仿真物理实验室资料

仿真物理实验室资料（精选9篇）

仿真物理实验室资料 第1篇

物理仿真实验报告

良导体热导率的动态法测量

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实验简介：

在测量热导率的实验中，最普遍采用的方法是稳态法，即在保持被测样品各点温度不随时间变化的情况下测量热流，然后求出热导率，这种方法实验条件要求严格不易测准．而动态法就将难于测准的热学量的测量转变为容易测准的长度测量，从而显著降低测量误差．

实验原理：

实验采用热波法测量铜、铝等良导体的热导率。简化问题，令热量沿一维传播，周边隔热,如图1所示。根据热传导定律，单位时间内流过某垂直于传播方向上面积A的热量，即热流为为截面积，文中TxptkATx(1)，其中K为待测材料的热导率，A是温度对坐标x的梯度,负号表示热量流动方向与温度变化

qtqtTx22方向相反．dt时间内通过面积A流入的热量dq=[()x()xdx]dtkAdxdt

若没有其他热量来源或损耗，据能量守恒定律，dt时间内流入面积A的热量等于温度升高需要的热量。dq=(cAdxTt)dt,其中C，ρ分别为材料的比热容与密度。所以任一时刻棒元热TtkTx22平衡方程为Cdxdx(2)由此可得热流方程

Tt=D

Tx22(3)其中D=

kC称为热扩散系数．式（3）的解将把各点的温度随时间的变化表示出来，具体形式取决于边界条件，若令热端的温度按简谐变化，即T=T0Tmsint(4)其中Tm是热端最高温度，为热端温度变化的角频率。另一端用冷水冷却，保持恒定低温，则式（3）的解也就是棒中各点的温度为2DT=T0xTmexsin(t2Dx)(5), 其中T0是直流成分，是线性成分的斜率，从式（5）中可以看出：

1)热端(x=0)处温度按简谐方式变化时，这种变化将以衰减波的形式在棒内向冷端传播，称为热波．

2)热波波速：V=2D(6)3)热波波长：22D(7)因此在热端温度变化的角频率已知的情况下，只要测出波速或波长就可以计算出 D．然后再由D=2kC2计算出材料的热导率K．本实验采用.式（6）可得V22kC则k=VC4fVC4T(8)其中，f、T分别为热端温度按简谐变化的频率和周期．实现上述测量的关键是：1)热量在样品中一维传播．2)热端温度按简谐变化．

实验仪器：实验仪器结构框图见图2(a)，该仪器包括样品单元，控制单元和记录单元三大部分．实际仪器由两种工作方式：手动和程控．他们都含样品单元和控制单元，不同的只是记录单元．前者用高精度x-y记录仪，后者用微机实现对整个系统的控制、数据的采集、记录和绘图，仪器主机由用绝热材料紧裹侧表面的园棒状样品（实验取铜和铝两种样品）、热电偶列阵（传感器）、实现边界条件的脉动热源及冷却装置组成。

实验操作：

1． 打开水源，从出水口观察流量，要求水流稳定。2． 打开电源开关，主机进入工作状态。3． “程控”工作方式。

实验数据：

铜样品：铜的比热C：385

K 密度：8.92×103 Kg/m3

铝样品：铝的比热C：906J/KgK 密度:2.702×103Kg/m3

思考题：

1．如果想知道某一时刻t时材料棒上的热波，即T~t曲线，将如何做？请画出大概形状。答：观察测量状态显示中的运行时间，到待测时间，恩下操作栏中的暂停键即可得到某时刻材料棒上的热波。

2．为什么较后面测量点的T~t曲线振幅越来越小？

答：高次谐波随距离快速衰减，所以较后面测量点的的T~t曲线振幅越来越小。

仿真物理实验室资料 第2篇

随着时代的发展，科学技术的进步，对教育提出越来越高的要求，特别是对人才创新思维和实践能力的培养，更需要一种趋向个性化的教学方案，需要比普通公共教学更占用教学资源，对公共教学来讲，也要进一步提高教学质量和效益，而仿真实验的开展，恰好解决了这一矛盾。

就目前的设备而言，不论从数量上还是从精密程度上，都很难满足物理实验课的教学，而且还收操作复杂程度、格等各方面因素的影响，很难使我们对仪器的结构、性能和仪器的设计思想方法产生更为深刻的理解。当真试验不用担心仪器损坏、价格成本等因素，所以可以大胆的放手去做，并且实验数据不受外界环境的影响。仿真实验的出现，可以在相当程度上弥补传统实验教学上的空当。

仿真实验利用计算机把实验设备、教学内容、老师的理论指导和学生的操作有机的结合在了一起，克服了实验课受课堂、时间限制的困扰，使实验在教学内容和空间上得到了延伸，营造了多样化的教学环境，是学生们可以更自由、更自主地学习，充分调动了课堂的积极性，开拓了视野，锻炼了上机操作的能力。

虽然每个人都积极参与实验，但仿真实验毕竟不是传统实验，只需我们动动鼠标就能完成。从另一方面讲，仿真实验有很大的局限性。他抑制了我们的动手能力，使我们没能亲身经历实验过程，没有亲自体验实验的艰辛，因此，记忆也不如传统记忆印象深刻。除此之外，一些仪器很难通过仿真实验完全掌握其方法，有许多不足之处是自身无法弥补的，还不能完全满足实验要求。

仿真物理实验室资料 第3篇

物理学是一门以实验为基础的自然科学, 所谓物理实验, 就是根据物理学研究目的, 选用适当的实验仪器或实验装置, 用人为的方法让实验现象再现, 并加以观察和研究的一种科学活动"物理实验的内容包括力、热、电、光等科学技术研究的各个方面, 它是一切科学实验的基础。大学中的物理实验课程已经被设定为必修课程, 这一规定既有助于帮助大学生进行科学实验训练, 同时也是训练大学生接受系统实验的开端。大学中物理实验不仅仅局限于某一领域, 而是涉及各个领域, 这说明, 理工科个学科之间存在共性和普遍性, 同时也说明了物理实验在学科学习中的重要性。随着课程改革目标的出现, 实验教学改革也进一步的落实, 实验改革在落实上相比其他课程改革存在一定的难度, 实验教学主要依靠的是实验室硬件设施的跟进, 实验改革最大的目标就是放手给学生去动手实验, 然而很多学校存在最大的问题就是不敢放手让学生去使用, 限制实验是开放的时间等等, 学生操作难以进行, 学习成果自然不会提高。立足于实验改革中存在的若干问题, 仿真实验的诞生无疑能够为这些问题的解决带来福音。特别是作为计算机辅助物理实验教学软件的一个新的发展, 仿真物理实验已经成为高校物理实验改革的亮点。仿真物理实验最大的优势就是能够为学生提供一个预习准备的学习环境, 可以让学生在进行实际的实验操作之前, 做得一切准备工作。

2 对于仿真实验的认识

2.1 仿真实验概述

所谓仿真实验, 是相对于真实实验而存在的, 两者的主要差别在于:实验过程中所触及的对象与事物是否真实, 在真实实验中所采用的实验工具、实验对象都是以实物形态出现的, 而在仿真实验中, 不存在实物形态的实验工具与实验对象, 实验过程主要是对虚拟的实验仪器及设备进行操作。仿真物理实验被作为一种计算机辅助教学软件, 应用于现代教育中, 主要是以技能训练为主的一种实验技能领域的学习型软件, 能够帮助教学对象进行思想的建构, 同时完成实时的操作, 辅助学生在开始实际实验操作之前进行实践训练。仿真实验主要提供了一种以教学理论、计算机技术为基础的一种非实在性的实验空间, 其本质是由计算机模拟实现的一个虚拟的实验环境。

2.2 仿真实验的特征

⑴仿真性。仿真性这一特征从其名称中就不难看出, 作为一款辅助型软件, 其最大的特点就是模拟了真实的实验过程, 为学生虚拟一种真实实验的环境, 同时在仿真实验中的一些实验设施与实际中的实验设施几乎相同, 学生在操作的过程中能够真实的感受实验的过程, 如同置身真实的实验环境一般。

⑵交互性。与真实的实验环境不同, 仿真实验能够提供给学生更多的交流感, 使其与计算机之间进行双向的交流, 同时可以自由的对实验的设施进行操作和选择, 减少了了实际操中的一些束缚。

⑶灵活性。仿真实验最大的特点, 在教学改革过程中改变最大的就是他的灵活性, 学生在进行传统的物理实验的过程中遇到了很多阻力, 其中最常见的就是一些教师不敢放手将实验室开放给学生, 当然这里有许多的原因, 如设备的维护、购置、费用等等因素。仿真实验的研发就大大解决了这一问题, 仿真实验易于扩充维护, 操作方便, 可以随时开放, 反复实践, 提高办学效率, 而且仿真实验灵活方便, 便于实现资源共享。

3 大学物理仿真实验应用于教学的优势

3.1 营造多样化学习环境, 打破了时间和空间的局限

与传统的教学模式相比较, 仿真物理实验主要结合了网络, 建构了多媒体的教学平台, 为课堂的教学环境带来了创新点, 也大大提高了课堂的新鲜感。同时仿真物理实验也在教学的时间和空间上得到了延伸, 在传统的教学模式中, 学生在学习过程中, 总是苦恼于课前的实验准备和课后的实验复习, 实验室的短暂的学习时间, 无法满足学生对于实验课的认知需求, 仿真实验的出现, 大大缓解了这些压力, 学生可以自由的选择学习的时间和地点, 对于提高自主学习有很大的帮助。

3.2 仿真实验可以节省实验经费, 保证实验项目和数量

传统的大学物理实验教学, 存在一些实验经费与实验设备置购得难题, 特别是一些近代的物理实验, 需要的实验器材价格昂贵, 同时在操作上也相对复杂, 出于对资金的考虑, 很多高校无力开设这些实验, 实验课程的缩减必然会影响学生的一些正常的学习进度。仿真物理实验的出现大大解决了这一难题, 有了好的仿真实验软件, 那些耗资大的实验同样可以开设, 从而保证了实验的项目和数量。

3.3 实现理论学习与实验学习的结合

实验本身就是一种理论学习的辅助, 然而由于一些原因, 大型的实验无法与理论的学习很好的结合, 也就阻碍了学生对于知识的学习。仿真实验的出现, 让实验的辅助功能得到了更好的发挥, 特别是一些在物理学发展史上的经典实验, 由于设备等原因很难在实际中得以再现, 学生对于概念的理解也就很难到位, 利用仿真实验, 在课堂的教学中完全可以将这类实验重现与学生面前, 真正做到了理论与实验的结合, 在这一过程中, 将一些概念和规律引入学习的过程中, 对于理解一些物理现象有很大的帮助, 同时提高了学生的实验学习效果。

摘要：物理实验在传统的教学中, 已经成为一个固有的形式, 然而, 就当前的高校物理教学来看, 出现了一种新的形式, 就是以计算机技术为基础的仿真实验的出现。仿真实验是利用计算机创建的一个可视化操作环境, 在这种环境中学生可以进行各种实验, 达到与真实实验相一致的教学目的的实验形式。这种新形式的物理实验模式, 将会开启高校教学的新形式, 它不仅可以弥补传统实验教学的不足, 同时对于提高实验教学效果有很大的帮助。

关键词：仿真实验,FLASH技术,大学物理实验教学

参考文献

[1]王晓蒲.大学物理实验的改革与实践[J].教育与现代化, 2002 (3) .

[2]赵英.大学物理仿真实验教学体验[J].中国教育技术装备, 2003 (11) .

仿真物理实验室资料 第4篇

1“仿真物理实验室”的教学模式建立

仿真物理实验室的本质是一个软件，是基于网络和信息技术而开发的一款模拟实验软件。它能真实模拟出一些教学中无法做的实验，也可以模拟最简单的实验。仿真物理实验室包含很多模块，每个模块又可以独立的设置一些实验器材，设置独立的实验环境。教师可以为学生在实验环境中设置不同的组合，而且实验的环境也可以构建出真实的情况。学生在教师的指导下，可以随意的设置参数，通过对实验动画的对比，在结合数据以达到物理实验的教学目的。

仿真物理实验只是一个教学的平台，实验可以随时进行，不受实验条件的限制，比如实验中对真空的要求，现实实验室的条件不容易满足，但在仿真物理实验中就可模拟出这种效果。实验的条件满足了，得出的数据就会相对准确，缩短实验的时间，失误降到了最低。但是仿真物理实验室中也存在着一些弊端，本质上它只是一个软件，是种虚拟的模式，并没有在真实实验中的触感和体验。一些实验的动画表达只是表面上的，没有现实实验的真实感，比如在电子的偏转中，学生是通过动画的形式去理解，这对学生的知识掌握是有一定影响的。总体来说仿真实验室的使用对教学还有很大的促进作用的。

物理仿真实验的教学建立需要借助“仿真物理实验”在网络的环境中开展，实验教学的理论主要由基本的四个方面组成：一是依据实验的要求提出问题，二是要引导学生去大胆猜想，提出实验的假设条件；三是对学生的假设进行验证；四是结果和数据进行归纳和总结，找出规律。仿真物理实验室需要教师和学生在实践中，逐步建立对物理实验模式的建立。仿真实验教学的过程大致可划分为：学生观看存储在仿真实验中的动画，然后教师要建立情境提出疑问，组织学生对实验结果进行假设，依据实验的难易程度，教师要合理划分实验小组开始实验，学生在实验完成后要进行合理的推断，对实验的结论要准确分析，学生可以对参数的设置进行一些改变，实验创新，以此来验证结论的正确性，最后教师做总结，得出实验的结论。

2“仿真物理实验室”的教学运用实例

2.1提高物理教学水平

仿真物理实验的优点就是没有实物，只是借助里面课件来设计实验学生只要根据需求把实验需要的器材放入设置中。一个实验系统就能组合起来。学生只要操心物理实验的合理性，不用去考虑计算机是如何把它设置出来的。例如在探究“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验中，需要打开电路模块这一项，点击新建实验，根据实验要求去选取实验所要用到的器材。然后依据实验连接实验电路，然后就可以去开始实验。

在本实验中，首先要创设情境，提出问题，小电珠的伏案特性是如何变化的。设置一些假设然后进行实验。实验的目的就是为了把小电珠的伏安特性借助实验描绘出来，通过对曲线变化的规律的总结，分析得出结论。实验的原理：在纯电阻电路中，电压和电阻的关系是线性的，可是由于受到实际因素的影响，电压和电流的变化不是一条直线。实验过程：在选区里选出实验要用到的器材，然后拖入到实验区里；选择实验器材对上面的数据进行一个属性上的设置，额定电压设置为5 v，额定功率为1 W的小电珠。滑动变阻器的总电阻为20 Ω。设置学生电压为5 V，内阻设置为零，确保电源为理想电源；依据实验图纸把每个器材用电线连接起来，注意不要接错；连接完成后就可以点击开关，开关就会闭合。这时在两个表上就会显示读数，这就是需要测量和计算的电压和电流。把得出的数据放在坐标轴中，纵坐标为电流，横坐标为电压。借助鼠标去移动滑动变阻器，把每次得到的数据记录在坐标轴中，最后通过数据分析描绘出曲线。

在实验中我们可以很简单的去设置一些参数，如电流表的内接和外接，变阻器的阻值可以根据需要随意设置和变化，也可以很方便快捷地对滑动变阻器的限流和分流的接法、电源的类型进行模拟和讨论。这样的教学模式可以提升课堂教学的效率，优化课堂教育。

在仿真物理实验室中这款软件中，基本可以分为三个大的模块：运动及力学模块、电学模块、光学模块。每个模块中又分为很多小模块，基本包含了高中物理中所有的实验模型。学生可以利用里面大量的虚拟与元件，随意的组合运用，设置参数，搭建物理模型，收集数据；教师也可以利用它的编程功能做出吸引学生目光的优秀课件。

2.2锻炼学生自主探究能力

知识不是简单的通过教师传授给学生，需要构建一个良好地情境，依据方法才能实现的。仿真物理实验室作为一个简单上手的软件，学生可以自己去设计实验完成，提高独立意识，选取自己需要的元件，或是自己借助软件创造，而后建立模型设置情境。也可以通过教师的指导，把一些问题放到模拟中来，还原一下场景，经过自己独立的探究，对实验的把握也更加深刻，深化对物理知识的理解。

例如在学习透镜的成像时，学生可以设置：

情境问题一：透镜的位置和光屏之间的位置会引起像的变化。在仿真物理实验室中建立模型，设置透镜的焦距为30cm，把蜡烛、透镜和光屏按照顺序排好，使三者的中心在一条直线上。然后开始进行试验，移动光屏可以发现，透镜和光屏之间的位置变化确实会引起像的变化。

情景问题二：调节蜡烛与透镜之间的距离，让物距小于焦距的距离。在模型中进行操作，发现当蜡烛的位置小于焦距时，成像为一个正立、放大的虚像，成像发生了变化。

情境问题三：调节蜡烛与透镜之间的距离，让距物距大于焦距。在模型中操作，开始像是一个倒立放大的实像，但在物距的增大中，像在不断地缩小，在某个值成为一个倒立、等大的实像，此时测量距离得出物距等于焦距的两倍。在扩大物距，会发现像接着缩小。经过对数据的处理可以知道，物距为焦距两倍时，像为倒立等大的；物距大于两倍焦距时，像是倒立缩小的实像物距大于焦距而小于两倍焦距时，像是一个倒立、放大的实像

情境问题四：如果在透镜上遮挡一个物品，还会有像的出现吗？学生预测不会出现像。在模型中操作，让一个物体一点一点去遮挡透镜，会观察到，像会从亮到暗，到没有。

情境问题五：凸透镜换为凹透镜时，像的变化。在模型的操作中，在光屏上是看不到像的，凹透镜的像为虚像。

对单一模型的条件进行稍微修改就可以得出不同的实验结果所以学生自主建立模型，设计实验，寻找透镜的成像规律，这在潜移默化中提高了学生的自主探究能力，让学生对知识的掌握更加牢固，锻炼了学生的思维能力和创新能力。

仿真物理实验室资料 第5篇

摘要:以物理化学“凝固点降低法测定物质摩尔质量”实验为例，阐述了以Labview程序为基础的仿真实验在培养学生创新能力方面的应用。通过对不同历史时期实验方法的仿真操作，使学生体会到随着技术的进步，实验方法改进的背景和思路，对启发学生的创新思维起到了积极作用。

关键词:创新人才;物理化学实验;仿真实验

创新人才是指具有创新意识、创新思维、创新能力的人才[1]，其核心是不因循守旧，能在细微处发现问题、并解决问题。物理化学实验是一门综合性很强的实验课程，其背后思维逻辑严密、方法多样并紧随时代技术不断进步，所以给学生提供了更多的思维和想象空间，对培养化学专业学生的创新思维具有不可或缺的作用，但在实践过程中经常会出现以下问题:①实验仪器台件数偏少，不能保证每个学生能够掌握所有实验细节。②有些实验原理和设备与实验要求存在偏差使实验准确度和重复性较差。③绝大多数物理化学实验均涉及到仪器的使用和操作，给学生的预习和复习带来了较大的困难。④传统实验教学方法难于突出培养创新型人才的目的。鉴于以上情况，我们尝试在教学模式上进行改革，通过仿真实验弥补以上缺陷。通过实践证明，该方法有效的提高了学生的创新思维能力，并且使实验器材的损耗降到最低。

仿真物理实验室资料 第6篇

一、《用牛顿环干涉测透镜的曲率半径》实验

1、牛顿环实验中读数显微镜物镜下方的玻璃片G有何作用？实验时应如何调节？如果G的方向错误将会如何？10%

答：a、起到调节光路的作用，即起到反射和透射的作用。

b、实验时将玻璃片调成相对于光源来说跟水平方向成45度角，然后将 它的角度慢慢增大，直到出现明亮的视场。

c、将不能产生干涉，看不到干涉条纹。

2、在牛顿环实验中你是如何避免回程误差的？

答：A、采用单方向测量；B、十字叉丝应移到要测量的第一个数据后面一级的干涉暗条纹处，然后再往回测量；C、测量过程中若超过了头，必须退回一级，再缓慢前进重新测量该数据。

3、牛顿环实验中读数显微镜载物台下方的反光镜要作如何调节？为什么？5% 答：a、应将它关掉。

b、如果有光线经反光镜反射进入牛顿环，将会使干涉条纹变模糊甚至看不到。

4、牛顿环实验的主要注意事项有哪些？

答：A、防止震动；B、防止回程误差；C、干涉条纹系数不要数错。

5、如果R864.50mm，UC(R)7.15mm，下面的结果报道哪一个是正确的？（B）

A、R=（864.5±7.2）mmB、R=（864±8）mm

C、R=（865±7）mmD、R=（865±8）mm

二、《用掠入射法测定液体的折射率》实验

1、分光计是用来 将 读值平面、观察平面、待测光路平面 此三个平面调节成相互平行，否则，测量得角度将与实际角度有些差异，即引入系统误差。

2、用分光计测液体的折射率实验，在三棱镜的滴入待测液体，应将毛玻璃的 毛面 与三棱镜的 光面 相结合，液层中不能含有 气泡。

3、用分光计为什么要设置两个游标？测量之前应将刻度盘及游标盘作何调节？为什么？

答：a、为了消除刻度盘的度盘中心和仪器转轴之间的偏心差。

b、将度盘的0o线置于望远镜下，两个游标的“0”的连线应与准直管垂直。

仿真物理实验室资料 第7篇

李明标

（渤海大学数理学院，辽宁 锦州 121013）

摘要：分析了近代物理实验教学中引入虚拟仿真技术的意义，探索仿真实验辅助近代物理实验的教学路线，形成了电子教案理论指导-虚拟仿真软件预习操作-物理实验测量检验的物理实验教学新模式，归纳总结了教改实施的效果。

关键词：近代物理实验；虚拟仿真；教学模式；实施效果 Discussion of virtual simulation technology in modern physics experiment teaching

Li Ming-biao

(College of Mathematics and Physics, Bohai University, Jinzhou 121013, China)

Abstract: In this paper, the significance of introducing virtual simulation technology into modern physics experiment teaching is first investigated.Then, the teaching route of simulation experiment to assist modern physics experiment is explored.A new model of physics experiment teaching has been formed, which is instruction of electronic teaching casephysical experiment measurement test.Finally, the effect of educational reform is summarized.Key word: Modern physics experiments;Virtual simulation;teaching model;Effect of implementation

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 0、引 言

虚拟仿真技术对高等教育发展有着广泛的影响，为高等教育提供了先进的教学手段，改变了以往传统的教学方式。在教育部《大学物理实验课程教学基本要求》中明确提出，在教学模式和方法上要“充分利用包括网络技术、多媒体教学软件等在内的现代教育技术，营造多元化的教学模式”等基本要求。将虚拟仿真技术引入实验教学，对促进近代物理实验教学方法的改革起到了很大的作用。在培养学生的实验基本技能上，实际动手操作实验仪器将是必要的，但在虚拟仿真实验在软件设计引导下，对复杂的物理实验虚拟仿真更直观并且容易[1]做到，对探索性、创新性的实验，虚拟仿真实验模式将更为有效，尤其对实验结果的整理与分析，以及实验报告的撰写等诸多环节，都可采用先进的数据分析处理软件获得正确的结论，并在计算机上完成。如果说普通物理实验以打好实验基础为主，近代物理实验则注重培养分析、解决物理问题的能力，那么虚拟仿真技术在近代物理实验中的优势更明显。为此，应用虚拟仿真实验系统教学，建立近代物理实验教学新模式，符合教育部《基本要求》，适合当今教育发展需求，紧跟时代发展步伐。

一、探索仿真实验辅助近代物理实验的教学模式

近代物理实验作为高等院校的专业课程实验,教学内容复杂、任务量大，受到仪器设备、实验材料等因素的制约，这是在组织实验教学中面临的最突出问题。如何合理有效的利用有限的师资和设备资源，在有限的时间和空间内获得良好的教学效果，是我们研究探讨的重要课题。为了解决这一矛盾, 在实验教学中引入模拟仿真实验教学手段，探索仿真实验辅助教学的新模式。

开发制作近代物理实验电子教案，实现辅助实验讲解，调动学生参与实验的积极性，提高实验操作效率；应用交互式仿真实验软件，指导学生的预习、复习，打破传统实验教学呆板单一的模式，为实验教学提供更为宽松自由，方便灵活的空间；在实验上，仿真实验拓展了有限的课堂教学时间，为学生展示实验原理、验证设计思路；利用仿真实验对实验相关的理论进行分析，对实验的历史背景和意义进行讲解，对实验的现象进行演示，使仿真实验成为连接理论教学与实验教学纽带，形成电子教案理论指导-模拟仿真软件预习操作-物理实验测量检验的仿真实验辅助教学、理论与实践相结合的一种崭新教学模式。虚拟教学课件的设计由简单到复杂，操作由简到繁，内容由少到多，使教学内容循序渐进，不断深入。从打好实验基础到实验技能的养成，再到实验技能的提高，教学内容具有明显的层次性，这就使

收稿日期：

基金项目：辽宁省教育厅教学改革项目(辽教发[2016]23号)，渤海大学教改(2017A类)项目 作者简介：李明标(1965－)，男，副教授，主要从事实验技术教学及科研工作。学生实验能力的提高也分层次进行。随着实验层次的不断提高，学生的实验能力不断提高，做实验的精神状态也发生了变化，由过去等教师讲，等教师教，出了问题等教师解决变为依靠自己钻研解决问题。随的教学改革的不断深入，实现从以教师为中心向以学生为中心教师辅助指导的教学模式转变，以灌输式教学向边学边做的研究性教学模式转变，提高学生综合素质和实验操作技能。

二、虚拟仿真近代物理实验教学模式实施取得的效果

通过两年的教学实践，虚拟仿真技术辅助实验教学的模式取得了良好的效果，激发了学生学习兴趣、提高了学习效率，增加了学生学习和实践操作能力。

（1）改革传统实验教学模式。将虚拟仿真技术运用于物理实验教学，改变以教师为中心的传授式教学模式，通过教师指导虚拟实验设计和学生自主学习活动，发挥教师的主导作用和学生的主体作用。虚拟仿真技术加强了学生在学习活动中的思考和创新，它不仅使学生能够有效地通过观察提出假想，而且提供的优良交互性实验教学系统，能够为学生提供必要的学习反馈，学生可以通过屏幕提示逐步思考、选择，由浅入深的探索物理现象的本质，提高学生的分析和理解能力。

（2）激发学生学习热情。应用虚拟仿真技术, 以图文声像并茂形象地传递实验内容，把涉及到的知识、现象、全部过程都反复再现在学生面前。对书本中较抽象难于解释的内容进行图形化、形象化处理，使学生耳闻目睹，仿佛身临其境，激发了学生们学习实验的兴趣。

[3]学生在预习完实验相关内容后，可通过仿真实验课件进行模拟操作,避免实验室中实际操作时的失误，提高实验操作效率。

（3）提学生高学习效率。虚拟仿真技术教学将文字、图像、图形、声音等信息进行处理、存储,突出了形象性和感染力, 弥补了传统实验教学方式的不足，使人通过多个感官来获取信息, 提高信息传播效率。应用虚拟仿真技术，丰富了教学内容，突破时空限制，恰如其分地演示一些复杂的、抽象的、远离人们日常生活经验的、不便直接观察的自然过程和现[2]象,全方位、多角度地展示科学内涵，使学生既能看得见，又能听得到，还能用手操作，再通过讨论、交流，用自己分析得出结论，知识的获得远远好于传统教学的效果。

（4）建设了辅助教学平台。虚拟仿真技术教学为师生提供了一个崭新的学习的平台，学生可以通过查阅电子教案、预习课件、对相关实验进行充分预习，然后回答预习检测题，当答对一定比例的检测题后，方可进入下一阶段，即虚拟仿真实验，在完成仿真实验的过程中，学生预习时发现问题可随时向教师提出、发表自己的看法，并同教师进行讨论，教师也便于了解学生的实验操作动态，以保证学生在后续物理实验中操作的正确性。虚拟实验完成后，再进行物理实验，分析比较仿真实验和物理实验的步骤、数据及结果，加深对实验原理的理解。

（5）节约实验经费。虚拟仿真实验可以解决实验室仪器数量不足的问题，并可避免仪器易损坏。模拟大型实验“仪器”操作及复杂的物理现象，节约其实验的材料费。通常的实验仪器、实验方法远远无法满足现代物理理论的发展的要求，比如晶体结构研究、核实验、辐射实验等，运用虚拟仿真技术，可以将目前新技术所产生的大量信息通过虚拟仿真软件直接地表现出来，展示于学生眼前，便于他们当今高科技的了解和掌握。

三、结 语

结合学校实验设备具体情况，把虚拟仿真技术引入传统近代物理实验教学中，实现传统的教学方式向现代教学方式转化，将硬件实验验证方式向多元化实验方式转移，实验将不再受任何约束、限制，学生可在计算机上进行虚拟仿真实验，为学生创建良好的实验环境。通过虚拟仿真实验的方法引入新的概念和规律，把理论教学与实验教学有机地融为一体，改革

[4]传统的实验教学模式，丰富教学内容,师生互动、调动学生学习实验的积极性和主动性，提高实验教学质量，节约实验经费开支，建立具有一定推广价值的人才培养实践教学新模式，促进了学生研究能力、创新意识和综合素质的全面提高。

参考文献：

[1]韩振海．VirtualLab 虚拟仿真在物理光学中的应用[J]．河西学院学报，2016,32（5）：32-38 [2]腾香．近代物理虚拟仿真实验系统的开发研究与实践[J]．渤海大学学报，2015，36（3）：204-207 [3]任骏原，腾香，李金山．数字逻辑电路Multisim仿真技术[M]．北京：电子工业出版社，2013．

仿真物理实验室资料 第8篇

Scratch在学科融合中的应用可以从测量、记录、控制、仿真四个方面进行尝试:1测量就是通过传感器来获得需要的数值,如我们通过温度传感器测量获取所需要的温度数值。2记录就是用电脑程序代替人工记录数据,通过程序的方式记录可以把人解脱出来,并且更容易对数据进行分析,如我们会把数据导入学习过的电子表格,对数据进行分析。3控制简单地说就是通过程序做出适当的反应,如在太阳底下如果感觉到热了,我们会走到阴凉的地方,“走”就是人脑对“腿”做出的控制。4仿真就是模仿真实世界,如可以根据光的放射定律模仿平面镜、凸透镜成像,让学生理解成像规律;可以把重力加速度加入到游戏中去,让角色的落地更接近于真实;还可以用程序的方式模拟分子运动……本文从仿真的角度做了一些案例尝试。

●用Scratch仿真平面镜成像

这个仿真程序可以让学生理解平面镜的特点和规律,为进一步完成凸透镜成像的仿真打好基础,如图1为平面镜成像的程序界面。

程序设计的过程中光线会随着操作者的控制随时变化,如移动物体远近、大小时光线会随时变化,所以这里的黄色光线及物体用画笔完成。我们先自定义一个画线的模块(如图2)。

我们只要提供两组坐标,然后调用这个程序就能完成中间的线。而对两组坐标我们可以在程序中设计一些特殊的点作为角色,如物体就是用底部A点和顶部箭头决定的。在Scratch程序中的这种画图方式可以解决动态变化的问题,如果你把这个例子中的“物”画成一个固定角色,后期的调整物体大小和位置就很难实现。

平面镜成像的规律是“像和物大小相等,像和物离平面镜距离相等,像和物连线于镜面垂直”,如何在程序中体现这一点呢?这里也需要设计一个模块体现平面镜成像规律脚本(如图3)。

在这个基础上,我们可以设计凸透镜成像的程序,主要也是在光线和成像规律上。下页图4为凸透镜成像界面。

通过Scratch设计的这种程序具有开放性,是学生可以参与的仿真实验程序。在设计的过程中,学生要理解相应的物理规律,如果是教师设计完成的,学生则可在使用过程中加入一些游戏元素。

●用Scratch仿真分子运动

分子运动这种微观现象,如何能直观地让学生体验到?除了用传统多媒体的方式,也可以用Scratch程序做一些模拟。我们这里用Scratch的一个扩展版本BYOB完成了这个例子,之所以选择用BYOB是因为它有一个非常不错的拓展功能“锚点”。锚点的主要作用就是把一个角色“附着”到另一个角色上,并且两个角色可以独立编辑脚本。图5为BYOB界面,在图中的例子中,“孙悟空”和“金箍棒”是两个不同的角色, 可以分别编辑脚本。我们可以用鼠标“拖拽”金箍棒到舞台上的孙悟空处, 这时候角色“金箍棒”右上角就多了一个锚点标志,说明金箍棒已附着到了孙悟空上,孙悟空就可以边运动边玩他的金箍棒了。

分子热运动就是利用这个锚点功能来实现的,图6是用BYOB的升级版本Snap完成的分子热运动的例子。Snap是一个网页编辑的图形化编程软件,所以可用浏览器打开。在这个例子中,我们设计了一个“小立方体”角色,然后建立9个分子小球角色,让这9个分子附着到小立方体上,当小立方体运动时,小分子会随之运动。我们构造好了这样一个神奇的小立方体,便可以在物理学习中加以应用了。

小立方体可以在后期的热学中得到应用,作为分子热运动的例子,在这里我们把9个小分子的运动脚本设计为图7。我们只要给变量a赋一个初始值,小分子就会在-a~a之间选择一个随机数,小分子的X、Y坐标会在原来坐标基础上有轻微变化,仿真出分子热运动的物理现象。如果把这个a值与外接的温度传感器关联,当温度升高时a值增加,分子热运动会加剧。

●用Scratch仿真小球的自由落体运动

自由落体运动是匀加速运动的一个典型实例,对学生来说彻底理解自由落体运动后,很多运动的问题就都能解决了。如果用Scratch来模拟体验这个过程,并实时反映出速度、距离、时间的变化,学生将会非常直观地了解和感受到自由落体,比看公式算数字要好得多。图8为小球的自由落体脚本。

添加一个对象“sprite1”的小球,将该对象的位置定位在(0,170) 的坐标上,设置一个变量“y”记录当前所处的位置,“计时器”表示小球下落的时间,小球设置的初始高度为170,在Scratch中表示为170像素,重力加速度为9.8米每秒,放到Scratch中表示为9.8像素每秒。那么小球下落的距离就 是(),即。然后用最初的位置高度170减去这个下落的距离,就能得出当前小球的y坐标。如图9所示,坐标有正负170,因此小球相当于从340米的高空做自由落体运动。

通过这种仿真程序的设计,我们还可以给物体一个质量、弹性系数来研究小球的反弹,给小球一个初速度来研究小球的运动情况,这种仿真如果用到动画设计中,会使得角色更逼真。

●小结

物理虚拟仿真实验室的设计与开发 第9篇

摘 要:为了解决物理实验教学中存在的种种弊端,我校构建了物理虚拟仿真实验室。文章论述了物理虚拟仿真实验室的功能与设计思路,并对虚拟仿真实验室的系统结构、开发技术的选择和开发流程等做了详细说明,最后结合实例论述了物理虚拟仿真实验室的开发。

关键词:实验教学 虚拟仿真实验室 Cult3dFlash

中图分类号:G434 文献标识码:B 文章编号:1673-8454(2009)13-0022-03

目前物理实验教学主要还是采用传统实验的教学模式。学习者按照教师的安排来完成实验,实验以小组的形式进行,一组内的学生数量往往比较多,在有限的一节课内不可能使每一位学习者都能从头到尾地完成实验;学生只有在规定时间范围内才允许到实验室实验,学习者对实验的预习和复习往往是通过阅读相关文字资料来完成。传统的物理实验教学面临着巨大的挑战,随着计算机技术、网络技术和虚拟现实技术的发展,虚拟实验室应运而生,它的出现主要是针对传统实验教学中存在的弊端而设计和开发的,目的在于尽可能地降低客观条件对学习者的限制,合理有效地解决传统实验教学中存在的问题,为进一步加强实验教学环节提供强有力的手段。

我们认为一个有效的物理虚拟仿真实验室的建立,必须集教学、操作演示、虚拟实验、练习测试等为一体。除了应具备网络特征的基本要求外,还应该达到以下几方面的要求:

(1)能够为学习者提供逼真的虚拟实验场景;

(2)能够让学习者任意操作虚拟实验场景中的仪器设备;

(3)能够对实验过程、实验现象进行实时模拟和再现;

(4)具有与实验教学要求相适应的辅助功能。如明确实验目的的功能、掌握实验原理的功能、实验指导和演示的功能、练习测试的功能以及填写实验报告的功能等。

一、物理虚拟仿真实验室的设计

1.虚拟仿真实验室的结构模型

该虚拟仿真实验室采用的是基于Web的B/S模式。在服务器端:Web Server是服务器端的基础模块,它能够接收客户端的请求并响应,返回虚拟的实验场景。虚拟实验是服务器端最主要的部分,包括虚拟实验仪器、实验步骤等单元模块;在浏览器端:浏览器是学习者进行虚拟实验的窗口,虚拟实验所有的操作都是在浏览器中进行的。学习者可以通过鼠标、键盘等输入输出设备在虚拟实验场景中漫游,任意操作虚拟的实验仪器,获得更加真实、直观的体验。同时,在浏览器端还需要一些插件,如Cult3d、Flash Player插件等等,它们是嵌入到浏览器中的插件,是完成虚拟实验的基础,所有的虚拟场景都通过插件进行解释并渲染在浏览器之中。

2.虚拟仿真实验室的内容结构

该虚拟仿真实验室覆盖了物理实验教学大纲所规定的所有内容,在内容设置上采用了教学大纲中的实验模式,即主要内容分为:实验目的、实验原理、实验步骤、数据处理、练习测试和实验报告等几个主要部分。在结构上将虚拟仿真实验室划分为基本模块和附加模块两部分以及它们的子单元模块,如图1所示。

(1)基本模块

在基本模块中,包含了以下几个子单元模块:实验目的、实验原理、实验仪器、实验步骤以及数据处理等。以“实验仪器”、“实验步骤”和“数据处理”子模块为例,说明各子单元模块的功能。

1)实验仪器模块:为了让学习者在做实验前掌握各种实验仪器的性能和使用方法,本模块给出了整个实验中用到的所有仪器设备,并且呈现的方式可以使学习者360度全方位的观察;为了方便学习者的学习,可以对三维立体的实验仪器进行任意的缩放、移动和旋转甚至是进入到实验仪器的内部。

2)实验步骤模块:由于实验步骤模块关系到学习者是否能将在虚拟实验室中获得的技能向真实的操作能力迁移,所以对实验步骤模块设计的要求是尽可能提供一个与真实实验相近的虚拟实验环境,学习者可以自由操作和调试实验仪器,同时系统根据学习者的操作情况给出丰富的视觉反馈信息。在虚拟实验室中,学习者可以反复进行实验。另外,学习者的学习不仅仅是在用眼睛观察,而是一个集仔细观察、自主操作和认真思考为一体的过程。

3)数据处理模块:实验数据是对实验定量分析的依据,是探索、验证物理规律的第一手资料。在系统误差一定的情况下,实验数据处理得恰当与否,会直接影响偶然误差的大小,所以对实验数据的处理是实验过程的重要内容之一。因此,在该虚拟实验室中,需要考虑设置数据处理模块。当学习者完成实验操作并记录下实验数据后,能通过该模块对实验数据进行处理和分析。由于学习者初始能力、接受能力以及各自特点不同,系统提供了两种呈现方式供学习者选择:一种方式是动画演示模式。在演示过程中,详细地向学习者展示对实验数据处理的来龙去脉;另一种方式是自主探索模式。学习者在使用过程中,可以自主输入参数,在系统辅助条件下,独立地推算出实验结果、总结出实验规律。

(2)附加模块

虚拟实验室中的一些附加模块,如课程简介单元模块可以向学习者提供诸如教学大纲、学习要点、教学实施方案等有关开展实验教学活动的基本信息;练习测试模块可以向学习者提供诊断性练习、测试评价等内容,通过练习和测试,让学习者及时强化所学的知识,并且增强学习者与虚拟实验室之间的交互,增强学习者的参与感;仿真实验室模块:可以向学习者提供一个虚拟实验环境,这样不仅保持了实验的完整性,而且注意了真实实验场景中的实验情况。在加入场景因素的基础上,保持了学习者自由度与高交互的特性,大大增强了学习者的沉浸感。该单元模块完全模拟了实验的操作、过程、现象,能够反映出实验的本质。

二、物理虚拟仿真实验室的开发

1.虚拟仿真实验室的技术选择

(1)各种开发技术的比较(如表1所示)

(2)选用Cult3d和Flash作为主要开发工具

本虚拟实验室选用的主要是Cult3d和Flash这两种开发工具,这是由它们各自的特点以及系统本身的要求所决定的。从目前网络条件来看,在二维表现层面系统选用Flash作为开发工具,在三维表现层面系统选用Cult3d作为开发工具。在有些地方为了更加方便学习者的使用,本实验室还通过JavaScript在Cult3d和Flash之间建立通信。

2.虚拟仿真实验室的开发流程

虚拟仿真实验室的整个开发流程可以分为以下三个过程:

(1)制作素材

素材的制作主要是针对实验仪器的建模,它是开发的基础。它可通过3DMAX工具来完成。由于制作出来的素材分别要导入Cult3d和Flash环境中,因此需要将其导出为两种格式:*.c3d和*.png。由于在其后的Flash添加交互过程中,想要改变实验仪器的视角很难,因此在导出*.png静止的图像时,需要注意在3DMAX中将实验中涉及的所有物件都最好放在同一个摄像机下,以保证其统一的视角。

(2)添加交互

交互的添加是开发过程中的重点和难点,根据实现效果的不同,可以将其分为两种方式:一种是添加三维交互,可通过Cult3d工具来实现;另一种是添加二维交互,可通过Flash工具来实现。

(3)集成发布

将Cult3d和Flash制作出的文件插入到网页中,可以通过Dreamweaver工具来完成,在其中还可以添加一些JavaScript特效。所有工作都完成后,最后发布试运行。

3.虚拟仿真实验室各单元模块的实现

选取“实验仪器”单元模块为例,描述其开发过程:

“实验仪器”单元模块重点在于实验仪器的三维演示,它采用Flash、Cult3d与JavaScript三种技术进行联合开发。为了让学习者更好地感受到虚拟实验界面的整体性,决定采用如图2所示的界面结构,即将整个界面分为两部分,左部分用Cult3d技术实现仪器模型的三维展示,右部分用Flash技术给出其二维文字介绍,并且可以通过JavaScript为中介对Cult3d中的模型进行相关操作,以方便学习者的观察和学习。Cult3d动画与Flash动画均采用相同的背景颜色,以保持界面风格的一致性。

下面以“滑线变阻器”为例介绍实验仪器模块的实现过程。界面如图2所示。

主要的制作过程如下:

(1)3Dmax建模

三维模型的制作十分重要,直接关系到虚拟实验室中三维模型的逼真程度和最后成品数据量的大小,所以在导出前,应该尽量对其进行优化处理。另外,制作3D模型的时候应该特别注意仪器哪些部件是可以运动的(如旋转、平移),哪些部件是固定的。如果可以运动,就需要将其单独做成一个零部件,这是为了以后可以为它单独设置运动动作。最好将具有相同运动规律(静止或者能够同时移动、旋转)的部件归为一组,这样便于管理,也可以相应降低在后续开发步骤中的工作量。

(2)导入Cult3d

将3Dmax文件导出为*.c3d格式,3Dmax默认并不能导出为*.c3d文件,因此需要安装Cult3d Exporter插件,安装此插件后可以把3D建模软件制作的模型导出为*.c3d格式。

(3)添加交互

在Cult3d中,Scene Graph窗口内可以看到该模型中的各个组成部分,在3Dmax里面有的节点都会出现,其下方是Action窗口,包含了Cult3d所有可以执行的动作,其中最常用的有移动、旋转、放大、缩小等。除此之外,还可以播放在建模软件中制作好的动画、添加声音、改变摄像机视角、设置鼠标形状、隐藏或显示某个组件、改变场景背景等。充分、合理地运用这些动作,可以设计出具有相当水准的三维交互动画。另外一个重要的窗口是Event Map,它提供了触发事件,以触发Action窗口中所列出的动作,例如可以单击一个物体以移动它。Cult3d提供的事件类型相当丰富,有左键单击、右键单击、中键单击、敲击键盘按键等。一个典型的交互动画的实验步骤为:事件→动作→三维模型的某个部件,也就是用事件去触发某些部件的某个动作。

三、物理虚拟仿真实验室的运行情况

选取“数据处理”和“虚拟实验室”单元模块为例,说明物理虚拟实验室的运行情况。

1.数据处理单元模块

在该模块中,可以允许学习者输入参数,自主决定坐标系的原点和单位距离;将在“实验步骤”过程中读取的数据输入到该模块中,将对应的记录点一个一个地依次标注在作图纸上,然后还可以根据标注的点,用鼠标做出一条直线;最后任意选取直线上距离较远的两点并读出其坐标值。

2.仿真实验室模块(如图3所示)

该模块是对真实实验环境的一个模拟。包括对周围环境的模拟:实验室门的打开、实验台橱门的打开、橱门玻璃的拖动、窗帘打开等效果;实验过程的模拟:仪器摆放、仪器电路连接、开关闭合、滑线变阻器滑片滑动、更换滤色镜等;实验现象的模拟:光线的传播、电子的逸出、电压表电流表指针的偏转等。

四、结论

本虚拟仿真实验室的构建,目的在于解决传统实验教学中存在的种种弊端。该系统的开发经历了需求分析、教学分析、结构分析、内容分析以及各模块的开发等过程。经过试运行,学习者普遍反映良好,认为该虚拟仿真实验室的界面友好,操作方便,极大地提高了他们实验兴趣。本虚拟实验室适合于对理工科教学中仪器操作类实验的模拟,是现阶段虚拟仿真实验技术中系统要求低、软硬件投入少、具有较好实验教学效果的一种解决方案。?筅

参考文献:

[1]蔡朝晖.Flash MX PROFESSIONAL 2004多媒体课件制作教程[M].北京:中国铁道出版社, 2005.