虚拟物理实验室的探索
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作者: 陈太喜
在中等职业技术学校中，物理是一门文化基础课。职业学校的物理教学和普通高中的物理是不同的，在教学中要培养学生的操作技能、分析问题和解决问题的能力。实验教学是教学的重要组成部分。但中等职业学校，一般都注重专业实验实训室的建设，而忽视文化基础课的实验室建设，因此，建设虚拟物理实验室就成了一个可行的选择。
1 虚拟物理实验室
虚拟现实，就是利用计算机技术及传感设备生成的一个逼真的三维虚拟环境，是模拟环境、视景系统和仿真系统三者的有机结合。
将虚拟现实技术与物理实验相结合，建造一个符合物理教学需求的虚拟物理实验室。虚拟物理实验室主要由检测模块、反馈模块、传感器模块、控制模块、3D模型库和建模模块等构成。主要设备包括计算机硬件、虚拟物理实验室软件及各类传感设备、跟踪设备、控制设备等，以便将学习者的操作转换为施加到虚拟系统中的物体上的作用信息，并将虚拟系统中物体的反馈转换成人能获得的视觉、听觉、触觉等。
在虚拟实验室中，实验者有身临其境的感觉，感觉是在真实的实验室里近距离地进行现场操作，从而完成实验教学任务。
2 虚拟物理实验的实现
选用3EdDs Max与Virtools技术组合开发虚拟实验室，这一组合可以极大地提高虚拟实验的交互性和沉浸度，适合在实验教学中推广与应用。3ds Max具有强大的建模功能，Virtools拥有超过500组互动模块，特别是Virtools中PhysicS Library模块能逼真模拟重力、质量、力场、物理行为设定等各种物理属性，能够满足物理学科不同的实验目标与效果的需求。虚拟实验室开发流程如下。
2.1利用3DsMax创建3D实验场景，装置等模型
将其实实验场景吸纳到虚拟场景设计之中，将实验所需设备制作得逼真而富有质感。使学习者进入实验室有种身临其境之感。
2.2在3DsMax中制作实验角色及相应动画
应设计多元化人物模型，体现不同的角色特征，使他们符合参与实验的学习者的不同喜好和性格特质。人物动作主要是人物行走及实验动作的设定。
2.3从3DsMax中输出可用的模型与动作
Virtools Dev 4.0版本提供了3Ds Max文件输出格式转换插件。导出时，把建立在3ds Max中的模型和动画以NMO格式输出。
2.4将模型导入Virtools进行交互模块设计
在Virtools软件中新建一个资源库，将制作的NMO文件存入资源库内，添加动作控制脚本，控制人物、操作对象等行为。
2.5虚拟实验的发布
实验制作完毕后，对实验进行测试，测试无误后进行发布。
2.6虚拟实验的后期包装设计与功能扩展
根据需要还可进一步对虚拟实验进行包装和美化。根据具体教学需要还可以对虚拟实验系统功能进行适度扩展，如与“沉浸式”虚拟现实硬，件相结合。
3 虚拟物理实验的模块
每个虚拟实验，具有相应的实验操作、实验报告、实验保存以及实验评价等功能模块。
虚拟操作。在虚拟实验室中，每个学生要严格按照实验操作规程进行操作，对实验现象进行仔细的观察，对实验步骤进行详细记录，确保每个实验数据准确可靠。
实验报告。这是一个数据库管理系统，每一个学生都有自己的ID，学生完成实验报告后在计算机上提交到数据库中，教师可以通过网络调阅、批改学生的实验报告。
实验保存。用于对实验者的实验信息进行保存，将实验数据存储到数据库服务系统，教师从后台数据库提取实验数据，对学生的实验过程进行考核。
实验评价。在虚拟实验过程中，学生所有的实验操作都存储于数据库服务器中，教师可以从数据库中阅读实验信息，按照实验的评价标准对学生实验进行量化评分，并提出准确的改进意见反馈给学生。
4 虚拟物理实验的特点
虚拟物理实验室具有很多优点，表现在以下几点。
4.1真实性
虚拟物理实验室具有高度“真实”，在虚拟实验室中学生能体验到视觉，听觉、触觉，动觉、平衡觉等多种感觉，甚至还将给人以味觉和嗅觉的感受，使参与的学习者完全沉浸在由虚拟现实系统所创建的环境中。
4.2交互性
在虚拟实验室中，使用者能对虚拟环境中的物体进行操作并得到相应的反馈。比如对万用表进行换档操作，使用者能感觉到旋扭的转动和听到换档的声音。
4.3直观性
在虚拟实验过程中，用计算机强大的运算能力分析实验过程中的数量关系，最后用直观的形式将实验结果表现出来。避免传统实验受器材的限制、环境的影响等造成实验结果不准确的现象。
4.4实体自主性
指虚拟现实系统中，物体的变化依据物理规律，再现真实的物理世界。
4.5网络化
利用网络，虚拟实验可实现远程实验和多人协同操作，提高资源的利用率，扩大实验范围，增加学生的实验操作机会。
4.6安全性
利用虚拟现实技术进行虚拟实验，避免学生处于危险之中，使学生可以放心实验，大胆操作，积极开拓思维，掌握更多的实验技巧。
4.7功能全
虚拟实验室的数据库可做到规格品种齐全，并易于升级换代和增加新实验项目。
5 结语
虚拟实验具有特出的优点及丰富的功能，教育专家预测，虚拟实验将成为虚拟现实技术最重要和最热门的应用领域之一。正在快速发展的虚拟实验室，跟现实中的实验室是完全一样的，它不但可以验证已有的知识，还可探索新的知识。
随着虚拟实验的普及，虚拟物理实验室将获得快速发展。中等职业学校的物理教学改革将更加深入。
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