物理电学虚拟实验室中操作诊断研究

袁欣雨

摘要随着科学技术的不断发展进步，其渗透力度也不断加大，从生产制作到医疗，再到教育领域，无处不见其身影。虚拟仿真技术在高中物理中的应用也在很大程度上给实验操作带来了便利，解决了传统实验中很多问题，让每一个高中生体验实验操作不再受局限。近几年虚拟仿真技术发展程度不容小觑，但仍存在一些问题。比如对于虚拟实验来说，其环境的真实还原还有待优化，诊断操作也需要不断改进完善等。本文针对高中物理电学虚拟实验室中操作诊断问题进行分析研究。

关键词物理电学；虚拟实验室；诊断问题

以前的高中物理实验方法是老师进行简要讲解后引领中学生在实验室进行实际操作，以达到更深入地理解物理课本知识的目的。但传统实验操作中存在很多弊端，成本、安全等问题一直都是不容忽视的。虚拟仿真技术的引入，给高中物理实验带来了新活力。首先，利用虚拟实验室进行实验可以保证学生的实验安全性；另外，根据不同要求能给实验提供丰富的虚拟器材选择，保证了我们的实验可操作性；除此之外，虚拟实验室成本还较传统实验低得多，一套软件就几乎可以涵括高中物理教学的所有所需内容。学生自主操作机会增多，也会大大提高学生的学习积极性，加深对所學知识的理解，提高学习质量。

1电学虚拟实验室概述

1.1概要介绍

虚拟实验是计算机及互联网技术的衍生物，其研究和实现的技能方法都在相关人员的不懈努力、钻研下发展。因此在不同视角，不同立场，对虚拟实验室的概念确定也会有不同，人们也往往会根据自己实际情况实际需要进行定义。

在实验效果方面，虚拟实验实际上是指在计算机系统中装入相应软件，通过虚拟仿真技术在软件中模拟各种各样需要的实验环境，操作人员可以跟真实的场景一样进行实验项目，并可以控制实验进度，提升实验效率，在学习实验效果上可以与真正的实验匹敌甚至超越。

在组成方面，虚拟实验是由程序、实验模块、所需参考资料等组成的可以与操作人员人机交互进行实验的环境。用户可以加入其它需要的资料、工具来增加实验所需虚拟物体或者增加实验单元。

在虚拟实验室用到的原理和工具方面，虚拟实验室是以实验实际内容、实验原理、信息科学技术、计算机系统技术及其相关的很多知识为铺垫，以计算机以及产生实验现象的一系列表现仪器为依托，充分利用面向对象的编程思想实现一个有人机交互、能够进行相应操作的环境，来达到模拟现实中很多实验项目过程的目的。

综合以上对于虚拟实验室各种角度的描述，可以从技术以及实验操作2个方面来对虚拟实验的作一个相对全面的概括。虚拟实验实际上是以计算机系统为平台，利用虚拟仿真的技术，在系统中创造逻辑空间，利用面向对象的思想，营造出各种各样需要的实验环境，在实际操作中，可以直接利用鼠标或者键盘进行实验仪器的选择、参数的确定或者结果的处理，跟真实的实验场景一对一匹配，尽可能使操作人员在实验中收获传统实验一样的甚至更优的效果。

虚拟实验室实际上是基于人工智能的发展的，表示用计算机创造一个虚拟的实验环境，操作人员可以按照要求进行实验。目前来说，虚拟实验室在高中理化生中应用广泛，电学部分作为高中物理较为重要的一个部分，其对应的电学实验也是数量繁多，电学虚拟实验室则能正好为其提供电学实验平台，在实验中配备各式电学所需仪器，进行电学方面实验操作。

1.2虚拟实验室特点及问题

随着科技领域的迅猛发展，人们对虚拟仿真技术要求不断提升，虚拟实验室发展到今天，方向及特征不断明确：1）真实性，虚拟实验室的主要目的就是给人们提供一个虚拟空间进行实验，所以实验环境的创建就显得十分重要，要尽可能为人们提供真实、生动、引人入胜的实验体验；2）智能性，虚拟实验室的核心就是要做到虚拟空间能够实现现实中实验一样甚至更为优化的功能，更为智能化；3）灵活多样性，实验者可以在虚拟空间进行实验时随时根据实验的改变自定义一些资料的使用，新增或者编辑，并且对于所得数据进行系统分析对比总结，或是直接出图表进一步研究。

近年来，虽然虚拟现实技术已经得到很大的发展，但目前，虚拟实验室仍旧存在如下一些不足：1）操作诊断尚需改进，在实验操作中，如果实验人员操作出现错误，虚拟实验室可能不能准确甚至无法给出相应的警示，不能及时得知自己错误所在进行修正，这也在一定程度上对其在实验训练效果上大打折扣；2）对于其他探索性的实验可能还不能很好满足，在高中物理实验中，虚拟实验室的实验单元有既定的实验流程，只能根据输入的实验一步步进行，如果我们高中生在操作中有其他想法，想进行进一步探索实验，则很可能无法实验，出现逻辑上的误解。

2电学虚拟实验室操作诊断

2.1电学虚拟实验知识表示方法

电学虚拟实验在对知识表示方法选择方面，主要根据以下几个原则：1）从表示能力来说，知识表现方法的最重要的目的就是将知识内容真实、准确并且高效地进行传递，因此其准确有效性就是关键的量尺。2）从推理能力来说，虚拟实验空间中知识库为推理提供了支持，推理的速度对于实验运行效率高低有直接的作用，而语义的准确程度对于推理效果来说也是一大影响因素，所以，合适的推理能力是知识库进行有效推理的保证。

在虚拟实验操作诊断系统中，要求将实验中所涉及的对象的属性以及行为都进行相应的描述，并要有效表示出老师指导的信息以及实验中错误诊断的信息，合理的推理能力以及对于整个实验过程的控制作用等都是不可缺少的，综合考虑之下，面向对象的知识表示方式是最适宜的。面向对象的知识表示方法就是充分引入面向对象的思想，以类、对象为基础，将类的封装性、继承性等合理加入，使之知识表示方法能对大量复杂的数据进行操作且具备高效的推理能力。

2.2电学虚拟实验室操作诊断

中学物理虚拟实验操作诊断系统中基于实验所需器材以及实验知识、流程等进行面向对象知识方法表示后，通过对实验中一步步操作的跟踪监控，来判断其准确性。在本诊断系统中，是通过两层结构的监控跟踪来对实验中一步步过程的正确性进行确定的，具体如下：

首先来说，进行每一个物理实验都是要明确实验目的以及内容的，一个实验中，也有规定的流程，有确定的实验步骤，此时，就需要诊断系统对于操作人员在实验操作中进行的每一步进行监控以及检测，来判断其操作是否越出该步骤要求的界限，或者违背步骤规定的要求。在该系统中，这层准确性的判断是上层。

其次，基于操作人员在实验步骤规定的要求下进行，诊断系统还需要操作人员对实验器材的一些应用进行跟踪监控，通过实验器材事先确定好的属性以及操作的要求，来建立起下层的操作准确性判断，确定该用户在进行实验时有没有正确使用器材、方式是否正确，检测出错误后，对出错原因进行及时反馈。比如说，在电学实验操作中，导线本身是在允许范围内的，但是连接方法是否正确则需要进行判定。

最后，在实验操作中，其正确性不单单是由实验操作的规范性决定的，得出的数据结果是不是合理、能与实验过程相配也是需要考虑的，因此结果判断的过程也必不可少。

3结论

高中物理电学虚拟实验室是将虚拟仿真技术与高中实验进行密切结合的产物，能够保证我们实验的高效性、安全性，大大提升我们的自主能动性、对知识的掌握程度以及对于未知世界的好奇心。而在现有的虚拟实验室技术上进行操作诊断的研究则具有重要的现实意义，能很大程度上改善我们的中学生实验体验，增加训练效果。