初中科学虚拟实验平台的研究 毕业论文.doc

毕 业 设 计（论文） 2012 届 题 目 初中科学虚拟实验平台的研究 专 业 科学教育 学生姓名 xxxxxx 学 号 指导教师 xxxx 论文字数 10245 完成日期 2011 年 11 月 教 务 处 印 制 i 初中科学虚拟实验平台研究 摘 要：虚拟实验室是一种基于 web 技术，虚拟仿真技术构建的开放式网络化的虚拟实 验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟 器材库和开放式实验室管理系统组成。本文主要阐述了初中科学虚拟实验平台的构建和设 计，并在此基础上，对一些初中科学（物理、化学）实验进行虚拟化设计制做，从而提高 了学生的学习兴趣和学习效率。最后讨论了虚拟实验平台中存在的一些问题以及解决问题 的个人感觉有效的方法。 关键词：虚拟实验，初中理科，引擎 the junior middle school scientific research on virtual experimental platform ii shenjianfu abstract:virtual laboratory is a technology based on web, virtual simulation technology of construction of the open networked virtual experimental teaching system, is the existing each kind of teaching laboratory digital and virtualization. virtual laboratory experiments are made by virtual library, virtual equipment and the open laboratory management systems. this paper describes how to build and virtual design the junior school science experiment platform .in order to improve the students learning interest and learning efficiency,thus design the number of junior high school science (physics, chemistry) virtual experiment system on this basis. finally,the paper discusses the virtual experiment platform in some of the problems and the solution to the problem of personal feeling and effective method. key words:virtual experiment, science of high school, engine 1 目 录 前言2 第一章:背景及现状 1.1.国内虚拟实验平台的现状2 1.2.虚拟实验平台的结构、特点与功能3 1.2.1.平台的结构3 1.2.2.平台的特点3 1.2.3.平台的功能3 第二章：物理部分实验举例及设计 2.1.飞机飞行的简单运动4 2.2.用天平测量物体的密度5 2.3.连通器测量不同液体的压强6 2.4.光的折射7 2.5.研究杠杆的平衡8 2.6.惠斯登电桥测电阻8 第三章：化学部分实验举例及设计 3.1.金属在空气中的燃烧8 3.2.喷泉实验9 3.3.金属活动性顺序10 3.4.氢气置换氧化铜实验10 3.5.实验室制取氧气11 第 4 章：初中科学虚拟实验平台的问题及改进 4.1.虚拟实验平台所在的问题12 4.2.虚拟实验平台改进的理由13 4.3.解决方案总体分析13 4.3.1.应用虚拟现实三维技术13 4.3.2.传统实验和虚拟实验结合13 4.3.3.对中学理科仿真实验进行分类14 结论15 参考文献16 致谢 2 前 言 虚拟实验，目前已应用于课堂教学，虚拟产品作为新的教学媒体，它的发展将会对教 学活动产生深远的影响。 虚拟实验平台是以现代教育理论为指导，以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术 为依托而建立的新型的实验系统。虚拟实验平台能最大限度的模拟真实实验的场景，也不 受器材、试验品以及实验者等因素的限制。它是以计算机系统为基础，本文以“初中科学 虚拟实验平台的研究”的目的是由于科学原理是参数化、公式化的，能快速轻松的被计算 机读取和计算，具体表现为表格、图形、数据等，更容易通过计算机演示，利用此技术反 映出真实的世界。计算机还能以影视、音频等多媒体形式反映一些例如历史、语文等不容 易被计算机虚拟平台进行教学的文科科目。因此，此虚拟实验平台所涵盖的范围为物理、 化学、几何等实验型学科。 目前，用于实验教学的计算机虚拟实验软件非常丰富，加上网络资源，为虚拟实验的 应用与发展提供了条件，因此，虚拟实验在初中科学实验教学中的运用也越来越广，作用 不容忽视。所以怎么样建立一个符合初中科学可以弥补现实资源不足的虚拟平台是本文的 重点。 本文的结构：本文的开头介绍了什么是虚拟实验，从而分析国内虚拟实验平台的现状、特 点与存在的问题，并提出解决问题个人方案，然后在物理和化学方面举例虚拟实验的应用， 简单明了的得出结论，最后给出虚拟实验平台的定义、组成和工作方式。 第一章：背景及现状 1.1.国内外虚拟实验平台的现状 近年来，国内的许多高校都根据自身和教学的需求建立一些虚拟实验平台，以下是对 国内虚拟实验平台建立的调查与分析。 虚拟现实（virtual reality，简称 vr，又译作灵境，幻真）是近年来出现的高新技 术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，他利用计算机生成一个逼真的、具有 视、听、触等多种感知的虚拟环境，是一种先进的数字化人机接口技术。早在 1996 年，天 津大学就在 sgi 硬件平台上基于 vrml 国际标准开发了虚拟校园，随着信息技术的发展，尤 其是在宽带网络将大规模应用的今天，国内一些高校已经逐步推广和运用虚拟校园模式， 先后有浙江大学，上海交通大学，北京大学，西南交通大学等多院校采用虚拟实验技术建 立虚拟校园。目前，中央广播电视大学远程教育学院建设的虚拟校园采用基于 internet 的 类游戏图形引擎，在此基础上，将网络学院的诸多具体功能整合在图形引擎中，突破了目 前对虚拟校园的应用仅仅停留在校园一般性浏览的应用上，并作为基础平台进行大规模应 用，取得了较好的效果 1。 就国内而言，具体运用虚拟实验平台技术的有以下几个： 1.java 技术，java 技术是一种使网页有静态转为动态的软件编程语言。 2.activex 技术，作为针对 internet 运用开发的技术，activex 被广泛地应用于 web 服务 3 器以及客户端的各方面，同时 activex 技术允许为软件开发组件在网络上可以相互操作。 3.vrml，vrml 是一种三级场景的描述性语言，他为用户在 internet 上提供一个全新的虚 拟世界空间。 4.qtvr 技术，qtvr 是基于静态图像处理的实景建模的虚拟现实技术 2。 具体实行的有国内的有中科院上海有机化学研究锁的虚拟化学实验，国外的有麻省理 工学院的 weblab、science space 等。 1.2 虚拟实验平台的结构、特点与功能 1.2.1 平 台 的 结 构 （ 1） 系 统 组 成 这 套 系 统 由 三 个 部 分 组 成 ， 它 们 分 别 是 ： 仿 真 实 验 引 擎 、 资 源 文 件 、 客 户 程 序 （ 包 括 仿 真 实 验 应 用 程 序 和 资 源 创 建 工 具 ） 。 （ 2） 仿 真 实 验 引 擎 仿 真 实 验 引 擎 作 为 这 一 系 统 的 核 心 ， 完 成 了 包 括 图 形 渲 染 、 音 频 、 人 机 交 互 、 物 理 仿 真 、 仿 真 实 验 环 境 的 配 置 和 构 建 等 核 心 事 务 3。 (3)资 源 文 件 资 源 文 件 是 系 统 的 具 体 表 现 内 容 ， 即 数 据 基 础 。 客 户 应 用 程 序 通 过 引 擎 来 统 一 调 配 资 源 ， 管 理 其 加 载 、 使 用 和 卸 载 。 资 源 文 件 的 类 型 多 样 ， 主 要 包 括 文 本 文 件 、 图 像 文 件 、 模 型 文 件 、 动 画 文 件 、 场 景 4 (4)客 户 应 用 程 序 前 面 提 到 ， 仿 真 实 验 引 擎 与 资 源 文 件 构 成 客 户 应 用 程 序 的 核 心 事 务 和 数 据 基 础 ， 那 么 教 师 或 开 发 人 员 就 可 以 使 用 资 源 创 建 工 具 创 建 实 验 素 材 与 实 验 项 目 ； 仿 真 实 验 应 用 程 序 则 供 全 体 客 户 进 行 教 学 授 课 使 用 ， 它 们 相 对 于 引 擎 和 资 源 处 于 访 问 者 地 位 ， 因 此 称 它 们 为 客 户 应 用 程 序 5。 1.2.2 平 台 的 特点 (1) 使用不受时间、地点的限制，同学可以在寝室、实验室、图书馆等场地使用虚拟 实验室 (2)开始与现代远程教育结合,显示出良好的前景 (3)节约资源，不再提供专用的场地和计算机 (4)受益面广泛 1.2.3 平 台 的 功 能 具体表现在：平台包括程序设计、数据库 sql 和多媒体等 3 大功能，均可以通过远程 访问来实现。其中，程序设计功能主要包括 c+程序设计、java 程序设计和汇编程序设计 等实验，并可扩展选用其他任何一种计算机程序设计语言，对编写的源程序可以进行方程 式的编译预处理、编译、连接打包的运行等工作；编译预处理对源程序进行格式化排版和 安全性检查，编译生成模块文件或类文件，连接打包生成课执行文件或可执行的压缩包文 件或安装盘文件；运行时可以直接接受输入的参数值并远程运行，或下载到本地运行得到 运行结果。数据库功能采用标准 sql+多种关系数据库管理系统特殊的 sql，主要支持 access、mysql、oracle 和 sql server 等流行的关系数据库系统，并可扩 4 展选用其他关 4 系数据库、对象关系数据库和对象数据库系统，可以完成访问数据库的 9 种常用功能，对 表、视图、触器、函数、数据类型、同义词和存储过程的建立(cre ate)、修改(alter)和 删除(drop)；对数据的增加(in sert)、修改(update)和删除(delete)，对数据的查询 (select)i 对数据库权限的管理(grant 和 re voke)等；还支持特殊的数据库 sql 语句。多 媒体功能包括声音、图形和图像的处理，目前主要支持 7 种图像处理算法，包括：偏色、 反转、镜像、转置、浮雕、油画和窗帘等效果 6。 第二章：物理部分实验举例 2.1.飞机飞行的简单运动 这是在八年级上册的科学书上看到的，此节讲的是大气的压强，而这个问题是在课后 阅读上，上面提到飞机的升力，飞机是现代交通的重要工具，自从 1903 年莱特兄弟用他们 设计制造的飞机成功地试飞以来飞机已有了很大的发展。现代大型飞机的质量已达数百吨， 速度已达数百米每秒，飞机那么重，它的升力是怎样获得的呢？ 1726 年，伯努利通过无数次实验，发现了“边界层表面效应”：流体速度加快时,物 体与流体接触的界面上的压力会减小，反之压力会增加。为纪念这位科学家的贡献，这一 发现被称为“伯努利效应” 。伯努利效应适用于包括气体在内的一切流体,是流体作稳定流 动时的基本现象之一，反映出流体的压强与流速的关系，流速与压强的关系：流体的流速 越大，压强越小；流体的流速越小，压强越大 。 图 2-1-1 机翼受力图 图 2-2-2 飞机飞行 通过虚拟实验可以看到，如图 2-2-1 和图 2-2-2， 当飞机的螺旋桨高速转动时，或发动机 向尾部喷气而向前运动时，飞机的边上就会形成一个高速的气流。由于记忆的上侧做成了 上凸圆形状，而下侧做成平面形状，上方气流速度就要比下方气流的速度大很多。这样， 机翼下侧受到向上的压强就比机翼上侧受到的向下的压强大得多，正是这个压强差，使飞 机得到一个向上的升力。 5 2.2.用天平测量物体的密度 虚拟实验操作步骤： （1）将天平放在水平桌面上，调节天平平衡。 （2）测出金属块的质量，并把测量值填入表格中。 （3）向量筒中注入一定量的清水，并把测得的水的体积值填入表格中。 （4）将石块用细线拴好，没入水中，测出石块和水的总体积，并把测量值填入表格中。 （5）计算出石块的体积，填入表格。 （6）计算出金属块密度，填入表格。 图 2-2-1 量取物体体积 图 2-2-2 称取物体质量 通过图 2-2-1，图 2-2-2,通过实际简单的操作，在虚拟实验上截取的图片显示这石头的 m=50.4g,v=20ml，再根据公式 ，就可以知道此物体的密度，非常快速，沉浸型。vm/ 6 2.3.连通器测量不同液体的压强 连通器的原理：连 通 器 的 原 理 可 用 液 体 压 强 来 解 释 。 若 在 u 形 玻 璃 管 中 装 有 同 一 种 液 体 ， 在 连 通 器 的 底 部 正 中 设 想 有 一 个 小 液 片 ab。 左 管 中 之 液 体 对 液 片 ab 向 右 侧 的 压 强 ， 一 定 等 于 右 管 中 之 液 体 对 液 片 ab 向 左 侧 的 压 强 。 因 为 连 通 器 内 装 的 是 同 一 种 液 体 ， 左 右 两 个 液 柱 的 密 度 相 同 ， 根 据 液 体 压 强 的 公 式 可 知 ， 只 有 当 两 边hgp 液 柱 的 高 度 相 等 时 ， 两 边 液 柱 对 液 片 ab 的 压 强 才 能 相 等 。 所 以 ， 在 液 体 不 流 动 的 情 况 下 ， 连 通 器 各 容 器 中 的 液 面 应 保 持 相 平 。 那 虚 拟 实 验 是 怎 么 样 完 成 的 呢 ？ 图 2-3-1 测量不同液体相同深度的压强 如图 2-3-1 所示，像水，酒精，汽油三种常见的液体，我们不能用肉眼直接看出哪个的密 度大，而通过连通器，将金属盒放在三种液体的同一深度，连通器上显示的液体有高度差， 我们根据 可以很明显的看出这三种液体的密度哪个大了。ghp 2.4.光的折射 为什么有经验的渔夫在打渔的时候不是向着鱼的方向打去，而是向鱼的上方一点打去， 而且这样的效果很好，每次都能打到鱼？我们能用科学的方法来解释一下吗？ 7 图 2-5-1 光的折射（鱼翔浅底） 通过虚拟实验来解释这个光的折射问题，当池塘里没有水的时候，我们看到鱼的光显示上 图的右边的那条；当有水时，因为光折射率在水中与空气中不一样，发生折射，我们看到 的是左边的那条，在真实位置的上面，结果应该都很清楚，明朗。 2.5.研究杠杆的平衡 古希腊科学家阿基米德有这样一句流传千古的名言：“假如给我一个支点，我就能把 地球挪动！”这句话不仅是催人奋进的警句，更是有着严格的科学根据的。杠杆分类 杠杆 可分为省力杠杆、费力杠杆和等臂杠杆。这几类杠杆有如下特征： 1.省力杠杆：l 1l2, f1f2 ,省力、费距离。如拔钉子用的羊角锤、铡刀，瓶盖扳子等。 2费力杠杆： l 1l 2, f1f 2,费力、省距离，如钓鱼竿、镊子等。 3等臂杠杆： l 1l 2, f1f 2,既不省力也不费力，又不多移动距离，如天平、定滑轮等。 在使用杠杆时，为了省力，就应该用动力臂比阻力臂长的杠杆；如欲省距离，就应该 用动力臂比阻力臂短的杠杆。因此使用杠杆可以省力，也可以省距离。但是，要想省力， 就必须多移动距离；要想少移动距离，就必须多费些力。要想又省力而又少移动距离，是 不可能实现的。正是从这些公理出发，在“重心”理论的基础上，阿基米德发现了杠杆原 理，即“二重物平衡时，它们离支点的距离与重量成反比。 杠杆的支点不一定要在中间，满足下列三个点的系统，基本上就是杠杆：支点、施力 点、受力点。 其中公式这样写：支点到受力点距离(力矩) 受力 = 支点到施力点距离(力臂) 施力，这样就是一个杠杆。 图 2-6-1 研究杠杆的平衡 如图 2-6-1 所示：通过鼠标操作，可控制砝码个数，研究杠杠平衡原理，简单明了，可排 除因各种人为和其他因素的影响，而造成的误差。 8 2.6.惠斯登电桥测电阻 实验仪器：主要有箱式惠斯登电桥一只，可变电阻箱三只（r 1，r 2，r 3） ，待测电阻一 只 r4，检流计一只。 电桥测量方法，在目前的电测技术中应用很多很广，属重要测量方法之一。 实验原理：惠斯登电桥的电路如图 2-4-1 所示，有四个电阻 r1,r2,r3,r4 联成一个四边形， 每一个变成为电桥的臂，在四边形的对角 a 和 c 上加电源 e，再在对角 b 和 d 之间连接一 个检流计 g，所谓桥就是指这条对角线 bd 而言，它的作用就是把桥的两个端点的电位直接 进行比较，当 b,d 两点点位相等时，检流计无电流通过，称作电桥平衡。这时 ab 间的电位 差等于 ad 间的电位差，dc 间的电位差等于 bc 建德电位差，设通过四个桥臂的电流分别为 i1,i2,i3,i4,根据欧姆定律有： r1i1=r2i2（1） r3i3=r4i4（2） 又因为 ig=0，得 r1=i4，i 2=i3 将（2）除以（1）既得： r1/r4=r2/r3或 r4=r1r3/r2 若 r1,r2,r3都已知的话，r 4就可以算出来了。 图 2-4-1 惠斯登电桥测电阻 如上图所示，我们可以根据虚拟的惠斯登电桥轻松地模拟，算出要求的电阻。这很大程度 上提高了效率，避免连接不断出错，导致始终无法成功地完成实验，从而进一步影响学习 效率，虚拟实验的好处显而易见。 9 第三章：化学部分实验举例 3.1 金属（铁、镁）在空气中的燃烧 。 图 3-1-1 金属（铁、镁）在空气中的燃烧 通过图 3-1-1 可见看出铁和镁在空气中的燃烧，可以看出实验过程，铁丝在氧气中剧 烈燃烧，火星四射，放出大量的热，生成黑色固体 fe3o4（要注意的是为了烧杯破裂，在里 面加少量的水，应为反应放出大量的热） ，镁在空气中燃烧，产生耀眼的强光，生成白色固 体 mgo，节省了试验材料，避免了实验的危险。 3.2 喷泉实验 图 3-2-1 喷泉实验 10 此实验如图 3-2-1 会引起学生们好奇的心理，为什么会有喷泉？然后还有颜色的？这很大 的提升学生的求知欲，使课堂气氛活跃。喷泉实验的基本原理是： 气体在液体中溶解度很 大，在短时间内产生足够的压强差（负压） ，则打开活塞后，大气压将烧杯内的液体压入烧 瓶中，在尖嘴导管口形成喷泉。为了解决这个问题，我们想起影响气压的几个因素。 喷泉实验成功的条件： 根据克拉伯龙方程(也称理想气体状态方程)：pv=nrt，推出 p=(nrt)/v (r 为常数)。要使 p 变小，可改变 n、t、v 中的一个变量。所以减小气压的方法有三种：减少气体的物质 的量(n)；降低气体的温度(t)；增大气体的体积(v)。 减少气体的物质的量有两种方法：物理方法与化学方法。 物理方法可把气体抽走或物理溶解，化学方法可通过化学反应或化学溶解；降低气体的温 度，我们可以采用冷水浇注或用湿毛巾放于瓶底，也可以把装置转移入较低温的环境；而 增大气体的体积，可以采取，升高温度（如：用热水浇注或热毛巾放于瓶底）或改变容器 的体积的方法。 对于用化学方法来减少气体的物质的量的方法又和气体的溶解度、吸收液的种类有关。 气体溶解性大小会对喷泉的形成产生影响。如，易溶于水的气体、在水中溶解度不 大的气体、难溶于水的气体；由于它们在水中的溶解度不一样，从而就使得压强的减少不 一样，是喷泉能否产生以及喷泉大小的关键。 吸收液的种类也会对喷泉的形成产生影响，不同的吸收液，与气体之间能否反应、 气体在其中溶解度的大小，都决定了喷泉实验的成功与失败。 3.3 金属活动性顺序 位置越靠前，活动性越（强） ，排在氢前面的金属能（置换出酸中的氢） 。并且排 在前面的金属能（从排在后面的金属的盐溶液中置换出金属）金属活动性顺序表：钾，钙， 钠，镁，铝，锰，锌，铬，铁，镍，锡，铅，（氢）铜，汞，银，铂，金 图 3-3-1 一些金属与盐酸的反应 11 通过图 3-3-1 所示，各物质在盐酸反应程度，可判断出金属活动性顺序。 3.4 氢气置换氧化铜 根据上述虚拟实验可以明显的看出，氢气的排位在金属铜的前面，这是为什么？ 置换反应的含义： 简单地说，一种单置于一种化合物起反应生成另一种单质和另一种化合物，这样的反 应成为置换反应。更明确的说，置换反应是无机化学反应的四大基本反应的一种，指一种 单质和一种化合物反应生成另一种单质和另一种化合物的反应。具体可以表示为： a+bc=b+ac，置换反应 是指某种元素被组成某种单质被取代的过程。 图 3-4-1 置换反应 置换反应的分类： 干 态 置 换 在 加 热 或 高 温 条 件 下 固 体 与 固 体 或 固 体 与 气 体 发 生 的 置 换 反 应 。 湿 态 置 换 在 水 溶 液 中 进 行 的 置 换 反 应 。 如图 3-4-1，通过实验我们可以看到，锥形瓶内一只冒着气泡，这是因为在锥形瓶内发生 反应，生成了氢气，将氢气通入玻璃管中，而玻璃管中放着黑色的固体粉末，是 cuo，后 面 u 型管中放着的是无水硫酸铜，它遇水会变成蓝色。 通过实验我们可以发现有哪些现象啊？ 在虚拟实验中我们可以清楚地看到，玻璃管中的很色粉末慢慢减少，而且有红的东西 生成，无水硫酸铜变成蓝色。说明此装置中发生了化学反应，反应方程式如图 3-4-1 所示。 此实验应注意的问题是： 1.通氢气前要先验氢气的纯度 2.先通一会氢气再加热 3.试管口要略向下倾斜 4.实验结束后要停止加热，再通会氢气 12 3.5 实验室制氧气 实验室用加热高锰酸钾货氯酸钾和二氧化锰的混合物制取氧气，如下图 3-5-1 图 3-5-1 实 验 室 制 氧 气 应 注 意 的 事 项 ： 首 先 ， 应 检 查 装 置 的 气 密 性 ； 其 次 ， 固 定 试 管 ， 铁 夹 要 夹 在 离 试 管 口 三 分 之 一 处 ； 再 次 ， 高 锰 酸 钾 要 平 放 于 试 管 底 部 等 等 。 收 集 气 体 时 ， 因 为 氧 气 自 身 的 性 质 ， 我 们 可 以 采 用 排 水 法 或 向 上 排 空 气 法 ， 收 集 装 置 如 图 3-5-1 所 示 。 通 过 排 水 法 收 集 气 体 时 ， 要 等 到 气 泡 连 续 不 断 ， 均 匀 冒 出 时 开 始 收 集 ， 有 利 于 保 证 氧 气 的 纯 度 。 等 收 集 完 毕 ， 要 先 将 试 管 移 出 水 槽 ， 再 移 去 酒 精 灯 ， 以 免 倒 吸 使 试 管 炸 裂 。 利 用 排 空 气 法 时 将 导 管 伸 到 集 气 瓶 底 部 ， 有 利 于 保 证 氧 气 的 纯 度 ， 检 验 是 否 装 满 时 ， 用 带 火 星 的 木 条 检 验 。 第四章：初中科学虚拟实验平台的问题及改进 4.1 国内虚拟实验平台的问题 目前，虚拟实验对于大部分学校更或者学生是一个很新鲜的话题，新鲜的话题当然会得 到很多爱好者的研究，通过网络可以清楚地了解到关于这个话题的大概内容，就如我上面 列举的几个关于虚拟实验的特点可以知道，使用不受时间、地点的限制，同学可以在寝室、 实验室、图书馆等场地使用虚拟实验室，节约资源，不再提供专用的场地和计算机，受益 面广泛等，有如此多的优点，为什么还是没有很泛泛的利用呢？因为其也有许多不足的地 方，不能说是缺点，但是是在推广他的同时必须得考虑的。 具体来说，首先，虚拟实验此技术大多是面向高等院校或者是科研机构，系统复杂度 高，经费要求高，此技术做出来的数据精确，考虑的因素比较多，思维要求高，所以对初 中生来说是个很大的难题。其次，用如此高难度，繁杂系数高，支出高的虚拟实验平台来 做初中科学的实验，实在是大材小用。再次，如果要此虚拟实验对各门课程都做出结果， 对于教师或学生都有一定的难度，操作要求高。最后，此技术只是对数据的精确度达到了 很高的水平，但是初中时一个打基础的时间段，只是在结果方面做好是不够的，需要与传 13 统的实验结合起来，不仅仅让学生拥有视觉的感受，也需要学生亲手实践，这样的结果是 更加能让学生懂得，理解。 4.2.虚拟实验平台改进的理由 创造一个符合初中理科实验教学要求和特点的虚拟实验平台，需要克服上面提到的各 个问题。 初中科学虚拟实验平台的改进与实现难点在于：第一，系统采用三维成像技术，三维 技术开发的系统能更好的表达中学教学所要传递的知但是，三维的实现比二维的实现复杂 程度高出很多。第二，虚拟实验不能完全取代传统实验，原因在于： 1)实验真实感不强，键盘和鼠标无法带给学生旋钮的感觉； 2)在真实实验中出现的各种各样误差体现不出来，虚拟实验不会因电压不稳致使数字万 用表读数发生跳变； 3)虚拟实验是人们根据真实实验利用计算机语言编写出来的，人的认知范围决定实验的 虚拟程度，因此虚拟实验无法涵盖实际工程中可能出现的、人的认知范围之外的各种故障 现象。 4)虚拟实验系统自身的局限性限制了学生的活动空间，学生不能很好地根据已有的经验 进行综合应用 7。 4.3.解决方案总体分析 4.3.1.应用虚拟现实三维技术 对于第一点，虚拟现实三维展示是三维立体全方位的表现，通过计算机仿真技术进行 模拟，构造虚拟的真实环境，使人可以在其中随意漫游，有亲临其境的体验。 解决办法是使用三维技术。这是一种真正能够实现动态效果的 3d 技术,它是利用可见 光的产生、吸收或散射来形成三维空间的三维图像。它的引入可以有效地组织功能，使其 模块化、组件化，有利于代码的复用，有利于提高二次开发的效率，有利于移植。对于第 三点，解决办法是一方面利用开源软件项目提供的功能（如物理库提供物理仿真功能） ，可 以更有效率地更准确地解决建模的问题；另一方面，在没有可用资源的情况下则需要单独 建模和开发。而仿真实验需要的各种数据以资源文件的形式提供给系统使用 8。 4.3.2.传统实验和虚拟实验结合 对于第二点，要求传统实验预虚拟实验相结合，在实验内容的安排上，可选择基础性、 危险性和一些设备昂贵、高难度的现代实验进行虚拟实验，而那些对数据处理要求较高以 及对学生动手能力、综合能力要求较高的实验可安排学生到实验室完成。在这样的教学模 式中，学生到实验室动手做实验的目的，一是为检查学生对仪器的熟悉程度，二是为弥补 虚拟实验数据处理的薄弱，三是为检查和提高学生分析问题、解决问题的能力。为减轻学 生负担，对于要求学生动手完成的实验成绩，可不要求学生进行虚拟实验，也可降低该实 验在虚拟实验阶段的成绩权重，从而突出对学生综合能力的培养教师则要循循善诱，培 养学生独立思考、积极探索，对于有创新精神的学生，及时表扬，并适当提高实验成绩 9。 初 中 科 学 虚 拟 实 验 平 台 在 初 中 科 学 中 虚 拟 实 验 技 术 的 应 用 ， 要 求 教 师 必 须 改 变 实 验 教 学 观 念 ， 实 现 实 验 教 师 由 演 示 者 向 指 导 者 、 创 新 者 的 转 换 。 要 求 学 生 由 模 仿 者 向 探 14 求 和 创 造 者 转 换 ， 达 到 由 培 养 经 验 型 人 才 向 培 养 创 造 型 人 才 的 转 变 。 要 求 教 师 善 于 运 用 实 验 教 学 策 略 ， 鼓 励 学 生 将 自 主 设 计 、 自 主 探 索 与 协 作 实 验 研 究 相 结 合 10， 更 多 的 是 传 统 实 验 与 虚 拟 实 验 的 相 结 合 。 4.3.3.对中学理科仿真实验进行分类 中学理科仿真实验包含多学科、多种表现形式、多种参与形式、多种复杂程度的试验 目。 1按学科可分为物理、化学、几何、地理等； 2按表现形式可分为演示实验、验证实验、观察实验、课题实验、制作实验、课题研 讨论题目、观赏实验等； 3按参与者可分为教师操作实验和学生操作实验、可交互与不可交互型、在可交互类 型里还可分为操作实验型和观察解题型； 4按复杂程度可分为单一实验和复合实验、低年级初级实验和高年级高级实验 11。 15 结 论 初 中 科 学 虚 拟 实 验 平 台 能 够 较 好 的 表