基于组件的大学物理仿真实验平台的设计与实现

时间：2024-05-04

摘要：从大学物理实验教学开放性、设计性的特点出发，以促进自主学习和提升教学效果为目标，运用虚拟仿真技术和Web开发技术，构建了基于组件的大学物理仿真实验平台。提出了平台建设的设计原则，并结合功能模块进一步给出了平台的开发路线。基于组件的物理仿真实验的设计思想，提升了实验方案的灵活性和实验器材选择的多样性，实质性地推动了以学生为主体、教师为主导的教学模式的开展，使物理实验教学在预习、实验和考核等多环节的教学效果得到了显著提升。

关键词：物理实验教学;自主学习;虚拟仿真技术;组件

中图分类号 TP339 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）28-0268-04

Abstract： Starting from the characteristics of openness and design of college physics experiment teaching， aiming at promoting autonomous learning and improving teaching effect， a component-based college physics simulation experiment platform is constructed by using virtual simulation technology and Web development technology. The design principle of platform construction is put forward， and the development route of platform is further given in combination with functional modules. The design idea of component-based physical simulation experiment improved the flexibility of experimental scheme and the diversity of experimental equipment selection， substantially promoted the development of student-centered and teacher-led teaching mode， and achieves marked improvement in the teaching effect of many assessment of physical experiment teaching such as preview， doing experiment and examination.

Key words： physics experiment teaching; autonomous learning; virtual simulation technology; components

實验教学是教学进程中不可或缺的重要组成部分，是学生加深理论知识理解的一个重要环节，也是学生提高创造性思维和实践能力的一个有效手段。在当前的物理实验教学中，受限于实验的种类和数量的繁多、仪器结构的复杂以及价格不菲等因素，往往不能充分满足学生自行设计实验参数、自主选用实验器材、反复多次调试实验仪器的需要。这对于学生熟悉仪器结构与性能、理解实验的基本原理、设计思想和方法步骤造成了较大困难。

随着现代信息技术，特别是虚拟仿真技术的不断发展，物理实验的虚拟化，在很大程度上弥补了传统大学物理实验教学过程中在人力、物力、时间和空间上的不足[1]。国内外先后出现了运用各种虚拟仿真技术实现的物理仿真实验系统，例如美国密西西比州立大学的Taha Mzoughi等人使用早期虚拟仿真技术中的VRML语言开发了物理虚拟实验室[2]，主要模拟了学生对波和光的观察与学习;同济大学的周培聪基于X3D技术开发了磁场的模拟实验[3];福建师范大学卢宇等人基于Cult3D技术开发了虚拟光学实验[4];吉林大学高等教育研究所黄海林利用Cult3D和Flash技术相结合开发了大学物理虚拟实验[5]。

这些仿真实验系统都有一个共同的特点，主要采用相对固定封闭的实验模式，即实验仪器、实验环境和实验方案都是相对固定的，而实验仪器没有从特定的实验环境中独立出来，学生进入实验环境，所需的实验仪器都会摆在实验台上，采用的实验方案也都是由老师唯一指定的，这样的实验教学无法针对物理实验的特点，实现实验的开放性和设计性。近年来，高等教育领域的一个新动向是“促使学生从以往课程内容单一的消费者向创造者和设计者转变”[6]。使实验者能根据自己的设计思想和方案选择仪器来完成实验，培养学生的自主学习能力和创新能力，成为当前物理仿真实验亟待解决的新课题。

我校物理实验中心作为天津市级优秀实验教学示范中心建设单位，一直在着力探索真实物理实验和仿真物理实验相结合的道路，特别是物理仿真实验的开放性和设计性。为此，我中心在原有物理实验教学中心网络综合服务平台[7]中仿真预习系统的基础上，进一步建设了一个基于组件的大学物理仿真实验平台。

1 仿真实验平台的设计原则

1.1 以虚拟仿真技术为依托

虚拟仿真技术，是在多媒体技术、虚拟现实技术与网络通信技术等信息技术发展的基础上，将仿真技术与虚拟现实技术相结合的产物。它是通过一个虚拟的系统环境来模仿另一个真实系统的技术。它最典型的特征就是构建一个全系统完整统一的虚拟环境，并通过虚拟环境来集成和控制为数众多的实体[8]。

我中心在物理仿真实验平台的建设中，对于构建实验环境、实验器材的物理模型，需要用到三维建模技术;对于物理实验常会出现的发光、波动、干涉和衍射等现象的模拟，需要由动画技术来呈现;对于部分物理实验中的碰撞、振动、磁悬浮等现象以及实验者的操作交互效果，需要借助仿真交互技术来实现;再配以网络通信技术，将服务器端与学生的客户端建立联系，实现实时在线的实验体验。这些都离不开虚拟仿真技术的强大支撑[9]。

1.2 以促进自主学习为重点

长期以来由于教学资源的缺乏和教学时间有限，实验教学中往往是以教师拟定好实验步骤，学生机械地按教师给出的方案来操作的模式进行。这种教学模式抑制了学生主动学习的热情，将学生的创造性思维限制在极小的范围内。多年来的教学实践经验证明，实施以学生为主体，教师为主导的教学是激发学生兴趣、确保教学质量、实现教学目标的重要举措[10]。因此，大学物理仿真实验，应该根据学生的需要，为学生自主学习、自主选择可用的实验仪器、自主设计实验方案完成实验创造条件。

基于组件的设计思想，就是将实验仪器根据自身特点设计成独立于具体实验的组件，根据实验内容通过仪器接口加载仪器到实验通用仪器库中[11]。在实验时，学生从通用仪器库中自由选取实验仪器，并加入相关实验的操作平台，自行操作;实验平台根据学生操作实时生成仪器关系、形成实验方案，实验程序调用对应的实验算法进行处理，将结果通过实验界面以图像、动画、文字等形式表现为相应的实验现象。

1.3 以设计性开放性为特色

同一个实验，采用同样的实验仪器，在不同的设计方案指引下会产生不同的教学效果。所谓的设计性实验，就是由教师给出实验题目、实验要求及可供学生选择的实验条件，由学生自己提出设计思想、拟定实验方案，选择必要的实验仪器，确定实验条件和实验参数，并基本独立完成实验的全过程。

实验的开放性，是指实验的内容、时间和空间对学生的开放。来自不同专业的学生对声、光、力、热、电、磁等方面物理知识的需求和兴趣不同，大学物理仿真实验平台可为不同层次和需求的学生提供实验内容和方式上的个性化选择[12];此外，大学物理仿真实验平台全天候24小时开放，学生可以自己安排实时在线的实验预习、实验操作和实验考核。

注重实验的设计性、开放性是在教学过程中真正实施以学生为主体、教师为主导的教学方法的具体体现，并能充分用发挥现有的硬件和软件教学资源[13]。

2 仿真实验平台的建设实施

2.1仿真实验平台的总体结构

基于平台的设计原则，我们将仿真实验平台的总体结构设计为三大功能模块，分别为实验项目、通用器材库和实验操作，如图1所示。实验项目模块，按照实验类别呈现了平台所有的物理仿真实验，每个实验都为学生的实验预习提供了实验简介、实验原理、实验仪器、动画演示等基本信息;通用器材库模块，是基于组件的设计思想的重要体现，它提供实验中可能要用到的通用器材，如量具、接线、光源等，这些通用器材可以由相应的算法控制，被应用到不止一个实验中，也可以根据需要在一个实验中使用多个;实验操作模块，是整个仿真实验平台实现实验操作和交互的中枢系统，负责实验器材的匹配、操作的判断以及实验数据的采集和处理。

2.2 实验项目模块

实验项目是整个实验平台的最直观的呈现，我们将目前我中心设计开发的二十余个仿真实验，根据不同实验的物理学属性划分了四个实验类别，学生通过点击左侧实验类别的目录树，选择自己感兴趣的具体实验，进一步选择右侧上部的导航选项，可以分别显示实验简介、实验原理、实验内容、实验仪器、在线演示、实验指导书下载等内容，帮助学生增加对实验了解，做好必要的预习准备。如图2所示。该模块的设计，主要通过ASP.NET和SQL Server相结合的Web開发技术来实现。

2.3 通用器材库模块

通用器材库中的各类实验通用器材，首先是借助3DS MAX这样的三维建模软件，配以贴图赋材质的技巧，实现实验器材的物理建模，如图3所示，为某型号信号发生器的三维建模界面。然后再将这些建好模的器材，以文件的形式分类别定义到通用器材库中。

而那些可以在多个实验中通用的实验器材，都放在通用器材库中，学生可以自行将所需的实验器材拖放到实验环境中，进行必要的测量或者调节操作。如图5所示的单摆侧重力加速度实验，就是特定仪器与通用器材的最直观实例。

通用器材库定义了四个类别的器材，分别是量具类、连接头线类、实验光源类和其他器材类。它们分别可以单一或者组合的形式应用于不同类别的实验中。

2.3.1 量具类

量具类包括米尺（卷尺）、游标卡尺、千分尺（螺旋测微计）和秒表，凡是需要测量长度和时间的实验，可以根据实验对不同精度的要求进行选取，如单摆测重力加速度实验、拉伸法测金属丝的弹性模量实验都需要用到米尺和千分尺，扭摆法测转动惯量实验和导入系数的测定实验都需要用到游标卡尺等。

2.3.2 连接头线类

连接头线类主要包括Q九头线（也叫BNC头线）和香蕉插头线，对于那些需要进行示波器与其他仪器实现多路信号连接的实验都需要用到BNC头的线，如示波器的使用实验、空气热机特性研究实验、音频信号光纤传输实验等;对于那些需要进行基本电路连接的实验都需要用到香蕉插头线，如交流电桥实验、RLC串联电路实验、燃料电池特性研究实验等。

2.3.3实验光源类

实验光源类包括钠光灯、汞灯和激光器，迈克尔逊干涉仪的调整与使用实验需要用到HeNe激光器和钠光灯，射谱与谱线分析实验需要用到钠光灯和汞灯，等厚干涉、透镜侧焦距需要用到钠光灯，分光计的调整与使用实验需要用到汞灯。

2.3.4 其他器材类

在其他器材类中，目前主要有三种器材，一种是读数显微镜，这类设备同时具备测量、显微、分光的功效，主要在光学实验中与各种光源配合使用，如等厚干涉、透镜测焦距以及射谱与谱线分析等实验;第二种是信号发生器，是用于产生所需参数的电测试信号的仪器，主要是配合实验仪器产生函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号，在超声光栅特性测量实验和音频信号传输实验中都需要使用到它;第三种是示波器，由于物理实验涉及力学、电学、电磁学以及热学的很多实验仪器，都需要与示波器连接，测定和调整对应参数形成的曲线和波形，以得到进一步的观测数据和结果，因此示波器是物理实验中最常用的仪器组件之一，在通用器材库中，我们根据需要设计了模拟示波器和数字示波器，广泛使用在分光计的调整与使用、空气热机特性研究、固定均匀弦振动、超声测速、RLC串联电路等实验中。

2.4 实验操作模块

实验操作模块是整个仿真实验平台实现实验操作和交互的中枢控制系统，该模块为每个具体实验设置了实验交互的算法接口，这个接口主要完成实验仪器的匹配、实验操作的判断和实验数据的收集与处理。这里定义了一个算法的接口，通过引入算法接口，使平台、算法与仪器分离：实验算法不和具体仪器相关，在同一实验中根据不同实验方案调入的实验仪器可按同一算法处理，实验平台不依赖于单一算法，通过算法接口调用不同的实验算法完成不同的实验内容，实现了实验内容的扩充，进一步提高实验可设计性[14]。

对于不同的实验而言，其具体算法输入的参数类型、个数不可能统一，输出的结果也不统一，因此算法接口在算法的输入、输出部分用散列表对象（Hashtable）。

2.4.1 实验仪器的匹配

实验仪器的匹配，主要是判断某个实验环境中是否被拖放了正确的实验仪器和数量，除特定实验本该有的特定实验仪器外，在通用器材库中的多类器材如果被错误拖放到该实验环境中，系统会提示使用正确的实验器材，并将该器材自动放回原来的组件库当中。

2.4.2实验操作的判断

实验操作的判断，主要是针对实验过程中，对实验器材的正确操控的判断和提示。例如，在图6所示的迈克尔逊干涉仪的调整与使用实验中，在判定好所测干涉条纹是“淹没”或者“涌出”现象之后，调节微调手轮的方向就应该确定了，根据实验要求在测量过程中，不允许再朝着反方向转动，一旦反转便会产生“螺距差”，导致实验测量的失败。因此，仿真实验在这里设置了一个算法，如果在不该出现反转的地方做了反向拖动微调手轮，系统会提示错误，并将之前连续测量的数据清空，让实验者重新测量，以此来提高对实验者的警示。

2.4.3实验数据的收集与处理

实验数据的收集与处理，是通过实验数据接口，从仿真实验中得到仪器状态和仪器间关系，从而得到实验的当前状态，通过学生的操作结果与系统自动拟定的标准结果，进行对比计算，以供实验结果的评判。例如，在单摆测量重力加速度实验中，摆长约70cm，秒表精为0.01s ，实验者启动和暂停秒表的反应时间为0.1s。实验要求重力加速度的最大不确定度Δg/g应该<1%，来设计测量的单摆周期数。学生实验前可自行拟定实验方案，计算需测量的单摆周期数并记录实验数据。实验时仿真实验系统会根据实验状态自动计算相关数据的标准值，通过对比操作结果和标准结果，可对学生的实验操作和结果进行评判。

3 仿真实验平台的运行成效

基于组件的大学物理仿真实验平台于2016年底基本建成，运行近两年来，广泛应用于物理实验教学的预习、上课、复习、实验考核等各个教学环节，教学成效显著。

3.1 促进了实验的课前预习

在物理实验教学进程中，长期以来课前预习对于相当一部分学生来说形同虚设，学生课前没有进行充分的预习，不仅容易使学生的实验进程陷入很多误区，而且对教师的教学进程也带来很大影响。而基于组件的物理仿真實验，采用动画的形式和实时交互的手段，让学生不受时间和空间的约束，感受身临其境的实验体验，在很大程度地上调动了学生主动进行课前预习的积极性。有了对实验原理、实验内容和实验仪器的足够认知，后续开展的真实实验和仿真实验，都会有的放矢、效率倍增。在线问卷调查显示，基于组件的大学物理仿真实验平台运行以来，学生的课前预习率，已经由过去的不足50%，提升到现在的接近95%。

3.2 推动了学生的自主学习

学生可根据教师提供的实验方案自行选取合适的仪器完成实验，也可以在充分预习的基础上，根据自己对实验原理、实验内容和实验仪器的认知自行拟定可行的实验方案进行实验，这样便充分发挥了教师指导下学生自主学习的能力。基于组件的大学物理仿真实验平台成了营造开放性、设计性实验教学环境的有力工具。

3.3 完善了实验的考核机制

以前的物理实验考核，若采取在线的客观题的形式，便无法兼顾实验操作的主观评判，若采取面对面的实验操作的主观评判，又浪费了大量人力物力和时间，效率也不高。而基于组件的物理仿真实验可通过模块的算法有效记录实验者的实验操作，在此基础上抽选出的“实验操作题”，可有效评估学生的实验操作能力和实验知识的掌握程度，使实验操作的考核客观化、精确化，并有效解决了面向大面积学生操作考核需要大量仪器和实验教师的难题，为实现大面积学生高效的实验考核提供了有效支撑。

4 结束语

基于组件的大学物理仿真实验平台的建立，充分挖掘了虚拟仿真技术在教学实践中的潜能，它将实验仪器、实验内容、实验方案、学生的思考和教师的指导有机地融为一体，它营造了大面积对学生开设开放性、设计性实验的教学环境。实质性地推动了以学生为主体、教师为主导的教学模式的开展，有效提高了物理实验的教学效率和教学效果[15]。

今后，我中心还将在现有基础上，从丰富仿真实验数量和提高仿真实验与真实实验相结合的效果这两方面，不断改进和提高，为建成“虚实结合、相互补充、能实不虚”[16]的虚拟仿真实验教学中心而不断努力。

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