李文

【摘 要】物理學(xué)作為一門自然科學(xué)，其教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新是物理教學(xué)的研究熱點(diǎn)。本文通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)在智能仿真實(shí)驗(yàn)中對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，結(jié)合具體的物理實(shí)驗(yàn)，拓展了物理教學(xué)的思想，實(shí)現(xiàn)了新技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)的融合。

【關(guān)鍵詞】物理教學(xué)；智能模擬；虛擬現(xiàn)實(shí)

一、前言

在眾多自然學(xué)科中，有一門學(xué)科，需要大量實(shí)驗(yàn)才能使其教學(xué)更加豐富，這門學(xué)科就是物理學(xué)。智能模擬實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)中的創(chuàng)新，它打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間以及空間的限制，將計(jì)算機(jī)等新型智能技術(shù)融入物理教學(xué)中，不僅使物理實(shí)驗(yàn)更加真實(shí)和科學(xué)，而且還吸引學(xué)生的注意力，讓學(xué)生從他們的思想中學(xué)習(xí)物理學(xué)習(xí)。智能物理教學(xué)強(qiáng)調(diào)更直觀的體驗(yàn)，更深入地了解物理知識(shí)。智能模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)于物理教師來(lái)說(shuō)也是一個(gè)難得的幫手，它能豐富了教師的教學(xué)理念，更有利于物理教學(xué)。

二、智能模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

在智能模擬實(shí)驗(yàn)中，最常用的智能仿真方法就是虛擬現(xiàn)實(shí)方法。在物理實(shí)驗(yàn)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓學(xué)生體驗(yàn)多種感官。虛擬模擬的物理實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)教科書(shū)擴(kuò)展到各種多媒體媒介，如圖像、圖形、聲音、文本、視頻和動(dòng)畫(huà)等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具備虛擬人機(jī)交互功能和虛擬三維真實(shí)場(chǎng)景的優(yōu)勢(shì)。

光學(xué)實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)中的典型范例，利用虛擬現(xiàn)實(shí)可以更好的呈現(xiàn)這種實(shí)驗(yàn)。

非相干照明成像系統(tǒng)的對(duì)象和圖像可以被視為不同空間頻率的光強(qiáng)度正弦分布圖像的集合。在諸如光學(xué)成像系統(tǒng)的光暈區(qū)域中，正弦光分布的圖像仍然是光強(qiáng)度的正弦分布，但是由于諸如像差和衍射的因素，圖像的調(diào)制度發(fā)生降低、相移的狀況。圖像調(diào)制度和相移量的比率是正弦光強(qiáng)度分布的空間頻率的函數(shù)。這種特殊的函數(shù)就叫做調(diào)制傳遞以及相位傳遞函數(shù)，對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)是否符合要求，質(zhì)量是否合格，可以通過(guò)這兩種函數(shù)的大小進(jìn)行刻畫(huà)。如果系統(tǒng)有線性相關(guān)關(guān)系，且滿足這樣的條件，則有單維度方向上的正弦分布，且圖像的平面形式是光強(qiáng)度的正弦表現(xiàn)和線擴(kuò)散函數(shù)的卷積。傅里葉變換卷積定理告訴我們，光學(xué)系統(tǒng)的一維光學(xué)傳遞函數(shù)是其線擴(kuò)散函數(shù)的傅立葉變換。所以，如果我們可以通過(guò)實(shí)施傅里葉變換使得被測(cè)量的光學(xué)系統(tǒng)呈現(xiàn)線性散射，就可以得到準(zhǔn)確的單一方向上的光學(xué)傳遞函數(shù)。由此就可以推出對(duì)光學(xué)傳遞函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理

來(lái)自鎢光源的光被濾光器、聚光鏡和毛玻璃均勻照射。通過(guò)準(zhǔn)直鏡，待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)和可變頻率透鏡將照射的狹縫成像在正弦光柵上。如果想要使得狹縫圖像成為實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的光學(xué)系統(tǒng)的線性延展功能，那么設(shè)置的準(zhǔn)直鏡以及變頻鏡必須呈現(xiàn)理想狀態(tài)。正弦光柵的強(qiáng)度如果可以在同一個(gè)方位中呈現(xiàn)正弦變化，那么它具有特定的空間頻率。光電探測(cè)器通過(guò)測(cè)量獲得的光通量是可以根據(jù)掃描的位置的變化呈現(xiàn)正弦變化，這是通過(guò)正弦光柵對(duì)狹縫圖像進(jìn)行掃描得到的。如果調(diào)制傳遞值增大，那么變化的幅度也會(huì)相應(yīng)改變；同時(shí)，相位傳遞值反映著真實(shí)的變化相位。光學(xué)傳遞函數(shù)的獲得，可以運(yùn)用光電檢測(cè)器進(jìn)行一系列模擬電信號(hào)的輸出，并將其反映到顯示器上，進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。綜上所述，線擴(kuò)散函數(shù)的傅里葉變換可以通過(guò)運(yùn)用正弦光柵掃描狹縫圖像得到，從而通過(guò)光學(xué)傅立葉分析方法實(shí)現(xiàn)光學(xué)傳遞函數(shù)的測(cè)量。

仿真實(shí)驗(yàn)按如下步驟進(jìn)行：①取出待測(cè)光學(xué)鏡頭并放入測(cè)量系統(tǒng)；②調(diào)整光路（包括調(diào)整被測(cè)透鏡，準(zhǔn)直透鏡和變頻鏡頭的光軸，調(diào)整被測(cè)透鏡的像平面，使其與變換鏡頭表面一致）；③調(diào)焦。根據(jù)散焦量，正弦光柵軸向移動(dòng)到所需位置；④掃描測(cè)量。正弦光柵以恒定速度移動(dòng)；⑤數(shù)據(jù)處理。根據(jù)所獲得的光強(qiáng)度幅度，導(dǎo)出不同頻率的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF值，并繪制圖表。

仿真軟件系統(tǒng)以動(dòng)態(tài)和簡(jiǎn)潔的方式介紹實(shí)驗(yàn)裝置和原理，并且不在屏幕上明確顯示它們。整個(gè)實(shí)施過(guò)程分為幾個(gè)步驟：設(shè)置條件、將需要監(jiān)測(cè)的對(duì)象進(jìn)行輸入、調(diào)節(jié)光的路徑、得到運(yùn)行的記錄并進(jìn)行掃描，最后將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并繪制相應(yīng)的圖畫(huà)進(jìn)行曲線函數(shù)的傳遞。除了可操作性之外，模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也是可設(shè)計(jì)的。例如，通過(guò)變換不同的濾色器來(lái)測(cè)量不同顏色光的傳遞函數(shù)；使用不同頻率的正弦光柵測(cè)量傳遞函數(shù)的頻率范圍；整個(gè)移動(dòng)照明系統(tǒng)和狹縫測(cè)量軸上或軸外傳遞函數(shù)。由仿真系統(tǒng)測(cè)量的被測(cè)系統(tǒng)的理論傳遞函數(shù)值，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)裝置誤差和調(diào)整誤差干擾。

使用虛擬現(xiàn)實(shí)多媒體信息集成技術(shù)創(chuàng)建和顯示有意義的場(chǎng)景，并提高查找差異和見(jiàn)解的能力；利用大容量存儲(chǔ)技術(shù)，提供多樣化的資源；使用圖形交互界面技術(shù)建立良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；利用多媒體虛擬現(xiàn)實(shí)信息組織結(jié)構(gòu)的超鏈接技術(shù)，建立符合人類關(guān)聯(lián)模式的超文本信息組織結(jié)構(gòu)；利用智能仿真技術(shù)，建立模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)科學(xué)探索；利用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源共享和協(xié)商學(xué)習(xí)。

三、結(jié)語(yǔ)

物理教師的創(chuàng)新教學(xué)方法不僅可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還可以提高學(xué)生的物理學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。所以，教學(xué)方法的創(chuàng)新是物理學(xué)教育的重中之重。只有這樣，物理教學(xué)才能有長(zhǎng)足的發(fā)展，才能實(shí)現(xiàn)學(xué)生高素質(zhì)全面發(fā)展。

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