小议中学物理虚拟实验室的评价范文

一、虚拟实验室的研究现状

虚拟实验室由于其广泛的应用前景，许多研究机构都在大力开发，并且取得了很大进展。基于虚拟实验室的特点，它在实际中还常被用于辅助教学的开展。许多学校根据自身实际教学需求已经建立了虚拟实验室，比较典型的有：（1）山西师范大学的物理虚拟仿真实验室，[4]其目的是为了解决物理实验教学中存在的一些问题。实验室包括实验仪器、实验步骤、数据处理等子模块，选用Cult3d和Flash作为其主要的开发工具，并且通过JavaScript在这两种技术之间建立通信，为学生提供了一个操作方便的虚拟实验系统；（2）浙江大学的虚拟化学实验室，是基于Web的虚拟实验室，以VRML为基础构筑虚拟实验环境，并利用Java技术来实现虚拟实验场景的人机交互。[5]（3）文献[6]所介绍的中学物理实验室,则是基于Web的B/S体系结构，使用VRML和Java相结合进行开发，由客户端、Web服务器、应用服务器和数据库服务器四大部分组成，集实验教学、实验操作与实验报告于一体。尽管虚拟实验室呈现出欣欣向荣的发展景象，但是目前用于辅助教学的系统大多是为高校和中职院校的实验教学而量身定做的。而在中学物理教学中，开发者往往只是制作单个虚拟实验课件使用者利用这些实验可以实现基本的模拟功能，但这些单个的虚拟实验却不能满足使用者交流互动的需要，也无法实现教师对实验教学的管理。针对这些不足，我们设计了中学物理虚拟实验室，里面不仅包含基本的物理实验，还为师生提供了下载中心、交流中心等辅助功能，让系统更加人性化，更能满足师生的实际需求。

二、虚拟实验室的总体设计

通过学生的问卷调查以及与一线教师的实际访谈，根据师生的实际需要。该结构实现的主要功能为：（1）模拟实验。中学物理虚拟实验室的核心部分是虚拟实验室。在仪器库中，有各种实体仪器的模型，用户在使用时只需将需要的仪器从库中拖到实验界面上，就可以对其进行操作。在本系统中，我们利用交互技术来模拟实验动态，使学生和实验环境之间进行充分的交互。（2）实验报告。本系统为每个实验都提供一个实验报告模板。学生在实验过程中记录产生的数据及图形，并且根据实验原理进行必要的数据处理。实验完成后，用户可以到下载中心下载对应实验的报告模板，按要求编写后，在登录情况下提交。提交后，系统会将实验报告发送至相应的任课老师那里进行批改。（3）交流互动。本系统在模拟实验之外，还为用户提供了一个交流互动的平台。在这个平台上，已登录的用户之间可以进行在线提问和在线答疑，同时还可以进行留言，提出自己的意见等。用户在这个版块上，还可以查看问答汇总，利用其他同学的经验来提高自己的实验能力。（4）资源共享。本系统还为用户，提供了一些习题和实验资料，用户可以在线浏览，也可以下载。如果想共享资源，可以选择上传。上传的资料在经过管理员审核后，即可显示在资源共享栏中。（5）用户模块。该功能具体包括注册新用户、修改用户密码、找回用户密码、已注册用户登录和退出系统。和大部分系统一样，物理虚拟实验室为每个注册用户分配一个账号，并记录用户的相应信息，并保存至数据库中，方便用户查看个人之前的实验记录。其中应用程序中的用户注册和登录模块启用了Forms身份验证机制，并充分运用了成员资格和角色管理功能。（6）实验管理。本系统在开发过程中秉持可扩展性原则，为教师用户提供了增加和删减实验的功能。教师可以通过设计新实验来扩充实验库。同时教师还可以对仪器库进行管理，根据实验的实际需要，往仪器库里增加或减少实验仪器。（7）实验指导。在做实验之前，必须先了解该实验使用仪器的参数设置、实验原理及注意事项等。本系统为每个实验都建立了一个文本形式的Web页面，页面包含了这些项目的详细内容。学生在实验过程中可以随时浏览来指导实验的顺利进行。

三、中学物理虚拟实验室的实现技术

1.Flash交互技术MacromediaFlash是一种交互式矢量图编辑和多媒体创作软件，具有存储空间较小、效果和交互性能强大、跨媒体性强、成本低廉等特点。[7]ActionScript是Flash的脚本语言，利用它来控制Flash动画中的对象，通过制作通用元件，将其编写的代码封装起来。[8]这样可以方便其他人使用。开发模型本系统最终是以网站的形式呈献给用户，在开发的过程中，我们使用了开发模式。3.数据库技术SQLServer2005的安全性好，它提供了强大的数据库备份和恢复功能，当故障发生时，能根据备份和日志迅速恢复到某一正确时刻;还提供了更好的并发控制功能以及大量的监控和管理数据库系统的工具。[9]在本系统中，使用SQLServer2005进行开发，数据表由学生表、教师表、仪器表、报告表、资源表等组成。4.开发语言物理虚拟实验室采用C#进行开发。C#是衍生于C/C++的一种面向对象的语言，有速度快、类型安全、灵活度高等特点。5.系统体系结构C/S(Client/Server,即客户端/服务器)中，服务器是核心，客户端则是基础。用户界面、业务处理都在客户端实现，而服务器则负责数据处理和维护的功能。进行实验的操作、仿真各种物理现象都需要本地机参与工作，以提高工作效率。[10]

四、虚拟实验室的开发流程

（1）制作虚拟仪器库。Flash素材库可以导入外部的素材与创建的元件。这些元件可以是从其他地方找来的素材图片，也可以是用Flash制作出来的影片剪辑或图形。在制作动画时，只需从仪器库中将元件拖放到实验场景中，并通过添加脚本来控制仪器的运行。元件只需创建一次就可以反复使用。（2）设计与制作实验场景。Flash动画中，所有的实验仪器都需要实验场景来呈现，从而为用户提供一个接近真实的实验环境。每个场景都有独立的时间轴和图层，用来放置不同的实验对象，主要包括空间背景、实验仪器、实验台等。（3）添加交互。在这个过程中，我们使用ActionScript来给动画添加交互性，实现人机交互。（4）集成优化和。完成Flash动画的制作后，还要对动画进行优化。比如压缩，使动画能够更快地下载和播放。用户可以Flash为SWF、HTML、QuickTime、Gif、Macintosh以及可执行文件的格式，这样可以使Flash动画以不同的格式播放，以满足不同平台的需要。

五、虚拟实验室的系统界面

使用者在不登录的情况下，可以浏览本系统的任何信息，也可以进入不同的实验模块，了解相关知识。要进入虚拟中心，使用者必须登录，登录后可以选择点击导航栏上的“虚拟中心”进入，也可以通过选择所要做的实验归属的类别直接进入相应的模块。图3为虚拟中心中电学模块《电路连接》的实验准备界面：实验开始前，使用者可以在“实验原理”中心查看信息，里面包含实验电路图以及不同的实验电路连接方式，电流表和电压表的参考示数。使用者在连接电路后，单击“开始”按钮进行实验，实验过程中用户可以通过电流表和电压表观察示数，还可以通过“停止”和“复位”按钮对电路进行重新连接。

六、虚拟实验室的使用效果调查及评价

为了测试本系统的使用效果，我们抽取了某校高中二年级的8班和10班为调查对象。这两个班级人数相等，知识水平以及结构组成接近，其中8班为实验班，10班为对照班。实验内容为实物电路的连接，即根据给出的实验电路图，将所示各器材的实物图正确连接。这部分实验的难点在于滑动变阻器的接法。在实际教学中发现，有些学生画电路图时头头是道，可在实物连接时却束手无策，动手能力差。所以，针对这部分问题，本系统提供了实验提醒功能，即在实验器件相同的情况下，为每一组实验电路图提供了供参考的电压表和电流表的示数。学生在实验过程中，如果实验数据与参考数据不一样，系统则提醒学生出错，建议学生自行检查电路并改正，直至结果正确。这样的过程原则上可以提高学生实物连接的能力。针对此次调查，事先设计了两份问卷。问卷1侧重知识与能力的检测，测试内容为根据实验电路进行实物连接，这份问卷同时投放给8班和10班；而问卷2的设计则从三维目标中的情感态度与价值观的角度出发，其中包含10道题，这份问卷仅投放给8班。

七、结束语

中学物理虚拟实验室为广大师生提供了一个实验室以外的操作实验的平台。作为物理实验教学的一个辅助系统，它具有易用性、可交互、可扩展性等特点。具体表现在：（1）本实验室严格上说是一个网站，用户只需注册即可成为会员。每次登录后，即可进入客户端界面，并且根据提示选择需要进行的操作，界面友好，步骤简单；（2）本实验室除了提供虚拟实验功能，还可以在线交流、资源共享、下载资料等；（3）教师在管理实验室时，可以往系统增加新设计的实验，不断地完善实验库。本实验室采用Flash交互技术进行开发，交互性能强，实验室自身的可扩展性使得它能得到及时更新，保证了实验室的先进性。随着社会的快速发展，物理实验在培养学生的动手能力和创新能力方面的作用越来越大，这也为虚拟实验室的不断完善提供了广阔的平台，从而更好地辅助教学的开展。

作者：刘小灵吴怡单位：福建师范大学光电与信息工程学院