浅论虚拟技术在中学物理实验中的运用

当前，虚拟现实技术（简称虚拟技术）的进一步发展与应用为虚拟实验的发展已经带来了新的变化，虚拟技术采用了3D数字化技术与多传感交互技术，可视化技术能够进行高分辨显示，虚拟技术还能够生成逼真的虚拟场景，能够使用户与场景之间进行实时交互与感知以及操作虚拟对象等。因此，虚拟技术运用到中学物理实验中，其产生的性能于教学效果会更好更佳。

一、虚拟技术与虚拟实验概况

虚拟技术的概念最先在1989年的美国提出的，它实质上是一种在计算机领域产生的最新技术。虚拟技术的特点在于以模拟的方式为需求用户创造特定虚拟的环境，并使用户通过视、听、触等感知行为能够产生一种沉浸于虚拟环境的特殊感觉，用户能够与虚拟环境相互作用并且引起虚拟环境的按照要求实时变化。目前的虚拟技术已广泛地应用到科研系统仿真与科学可视化以及三维动画等方面。虚拟技术已经发展为计算机研究的一个新领域，在近年来逐渐引起各界广泛关注，并且在应用领域已经得到进一步发展。虚拟技术是一系列高新技术的集合，同时汇集了计算机图形学与仿真技术，多媒体技术和人工智能技术，人机接口技术与传感器技术，图形图像实时生成技术与网络技术，同时还汇聚人的行为学研究等多项关键技术。所有这些技术高层次的集成与渗透必然使虚拟现实技术能够给用户以逼真与奇妙的环境体验，可以使用户通过使用各种特殊装置将自己全部投入到这个特殊环境中，能够去探索宏观世界与微观世界中由于种种原因不能够直接观察的事物运动变化等规律。

虚拟技术可以界定为，是一种逼真地模拟人们在自然环境中产生的视觉、听觉以及运动等行为的人机接口关键技术。虚拟技术利用3D数字化系统与多传感交互技术和高分辨显示技术的科学可视化技术等，在整体上生成三维逼真的虚拟环境，用户借助于特定设备，就可以进入到特定虚拟空间，并且成为虚拟环境的一员，方便地进行实时交互，进而感知与操作虚拟世界中的各种虚拟对象，真正获得身临其境的感受与体会。虚拟实验通常是指由虚拟技术生成的一类适于进行虚拟实验的成套的实验系统，一般包括相应实验环境和有关的实验仪器设备，以及实验对象和实验信息资源等部分。虚拟实验能够使学生方便直观地观察大到宇宙天体，最小到原子微粒，或者需要经历几十年乃至几千年才能完成的变化规律。

二、虚拟技术直面传统物理实验

目前传统实验中学物理实验仍然在发展的同时面临着严峻挑战。诸如受到时间和空间的约束，中学物理实验教学基本上都在指定的实验室中进行，否则根本无法有效进行。有效的中学物理实验仪器数量严重不足，各中学的基础建设投入不足加之物理仪器设备量少、陈旧并且维修相对的周期长，给中学物理实验教学的正常开展设置了障碍，影响中学生动手能力的有效提高。中学物理实验教学内容陈旧而且相应的教学手段比较落后，传统意义上很多中学实验大都采取课堂教学的灌输方式，各阶段的中学生的依赖行为比较明显，因此不利于培养中学生的创新能力，同时亦不能达到预期的物理实验效果。

中学物理实验中虚拟仪器与传统仪器的对比。传统物理实验仪器和基于软件的虚拟物理实验仪器具有许多相同的结构组件，但它们在体系结构原理上完全不同，但它们的功能基本上都是相同的，如采集数据，并对采集来的数据进行分析与处理，从而科学地显示处理的结果。虚拟物理实验仪器与传统仪器的最大不同在于其本身应用的灵活性，虚拟仪器的智能化程度很高，处理能力亦很强，其自身的复用性强且系统费用低，但可操作性很强。简单的一台虚拟仪器可以同时具备信号发生器、数字万用表、数字存储示波器，数据记录仪与信号分析仪等多台传统仪器的基本用途。而传统物理实验测量仪器却是一个自封闭的系统，而且一般是设计成能独立完成一项具体的测量任务和功能，

三、虚拟技术在中学物理实验中运用的优势

虚拟技术在中学物理实验中运用可以带来系列优势。如使用虚拟仪器探究声音的音调与响度的实验，实验目的在于探究声音的音调和响度；实验的原理是在虚拟仪器的前面板设置好相关参数，需要的声音通过声卡发出；实验所需的器材有声音信号发生器、耳机或扬声器与计算机等即可，非常方便就能进行。如用虚拟技术观察阻尼振动，实验目的是在于观察阻尼振动的图像：其实验的原理是直尺克服阻力做功形成阻尼振动；其所需的实验器材为DIS数据实验系统与数据采集器，计算机与钢尺，橡皮筋与竖直加速度传感器等。相关的DIS数字化实验室由数据采集器与各种实用的传感器和计算机软件组成，需要通过传感器测量各种物理量，在进一步把测量的值传递给数据采集器并传递给计算机，最后可以通过计算机软件用各种方式显示与表现实验数据并且能够进行各种分析与处理。

虚拟中学物理实验教学的优势，实验教学方法更加灵活有趣，能够充分地调动中学生的积极性与创造性，促使中学生主动参加实验教学的整个过程，同时使得教学资源得到优化配置与共享。虚拟中学物理实验的仪器仪表齐全，而且其参数可任意设定，能够灵活做各种实验：实验不消耗器材，而且所需器材种类与数量均不限制，对应的实验成本低：具有非常强的交互性以及较真实的仿真效果，能够有效激发中学生的物理学习兴趣。

总之，虚拟技术在中学物理实验中运用充分体现了“软件就是仪器”的创新特点，可以轻松运用虚拟实验仪器的采集、存储、分析、共享与显示等功能，不仅可以克服传统中学物理实验的诸多不利因素，还可以有效增强中学生的动手能力和创新能力。