虛擬仿真實驗開發中的定性與定量

羅 濤，韓 飛，劉佳琳

(長春師范大學物理學院，吉林長春130032)

1 研究背景

隨著虛擬仿真技術的不斷進步，應用虛擬仿真技術開展實驗教學成為實驗教學領域的熱點話題[1-3]。各科技公司紛紛推出虛擬仿真教育產品。教育部推行“國家級虛擬仿真實驗教學中心”評選活動，新一輪的實驗室建設競賽拉開帷幕[4]。

目前虛擬仿真教學往往只注重虛擬仿真技術，而弱化了教學本身定位。如何有效地開展虛擬仿真實驗教學項目，是值得進行深入探討的。虛擬仿真實驗教學系統一般涉及多種技術[5]，在獨立開發情況下，探索一套適合教學產品開發的模式，涉及虛擬仿真技術、互聯網技術、管理平臺等多方面。而在合作開發的條件下，可積極與供應商探討技術層面相關問題，確定如何有效推動虛擬仿真技術應用教學的順利開展。

迄今為止，多數研究集中在各種虛擬仿真實驗的功能模塊和應用價值[2，4，6]，很少涉及虛擬仿真實驗開發與設計的細節問題。本文以大學物理實驗中雙棱鏡干涉實驗為例，探討相關設計方法。

2 定性表達與定量表達

對于計算機專業人員來說，虛擬仿真的動畫與網頁制作并非難事，實驗場景及現象的定性表達也比較容易實現，無論是彩色還是黑白，無論是遠觀還是近看，無論是靜圖還是動畫，無論是2D還是3D，都能夠實現很好的沉浸性和交互性[1，3，5]。

在設計旋光儀測糖溶液濃度的虛擬仿真實驗時，可以將手輪的旋轉、度盤數據的變化和目鏡中的光強分布變化同時呈現在一個屏幕中，使學習者很好地理解它們之間的傳遞性關系(圖1)，在正常情況下可以根據各參數的關系式得到讀數和光強分布之間的定量表達。但是在很多真實的實驗操作中，往往需要根據操作之后的現象反饋來判斷操作的正誤與好壞，這就需要現象能夠實時完整地表現操作效果，而現象與操作之間的精確定量表達卻比較復雜。在虛擬仿真實驗中，如何更好地反映現實情況，提高虛擬實驗的逼真性將是一個難題[7]。由于動畫制作者不能很好地理解實驗的原理和影響因素，很多方面需要具有真實的實驗體驗和經驗的科研人員來設計與規劃。

圖1 用旋光儀測糖溶液濃度的虛擬仿真實驗

真實的實驗因素十分復雜，虛擬仿真只能近似接近，而不能把所有現象完全模擬出來，這就需要對實驗模型進行簡化和近似處理。首先，對實驗儀器各元件的操作進行簡化處理。然后，對儀器元件數據變化范圍進行簡化處理。最后，對各方面的現象與元件各操作的關系進行聯動處理。下面以光學實驗中的雙棱鏡干涉實驗為例，進行設計方法的簡化和近似處理。

3 儀器操作的簡化

在大學物理實驗中，用雙棱鏡干涉測鈉光波長是一個典型的光學實驗，也是難度較大且需要反復練習才能做好的實驗。具體的實驗原理與實驗內容可以參考普通物理實驗教材[8]，真實實驗儀器如圖2所示。

圖2 雙棱鏡干涉測鈉光波長實驗儀器

光屏上的光強分布在光路被調成理想狀態時，運用理論分析可以近似得到某些光強取極值條件的條紋位置，通過數學建模可以模擬條紋位置變化隨一些參數的動態變化[9-10]，但卻很難模擬任意光路下的情景，這樣在虛擬仿真實驗中也就很難將實驗現象及時反饋給操作者，而真實實驗的光強分布卻可以在光屏上全部直接呈現出來。

光學實驗的核心就是光路的調節，其等高共軸的程度直接決定實驗結果。把某光學元件的中垂線(或叫作對稱軸線)稱作軸，包含元件的橫截面稱作平面。共軸的含義就是所有光學元件的軸在一條線上，它們的平面相互平行。在雙棱鏡干涉實驗中同時涉及調節器件軸左右位置、軸高低位置、平面法線方向的有：光源、透鏡1、狹縫、雙棱鏡、透鏡2、白屏、測微目鏡，另外還有狹縫寬度的調節、狹縫與雙棱鏡交棱方向的調節，這樣最后在光屏或目鏡中所觀察到的光強分布就涉及24個維度或參數共同作用的變化。

對光屏上的現象進行描述時，任何一個參數的變化都會影響實驗結果。為了發揮仿真實驗的最大功效，又不增大工作量，可以進行定性加半定量的近似處理。在上述實驗中，將各光學元件的中心左右調節、中心高低調節、截面方向調節各分-1、0、1檔位，狹縫的寬度調節也分1、2、3檔位，狹縫方向的調節再分-2、0、2檔位(跨度稍微大點)，與雙棱鏡交棱方向的調節再分-2、-1、0、1、2檔位(跨度稍微小點，但檔位多一些)，如圖3所示。

圖3 雙棱鏡干涉虛擬仿真實驗中各光學元件及檔位設置

學生登陸實驗系統后，系統對各光學元件的初始檔位進行隨機設置，做虛擬仿真實驗的學生必須像在做真實實驗一樣考慮各光學元件的初始狀態，進行等高共軸的光路調節。做真實實驗時是通過觀察光屏上的像或光強分布來判斷等高共軸的，而即使進行以上簡化操作，也可能會發生很多的變化。為了得到盡可能多的真實反映，可以對參數進行排列組合，進行相應的真實實驗并錄制實驗現象，放入虛擬仿真系統中。對于不同檔位的組合，在光屏上的光強分布可以得到不同的對應現象。

為了初步考察學生的光路調節操作能力，培養其良好的實驗習慣，增強其糾錯能力，對實驗步驟進行簡化設計。首先，系統默認將光具座的左右對稱位置作為各光學元件軸線的橫向參考，即為各元件左右0檔位的標準。先放入光路的是光源，系統判斷其左右檔位是否與光具座中心位置一致，以及其截面方向是否與光具座垂直。如果不符合，操作者不能進行下一個元件的放置，系統提醒錯誤。如果光源與光具座的中心位置一致且截面方向與光具座垂直，則將此時初始設定的光源中心的高低檔位作為系統軸線的高低初始值。下一個放入的元件是透鏡1，透鏡1中心的左右、高低檔位需要與光源一致，其截面方向需與光具座垂直。操作者需要進行查看與確認，如果有不同，則不能進行下一個元件的放置，系統將提醒其改正錯誤。之后放入的光學元件都應確保與前面的所有元件共軸。這樣就解決了其中涉及共軸調節的21個參數的變化問題，剩下的變化參數只有狹縫的寬度檔位和狹縫、雙棱鏡交棱方向的檔位調節。

4 現象與操作的聯動

在測雙縫像間距的步驟中，如果狹縫的方向不是豎直方向(在-2或2檔位)，則系統在光屏上顯示的雙縫像也不是豎直方向(-2檔位時左斜、2檔位時右斜)，此時操作者應調整狹縫的方向為豎直。如果雙棱鏡交棱方向與狹縫的方向不平行，則系統在光屏上顯示的雙縫像不對稱(-2檔位左高右低、2檔位右高左低)，此時操作者應調整雙棱鏡交棱的方向也為豎直(-1、0、1檔位皆可)，這樣就可以順利地測量雙縫像的間距了。

之后的步驟是調出雙縫干涉條紋，而要得到清晰的干涉條紋，系統還需要滿足如下條件：一是盡量減小狹縫寬度以提高光源的空間相干性；二是使雙棱鏡的棱脊與狹縫的取向嚴格平行。系統中設置狹縫的寬度為1檔位時是合適的寬度，如果其初設值為2、3檔位，則系統在光屏上顯示光強均勻分布，操作者需要把其減小到1檔位。這樣在測微目鏡中觀察到的光強分布才會有中央亮區，即雙光束重疊區域，也就是干涉條紋產生的區域。然后調整雙棱鏡交棱的方向，系統中設置0檔位即棱脊與狹縫的方向嚴格平行。如果處于-1或1檔位，則系統在目鏡中顯示出干涉條紋的模糊形狀，需要調整為0檔位才能變得清晰。

針對實驗中可能發生的問題與需要注意的事項，根據儀器操作的簡化處理、實驗現象與儀器的操作關聯呈現出即時的反饋，指導操作者規范地進行每一個步驟，最終得到正確的實驗現象與數據。

5 結語

綜上所述，以雙棱鏡干涉虛擬仿真實驗設計為例，對定性表達與定量表達在需求與可能性方面進行了討論，對儀器操作的簡化和現象與操作的聯動做出具體的安排與規劃，實現了比較真實的即時反饋與實驗的逼真效果，為光學的虛擬仿真實驗開發提供一定的借鑒意義，為物理學及其他專業涉及試錯與糾錯機制，進行現象與操作半定量表達的虛擬仿真實驗提供參考。