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物理實驗研究型論文
物理實驗論文一（1）：
題目：探討VR技術(shù)在高中物理實驗中的應(yīng)用
摘要：本文闡述了VR技術(shù)在中學(xué)物理實驗中的應(yīng)用, 還原了實驗的真實性, 更加容易的探求實驗的物理規(guī)律, 提升中學(xué)實驗的實驗質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：VR; 虛擬現(xiàn)實技術(shù); 物理實驗;
虛擬現(xiàn)實技術(shù) (VR) 構(gòu)想最初是在二十世紀(jì)八十年代早期出現(xiàn)的, 它的內(nèi)容是基于人機(jī)交互手段這個基礎(chǔ)的創(chuàng)新, 使用的是計算機(jī)和新式的傳感器工藝。VR技術(shù)讓人們把概念上的虛擬現(xiàn)實技術(shù)用實踐的手段投入到中學(xué)物理實驗里面, 借此研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠在物理實驗方面的應(yīng)用前景以及投入與收獲的性價比。
1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在物理實驗中的應(yīng)用前景
虛擬現(xiàn)實技術(shù)的成長是建立在不斷進(jìn)化的計算機(jī)科學(xué)之上的復(fù)雜的實驗性技術(shù), 它可以根據(jù)實驗者的意愿形成類同的模擬實驗情景, 實驗的人可以親身體會到實驗基中周遭環(huán)境的改變。其中虛擬實驗運用了計算機(jī)里面的圖形形成技術(shù), 采取用“虛擬”的手段模仿實驗環(huán)境和流程, 這樣就能方便實驗的進(jìn)行。
虛擬現(xiàn)實技術(shù)投入到物理教學(xué)實驗里面, 不僅讓實驗教學(xué)手段生動科學(xué), 而且可以讓同學(xué)對物理學(xué)習(xí)充滿積極性和趣味性, 而且運用虛擬技術(shù)可以讓教學(xué)資源的分布變得合理化和高性價比化。和之前經(jīng)典的實體操作不同, 虛擬實驗技術(shù)可以任意設(shè)置工具和儀器, 而且能夠消除設(shè)備數(shù)據(jù)誤差, 在短時間內(nèi)調(diào)整出多組數(shù)據(jù), 另外它在物理實驗中限制很小, 幾乎都能應(yīng)用。虛擬實驗對設(shè)備的損耗微小, 不會受到實驗室大小和工具種類的限制, 因此能夠提高實驗的凈收益。這種實驗技術(shù)是以高端計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的, 所以能夠達(dá)到實驗進(jìn)行的高效性和實驗結(jié)果的精確性, 可以應(yīng)用在多原理和手段的物理實驗中, 通過這種實驗手段, 同學(xué)對物理學(xué)習(xí)的積極性大大提高, 資源的共享也增加了同學(xué)學(xué)習(xí)的效率。虛擬實驗里面得到的實驗結(jié)果可以連接計算機(jī)上的打印機(jī)直接打印出來, 更加地適于互相探討和分享。將現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)投入到物理學(xué)科教學(xué)之中, 可以使同學(xué)和教師寓教于樂, 在一種輕松愉悅的環(huán)境中學(xué)習(xí)知識, 通過這樣開展的教學(xué)使得同學(xué)對學(xué)習(xí)物理的好奇心日益增長, 有助于高效地完成教學(xué)目標(biāo)。
2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中物理實驗中的具體應(yīng)用
目前高中物理實驗的分類大致分為:測量型實驗、探究型實驗、演示型實驗、設(shè)計型實驗等。
2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)如何投入到演示型實驗里
在物理的課堂上, 教師們常常用到演示實驗。同學(xué)在觀察過教師對物理實驗的演示之后, 能夠激發(fā)自己對物理學(xué)科內(nèi)容的好奇心和求知欲。由于自身特性, 演示實驗的完成效果會被實驗室的環(huán)境所改變, 若是周圍實驗條件不好則實驗效果也會不好, 這樣實驗就不夠準(zhǔn)確了。在做光的反射實驗時, 教師會運用演示設(shè)備告訴同學(xué)們光反射的'基本原理以及現(xiàn)象。由于實驗室外界的光線條件不可控制, 這個實驗的效果的完成度也會受到波及, 這樣就失去了實驗的科學(xué)性。但是如果教師使用虛擬實驗技術(shù)來補(bǔ)完在現(xiàn)實條件下無法控制的元素, 就能改善這一結(jié)果。實體實驗中無法完全獲取的平行光, 可以通過虛擬實驗來補(bǔ)充, 之后再根據(jù)平面鏡對光的反射的相關(guān)知識, 將該實驗對同學(xué)進(jìn)行演示。之后再讓同學(xué)從中領(lǐng)悟, 從自己的角度總結(jié)出從光反射演示實驗中觀察得到的結(jié)論和規(guī)律。教師還可以讓同學(xué)輪流使用儀器, 選取一個自己的入射角然后觀察光的反射, 然后將自己的數(shù)據(jù)記錄下來, 和其他學(xué)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行類比。根據(jù)同學(xué)的實驗結(jié)果, 教師綜合起來得到較為規(guī)范的光反射規(guī)律。
2.2 VR如何運用在一些探究型實驗之中
探究型實驗注重培養(yǎng)同學(xué)的動手能力和對真理的一種探索精神。教師合理的利用VR技術(shù)來讓學(xué)生們在虛擬現(xiàn)實之中進(jìn)行實驗操作, 不僅排除了可能對實驗產(chǎn)生影響的因素, 而且會讓同學(xué)更有新奇感, 激發(fā)同學(xué)的實驗興趣。就拿探討凸透鏡成像規(guī)律的實驗舉例, 在現(xiàn)實中光線會對該實驗產(chǎn)生非常大的影響, 經(jīng)常會導(dǎo)致實驗結(jié)果和預(yù)期結(jié)果產(chǎn)生較大的差距, 所以可以利用VR技術(shù)進(jìn)行虛擬實驗。根據(jù)物理實驗的七大步驟, 教師首先在現(xiàn)實中進(jìn)行實際的實驗操作, 在進(jìn)行實際的實驗教程之后同學(xué)對實驗之中一些現(xiàn)象提出想相關(guān)的問題, 然后教師讓同學(xué)們對這些問題的答案進(jìn)行一些假設(shè)和猜想, 比如凸透鏡和物體之間的距離的長短會對成像產(chǎn)生怎樣的影響等。之后學(xué)生們在教師創(chuàng)立好的一個虛擬實驗空間里進(jìn)行虛擬實驗操作, 先將物體放在離凸透鏡較遠(yuǎn)的距離, 然后緩緩的利用鼠標(biāo)縮小物體和凸透鏡的距離, 觀察這一過程中物體透過凸透鏡成像的特點, 然后用相關(guān)的物理知識總結(jié)出規(guī)律。老師在學(xué)生總結(jié)完規(guī)律之后再用規(guī)范的物理知識解釋凸透鏡成像的原理。
由于中學(xué)的物理實驗課程時間較少, 同學(xué)對這類實驗可操作的次數(shù)沒有那么多, 使得一些學(xué)到的知識沒有得到實踐操作的鞏固而容易忘記, 不能完成相關(guān)的教學(xué)目的。所以為了使同學(xué)學(xué)的知識和實踐操作能夠得到完美的融合, 可以利用VR技術(shù)來完成一些現(xiàn)實生活中難以實現(xiàn)的實驗, 使得同學(xué)們能夠在實驗之中結(jié)合自己已經(jīng)學(xué)到的知識, 增加對物理學(xué)科的興趣, 打下堅實的知識基礎(chǔ)。比如中學(xué)物理實驗的“探究電路短路問題”這一實驗之中由于現(xiàn)實設(shè)備如果短路會對設(shè)備造成很大的損壞, 所以難以在現(xiàn)實之中完成, 大多數(shù)老師們只能通過課堂講解的方式讓同學(xué)們懂得電路短路的有關(guān)物理知識, 所能夠?qū)W到的知識非常有限, 在面臨現(xiàn)實中實際電路短路的時候也無法運用及時有效的途徑去解決, 雖然有一些老師用演示的方法對有關(guān)知識進(jìn)行了講解, 但是依然無法讓同學(xué)們可以自己動手進(jìn)行相關(guān)的物理實驗操作。相反, 如果利用VR技術(shù), 就可以模擬出電路短路的物理實驗, 讓同學(xué)們可以直接動手進(jìn)行相關(guān)的操作, 不僅讓同學(xué)們懂得了電路短路的產(chǎn)生原理, 也讓同學(xué)們知道了如何進(jìn)行有效的解決短路問題。而且由于采取的是虛擬實驗的技術(shù), 可以避免了現(xiàn)實之中可能導(dǎo)致安全隱患因素的產(chǎn)生。在電路短路實驗之中, 首先是電源短路, 同學(xué)們在設(shè)立好的虛擬空間利用鼠標(biāo)將一根導(dǎo)線直接將電源正負(fù)極連接起來, 觀察電路現(xiàn)象, 然后將所有元件用導(dǎo)線連接起來組成線路, 觀察電路的情況, 用電流表測量電路之中的電流, 用電壓表測量負(fù)載的電壓。記錄好測量的數(shù)據(jù), 然后將電源短路, 再用電流表測量電路的電流, 用電壓表測量負(fù)載的電壓。對比兩次測量數(shù)據(jù)的不同, 總結(jié)電路短路的規(guī)律和特點, 然后同學(xué)結(jié)合自己已經(jīng)學(xué)到的知識和剛剛在實驗之中的操作, 可以得到如果電源短路就會導(dǎo)致電路之中的電流超過負(fù)載的額定電流, 導(dǎo)致負(fù)載也就是我們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫碾娖鞅粺龎牡�。通過實驗之后同學(xué)們也會知道如何可以預(yù)防電源短路的現(xiàn)象的產(chǎn)生以及產(chǎn)生之后的處理方法, 使得同學(xué)們對于電路問題的理解更加的深刻了。探究完電源短路之后還可以探究負(fù)載被短路的情況, 比如同學(xué)可以利用鼠標(biāo)將兩個或者更多的燈泡串聯(lián)在一起, 然后用鼠標(biāo)控制導(dǎo)線將小燈泡正負(fù)兩級連接在一起, 用電流表測量此時電路的電流, 然后用電壓表分別測量未短路燈泡的電壓和短路燈泡的電壓, 將小燈泡短路和未短路的作比較和將短路電源和短路燈泡的電路中的電流作比較, 總結(jié)出兩者的不同和相關(guān)的規(guī)律。之后如果有機(jī)會還可以讓同學(xué)們做出并聯(lián)電路中燈泡的短路會對電路帶來什么影響等擴(kuò)展實驗, 這種利用VR技術(shù)的虛擬實驗在保證了實驗的安全性和不被影響性的情況下可以極大的激發(fā)同學(xué)們對于物理世界的探索興趣。
3 結(jié)束語
通過對VR技術(shù)在中學(xué)實驗中運用的可實現(xiàn)性和優(yōu)點的分析和討論, 可以看出VR的虛擬技術(shù)其實對中學(xué)物理實驗有著非常大的作用, 還原了實驗的真實性, 培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)精神, 保持對真理織織不倦的探索精神。虛擬技術(shù)高度模擬出真實的實驗場景, 提升中學(xué)實驗的實驗質(zhì)量。
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物理實驗論文一（2）：
題目：網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實驗教學(xué)的研究
摘要：網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實驗教學(xué)是在計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上采用的一種新型的物理實驗教學(xué)模式, 其獨特的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、共享性、高效性和開放性, 可以彌補(bǔ)實體實驗的不足。將其有效地和實體物理實驗相結(jié)合, 可促進(jìn)物理實驗教學(xué)改革, 提高物理實驗教學(xué)的質(zhì)量和效率。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò); 虛擬實驗; 物理實驗教學(xué);
一、引言
近幾十年來, 隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等信息技術(shù)的迅速發(fā)展, 運用計算機(jī)軟件技術(shù)和通信手段將傳統(tǒng)物理實驗內(nèi)容做成虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗項目, 不僅迎合現(xiàn)代大學(xué)生對信息技術(shù)的需求, 同時作為一種新型的實驗教學(xué)手段, 可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗教學(xué)在硬件、空間和時間上的不足, 拓寬實驗教學(xué)新模式, 使傳統(tǒng)而又經(jīng)典的物理實驗教學(xué)煥發(fā)新的活力。對網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實驗教學(xué)進(jìn)行深入研究, 在促進(jìn)物理實驗教學(xué)改革, 提高物理實驗教學(xué)質(zhì)量和效率, 推動和促進(jìn)物理實驗教學(xué)發(fā)展, 具有重要意義。
二、網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實驗的優(yōu)勢
1. 虛擬物理實驗的經(jīng)濟(jì)性。
設(shè)立在計算機(jī)中的虛擬物理實驗沒有場地限制, 學(xué)生既可以在實驗室的虛擬實驗室中完成, 也可隨時隨地在任何有網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)和手機(jī)上完成實驗內(nèi)容, 沒有空間、耗材使用和儀器損耗的問題, 不受空間和時間等外界條件的限制, 降低了實驗經(jīng)費。同時, 虛擬物理實驗項目僅需要進(jìn)行定期的計算機(jī)維護(hù), 降低了實驗技術(shù)人員在儀器維修和耗材購置上的人員成本。
2. 虛擬物理實驗的可靠性。
物理實體實驗中, 客觀條件對實驗的影響很大, 例如不同的溫度、濕度和氣壓條件, 以及市電的波動, 都會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。由于學(xué)生缺乏對復(fù)雜條件下實驗結(jié)果不確定的分析, 不能理解不同條件下獲得的不同實驗結(jié)果, 就會對整個實驗過程產(chǎn)生懷疑。虛擬實驗的標(biāo)準(zhǔn)條件的設(shè)置, 可以克服客觀條件的不確定性, 使得初次進(jìn)行實驗的低年級學(xué)生對實驗過程的原理、操作過程和實驗結(jié)果有了確定性的積極認(rèn)識。同時, 物理虛擬實驗?zāi)軌蚩朔䦟嶓w實驗的不安全性, 虛擬實驗不會因操作失誤而造成人身事故。
3. 虛擬物理實驗的共享性。
網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗以計算機(jī)大容量的存儲介質(zhì)為平臺, 運用計算機(jī)或計算機(jī)網(wǎng)絡(luò), 以軟件實現(xiàn)實驗的可視化和模擬操作。在傳統(tǒng)的實體實驗教學(xué)中, 一方面由于單個實驗項目沒有實體實驗人數(shù)的限制, 學(xué)生無法自由地進(jìn)入實驗室完成所需的實驗項目;另一方面, 由于時間的限制, 在實驗過程中, 學(xué)生沒有更多地機(jī)會仔細(xì)研究實驗內(nèi)容和實驗過程, 實驗教學(xué)效果很難得到保證, 而虛擬實驗則不受實驗空間和時間的限制。
三、網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗的不足
網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實驗作為物理實驗教學(xué)的拓展和補(bǔ)充, 展示了網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)技術(shù)在物理實驗教學(xué)中的特色和優(yōu)勢。但由于虛擬物理實驗自身存在的不足, 它無法替代傳統(tǒng)實體物理實驗在實驗教學(xué)過程所發(fā)揮的作用。
首先, 雖然虛擬實驗?zāi)軌蛲耆M實物物理實驗的環(huán)境和儀器設(shè)備外形, 但學(xué)生通過視頻對實驗環(huán)境和儀器的感性認(rèn)識不如親臨實驗環(huán)境和感觸儀器的真實認(rèn)識;同時在虛擬實驗過程, 通過鼠標(biāo)或觸摸式搭建和操作的實驗過程, 也不似實體實驗中儀器間接線連接和實驗中旋鈕旋轉(zhuǎn)力度的真實感覺, 學(xué)生的`動手能力得不到訓(xùn)練和強(qiáng)化。
其次, 虛擬物理實驗情境中, 學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)資源和虛擬實驗提供的輔助材料, 根據(jù)實驗步驟一步一步地完成儀器的連接和實驗操作, 沒有可能出現(xiàn)實體實驗中種種無法預(yù)測的問題。同時, 在完成虛擬實驗過程中, 面對毫無感覺的計算機(jī)和軟件系統(tǒng), 對學(xué)生思維的正常發(fā)展和健康人格的形成將產(chǎn)生負(fù)面影響。
最后, 虛擬實驗是通過軟件實驗場景和儀器圖片的再現(xiàn), 通過程序的設(shè)置讓學(xué)生按照步驟完成實驗。由于軟件不能窮盡實際實驗中出現(xiàn)的各種問題, 對虛擬實驗中學(xué)生出現(xiàn)的問題只能簡單地報錯, 學(xué)生可以不需要思考為什么, 只是通過不斷試錯獲得正確的結(jié)果, 在一定程度上抑制了學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展。
四、虛實結(jié)合, 優(yōu)勢互補(bǔ)
實體物理實驗在培養(yǎng)學(xué)生的全面素質(zhì)中發(fā)揮著重要作用, 是學(xué)生驗證所學(xué)知識, 獲取新知識、方法和能力必不可少的課程之一。而網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實驗以網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ), 借助實體物理實驗, 為學(xué)生提供多角度、形象的物理模型、物理過程和物理圖景。其豐富的聲像圖文信息, 可以喚起學(xué)生對物理實驗課程的學(xué)習(xí)興趣。
1. 先虛后實, 提高實體實驗的質(zhì)量和效率。
將實體實驗通過虛擬實驗的形式作為學(xué)生的預(yù)習(xí)內(nèi)容, 有助于學(xué)生盡快熟悉實體實驗。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗為學(xué)生提供了全方位的實驗知識材料, 能夠使學(xué)生了解實驗操作全過程, 學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)記錄和處理, 了解實驗中可能出現(xiàn)的問題, 在培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力的同時, 也為實體實驗打下基礎(chǔ)。
2. 以虛補(bǔ)實, 完善實驗課程體系。
物理實驗中心由于場地和經(jīng)費的限制, 不能開設(shè)所有的經(jīng)典物理實驗來滿足不同專業(yè)和不同層次的學(xué)生需求。實驗中心開設(shè)的都是與學(xué)校特色和優(yōu)勢專業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)物理實驗, 而其他一些經(jīng)典的與學(xué)校特色專業(yè)相關(guān)度不高的物理實驗, 則很少開設(shè)。此外, 一些近代物理實驗, 由于儀器昂貴和占地大, 所需的物理知識較多, 加之實驗時間長, 調(diào)節(jié)和實驗過程比較復(fù)雜, 很多普通的工科院校沒有配置這些實驗。
通過虛擬實驗研究探討實體實驗, 不僅可以節(jié)約實驗經(jīng)費和實驗時間, 還能鍛煉學(xué)生對創(chuàng)新實驗設(shè)計、改進(jìn)的能力, 提高學(xué)生的綜合科研素質(zhì)。
五、結(jié)論
隨著網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展, 網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實驗的功能將逐步完善和強(qiáng)大。作為傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)的有益補(bǔ)充, 虛擬物理實驗不僅為傳統(tǒng)的經(jīng)典物理實驗注入新的活力, 還突破了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式, 促進(jìn)物理實驗教學(xué)理念和教學(xué)方式的改革, 提高物理實驗教學(xué)質(zhì)量和效率, 推動大學(xué)物理實驗教學(xué)發(fā)展。
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