計(jì)算機(jī)物理仿真實(shí)驗(yàn)的技術(shù)與防護(hù)

趙延

（河南警察學(xué)院公安專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)部，河南 鄭州 450000）

1 引言

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，大量物理定律以及科學(xué)理論都是在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上所進(jìn)行的。在目前初等高等的物理課程教學(xué)中，物理實(shí)驗(yàn)的課堂展示主要是基于相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器所進(jìn)行的，但是由于受到課程教學(xué)時(shí)間以及教學(xué)效率的影響，物理實(shí)驗(yàn)在操作的過程中往往不能自己設(shè)置數(shù)據(jù)參數(shù)去調(diào)試儀器，這使得學(xué)生難以對(duì)相應(yīng)的物理儀器以及實(shí)驗(yàn)器具的性能與結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的認(rèn)識(shí)與了解[1]。物理仿真實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)生與發(fā)展，能夠通過個(gè)體與計(jì)算機(jī)的人機(jī)交互來設(shè)置參數(shù)，以此來更好地探索實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果，培養(yǎng)個(gè)體的實(shí)踐動(dòng)手能力。

2 計(jì)算機(jī)物理仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用特點(diǎn)

目前，物質(zhì)仿真實(shí)驗(yàn)在操作與應(yīng)用的過程中，主要是基于計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室所開展的一系列物理性質(zhì)的操作，并且能夠?yàn)榇蟊娞峁┮粋€(gè)綜合性的、全方面的物理實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)。例如“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)for windows”、“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)for DOS”、“基礎(chǔ)物理學(xué)CAI”等軟件平臺(tái)，都能夠作為優(yōu)質(zhì)的物理實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，從而通過一定的編程設(shè)計(jì)來達(dá)到掌握實(shí)驗(yàn)要領(lǐng)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的目的[2]。

2.1 多元數(shù)值輸入，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀

在物理仿真實(shí)驗(yàn)的操作過程中，用戶個(gè)體能夠在這種人機(jī)交互的環(huán)境中對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，從而通過多元化數(shù)據(jù)的輸入來觀測(cè)不同實(shí)驗(yàn)情境中的實(shí)驗(yàn)效果。例如在電路實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生能夠自主設(shè)置電路的串并連類型，并且通過計(jì)算機(jī)中指標(biāo)的拖動(dòng)來完成整個(gè)電路的連接，同時(shí)在電路連接的過程中也能夠?qū)τ谙鄳?yīng)的電壓、電阻設(shè)備等進(jìn)行數(shù)值設(shè)定，從而更好地觀察實(shí)驗(yàn)中小燈泡的亮度變化，并分析其中的影響因素。這個(gè)虛擬的仿真實(shí)驗(yàn)過程能夠通過精確的數(shù)值設(shè)定來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的結(jié)果觀測(cè)，從而使實(shí)驗(yàn)者能夠更為直觀地分析實(shí)驗(yàn)過程，并且在安全的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 數(shù)控模擬指令，技術(shù)操作簡(jiǎn)便

在物理仿真實(shí)驗(yàn)的操作過程中，學(xué)生能夠基于實(shí)驗(yàn)的要求以及性質(zhì)來進(jìn)行人機(jī)交互，通過鼠標(biāo)的拖動(dòng)以及指令來完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作。比如在NB物理實(shí)驗(yàn)的操作平臺(tái)中，該系統(tǒng)針對(duì)高中的物理實(shí)驗(yàn)形成了252個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，且能夠基于各個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來進(jìn)行數(shù)控操作，例如調(diào)整實(shí)驗(yàn)設(shè)備的組接方式、創(chuàng)設(shè)新的實(shí)驗(yàn)方法等，都能夠基于這種數(shù)字化的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的指令操作與執(zhí)行。整個(gè)系統(tǒng)中操作難度較小，能夠通過模擬指令來快速觀測(cè)到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.3 媒體輔助解讀，利于實(shí)驗(yàn)拓展

在仿真實(shí)驗(yàn)的操作過程中，能夠通過儀器設(shè)備的應(yīng)用來進(jìn)行模塊化組合，也就是個(gè)體能夠?qū)ο到y(tǒng)中提供的儀器設(shè)備進(jìn)行自由組合，并且能夠用不同的方法完成同一實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)[3]。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)操作的過程中，該系統(tǒng)能夠通過媒體視頻的演示來對(duì)整個(gè)設(shè)備操作的流程進(jìn)行講解，從而在操作的過程中對(duì)實(shí)驗(yàn)的歷史背景和意義、現(xiàn)代應(yīng)用等方面都能有一個(gè)全面的了解。可以說，仿真實(shí)驗(yàn)成為連接物理課程理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合思維的一種嶄新的教學(xué)模式，可使實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵在時(shí)間和空間上得到延伸。

3 計(jì)算機(jī)物理仿真實(shí)驗(yàn)的技術(shù)要點(diǎn)分析

計(jì)算機(jī)物理仿真實(shí)驗(yàn)是以一定的技術(shù)依托為基礎(chǔ)而形成的，需要基于一定的操作系統(tǒng)以及軟件參數(shù)設(shè)置才能開展相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)操作。目前，在物理仿真實(shí)驗(yàn)的技術(shù)性操作中，主要基于三維模型創(chuàng)建、貼圖設(shè)計(jì)繪制以及程序指令編制等操作來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的技術(shù)性的操作與處理，從而更好地在實(shí)驗(yàn)中降低誤差，保證實(shí)驗(yàn)操作的精準(zhǔn)性與有效性。

3.1 三維模型創(chuàng)建

三維立體模型的創(chuàng)建是整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，其能夠通過三維立體場(chǎng)景的建構(gòu)來更好地開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。目前，我國常用的模型建構(gòu)軟件是3DS Max，其能夠在創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的過程中，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)桌、回收站、實(shí)驗(yàn)儀器列表等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)與創(chuàng)建，并且也能夠?qū)?shí)驗(yàn)中常用的電線、小球等輔助性的實(shí)驗(yàn)工具進(jìn)行技術(shù)性的設(shè)計(jì)與呈現(xiàn)。一方面，在基礎(chǔ)建模中，需要基于修改器的操作來實(shí)現(xiàn)三維模型的設(shè)計(jì)，這就需要對(duì)于其技術(shù)性命令進(jìn)行準(zhǔn)確選擇，從而保證其基礎(chǔ)的操作設(shè)計(jì)。另一方面，在高級(jí)建模的過程中，需要基于函數(shù)的應(yīng)用來進(jìn)行高級(jí)的模型設(shè)計(jì)，例如面片建模、曲線建模等，需要對(duì)于函數(shù)的使用進(jìn)行準(zhǔn)確選擇，從而保證模型呈現(xiàn)的相對(duì)真實(shí)性[4]。

3.2 貼圖設(shè)計(jì)繪制

在三維模型創(chuàng)建之后，需要基于實(shí)驗(yàn)的儀器與設(shè)備來繪制相應(yīng)的貼圖，例如物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中工具欄所呈現(xiàn)出來各種畫筆、設(shè)備等，這些貼圖的繪制與設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考量如何將立體化的設(shè)備通過平面化貼圖來呈現(xiàn)，這就需要運(yùn)用美術(shù)學(xué)中的透視原理以及明暗原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且通過PS等軟件的摳像功能進(jìn)行整體的貼圖設(shè)計(jì)，從而將基本的貼圖置于相應(yīng)的情景實(shí)驗(yàn)室中，摒棄誒基于三維游戲引擎中的場(chǎng)景編輯、環(huán)境監(jiān)視等實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的設(shè)計(jì)與繪制，從而輔助實(shí)現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情景的創(chuàng)設(shè)。

3.3 程序指令編制

要將相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)器具在實(shí)驗(yàn)中通過移動(dòng)與變換來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作，需要對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)的程序指令進(jìn)行全面的編制。在一般的控制類腳本的程序編制中，例如查看實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)回放、開始或者退出實(shí)驗(yàn)等，其指令只需要基本的按鈕組件便能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作運(yùn)行。這就需要在程序編制的過程中對(duì)于判斷語句進(jìn)行鏈接性的設(shè)置，從而保證實(shí)驗(yàn)開始與暫停的準(zhǔn)確性。而在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容控制腳本的運(yùn)作過程中，對(duì)于物體擺放的位置、使用設(shè)備時(shí)候產(chǎn)生的作用力的大小、物理設(shè)備特殊屬性的添加與移除等，都需要通過一系列的指令完成操作。在這些內(nèi)容性指令的技術(shù)性設(shè)計(jì)中，需要對(duì)于代碼的運(yùn)作環(huán)境、運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)、運(yùn)作形式進(jìn)行專業(yè)化的精確設(shè)計(jì)，從而更好地基于代碼編制來形成相應(yīng)的指令控制。

4 計(jì)算機(jī)物理仿真實(shí)驗(yàn)的技術(shù)防護(hù)路徑探究

4.1 優(yōu)化技術(shù)指標(biāo)，降級(jí)外界因素干擾

在計(jì)算機(jī)物理仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)其整個(gè)系統(tǒng)中的相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，從而使得整個(gè)運(yùn)作效率得到保障，還需在軟件操作的過程中降低外界因素的干擾，以此來提高仿真實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)操作性。例如，使用3DS Max的建模與動(dòng)畫技術(shù)、Unity3D的三維空間游戲技術(shù)來對(duì)于整個(gè)計(jì)算機(jī)物理仿真實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)作指標(biāo)等方面進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，并且在設(shè)計(jì)的過程中以實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)為參照依據(jù)，以此來實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建與發(fā)展[5]。同時(shí)，還需要在物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中加強(qiáng)外界系統(tǒng)防護(hù)，特別是關(guān)于國家高度機(jī)密的物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)等，都需要通過構(gòu)建三層外界防護(hù)網(wǎng)絡(luò)來使整個(gè)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)免受外界攻擊，從而全面保障實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4.2 數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，安全環(huán)境實(shí)時(shí)評(píng)估

在計(jì)算機(jī)物理仿真實(shí)驗(yàn)操作的過程中，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的動(dòng)態(tài)評(píng)估。在內(nèi)部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容監(jiān)控中，例如對(duì)于運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星撞擊地球所產(chǎn)生影響的虛擬實(shí)驗(yàn)中，需要基于空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)來對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速率、運(yùn)行方向等方面進(jìn)行檢測(cè)，且為了保證整個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)檢測(cè)的精準(zhǔn)性，需要在運(yùn)作的過程中將空間坐標(biāo)系中的各個(gè)空間碎片進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從而基于此實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面而精準(zhǔn)的分析。而在外部實(shí)驗(yàn)監(jiān)控中，則需要對(duì)于外界可侵入的鏈接、代碼、程序等內(nèi)容進(jìn)行綜合分析，從而在外界環(huán)境的監(jiān)測(cè)中更好地保證物理實(shí)驗(yàn)室的安全屬性。

4.3 安全性能考量，提高設(shè)備運(yùn)作效率

安全性能評(píng)估是保障實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)信息安全、提高控制器運(yùn)作效率的有效手段，其能夠在數(shù)據(jù)中心信息系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)上通過安全技術(shù)應(yīng)用的架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全服務(wù)與管理。首先，需要在數(shù)據(jù)中心平臺(tái)的基礎(chǔ)上建立一定的可視化安全控制與管理系統(tǒng)，從而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全的配置以及用戶使用范圍上的管理系統(tǒng)進(jìn)行完善，以此來在系統(tǒng)化的更新中實(shí)現(xiàn)控制器的常規(guī)化運(yùn)作。其次，需要在系統(tǒng)安全管理的基礎(chǔ)上對(duì)于安全服務(wù)準(zhǔn)入與接入規(guī)則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的控制與管理，對(duì)于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的授權(quán)服務(wù)、訪問控制、審核管理等方面的安全進(jìn)行保障，以此來提高整個(gè)系統(tǒng)的安全服務(wù)系數(shù)。此外，還需要在保證控制器運(yùn)作效率的基礎(chǔ)上，通過安全性能評(píng)估來進(jìn)行全面的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，從而在等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)的綜合考量中實(shí)現(xiàn)安全性能的全面評(píng)估，提高物理實(shí)驗(yàn)的運(yùn)作效率。

4.4 優(yōu)化運(yùn)作環(huán)境，避免網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)攻擊

運(yùn)作環(huán)境的優(yōu)化是整個(gè)物理仿真實(shí)驗(yàn)的重要保障，需要通過相應(yīng)的軟件防護(hù)來保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)免受網(wǎng)絡(luò)攻擊。例如在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的運(yùn)作中充分應(yīng)用SDN安全策略，從而基于數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)來及時(shí)預(yù)警，在相應(yīng)的數(shù)據(jù)調(diào)度中保證數(shù)據(jù)的可靠性與安全性。而且計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠建設(shè)一個(gè)完善的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模型，該模型能夠基于數(shù)據(jù)的測(cè)算來進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤，并且將動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)的信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，以此來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源在信息系統(tǒng)中的遷移應(yīng)用，從而更好地在控制器動(dòng)態(tài)調(diào)度中及時(shí)隱藏真實(shí)的數(shù)據(jù)，從而保障實(shí)驗(yàn)中核心信息的安全性。

5 結(jié)語

綜上所述，計(jì)算機(jī)物理仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诰W(wǎng)絡(luò)空間的技術(shù)性操作中，用技術(shù)化的手段來呈現(xiàn)相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)過程，從而在全面節(jié)省物理材料消耗的基礎(chǔ)上幫助個(gè)體掌握物理實(shí)驗(yàn)操作中的技術(shù)要領(lǐng)。對(duì)此，在計(jì)算機(jī)物理仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的過程中，需要針對(duì)技術(shù)性的操作流程以及運(yùn)作模式進(jìn)行不斷優(yōu)化，并且加強(qiáng)技術(shù)防護(hù)，從而在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)，切實(shí)提高計(jì)算機(jī)物理仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用水平。