袁欣雨

摘要隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展進步，其滲透力度也不斷加大，從生產(chǎn)制作到醫(yī)療，再到教育領(lǐng)域，無處不見其身影。虛擬仿真技術(shù)在高中物理中的應(yīng)用也在很大程度上給實驗操作帶來了便利，解決了傳統(tǒng)實驗中很多問題，讓每一個高中生體驗實驗操作不再受局限。近幾年虛擬仿真技術(shù)發(fā)展程度不容小覷，但仍存在一些問題。比如對于虛擬實驗來說，其環(huán)境的真實還原還有待優(yōu)化，診斷操作也需要不斷改進完善等。本文針對高中物理電學虛擬實驗室中操作診斷問題進行分析研究。

關(guān)鍵詞物理電學；虛擬實驗室；診斷問題

以前的高中物理實驗方法是老師進行簡要講解后引領(lǐng)中學生在實驗室進行實際操作，以達到更深入地理解物理課本知識的目的。但傳統(tǒng)實驗操作中存在很多弊端，成本、安全等問題一直都是不容忽視的。虛擬仿真技術(shù)的引入，給高中物理實驗帶來了新活力。首先，利用虛擬實驗室進行實驗可以保證學生的實驗安全性；另外，根據(jù)不同要求能給實驗提供豐富的虛擬器材選擇，保證了我們的實驗可操作性；除此之外，虛擬實驗室成本還較傳統(tǒng)實驗低得多，一套軟件就幾乎可以涵括高中物理教學的所有所需內(nèi)容。學生自主操作機會增多，也會大大提高學生的學習積極性，加深對所學知識的理解，提高學習質(zhì)量。

1電學虛擬實驗室概述

1.1概要介紹

虛擬實驗是計算機及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的衍生物，其研究和實現(xiàn)的技能方法都在相關(guān)人員的不懈努力、鉆研下發(fā)展。因此在不同視角，不同立場，對虛擬實驗室的概念確定也會有不同，人們也往往會根據(jù)自己實際情況實際需要進行定義。

在實驗效果方面，虛擬實驗實際上是指在計算機系統(tǒng)中裝入相應(yīng)軟件，通過虛擬仿真技術(shù)在軟件中模擬各種各樣需要的實驗環(huán)境，操作人員可以跟真實的場景一樣進行實驗項目，并可以控制實驗進度，提升實驗效率，在學習實驗效果上可以與真正的實驗匹敵甚至超越。

在組成方面，虛擬實驗是由程序、實驗?zāi)K、所需參考資料等組成的可以與操作人員人機交互進行實驗的環(huán)境。用戶可以加入其它需要的資料、工具來增加實驗所需虛擬物體或者增加實驗單元。

在虛擬實驗室用到的原理和工具方面，虛擬實驗室是以實驗實際內(nèi)容、實驗原理、信息科學技術(shù)、計算機系統(tǒng)技術(shù)及其相關(guān)的很多知識為鋪墊，以計算機以及產(chǎn)生實驗現(xiàn)象的一系列表現(xiàn)儀器為依托，充分利用面向?qū)ο蟮木幊趟枷雽崿F(xiàn)一個有人機交互、能夠進行相應(yīng)操作的環(huán)境，來達到模擬現(xiàn)實中很多實驗項目過程的目的。

綜合以上對于虛擬實驗室各種角度的描述，可以從技術(shù)以及實驗操作2個方面來對虛擬實驗的作一個相對全面的概括。虛擬實驗實際上是以計算機系統(tǒng)為平臺，利用虛擬仿真的技術(shù)，在系統(tǒng)中創(chuàng)造邏輯空間，利用面向?qū)ο蟮乃枷?，營造出各種各樣需要的實驗環(huán)境，在實際操作中，可以直接利用鼠標或者鍵盤進行實驗儀器的選擇、參數(shù)的確定或者結(jié)果的處理，跟真實的實驗場景一對一匹配，盡可能使操作人員在實驗中收獲傳統(tǒng)實驗一樣的甚至更優(yōu)的效果。

虛擬實驗室實際上是基于人工智能的發(fā)展的，表示用計算機創(chuàng)造一個虛擬的實驗環(huán)境，操作人員可以按照要求進行實驗。目前來說，虛擬實驗室在高中理化生中應(yīng)用廣泛，電學部分作為高中物理較為重要的一個部分，其對應(yīng)的電學實驗也是數(shù)量繁多，電學虛擬實驗室則能正好為其提供電學實驗平臺，在實驗中配備各式電學所需儀器，進行電學方面實驗操作。

1.2虛擬實驗室特點及問題

隨著科技領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，人們對虛擬仿真技術(shù)要求不斷提升，虛擬實驗室發(fā)展到今天，方向及特征不斷明確：1）真實性，虛擬實驗室的主要目的就是給人們提供一個虛擬空間進行實驗，所以實驗環(huán)境的創(chuàng)建就顯得十分重要，要盡可能為人們提供真實、生動、引人入勝的實驗體驗；2）智能性，虛擬實驗室的核心就是要做到虛擬空間能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)實中實驗一樣甚至更為優(yōu)化的功能，更為智能化；3）靈活多樣性，實驗者可以在虛擬空間進行實驗時隨時根據(jù)實驗的改變自定義一些資料的使用，新增或者編輯，并且對于所得數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析對比總結(jié)，或是直接出圖表進一步研究。

近年來，雖然虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)得到很大的發(fā)展，但目前，虛擬實驗室仍舊存在如下一些不足：1）操作診斷尚需改進，在實驗操作中，如果實驗人員操作出現(xiàn)錯誤，虛擬實驗室可能不能準確甚至無法給出相應(yīng)的警示，不能及時得知自己錯誤所在進行修正，這也在一定程度上對其在實驗訓(xùn)練效果上大打折扣；2）對于其他探索性的實驗可能還不能很好滿足，在高中物理實驗中，虛擬實驗室的實驗單元有既定的實驗流程，只能根據(jù)輸入的實驗一步步進行，如果我們高中生在操作中有其他想法，想進行進一步探索實驗，則很可能無法實驗，出現(xiàn)邏輯上的誤解。

2電學虛擬實驗室操作診斷

2.1電學虛擬實驗知識表示方法

電學虛擬實驗在對知識表示方法選擇方面，主要根據(jù)以下幾個原則：1）從表示能力來說，知識表現(xiàn)方法的最重要的目的就是將知識內(nèi)容真實、準確并且高效地進行傳遞，因此其準確有效性就是關(guān)鍵的量尺。2）從推理能力來說，虛擬實驗空間中知識庫為推理提供了支持，推理的速度對于實驗運行效率高低有直接的作用，而語義的準確程度對于推理效果來說也是一大影響因素，所以，合適的推理能力是知識庫進行有效推理的保證。

在虛擬實驗操作診斷系統(tǒng)中，要求將實驗中所涉及的對象的屬性以及行為都進行相應(yīng)的描述，并要有效表示出老師指導(dǎo)的信息以及實驗中錯誤診斷的信息，合理的推理能力以及對于整個實驗過程的控制作用等都是不可缺少的，綜合考慮之下，面向?qū)ο蟮闹R表示方式是最適宜的。面向?qū)ο蟮闹R表示方法就是充分引入面向?qū)ο蟮乃枷?，以類、對象為基礎(chǔ)，將類的封裝性、繼承性等合理加入，使之知識表示方法能對大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)進行操作且具備高效的推理能力。

2.2電學虛擬實驗室操作診斷

中學物理虛擬實驗操作診斷系統(tǒng)中基于實驗所需器材以及實驗知識、流程等進行面向?qū)ο笾R方法表示后，通過對實驗中一步步操作的跟蹤監(jiān)控，來判斷其準確性。在本診斷系統(tǒng)中，是通過兩層結(jié)構(gòu)的監(jiān)控跟蹤來對實驗中一步步過程的正確性進行確定的，具體如下：

首先來說，進行每一個物理實驗都是要明確實驗?zāi)康囊约皟?nèi)容的，一個實驗中，也有規(guī)定的流程，有確定的實驗步驟，此時，就需要診斷系統(tǒng)對于操作人員在實驗操作中進行的每一步進行監(jiān)控以及檢測，來判斷其操作是否越出該步驟要求的界限，或者違背步驟規(guī)定的要求。在該系統(tǒng)中，這層準確性的判斷是上層。

其次，基于操作人員在實驗步驟規(guī)定的要求下進行，診斷系統(tǒng)還需要操作人員對實驗器材的一些應(yīng)用進行跟蹤監(jiān)控，通過實驗器材事先確定好的屬性以及操作的要求，來建立起下層的操作準確性判斷，確定該用戶在進行實驗時有沒有正確使用器材、方式是否正確，檢測出錯誤后，對出錯原因進行及時反饋。比如說，在電學實驗操作中，導(dǎo)線本身是在允許范圍內(nèi)的，但是連接方法是否正確則需要進行判定。

最后，在實驗操作中，其正確性不單單是由實驗操作的規(guī)范性決定的，得出的數(shù)據(jù)結(jié)果是不是合理、能與實驗過程相配也是需要考慮的，因此結(jié)果判斷的過程也必不可少。

3結(jié)論

高中物理電學虛擬實驗室是將虛擬仿真技術(shù)與高中實驗進行密切結(jié)合的產(chǎn)物，能夠保證我們實驗的高效性、安全性，大大提升我們的自主能動性、對知識的掌握程度以及對于未知世界的好奇心。而在現(xiàn)有的虛擬實驗室技術(shù)上進行操作診斷的研究則具有重要的現(xiàn)實意義，能很大程度上改善我們的中學生實驗體驗，增加訓(xùn)練效果。