計算機物理仿真實驗的技術與防護

趙延

（河南警察學院公安專業基礎教學部，河南 鄭州 450000）

1 引言

物理是一門以實驗為基礎的科學，大量物理定律以及科學理論都是在實驗研究的基礎上所進行的。在目前初等高等的物理課程教學中，物理實驗的課堂展示主要是基于相關實驗儀器所進行的，但是由于受到課程教學時間以及教學效率的影響，物理實驗在操作的過程中往往不能自己設置數據參數去調試儀器，這使得學生難以對相應的物理儀器以及實驗器具的性能與結構進行全面的認識與了解[1]。物理仿真實驗的產生與發展，能夠通過個體與計算機的人機交互來設置參數，以此來更好地探索實驗的最終結果，培養個體的實踐動手能力。

2 計算機物理仿真實驗應用特點

目前，物質仿真實驗在操作與應用的過程中，主要是基于計算機虛擬仿真實驗室所開展的一系列物理性質的操作，并且能夠為大眾提供一個綜合性的、全方面的物理實驗操作平臺。例如“大學物理仿真實驗for windows”、“大學物理仿真實驗for DOS”、“基礎物理學CAI”等軟件平臺，都能夠作為優質的物理實驗操作平臺來實現相應的物理實驗課程的教學，從而通過一定的編程設計來達到掌握實驗要領、得出實驗結論的目的[2]。

2.1 多元數值輸入，實驗結果直觀

在物理仿真實驗的操作過程中，用戶個體能夠在這種人機交互的環境中對于物理實驗的各項指標進行設定，從而通過多元化數據的輸入來觀測不同實驗情境中的實驗效果。例如在電路實驗過程中，學生能夠自主設置電路的串并連類型，并且通過計算機中指標的拖動來完成整個電路的連接，同時在電路連接的過程中也能夠對于相應的電壓、電阻設備等進行數值設定，從而更好地觀察實驗中小燈泡的亮度變化，并分析其中的影響因素。這個虛擬的仿真實驗過程能夠通過精確的數值設定來實現相應的結果觀測，從而使實驗者能夠更為直觀地分析實驗過程，并且在安全的實驗環境中探究實驗結果。

2.2 數控模擬指令，技術操作簡便

在物理仿真實驗的操作過程中，學生能夠基于實驗的要求以及性質來進行人機交互，通過鼠標的拖動以及指令來完成整個實驗的操作。比如在NB物理實驗的操作平臺中，該系統針對高中的物理實驗形成了252個實驗平臺，且能夠基于各個實驗平臺來進行數控操作，例如調整實驗設備的組接方式、創設新的實驗方法等，都能夠基于這種數字化的控制系統來實現相應的指令操作與執行。整個系統中操作難度較小，能夠通過模擬指令來快速觀測到相應的實驗結果。

2.3 媒體輔助解讀，利于實驗拓展

在仿真實驗的操作過程中，能夠通過儀器設備的應用來進行模塊化組合，也就是個體能夠對系統中提供的儀器設備進行自由組合，并且能夠用不同的方法完成同一實驗目標[3]。同時，在實驗操作的過程中，該系統能夠通過媒體視頻的演示來對整個設備操作的流程進行講解，從而在操作的過程中對實驗的歷史背景和意義、現代應用等方面都能有一個全面的了解。可以說，仿真實驗成為連接物理課程理論教學與實驗教學，培養學生理論與實踐相結合思維的一種嶄新的教學模式，可使實驗教學的內涵在時間和空間上得到延伸。

3 計算機物理仿真實驗的技術要點分析

計算機物理仿真實驗是以一定的技術依托為基礎而形成的，需要基于一定的操作系統以及軟件參數設置才能開展相應的虛擬實驗操作。目前，在物理仿真實驗的技術性操作中，主要基于三維模型創建、貼圖設計繪制以及程序指令編制等操作來實現相應的技術性的操作與處理，從而更好地在實驗中降低誤差，保證實驗操作的精準性與有效性。

3.1 三維模型創建

三維立體模型的創建是整個虛擬仿真實驗的重要組成部分，其能夠通過三維立體場景的建構來更好地開展相應的實驗測試。目前，我國常用的模型建構軟件是3DS Max，其能夠在創建實驗場景的過程中，對于實驗室、實驗桌、回收站、實驗儀器列表等內容進行設計與創建，并且也能夠對實驗中常用的電線、小球等輔助性的實驗工具進行技術性的設計與呈現。一方面，在基礎建模中，需要基于修改器的操作來實現三維模型的設計，這就需要對于其技術性命令進行準確選擇，從而保證其基礎的操作設計。另一方面，在高級建模的過程中，需要基于函數的應用來進行高級的模型設計，例如面片建模、曲線建模等，需要對于函數的使用進行準確選擇，從而保證模型呈現的相對真實性[4]。

3.2 貼圖設計繪制

在三維模型創建之后，需要基于實驗的儀器與設備來繪制相應的貼圖，例如物理實驗平臺中工具欄所呈現出來各種畫筆、設備等，這些貼圖的繪制與設計需要重點考量如何將立體化的設備通過平面化貼圖來呈現，這就需要運用美術學中的透視原理以及明暗原理進行設計，并且通過PS等軟件的摳像功能進行整體的貼圖設計，從而將基本的貼圖置于相應的情景實驗室中，摒棄誒基于三維游戲引擎中的場景編輯、環境監視等實現相應的設計與繪制，從而輔助實現真實的實驗情景的創設。

3.3 程序指令編制

要將相應的物理實驗器具在實驗中通過移動與變換來實現實驗操作，需要對于整個實驗的程序指令進行全面的編制。在一般的控制類腳本的程序編制中，例如查看實驗原理、實驗回放、開始或者退出實驗等，其指令只需要基本的按鈕組件便能夠實現整個實驗設備的操作運行。這就需要在程序編制的過程中對于判斷語句進行鏈接性的設置，從而保證實驗開始與暫停的準確性。而在實驗內容控制腳本的運作過程中，對于物體擺放的位置、使用設備時候產生的作用力的大小、物理設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。在這些內容性指令的技術性設計中，需要對于代碼的運作環境、運行數據參數、運作形式進行專業化的精確設計，從而更好地基于代碼編制來形成相應的指令控制。

4 計算機物理仿真實驗的技術防護路徑探究

4.1 優化技術指標，降級外界因素干擾

在計算機物理仿真實驗設計過程中，需要對其整個系統中的相應指標進行優化，從而使得整個運作效率得到保障，還需在軟件操作的過程中降低外界因素的干擾，以此來提高仿真實驗的精準操作性。例如，使用3DS Max的建模與動畫技術、Unity3D的三維空間游戲技術來對于整個計算機物理仿真實驗中的運行環境、運作指標等方面進行相關的數據設計，并且在設計的過程中以實際的物理實驗為參照依據，以此來實現虛擬仿真實驗室的創建與發展[5]。同時，還需要在物理實驗數據中加強外界系統防護，特別是關于國家高度機密的物理科學實驗等，都需要通過構建三層外界防護網絡來使整個實驗中的數據免受外界攻擊，從而全面保障實驗數據的準確性。

4.2 數據動態監控，安全環境實時評估

在計算機物理仿真實驗操作的過程中，需要設計相應的數據檢測網絡來進行整個實驗環境的動態評估。在內部實驗內容監控中，例如對于運動衛星撞擊地球所產生影響的虛擬實驗中，需要基于空間目標探測系統來對于運動目標的運動軌跡、運動速率、運行方向等方面進行檢測，且為了保證整個運動目標的動態數據檢測的精準性，需要在運作的過程中將空間坐標系中的各個空間碎片進行動態監測，從而基于此實驗所產生的數據進行全面而精準的分析。而在外部實驗監控中，則需要對于外界可侵入的鏈接、代碼、程序等內容進行綜合分析，從而在外界環境的監測中更好地保證物理實驗室的安全屬性。

4.3 安全性能考量，提高設備運作效率

安全性能評估是保障實驗室環境數據信息安全、提高控制器運作效率的有效手段，其能夠在數據中心信息系統建設的基礎上通過安全技術應用的架構來實現系統的安全服務與管理。首先，需要在數據中心平臺的基礎上建立一定的可視化安全控制與管理系統，從而對于網絡安全的配置以及用戶使用范圍上的管理系統進行完善，以此來在系統化的更新中實現控制器的常規化運作。其次，需要在系統安全管理的基礎上對于安全服務準入與接入規則進行實驗的控制與管理，對于實驗系統中的授權服務、訪問控制、審核管理等方面的安全進行保障，以此來提高整個系統的安全服務系數。此外，還需要在保證控制器運作效率的基礎上，通過安全性能評估來進行全面的系統監測，從而在等級風險的綜合考量中實現安全性能的全面評估，提高物理實驗的運作效率。

4.4 優化運作環境，避免網絡數據攻擊

運作環境的優化是整個物理仿真實驗的重要保障，需要通過相應的軟件防護來保證實驗數據免受網絡攻擊。例如在實驗室環境的運作中充分應用SDN安全策略，從而基于數據的動態預測來及時預警，在相應的數據調度中保證數據的可靠性與安全性。而且計算機系統能夠建設一個完善的數據動態監測模型，該模型能夠基于數據的測算來進行數據跟蹤，并且將動態變化的數據與基礎的信息系統的數據指標進行對比，以此來實現數據資源在信息系統中的遷移應用，從而更好地在控制器動態調度中及時隱藏真實的數據，從而保障實驗中核心信息的安全性。

5 結語

綜上所述，計算機物理仿真實驗能夠在網絡空間的技術性操作中，用技術化的手段來呈現相應的物理實驗過程，從而在全面節省物理材料消耗的基礎上幫助個體掌握物理實驗操作中的技術要領。對此，在計算機物理仿真實驗應用的過程中，需要針對技術性的操作流程以及運作模式進行不斷優化，并且加強技術防護，從而在此基礎上不斷改進虛擬仿真實驗操作平臺，切實提高計算機物理仿真實驗的應用水平。