小議中學物理虛擬實驗室的評價范文

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一、虛擬實驗室的研究現狀

虛擬實驗室由于其廣泛的應用前景，許多研究機構都在大力開發，并且取得了很大進展。基于虛擬實驗室的特點，它在實際中還常被用于輔助教學的開展。許多學校根據自身實際教學需求已經建立了虛擬實驗室，比較典型的有：（1）山西師范大學的物理虛擬仿真實驗室，[4]其目的是為了解決物理實驗教學中存在的一些問題。實驗室包括實驗儀器、實驗步驟、數據處理等子模塊，選用Cult3d和Flash作為其主要的開發工具，并且通過JavaScript在這兩種技術之間建立通信，為學生提供了一個操作方便的虛擬實驗系統；（2）浙江大學的虛擬化學實驗室，是基于Web的虛擬實驗室，以VRML為基礎構筑虛擬實驗環境，并利用Java技術來實現虛擬實驗場景的人機交互。[5]（3）文獻[6]所介紹的中學物理實驗室,則是基于Web的B/S體系結構，使用VRML和Java相結合進行開發，由客戶端、Web服務器、應用服務器和數據庫服務器四大部分組成，集實驗教學、實驗操作與實驗報告于一體。盡管虛擬實驗室呈現出欣欣向榮的發展景象，但是目前用于輔助教學的系統大多是為高校和中職院校的實驗教學而量身定做的。而在中學物理教學中，開發者往往只是制作單個虛擬實驗課件使用者利用這些實驗可以實現基本的模擬功能，但這些單個的虛擬實驗卻不能滿足使用者交流互動的需要，也無法實現教師對實驗教學的管理。針對這些不足，我們設計了中學物理虛擬實驗室，里面不僅包含基本的物理實驗，還為師生提供了下載中心、交流中心等輔助功能，讓系統更加人性化，更能滿足師生的實際需求。

二、虛擬實驗室的總體設計

通過學生的問卷調查以及與一線教師的實際訪談，根據師生的實際需要。該結構實現的主要功能為：（1）模擬實驗。中學物理虛擬實驗室的核心部分是虛擬實驗室。在儀器庫中，有各種實體儀器的模型，用戶在使用時只需將需要的儀器從庫中拖到實驗界面上，就可以對其進行操作。在本系統中，我們利用交互技術來模擬實驗動態，使學生和實驗環境之間進行充分的交互。（2）實驗報告。本系統為每個實驗都提供一個實驗報告模板。學生在實驗過程中記錄產生的數據及圖形，并且根據實驗原理進行必要的數據處理。實驗完成后，用戶可以到下載中心下載對應實驗的報告模板，按要求編寫后，在登錄情況下提交。提交后，系統會將實驗報告發送至相應的任課老師那里進行批改。（3）交流互動。本系統在模擬實驗之外，還為用戶提供了一個交流互動的平臺。在這個平臺上，已登錄的用戶之間可以進行在線提問和在線答疑，同時還可以進行留言，提出自己的意見等。用戶在這個版塊上，還可以查看問答匯總，利用其他同學的經驗來提高自己的實驗能力。（4）資源共享。本系統還為用戶，提供了一些習題和實驗資料，用戶可以在線瀏覽，也可以下載。如果想共享資源，可以選擇上傳。上傳的資料在經過管理員審核后，即可顯示在資源共享欄中。（5）用戶模塊。該功能具體包括注冊新用戶、修改用戶密碼、找回用戶密碼、已注冊用戶登錄和退出系統。和大部分系統一樣，物理虛擬實驗室為每個注冊用戶分配一個賬號，并記錄用戶的相應信息，并保存至數據庫中，方便用戶查看個人之前的實驗記錄。其中應用程序中的用戶注冊和登錄模塊啟用了Forms身份驗證機制，并充分運用了成員資格和角色管理功能。（6）實驗管理。本系統在開發過程中秉持可擴展性原則，為教師用戶提供了增加和刪減實驗的功能。教師可以通過設計新實驗來擴充實驗庫。同時教師還可以對儀器庫進行管理，根據實驗的實際需要，往儀器庫里增加或減少實驗儀器。（7）實驗指導。在做實驗之前，必須先了解該實驗使用儀器的參數設置、實驗原理及注意事項等。本系統為每個實驗都建立了一個文本形式的Web頁面，頁面包含了這些項目的詳細內容。學生在實驗過程中可以隨時瀏覽來指導實驗的順利進行。

三、中學物理虛擬實驗室的實現技術

1.Flash交互技術MacromediaFlash是一種交互式矢量圖編輯和多媒體創作軟件，具有存儲空間較小、效果和交互性能強大、跨媒體性強、成本低廉等特點。[7]ActionScript是Flash的腳本語言，利用它來控制Flash動畫中的對象，通過制作通用元件，將其編寫的代碼封裝起來。[8]這樣可以方便其他人使用。開發模型本系統最終是以網站的形式呈獻給用戶，在開發的過程中，我們使用了開發模式。3.數據庫技術SQLServer2005的安全性好，它提供了強大的數據庫備份和恢復功能，當故障發生時，能根據備份和日志迅速恢復到某一正確時刻;還提供了更好的并發控制功能以及大量的監控和管理數據庫系統的工具。[9]在本系統中，使用SQLServer2005進行開發，數據表由學生表、教師表、儀器表、報告表、資源表等組成。4.開發語言物理虛擬實驗室采用C#進行開發。C#是衍生于C/C++的一種面向對象的語言，有速度快、類型安全、靈活度高等特點。5.系統體系結構C/S(Client/Server,即客戶端/服務器)中，服務器是核心，客戶端則是基礎。用戶界面、業務處理都在客戶端實現，而服務器則負責數據處理和維護的功能。進行實驗的操作、仿真各種物理現象都需要本地機參與工作，以提高工作效率。[10]

四、虛擬實驗室的開發流程

（1）制作虛擬儀器庫。Flash素材庫可以導入外部的素材與創建的元件。這些元件可以是從其他地方找來的素材圖片，也可以是用Flash制作出來的影片剪輯或圖形。在制作動畫時，只需從儀器庫中將元件拖放到實驗場景中，并通過添加腳本來控制儀器的運行。元件只需創建一次就可以反復使用。（2）設計與制作實驗場景。Flash動畫中，所有的實驗儀器都需要實驗場景來呈現，從而為用戶提供一個接近真實的實驗環境。每個場景都有獨立的時間軸和圖層，用來放置不同的實驗對象，主要包括空間背景、實驗儀器、實驗臺等。（3）添加交互。在這個過程中，我們使用ActionScript來給動畫添加交互性，實現人機交互。（4）集成優化和。完成Flash動畫的制作后，還要對動畫進行優化。比如壓縮，使動畫能夠更快地下載和播放。用戶可以Flash為SWF、HTML、QuickTime、Gif、Macintosh以及可執行文件的格式，這樣可以使Flash動畫以不同的格式播放，以滿足不同平臺的需要。

五、虛擬實驗室的系統界面

使用者在不登錄的情況下，可以瀏覽本系統的任何信息，也可以進入不同的實驗模塊，了解相關知識。要進入虛擬中心，使用者必須登錄，登錄后可以選擇點擊導航欄上的“虛擬中心”進入，也可以通過選擇所要做的實驗歸屬的類別直接進入相應的模塊。圖3為虛擬中心中電學模塊《電路連接》的實驗準備界面：實驗開始前，使用者可以在“實驗原理”中心查看信息，里面包含實驗電路圖以及不同的實驗電路連接方式，電流表和電壓表的參考示數。使用者在連接電路后，單擊“開始”按鈕進行實驗，實驗過程中用戶可以通過電流表和電壓表觀察示數，還可以通過“停止”和“復位”按鈕對電路進行重新連接。

六、虛擬實驗室的使用效果調查及評價

為了測試本系統的使用效果，我們抽取了某校高中二年級的8班和10班為調查對象。這兩個班級人數相等，知識水平以及結構組成接近，其中8班為實驗班，10班為對照班。實驗內容為實物電路的連接，即根據給出的實驗電路圖，將所示各器材的實物圖正確連接。這部分實驗的難點在于滑動變阻器的接法。在實際教學中發現，有些學生畫電路圖時頭頭是道，可在實物連接時卻束手無策，動手能力差。所以，針對這部分問題，本系統提供了實驗提醒功能，即在實驗器件相同的情況下，為每一組實驗電路圖提供了供參考的電壓表和電流表的示數。學生在實驗過程中，如果實驗數據與參考數據不一樣，系統則提醒學生出錯，建議學生自行檢查電路并改正，直至結果正確。這樣的過程原則上可以提高學生實物連接的能力。針對此次調查，事先設計了兩份問卷。問卷1側重知識與能力的檢測，測試內容為根據實驗電路進行實物連接，這份問卷同時投放給8班和10班；而問卷2的設計則從三維目標中的情感態度與價值觀的角度出發，其中包含10道題，這份問卷僅投放給8班。

七、結束語

中學物理虛擬實驗室為廣大師生提供了一個實驗室以外的操作實驗的平臺。作為物理實驗教學的一個輔助系統，它具有易用性、可交互、可擴展性等特點。具體表現在：（1）本實驗室嚴格上說是一個網站，用戶只需注冊即可成為會員。每次登錄后，即可進入客戶端界面，并且根據提示選擇需要進行的操作，界面友好，步驟簡單；（2）本實驗室除了提供虛擬實驗功能，還可以在線交流、資源共享、下載資料等；（3）教師在管理實驗室時，可以往系統增加新設計的實驗，不斷地完善實驗庫。本實驗室采用Flash交互技術進行開發，交互性能強，實驗室自身的可擴展性使得它能得到及時更新，保證了實驗室的先進性。隨著社會的快速發展，物理實驗在培養學生的動手能力和創新能力方面的作用越來越大，這也為虛擬實驗室的不斷完善提供了廣闊的平臺，從而更好地輔助教學的開展。

作者：劉小靈吳怡單位：福建師范大學光電與信息工程學院