虚拟仿真实验开发中的定性与定量

罗 涛，韩 飞，刘佳琳

(长春师范大学物理学院，吉林长春130032)

1 研究背景

随着虚拟仿真技术的不断进步，应用虚拟仿真技术开展实验教学成为实验教学领域的热点话题[1-3]。各科技公司纷纷推出虚拟仿真教育产品。教育部推行“国家级虚拟仿真实验教学中心”评选活动，新一轮的实验室建设竞赛拉开帷幕[4]。

目前虚拟仿真教学往往只注重虚拟仿真技术，而弱化了教学本身定位。如何有效地开展虚拟仿真实验教学项目，是值得进行深入探讨的。虚拟仿真实验教学系统一般涉及多种技术[5]，在独立开发情况下，探索一套适合教学产品开发的模式，涉及虚拟仿真技术、互联网技术、管理平台等多方面。而在合作开发的条件下，可积极与供应商探讨技术层面相关问题，确定如何有效推动虚拟仿真技术应用教学的顺利开展。

迄今为止，多数研究集中在各种虚拟仿真实验的功能模块和应用价值[2，4，6]，很少涉及虚拟仿真实验开发与设计的细节问题。本文以大学物理实验中双棱镜干涉实验为例，探讨相关设计方法。

2 定性表达与定量表达

对于计算机专业人员来说，虚拟仿真的动画与网页制作并非难事，实验场景及现象的定性表达也比较容易实现，无论是彩色还是黑白，无论是远观还是近看，无论是静图还是动画，无论是2D还是3D，都能够实现很好的沉浸性和交互性[1，3，5]。

在设计旋光仪测糖溶液浓度的虚拟仿真实验时，可以将手轮的旋转、度盘数据的变化和目镜中的光强分布变化同时呈现在一个屏幕中，使学习者很好地理解它们之间的传递性关系(图1)，在正常情况下可以根据各参数的关系式得到读数和光强分布之间的定量表达。但是在很多真实的实验操作中，往往需要根据操作之后的现象反馈来判断操作的正误与好坏，这就需要现象能够实时完整地表现操作效果，而现象与操作之间的精确定量表达却比较复杂。在虚拟仿真实验中，如何更好地反映现实情况，提高虚拟实验的逼真性将是一个难题[7]。由于动画制作者不能很好地理解实验的原理和影响因素，很多方面需要具有真实的实验体验和经验的科研人员来设计与规划。

图1 用旋光仪测糖溶液浓度的虚拟仿真实验

真实的实验因素十分复杂，虚拟仿真只能近似接近，而不能把所有现象完全模拟出来，这就需要对实验模型进行简化和近似处理。首先，对实验仪器各元件的操作进行简化处理。然后，对仪器元件数据变化范围进行简化处理。最后，对各方面的现象与元件各操作的关系进行联动处理。下面以光学实验中的双棱镜干涉实验为例，进行设计方法的简化和近似处理。

3 仪器操作的简化

在大学物理实验中，用双棱镜干涉测钠光波长是一个典型的光学实验，也是难度较大且需要反复练习才能做好的实验。具体的实验原理与实验内容可以参考普通物理实验教材[8]，真实实验仪器如图2所示。

图2 双棱镜干涉测钠光波长实验仪器

光屏上的光强分布在光路被调成理想状态时，运用理论分析可以近似得到某些光强取极值条件的条纹位置，通过数学建模可以模拟条纹位置变化随一些参数的动态变化[9-10]，但却很难模拟任意光路下的情景，这样在虚拟仿真实验中也就很难将实验现象及时反馈给操作者，而真实实验的光强分布却可以在光屏上全部直接呈现出来。

光学实验的核心就是光路的调节，其等高共轴的程度直接决定实验结果。把某光学元件的中垂线(或叫作对称轴线)称作轴，包含元件的横截面称作平面。共轴的含义就是所有光学元件的轴在一条线上，它们的平面相互平行。在双棱镜干涉实验中同时涉及调节器件轴左右位置、轴高低位置、平面法线方向的有：光源、透镜1、狭缝、双棱镜、透镜2、白屏、测微目镜，另外还有狭缝宽度的调节、狭缝与双棱镜交棱方向的调节，这样最后在光屏或目镜中所观察到的光强分布就涉及24个维度或参数共同作用的变化。

对光屏上的现象进行描述时，任何一个参数的变化都会影响实验结果。为了发挥仿真实验的最大功效，又不增大工作量，可以进行定性加半定量的近似处理。在上述实验中，将各光学元件的中心左右调节、中心高低调节、截面方向调节各分-1、0、1档位，狭缝的宽度调节也分1、2、3档位，狭缝方向的调节再分-2、0、2档位(跨度稍微大点)，与双棱镜交棱方向的调节再分-2、-1、0、1、2档位(跨度稍微小点，但档位多一些)，如图3所示。

图3 双棱镜干涉虚拟仿真实验中各光学元件及档位设置

学生登陆实验系统后，系统对各光学元件的初始档位进行随机设置，做虚拟仿真实验的学生必须像在做真实实验一样考虑各光学元件的初始状态，进行等高共轴的光路调节。做真实实验时是通过观察光屏上的像或光强分布来判断等高共轴的，而即使进行以上简化操作，也可能会发生很多的变化。为了得到尽可能多的真实反映，可以对参数进行排列组合，进行相应的真实实验并录制实验现象，放入虚拟仿真系统中。对于不同档位的组合，在光屏上的光强分布可以得到不同的对应现象。

为了初步考察学生的光路调节操作能力，培养其良好的实验习惯，增强其纠错能力，对实验步骤进行简化设计。首先，系统默认将光具座的左右对称位置作为各光学元件轴线的横向参考，即为各元件左右0档位的标准。先放入光路的是光源，系统判断其左右档位是否与光具座中心位置一致，以及其截面方向是否与光具座垂直。如果不符合，操作者不能进行下一个元件的放置，系统提醒错误。如果光源与光具座的中心位置一致且截面方向与光具座垂直，则将此时初始设定的光源中心的高低档位作为系统轴线的高低初始值。下一个放入的元件是透镜1，透镜1中心的左右、高低档位需要与光源一致，其截面方向需与光具座垂直。操作者需要进行查看与确认，如果有不同，则不能进行下一个元件的放置，系统将提醒其改正错误。之后放入的光学元件都应确保与前面的所有元件共轴。这样就解决了其中涉及共轴调节的21个参数的变化问题，剩下的变化参数只有狭缝的宽度档位和狭缝、双棱镜交棱方向的档位调节。

4 现象与操作的联动

在测双缝像间距的步骤中，如果狭缝的方向不是竖直方向(在-2或2档位)，则系统在光屏上显示的双缝像也不是竖直方向(-2档位时左斜、2档位时右斜)，此时操作者应调整狭缝的方向为竖直。如果双棱镜交棱方向与狭缝的方向不平行，则系统在光屏上显示的双缝像不对称(-2档位左高右低、2档位右高左低)，此时操作者应调整双棱镜交棱的方向也为竖直(-1、0、1档位皆可)，这样就可以顺利地测量双缝像的间距了。

之后的步骤是调出双缝干涉条纹，而要得到清晰的干涉条纹，系统还需要满足如下条件：一是尽量减小狭缝宽度以提高光源的空间相干性；二是使双棱镜的棱脊与狭缝的取向严格平行。系统中设置狭缝的宽度为1档位时是合适的宽度，如果其初设值为2、3档位，则系统在光屏上显示光强均匀分布，操作者需要把其减小到1档位。这样在测微目镜中观察到的光强分布才会有中央亮区，即双光束重叠区域，也就是干涉条纹产生的区域。然后调整双棱镜交棱的方向，系统中设置0档位即棱脊与狭缝的方向严格平行。如果处于-1或1档位，则系统在目镜中显示出干涉条纹的模糊形状，需要调整为0档位才能变得清晰。

针对实验中可能发生的问题与需要注意的事项，根据仪器操作的简化处理、实验现象与仪器的操作关联呈现出即时的反馈，指导操作者规范地进行每一个步骤，最终得到正确的实验现象与数据。

5 结语

综上所述，以双棱镜干涉虚拟仿真实验设计为例，对定性表达与定量表达在需求与可能性方面进行了讨论，对仪器操作的简化和现象与操作的联动做出具体的安排与规划，实现了比较真实的即时反馈与实验的逼真效果，为光学的虚拟仿真实验开发提供一定的借鉴意义，为物理学及其他专业涉及试错与纠错机制，进行现象与操作半定量表达的虚拟仿真实验提供参考。