虛擬技術在醫(yī)用物理學實驗教學中的應用

胡貴祥

摘要：為了增強學生學習醫(yī)用物理學的興趣，提高學習效率，本文利用Flash進行編程，開發(fā)了5個虛擬實驗用于課堂教學和實驗預習復習，進而實現了實驗室在空間和時間上的延伸。

關鍵詞：醫(yī)用物理學；虛擬實驗；實驗教學；Flash

中圖分類號：G642，O4-39 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）09-0064-04

由于醫(yī)學專業(yè)學生對醫(yī)用物理學認知不足，普遍對基礎課程實驗興趣較低，教學效果大打折扣。為了增強學生學習興趣，提高學習效率，我們可利用Flash動畫可交互的特點[1，2]，設計虛擬實驗，將醫(yī)用物理學實驗的內容及過程和相關知識形象生動、淺顯易懂地表現出來，顯示在計算機屏幕上。[3]在實驗前進行虛擬實驗操作，可以讓學生了解本實驗的測量原理和測量過程。在實驗過程中運用虛擬技術分析實驗的重點和難點，演示實驗數據處理的方法，展示實驗結論，能有效地提高實驗課的教學質量。

為此，筆者專門設計了5個虛擬實驗，用于課堂和實驗課的教學，并取得了不錯的成效。

虛擬實驗《旋光儀的使用》

虛擬實驗《旋光儀的使用》目的是測量旋光溶液濃度和旋光度的關系，實驗界面如圖1所示，包括試管選擇、刻度盤調整、視野顯示、角度讀數等幾個部分。

實驗中刻度盤可以快速調整也可以細調。在刻度盤圓環(huán)上單擊并拖動鼠標可以快速轉動刻度盤。刻度盤細調按鈕可以接受鼠標單擊和雙擊。單擊按鈕調整0.05度，雙擊調整0.5度，而刻度盤快速調整最小單位也是0.5度。調整時刻度盤會有旋轉動畫，同時左右游標示數和目鏡中三蔭片視野各條紋亮暗程度也會相應地做同步變化。在刻度盤圓環(huán)上單擊并拖動鼠標左鍵，調用下面這個函數：

通過選擇空白試樣、標準試樣和待測試樣，調整刻度盤使視野在暗視場狀態(tài)下出現三蔭片的條紋間邊界消失（此時各條紋亮度相同），讀取刻度盤讀數，與空白試樣的讀數相減，可以獲得標準試樣和待測試樣的旋光度，從而測得待測試樣的濃度。每次啟動這個虛擬實驗，待測試樣的濃度值會隨機設定，測得的數值都不一樣。

虛擬實驗《超聲聲速測定實驗》

《超聲聲速測定實驗》在介紹了駐波法和相位法測聲速的原理后，可以在雙蹤示波器上設定雙蹤方式（駐波法）或者X-Y方式（相位法）兩種測量方式，實驗裝置如圖2所示，主要包括頻率顯示、聲速測定儀的調整和刻度顯示、示波器波形選擇和顯示等三個部分。

測量界面的示波器、聲速測定儀、信號源間已經正確連接完成。單擊聲速測定儀的接收探頭左移或右移按紐，示波器上的波形就會做相應的改變，在駐波法方式下可以獲得一系列波形最高時的接收探頭的位置讀數，而在相位法時也可獲得李薩如圖形為正斜率直線時接收探頭的一系列位置讀數，利用逐差差處理數據，可得兩種測量方法下空氣中的聲波波長和波速。探頭移動有時需要慢速精確進行，有時需要快速進行。持續(xù)按住探頭左移或右移按鈕不松開，探頭移動速度逐漸加快，直到10倍于最初速度。

虛擬實驗《用分光計測量衍射光的波長》

在《用分光計測量衍射光的波長》實驗中，光柵在界面中央，分光計望遠鏡可以繞光柵旋轉，角度游標可同時顯示望遠鏡位置，如圖3所示。

汞燈發(fā)出的復色光經光柵衍射后獲得不同衍射角的單色光，移動望遠鏡到合適位置，在望遠鏡目鏡的視野中用能顯示衍射條紋，游標讀數為目鏡視野中央單色光的衍射位置，如此可以測量這些光的衍射角。分光計望遠鏡的移動采用按鈕形式，利用鼠標中間的滾輪也可以移動望遠鏡，這就大大增加了操作的便利性。

當望遠鏡轉動到某一條衍射光位置時，視野內觀察到的衍射條紋會相應地動態(tài)移入分劃板中心，同時主尺刻度盤配合左右游標也能獲得相應的讀數。望遠鏡動態(tài)移動的實現方式是利用setInterval函數設置轉動函數wyj_rota_to的自動運行時間間隔，使望遠鏡在到達目的角度phi之前按setp距離連續(xù)增加，緩慢移動，到達目的角度后執(zhí)行cleraInterval，使函數wyj_rota_to停止自動運行。

望遠鏡視野的衍射條紋的移動也可用同樣的方法實現，如此實現望遠鏡和望遠鏡視野都緩慢移動到目的位置，使虛擬實驗更逼真，界面更友好。由此可以讀出±1級、±2級和±3級衍射光的衍射角（各種色光的每一級衍射光都有上下兩條光線，望遠鏡分別在上下兩個位置可以觀察到它們，測得的衍射角需要求出平均值），利用光柵方程就可得到這些光的波長。

虛擬實驗《測定液體的黏度》

《測定液體的黏度》根據已知的蒸餾水的黏度用比較法測量無水乙醇的黏度，實驗裝置如圖4所示，主要包括烏氏黏度計和電子秒表兩個部分。選擇一種液體注入黏度計（蒸餾水或者無水乙醇），單擊“打氣”按鈕（未注入液體或注入液體未完成則“打氣”按鈕不可用），黏度計內的液體充滿B、C兩個支管。給黏度計打氣后，“打氣”按鈕文字變成“放氣”。單擊“放氣”按鈕，C支管液體立即落下，B支管液面緩慢下降。通過一個下降的遮罩矩形實現液體液面的下降這個動作，遮罩矩形下降的速度依據液體截面的大小進行調整。

B管液面在m、n刻線之間啟動和停止秒表，可得一次測量數據。水浴溫度數據設計為在14～20攝氏度之間隨機取值，之后每一次為黏度計液體打氣，有一定概率使溫度上升0.1攝氏度，表示水浴溫度隨環(huán)境緩慢上升。實驗中使用到的水的黏度和密度、乙醇的密度，可以在單擊“查附表”按鈕后顯示。這樣用戶可以用內插法獲得整數帶一位小數位的攝氏溫度下的黏度和密度數值，就可以進行實驗數據的計算了。

虛擬實驗《長度測量實驗》

《長度測量實驗》操作界面如上頁圖5所示，包括游標卡尺的使用和千分尺的使用。先練習用游標卡尺測量圓筒的內外徑、長度、深度和用千分尺測量圓柱的直徑和高，學習游標卡尺和千分尺數據的測讀方法。然后進行實驗，用千分尺測量長桿圓柱的直徑和用游標卡尺測量圓柱的長度，計算圓柱體積，并用測量數據進行誤差和不確定度的學習和計算。用兩種工具測量時，形成的讀數的最后一位會加減一個隨機數，使每次測量數據都略有差別。

在實驗課前，筆者將相關虛擬實驗程序提供給學生，并告訴學生在校園網上也可以進行操作，之后學生可自主選擇時間進行實驗模擬。這對于課前預習實驗，充分搞清實驗原理、實驗過程和儀器設備的使用，建立實驗前的直觀認識和課后復習，鞏固所學內容都有極大的好處，并能使廣大學生有更多的動手實踐機會，幫助他們親身感受、理解知識的產生和發(fā)展過程，學會收集、處理信息，提高分析問題、解決問題的能力，也實現了實驗室空間和時間的延伸。