擬實驗是透過軟件實驗場景和儀器圖片的再現, 透過程序的設定讓學生按照步驟完成實驗。由於軟件不能窮盡實際實驗中出現的各種問題, 對虛擬實驗中學生出現的問題只能簡單地報錯, 學生可以不需要思考爲什麼, 只是透過不斷試錯獲得正確的結果, 在一定程度上抑制了學生創新思維的發展。
四、虛實結合, 優勢互補
實體物理實驗在培養學生的全面素質中發揮着重要作用, 是學生驗證所學知識, 獲取新知識、方法和能力必不可少的課程之一。而網絡虛擬物理實驗以網絡和計算機技術爲基礎, 藉助實體物理實驗, 爲學生提供多角度、形象的物理模型、物理過程和物理圖景。其豐富的聲像圖文資訊, 可以喚起學生對物理實驗課程的學習興趣。
1. 先虛後實, 提高實體實驗的質量和效率。
將實體實驗透過虛擬實驗的形式作爲學生的預習內容, 有助於學生儘快熟悉實體實驗。網絡虛擬實驗爲學生提供了全方位的實驗知識材料, 能夠使學生了解實驗操作全過程, 學習數據記錄和處理, 瞭解實驗中可能出現的問題, 在培養學生自學能力的同時, 也爲實體實驗打下基礎。
2. 以虛補實, 完善實驗課程體系。
物理實驗中心由於場地和經費的限制, 不能開設所有的經典物理實驗來滿足不同專業和不同層次的學生需求。實驗中心開設的都是與學校特色和優勢專業相關的基礎物理實驗, 而其他一些經典的與學校特色專業相關度不高的物理實驗, 則很少開設。此外, 一些近代物理實驗, 由於儀器昂貴和佔地大, 所需的物理知識較多, 加之實驗時間長, 調節和實驗過程比較複雜, 很多普通的工科院校沒有配置這些實驗。
透過虛擬實驗研究探討實體實驗, 不僅可以節約實驗經費和實驗時間, 還能鍛鍊學生對創新實驗設計、改進的能力, 提高學生的綜合科研素質。
五、結論
隨着網絡和計算機技術的迅速發展, 網絡虛擬物理實驗的功能將逐步完善和強大。作爲傳統物理實驗教學的有益補充, 虛擬物理實驗不僅爲傳統的經典物理實驗注入新的活力, 還突破了傳統的實驗教學模式, 促進物理實驗教學理念和教學方式的改革, 提高物理實驗教學質量和效率, 推動大學物理實驗教學發展。
參考文獻
[1]周曼.大學物理實驗[M].北京農業出版社, 2011.
[2]朱敏, 朱炎.虛擬實驗與物理課程教學[M].東南人學山版社, 2008.
[3]鄒利蘭, 林聰, 熊正燁.虛擬儀器技術在大學物理實驗教學中的應用[J].教育現代化, 2017, (33) :335-336.
[4]趙法剛, 周海濤, 楊保東, 董有爾, 郜江瑞.現代物理虛擬仿真實驗中心建設的探索與實踐[J].實驗室科學, 2016, 19 (4) :178-181.
[5]曲彬, 關世傑.虛擬物理實驗平臺建設的探索與實踐[J].大學物理實驗, 2016, 29 (3) :141-142.
[6]張林.虛擬仿真技術對大學物理實驗教學影響的探究[J].大學物理實驗, 2015, 28 (110) :116-118.