初中科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的研究畢業(yè)論文

1、 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)（論文）計(jì)（論文） 2012 屆 題 目 初中科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的研究初中科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的研究 專 業(yè) 科學(xué)教育科學(xué)教育 學(xué)生姓名 xxxxxxxxxxxx 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 xxxx 論文字?jǐn)?shù) 10245 完成日期 20112011 年年 1111 月月 教教 務(wù)務(wù) 處處 印印 制制 初中科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺研究初中科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺研究 摘摘 要要：虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種基于 web 技術(shù)，虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí) 驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化。虛擬實(shí)驗(yàn)室由虛擬實(shí)驗(yàn)臺、虛擬 器材庫和開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)組成。本文主要闡述了初中科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)

2、建和設(shè) 計(jì)，并在此基礎(chǔ)上，對一些初中科學(xué)（物理、化學(xué)）實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬化設(shè)計(jì)制做，從而提高 了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。最后討論了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺中存在的一些問題以及解決問題 的個(gè)人感覺有效的方法。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)，初中理科，引擎 the junior middle school scientific research on virtual experimental platform shenjianfu abstract:virtual laboratory is a technology based on web, virtual simulation technology of cons

3、truction of the open networked virtual experimental teaching system, is the existing each kind of teaching laboratory digital and virtualization. virtual laboratory experiments are made by virtual library, virtual equipment and the open laboratory management systems. this paper describes how to buil

4、d and virtual design the junior school science experiment platform .in order to improve the students learning interest and learning efficiency,thus design the number of junior high school science (physics, chemistry) virtual experiment system on this basis. finally,the paper discusses the virtual ex

5、periment platform in some of the problems and the solution to the problem of personal feeling and effective method. key words:virtual experiment, science of high school, engine 目目 錄錄 前言前言2 第一章第一章: :背景及現(xiàn)狀背景及現(xiàn)狀 1.1.國內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的現(xiàn)狀2 1.2.虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)與功能3 1.2.1.平臺的結(jié)構(gòu)3 1.2.2.平臺的特點(diǎn)3 1.2.3.平臺的功能3 第二章：物理部分實(shí)驗(yàn)舉例及設(shè)

6、計(jì)第二章：物理部分實(shí)驗(yàn)舉例及設(shè)計(jì) 2.1.飛機(jī)飛行的簡單運(yùn)動4 2.2.用天平測量物體的密度5 2.3.連通器測量不同液體的壓強(qiáng)6 2.4.光的折射7 2.5.研究杠桿的平衡8 2.6.惠斯登電橋測電阻8 第三章：化學(xué)部分實(shí)驗(yàn)舉例及設(shè)計(jì)第三章：化學(xué)部分實(shí)驗(yàn)舉例及設(shè)計(jì) 3.1.金屬在空氣中的燃燒8 3.2.噴泉實(shí)驗(yàn)9 3.3.金屬活動性順序10 3.4.氫氣置換氧化銅實(shí)驗(yàn)10 3.5.實(shí)驗(yàn)室制取氧氣11 第第 4 4 章章：初中科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的問題及改進(jìn)：初中科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的問題及改進(jìn) 4.1.虛擬實(shí)驗(yàn)平臺所在的問題12 4.2.虛擬實(shí)驗(yàn)平臺改進(jìn)的理由13 4.3.解決方案總體分析13 4.

7、3.1.應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)三維技術(shù)13 4.3.2.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合13 4.3.3.對中學(xué)理科仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分類14 結(jié)論結(jié)論15 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)16 致謝致謝 前前 言言 虛擬實(shí)驗(yàn)，目前已應(yīng)用于課堂教學(xué)，虛擬產(chǎn)品作為新的教學(xué)媒體，它的發(fā)展將會對教 學(xué)活動產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺是以現(xiàn)代教育理論為指導(dǎo)，以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 為依托而建立的新型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺能最大限度的模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的場景，也不 受器材、試驗(yàn)品以及實(shí)驗(yàn)者等因素的限制。它是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，本文以“初中科學(xué) 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的研究”的目的是由于科學(xué)原理是參數(shù)化、公式化的，能快速輕松的被計(jì)算 機(jī)讀取和

8、計(jì)算，具體表現(xiàn)為表格、圖形、數(shù)據(jù)等，更容易通過計(jì)算機(jī)演示，利用此技術(shù)反 映出真實(shí)的世界。計(jì)算機(jī)還能以影視、音頻等多媒體形式反映一些例如歷史、語文等不容 易被計(jì)算機(jī)虛擬平臺進(jìn)行教學(xué)的文科科目。因此，此虛擬實(shí)驗(yàn)平臺所涵蓋的范圍為物理、 化學(xué)、幾何等實(shí)驗(yàn)型學(xué)科。 目前，用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件非常豐富，加上網(wǎng)絡(luò)資源，為虛擬實(shí)驗(yàn)的 應(yīng)用與發(fā)展提供了條件，因此，虛擬實(shí)驗(yàn)在初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用也越來越廣，作用 不容忽視。所以怎么樣建立一個(gè)符合初中科學(xué)可以彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)資源不足的虛擬平臺是本文的 重點(diǎn)。 本文的結(jié)構(gòu)：本文的開頭介紹了什么是虛擬實(shí)驗(yàn)，從而分析國內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的現(xiàn)狀、特 點(diǎn)與存在的問題，并

9、提出解決問題個(gè)人方案，然后在物理和化學(xué)方面舉例虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用， 簡單明了的得出結(jié)論，最后給出虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的定義、組成和工作方式。 第一章：背景及現(xiàn)狀第一章：背景及現(xiàn)狀 1.1.1.1.國內(nèi)外虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的現(xiàn)狀國內(nèi)外虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的現(xiàn)狀 近年來，國內(nèi)的許多高校都根據(jù)自身和教學(xué)的需求建立一些虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，以下是對 國內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺建立的調(diào)查與分析。 虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，簡稱 vr，又譯作靈境，幻真）是近年來出現(xiàn)的高新技 術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，他利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)逼真的、具有 視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)。早在 1996

10、年，天 津大學(xué)就在 sgi 硬件平臺上基于 vrml 國際標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)了虛擬校園，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，尤 其是在寬帶網(wǎng)絡(luò)將大規(guī)模應(yīng)用的今天，國內(nèi)一些高校已經(jīng)逐步推廣和運(yùn)用虛擬校園模式， 先后有浙江大學(xué)，上海交通大學(xué)，北京大學(xué)，西南交通大學(xué)等多院校采用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)建 立虛擬校園。目前，中央廣播電視大學(xué)遠(yuǎn)程教育學(xué)院建設(shè)的虛擬校園采用基于 internet 的 類游戲圖形引擎，在此基礎(chǔ)上，將網(wǎng)絡(luò)學(xué)院的諸多具體功能整合在圖形引擎中，突破了目 前對虛擬校園的應(yīng)用僅僅停留在校園一般性瀏覽的應(yīng)用上，并作為基礎(chǔ)平臺進(jìn)行大規(guī)模應(yīng) 用，取得了較好的效果 1。 就國內(nèi)而言，具體運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺技術(shù)的有以下幾個(gè)： 1.j

11、ava 技術(shù)，java 技術(shù)是一種使網(wǎng)頁有靜態(tài)轉(zhuǎn)為動態(tài)的軟件編程語言。 2.activex 技術(shù)，作為針對 internet 運(yùn)用開發(fā)的技術(shù)，activex 被廣泛地應(yīng)用于 web 服務(wù) 器以及客戶端的各方面，同時(shí) activex 技術(shù)允許為軟件開發(fā)組件在網(wǎng)絡(luò)上可以相互操作。 3.vrml，vrml 是一種三級場景的描述性語言，他為用戶在 internet 上提供一個(gè)全新的虛 擬世界空間。 4.qtvr 技術(shù)，qtvr 是基于靜態(tài)圖像處理的實(shí)景建模的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)2。 具體實(shí)行的有國內(nèi)的有中科院上海有機(jī)化學(xué)研究鎖的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)，國外的有麻省理 工學(xué)院的 weblab、science space

12、等。 1.21.2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)與功能虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)與功能 1.2.1 平臺的結(jié)構(gòu) （1）系統(tǒng)組成 這套系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，它們分別是：仿真實(shí)驗(yàn)引擎、資源文件、客戶程序 （包括仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用程序和資源創(chuàng)建工具） 。 （2）仿真實(shí)驗(yàn)引擎 仿真實(shí)驗(yàn)引擎作為這一系統(tǒng)的核心，完成了包括圖形渲染、音頻、人機(jī)交互、物 理仿真、仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境的配置和構(gòu)建等核心事務(wù) 3。 (3)資源文件 資源文件是系統(tǒng)的具體表現(xiàn)內(nèi)容，即數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。客戶應(yīng)用程序通過引擎來統(tǒng)一調(diào) 配資源，管理其加載、使用和卸載。資源文件的類型多樣，主要包括文本文件、圖像文 件、模型文件、動畫文件、場景 4 (4)客戶應(yīng)用程序 前

13、面提到，仿真實(shí)驗(yàn)引擎與資源文件構(gòu)成客戶應(yīng)用程序的核心事務(wù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)， 那么教師或開發(fā)人員就可以使用資源創(chuàng)建工具創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)素材與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用 程序則供全體客戶進(jìn)行教學(xué)授課使用，它們相對于引擎和資源處于訪問者地位，因此稱 它們?yōu)榭蛻魬?yīng)用程序 5。 1.2.2 平臺的特點(diǎn) (1) 使用不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，同學(xué)可以在寢室、實(shí)驗(yàn)室、圖書館等場地使用虛擬 實(shí)驗(yàn)室 (2)開始與現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育結(jié)合,顯示出良好的前景 (3)節(jié)約資源，不再提供專用的場地和計(jì)算機(jī) (4)受益面廣泛 1.2.3 平臺的功能 具體表現(xiàn)在：平臺包括程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫 sql 和多媒體等 3 大功能，均可以通過遠(yuǎn)程 訪問來實(shí)現(xiàn)。其中

14、，程序設(shè)計(jì)功能主要包括 c+程序設(shè)計(jì)、java 程序設(shè)計(jì)和匯編程序設(shè)計(jì) 等實(shí)驗(yàn)，并可擴(kuò)展選用其他任何一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，對編寫的源程序可以進(jìn)行方程 式的編譯預(yù)處理、編譯、連接打包的運(yùn)行等工作；編譯預(yù)處理對源程序進(jìn)行格式化排版和 安全性檢查，編譯生成模塊文件或類文件，連接打包生成課執(zhí)行文件或可執(zhí)行的壓縮包文 件或安裝盤文件；運(yùn)行時(shí)可以直接接受輸入的參數(shù)值并遠(yuǎn)程運(yùn)行，或下載到本地運(yùn)行得到 運(yùn)行結(jié)果。數(shù)據(jù)庫功能采用標(biāo)準(zhǔn) sql+多種關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)特殊的 sql，主要支持 access、mysql、oracle 和 sql server 等流行的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并可擴(kuò) 4 展選用其他關(guān) 系數(shù)據(jù)

15、庫、對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫和對象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以完成訪問數(shù)據(jù)庫的 9 種常用功能，對 表、視圖、觸器、函數(shù)、數(shù)據(jù)類型、同義詞和存儲過程的建立(cre ate)、修改(alter)和 刪除(drop)；對數(shù)據(jù)的增加(in sert)、修改(update)和刪除(delete)，對數(shù)據(jù)的查詢 (select)i 對數(shù)據(jù)庫權(quán)限的管理(grant 和 re voke)等；還支持特殊的數(shù)據(jù)庫 sql 語句。多 媒體功能包括聲音、圖形和圖像的處理，目前主要支持 7 種圖像處理算法，包括：偏色、 反轉(zhuǎn)、鏡像、轉(zhuǎn)置、浮雕、油畫和窗簾等效果6。 第二章：物理部分實(shí)驗(yàn)舉例第二章：物理部分實(shí)驗(yàn)舉例 2.1.2.1.飛機(jī)飛行

16、的簡單運(yùn)動飛機(jī)飛行的簡單運(yùn)動 這是在八年級上冊的科學(xué)書上看到的，此節(jié)講的是大氣的壓強(qiáng)，而這個(gè)問題是在課后 閱讀上，上面提到飛機(jī)的升力，飛機(jī)是現(xiàn)代交通的重要工具，自從 1903 年萊特兄弟用他們 設(shè)計(jì)制造的飛機(jī)成功地試飛以來飛機(jī)已有了很大的發(fā)展?，F(xiàn)代大型飛機(jī)的質(zhì)量已達(dá)數(shù)百噸， 速度已達(dá)數(shù)百米每秒，飛機(jī)那么重，它的升力是怎樣獲得的呢？ 1726 年，伯努利通過無數(shù)次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了“邊界層表面效應(yīng)”：流體速度加快時(shí),物 體與流體接觸的界面上的壓力會減小，反之壓力會增加。為紀(jì)念這位科學(xué)家的貢獻(xiàn)，這一 發(fā)現(xiàn)被稱為“伯努利效應(yīng)” 。伯努利效應(yīng)適用于包括氣體在內(nèi)的一切流體,是流體作穩(wěn)定流 動時(shí)的基本現(xiàn)象之一，

17、反映出流體的壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，流速與壓強(qiáng)的關(guān)系：流體的流速 越大，壓強(qiáng)越??；流體的流速越小，壓強(qiáng)越大 。 圖 2-1-1 機(jī)翼受力圖 圖 2-2-2 飛機(jī)飛行 通過虛擬實(shí)驗(yàn)可以看到，如圖 2-2-1 和圖 2-2-2， 當(dāng)飛機(jī)的螺旋槳高速轉(zhuǎn)動時(shí)，或發(fā)動機(jī) 向尾部噴氣而向前運(yùn)動時(shí)，飛機(jī)的邊上就會形成一個(gè)高速的氣流。由于記憶的上側(cè)做成了 上凸圓形狀，而下側(cè)做成平面形狀，上方氣流速度就要比下方氣流的速度大很多。這樣， 機(jī)翼下側(cè)受到向上的壓強(qiáng)就比機(jī)翼上側(cè)受到的向下的壓強(qiáng)大得多，正是這個(gè)壓強(qiáng)差，使飛 機(jī)得到一個(gè)向上的升力。 2.2.2.2.用天平測量物體的密度用天平測量物體的密度 虛擬實(shí)驗(yàn)操作步驟： （

18、1）將天平放在水平桌面上，調(diào)節(jié)天平平衡。 （2）測出金屬塊的質(zhì)量，并把測量值填入表格中。 （3）向量筒中注入一定量的清水，并把測得的水的體積值填入表格中。 （4）將石塊用細(xì)線拴好，沒入水中，測出石塊和水的總體積，并把測量值填入表格中。 （5）計(jì)算出石塊的體積，填入表格。 （6）計(jì)算出金屬塊密度，填入表格。 圖 2-2-1 量取物體體積 圖 2-2-2 稱取物體質(zhì)量 通過圖 2-2-1，圖 2-2-2,通過實(shí)際簡單的操作，在虛擬實(shí)驗(yàn)上截取的圖片顯示這石頭的 m=50.4g,v=20ml，再根據(jù)公式，就可以知道此物體的密度，非?？焖伲两?。vm / 2.3.2.3.連通器測量不同液體的壓強(qiáng)連通器

19、測量不同液體的壓強(qiáng) 連通器的原理：連通器的原理可用液體壓強(qiáng)來解釋。若在u 形玻璃管中裝有同一 種液體，在連通器的底部正中設(shè)想有一個(gè)小液片ab。左管中之液體對液片 ab 向右側(cè) 的壓強(qiáng)，一定等于右管中之液體對液片ab 向左側(cè)的壓強(qiáng)。因?yàn)檫B通器內(nèi)裝的是同一 種液體，左右兩個(gè)液柱的 密度相同，根據(jù)液體壓強(qiáng)的公式可知，只有當(dāng)兩邊hgp 液柱的高度相等時(shí)，兩邊液柱對液片ab 的壓強(qiáng)才能相等。所以，在液體不流動的情 況下，連通器各容器中的液面應(yīng)保持相平。 那虛擬實(shí)驗(yàn)是怎么樣完成的呢？ 圖 2-3-1 測量不同液體相同深度的壓強(qiáng) 如圖 2-3-1 所示，像水，酒精，汽油三種常見的液體，我們不能用肉眼直接看出

20、哪個(gè)的密 度大，而通過連通器，將金屬盒放在三種液體的同一深度，連通器上顯示的液體有高度差， 我們根據(jù)可以很明顯的看出這三種液體的密度哪個(gè)大了。ghp 2.4.2.4.光的折射光的折射 為什么有經(jīng)驗(yàn)的漁夫在打漁的時(shí)候不是向著魚的方向打去，而是向魚的上方一點(diǎn)打去， 而且這樣的效果很好，每次都能打到魚？我們能用科學(xué)的方法來解釋一下嗎？ 圖 2-5-1 光的折射（魚翔淺底） 通過虛擬實(shí)驗(yàn)來解釋這個(gè)光的折射問題，當(dāng)池塘里沒有水的時(shí)候，我們看到魚的光顯示上 圖的右邊的那條；當(dāng)有水時(shí)，因?yàn)楣庹凵渎试谒信c空氣中不一樣，發(fā)生折射，我們看到 的是左邊的那條，在真實(shí)位置的上面，結(jié)果應(yīng)該都很清楚，明朗。 2.5.2

21、.5.研究杠桿的平衡研究杠桿的平衡 古希臘科學(xué)家阿基米德有這樣一句流傳千古的名言：“假如給我一個(gè)支點(diǎn)，我就能把 地球挪動！”這句話不僅是催人奮進(jìn)的警句，更是有著嚴(yán)格的科學(xué)根據(jù)的。杠桿分類 杠桿 可分為省力杠桿、費(fèi)力杠桿和等臂杠桿。這幾類杠桿有如下特征： 1.省力杠桿：l1l2, f1f2 ,省力、費(fèi)距離。如拔釘子用的羊角錘、鍘刀，瓶蓋扳子等。 2費(fèi)力杠桿： l1l2, f1f2,費(fèi)力、省距離，如釣魚竿、鑷子等。 3等臂杠桿： l1l2, f1f2,既不省力也不費(fèi)力，又不多移動距離，如天平、定滑輪等。 在使用杠桿時(shí)，為了省力，就應(yīng)該用動力臂比阻力臂長的杠桿；如欲省距離，就應(yīng)該 用動力臂比阻力臂短

22、的杠桿。因此使用杠桿可以省力，也可以省距離。但是，要想省力， 就必須多移動距離；要想少移動距離，就必須多費(fèi)些力。要想又省力而又少移動距離，是 不可能實(shí)現(xiàn)的。正是從這些公理出發(fā)，在“重心”理論的基礎(chǔ)上，阿基米德發(fā)現(xiàn)了杠桿原 理，即“二重物平衡時(shí)，它們離支點(diǎn)的距離與重量成反比。 杠桿的支點(diǎn)不一定要在中間，滿足下列三個(gè)點(diǎn)的系統(tǒng)，基本上就是杠桿：支點(diǎn)、施力 點(diǎn)、受力點(diǎn)。 其中公式這樣寫：支點(diǎn)到受力點(diǎn)距離(力矩) 受力 = 支點(diǎn)到施力點(diǎn)距離(力臂) 施力，這樣就是一個(gè)杠桿。 圖 2-6-1 研究杠桿的平衡 如圖 2-6-1 所示：通過鼠標(biāo)操作，可控制砝碼個(gè)數(shù)，研究杠杠平衡原理，簡單明了，可排 除因各種人

23、為和其他因素的影響，而造成的誤差。 2.6.2.6.惠斯登電橋測電阻惠斯登電橋測電阻 實(shí)驗(yàn)儀器：主要有箱式惠斯登電橋一只，可變電阻箱三只（r1，r2，r3） ，待測電阻一 只 r4，檢流計(jì)一只。 電橋測量方法，在目前的電測技術(shù)中應(yīng)用很多很廣，屬重要測量方法之一。 實(shí)驗(yàn)原理：惠斯登電橋的電路如圖 2-4-1 所示，有四個(gè)電阻 r1,r2,r3,r4 聯(lián)成一個(gè)四邊形， 每一個(gè)變成為電橋的臂，在四邊形的對角 a 和 c 上加電源 e，再在對角 b 和 d 之間連接一 個(gè)檢流計(jì) g，所謂橋就是指這條對角線 bd 而言，它的作用就是把橋的兩個(gè)端點(diǎn)的電位直接 進(jìn)行比較，當(dāng) b,d 兩點(diǎn)點(diǎn)位相等時(shí)，檢流計(jì)無

24、電流通過，稱作電橋平衡。這時(shí) ab 間的電位 差等于 ad 間的電位差，dc 間的電位差等于 bc 建德電位差，設(shè)通過四個(gè)橋臂的電流分別為 i1,i2,i3,i4,根據(jù)歐姆定律有： r1i1=r2i2（1） r3i3=r4i4（2） 又因?yàn)?ig=0，得 r1=i4，i2=i3 將（2）除以（1）既得： r1/r4=r2/r3或 r4=r1r3/r2 若 r1,r2,r3都已知的話，r4就可以算出來了。 圖 2-4-1 惠斯登電橋測電阻 如上圖所示，我們可以根據(jù)虛擬的惠斯登電橋輕松地模擬，算出要求的電阻。這很大程度 上提高了效率，避免連接不斷出錯，導(dǎo)致始終無法成功地完成實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)一步影響學(xué)習(xí)

25、 效率，虛擬實(shí)驗(yàn)的好處顯而易見。 第三章：化學(xué)部分實(shí)驗(yàn)舉例第三章：化學(xué)部分實(shí)驗(yàn)舉例 3.13.1 金屬（鐵、鎂）在空氣中的燃燒金屬（鐵、鎂）在空氣中的燃燒 。 圖 3-1-1 金屬（鐵、鎂）在空氣中的燃燒 通過圖 3-1-1 可見看出鐵和鎂在空氣中的燃燒，可以看出實(shí)驗(yàn)過程，鐵絲在氧氣中劇 烈燃燒，火星四射，放出大量的熱，生成黑色固體 fe3o4（要注意的是為了燒杯破裂，在里 面加少量的水，應(yīng)為反應(yīng)放出大量的熱） ，鎂在空氣中燃燒，產(chǎn)生耀眼的強(qiáng)光，生成白色固 體 mgo，節(jié)省了試驗(yàn)材料，避免了實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)。 3.23.2 噴泉實(shí)驗(yàn)噴泉實(shí)驗(yàn) 圖 3-2-1 噴泉實(shí)驗(yàn) 此實(shí)驗(yàn)如圖 3-2-1 會引起學(xué)

26、生們好奇的心理，為什么會有噴泉？然后還有顏色的？這很大 的提升學(xué)生的求知欲，使課堂氣氛活躍。噴泉實(shí)驗(yàn)的基本原理是： 氣體在液體中溶解度很 大，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生足夠的壓強(qiáng)差（負(fù)壓） ，則打開活塞后，大氣壓將燒杯內(nèi)的液體壓入燒 瓶中，在尖嘴導(dǎo)管口形成噴泉。為了解決這個(gè)問題，我們想起影響氣壓的幾個(gè)因素。 噴泉實(shí)驗(yàn)成功的條件： 根據(jù)克拉伯龍方程(也稱理想氣體狀態(tài)方程)：pv=nrt，推出 p=(nrt)/v (r 為常數(shù))。要使 p 變小，可改變 n、t、v 中的一個(gè)變量。所以減小氣壓的方法有三種：減少氣體的物質(zhì) 的量(n)；降低氣體的溫度(t)；增大氣體的體積(v)。 減少氣體的物質(zhì)的量有兩種方法：物

27、理方法與化學(xué)方法。 物理方法可把氣體抽走或物理溶解，化學(xué)方法可通過化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)溶解；降低氣體的溫 度，我們可以采用冷水澆注或用濕毛巾放于瓶底，也可以把裝置轉(zhuǎn)移入較低溫的環(huán)境；而 增大氣體的體積，可以采取，升高溫度（如：用熱水澆注或熱毛巾放于瓶底）或改變?nèi)萜?的體積的方法。 對于用化學(xué)方法來減少氣體的物質(zhì)的量的方法又和氣體的溶解度、吸收液的種類有關(guān)。 氣體溶解性大小會對噴泉的形成產(chǎn)生影響。如，易溶于水的氣體、在水中溶解度不 大的氣體、難溶于水的氣體；由于它們在水中的溶解度不一樣，從而就使得壓強(qiáng)的減少不 一樣，是噴泉能否產(chǎn)生以及噴泉大小的關(guān)鍵。 吸收液的種類也會對噴泉的形成產(chǎn)生影響，不同的吸收液

28、，與氣體之間能否反應(yīng)、 氣體在其中溶解度的大小，都決定了噴泉實(shí)驗(yàn)的成功與失敗。 3.33.3 金屬活動性順序金屬活動性順序 位置越靠前，活動性越（強(qiáng)） ，排在氫前面的金屬能（置換出酸中的氫） 。并且排 在前面的金屬能（從排在后面的金屬的鹽溶液中置換出金屬）金屬活動性順序表：鉀，鈣， 鈉，鎂，鋁，錳，鋅，鉻，鐵，鎳，錫，鉛，（氫）銅，汞，銀，鉑，金 圖 3-3-1 一些金屬與鹽酸的反應(yīng) 通過圖 3-3-1 所示，各物質(zhì)在鹽酸反應(yīng)程度，可判斷出金屬活動性順序。 3.43.4 氫氣置換氧化銅氫氣置換氧化銅 根據(jù)上述虛擬實(shí)驗(yàn)可以明顯的看出，氫氣的排位在金屬銅的前面，這是為什么？ 置換反應(yīng)的含義： 簡單

29、地說，一種單置于一種化合物起反應(yīng)生成另一種單質(zhì)和另一種化合物，這樣的反 應(yīng)成為置換反應(yīng)。更明確的說，置換反應(yīng)是無機(jī)化學(xué)反應(yīng)的四大基本反應(yīng)的一種，指一種 單質(zhì)和一種化合物反應(yīng)生成另一種單質(zhì)和另一種化合物的反應(yīng)。具體可以表示為： a+bc=b+ac，置換反應(yīng) 是指某種元素被組成某種單質(zhì)被取代的過程。 圖 3-4-1 置換反應(yīng) 置換反應(yīng)的分類： 干態(tài)置換在加熱或高溫條件下固體與固體或固體與氣體發(fā)生的置換反應(yīng)。 濕態(tài)置換 在水溶液中進(jìn)行的置換反應(yīng) 。 如圖 3-4-1，通過實(shí)驗(yàn)我們可以看到，錐形瓶內(nèi)一只冒著氣泡，這是因?yàn)樵阱F形瓶內(nèi)發(fā)生 反應(yīng)，生成了氫氣，將氫氣通入玻璃管中，而玻璃管中放著黑色的固體粉末

30、，是 cuo，后 面 u 型管中放著的是無水硫酸銅，它遇水會變成藍(lán)色。 通過實(shí)驗(yàn)我們可以發(fā)現(xiàn)有哪些現(xiàn)象啊？ 在虛擬實(shí)驗(yàn)中我們可以清楚地看到，玻璃管中的很色粉末慢慢減少，而且有紅的東西 生成，無水硫酸銅變成藍(lán)色。說明此裝置中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)方程式如圖 3-4-1 所示。 此實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意的問題是： 1.通氫氣前要先驗(yàn)氫氣的純度 2.先通一會氫氣再加熱 3.試管口要略向下傾斜 4.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要停止加熱，再通會氫氣 3.53.5 實(shí)驗(yàn)室制氧氣實(shí)驗(yàn)室制氧氣 實(shí)驗(yàn)室用加熱高錳酸鉀貨氯酸鉀和二氧化錳的混合物制取氧氣，如下圖 3-5-1 圖 3-5-1 實(shí)驗(yàn)室制氧氣 應(yīng)注意的事項(xiàng)： 首先，應(yīng)檢查裝置的氣密性

31、；其次，固定試管，鐵夾要夾在離試管口三分之一處； 再次，高錳酸鉀要平放于試管底部等等。 收集氣體時(shí)，因?yàn)檠鯕庾陨淼男再|(zhì)，我們可以采用排水法或向上排空氣法，收集裝置如 圖 3-5-1 所示。通過排水法收集氣體時(shí)，要等到氣泡連續(xù)不斷，均勻冒出時(shí)開始收集， 有利于保證氧氣的純度。等收集完畢，要先將試管移出水槽，再移去酒精燈，以免倒吸 使試管炸裂。利用排空氣法時(shí)將導(dǎo)管伸到集氣瓶底部，有利于保證氧氣的純度，檢驗(yàn)是 否裝滿時(shí)，用帶火星的木條檢驗(yàn)。 第四章：第四章：初中科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的問題及改進(jìn)初中科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的問題及改進(jìn) 4.14.1 國內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的問題國內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的問題 目前，虛擬實(shí)驗(yàn)對于

32、大部分學(xué)校更或者學(xué)生是一個(gè)很新鮮的話題，新鮮的話題當(dāng)然會得 到很多愛好者的研究，通過網(wǎng)絡(luò)可以清楚地了解到關(guān)于這個(gè)話題的大概內(nèi)容，就如我上面 列舉的幾個(gè)關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)可以知道，使用不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，同學(xué)可以在寢室、 實(shí)驗(yàn)室、圖書館等場地使用虛擬實(shí)驗(yàn)室，節(jié)約資源，不再提供專用的場地和計(jì)算機(jī)，受益 面廣泛等，有如此多的優(yōu)點(diǎn)，為什么還是沒有很泛泛的利用呢？因?yàn)槠湟灿性S多不足的地 方，不能說是缺點(diǎn)，但是是在推廣他的同時(shí)必須得考慮的。 具體來說，首先，虛擬實(shí)驗(yàn)此技術(shù)大多是面向高等院?；蛘呤强蒲袡C(jī)構(gòu)，系統(tǒng)復(fù)雜度 高，經(jīng)費(fèi)要求高，此技術(shù)做出來的數(shù)據(jù)精確，考慮的因素比較多，思維要求高，所以對初 中生來說

33、是個(gè)很大的難題。其次，用如此高難度，繁雜系數(shù)高，支出高的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺來 做初中科學(xué)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)在是大材小用。再次，如果要此虛擬實(shí)驗(yàn)對各門課程都做出結(jié)果， 對于教師或?qū)W生都有一定的難度，操作要求高。最后，此技術(shù)只是對數(shù)據(jù)的精確度達(dá)到了 很高的水平，但是初中時(shí)一個(gè)打基礎(chǔ)的時(shí)間段，只是在結(jié)果方面做好是不夠的，需要與傳 統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，不僅僅讓學(xué)生擁有視覺的感受，也需要學(xué)生親手實(shí)踐，這樣的結(jié)果是 更加能讓學(xué)生懂得，理解。 4.2.4.2.虛擬實(shí)驗(yàn)平臺改進(jìn)的理由虛擬實(shí)驗(yàn)平臺改進(jìn)的理由 創(chuàng)造一個(gè)符合初中理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求和特點(diǎn)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，需要克服上面提到的各 個(gè)問題。 初中科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)難

34、點(diǎn)在于：第一，系統(tǒng)采用三維成像技術(shù)，三維 技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng)能更好的表達(dá)中學(xué)教學(xué)所要傳遞的知但是，三維的實(shí)現(xiàn)比二維的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜 程度高出很多。第二，虛擬實(shí)驗(yàn)不能完全取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，原因在于： 1)實(shí)驗(yàn)真實(shí)感不強(qiáng)，鍵盤和鼠標(biāo)無法帶給學(xué)生旋鈕的感覺； 2)在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種各樣誤差體現(xiàn)不出來，虛擬實(shí)驗(yàn)不會因電壓不穩(wěn)致使數(shù)字萬 用表讀數(shù)發(fā)生跳變； 3)虛擬實(shí)驗(yàn)是人們根據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)語言編寫出來的，人的認(rèn)知范圍決定實(shí)驗(yàn)的 虛擬程度，因此虛擬實(shí)驗(yàn)無法涵蓋實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的、人的認(rèn)知范圍之外的各種故障 現(xiàn)象。 4)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自身的局限性限制了學(xué)生的活動空間，學(xué)生不能很好地根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn) 進(jìn)行綜合應(yīng)用

35、7。 4.3.4.3.解決方案總體分析解決方案總體分析 4.3.1.應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)三維技術(shù) 對于第一點(diǎn)，虛擬現(xiàn)實(shí)三維展示是三維立體全方位的表現(xiàn)，通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行 模擬，構(gòu)造虛擬的真實(shí)環(huán)境，使人可以在其中隨意漫游，有親臨其境的體驗(yàn)。 解決辦法是使用三維技術(shù)。這是一種真正能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)效果的 3d 技術(shù),它是利用可見 光的產(chǎn)生、吸收或散射來形成三維空間的三維圖像。它的引入可以有效地組織功能，使其 模塊化、組件化，有利于代碼的復(fù)用，有利于提高二次開發(fā)的效率，有利于移植。對于第 三點(diǎn)，解決辦法是一方面利用開源軟件項(xiàng)目提供的功能（如物理庫提供物理仿真功能） ，可 以更有效率地更準(zhǔn)確地解決建模的問題；另

36、一方面，在沒有可用資源的情況下則需要單獨(dú) 建模和開發(fā)。而仿真實(shí)驗(yàn)需要的各種數(shù)據(jù)以資源文件的形式提供給系統(tǒng)使用8。 4.3.2.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合 對于第二點(diǎn)，要求傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)預(yù)虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排上，可選擇基礎(chǔ)性、 危險(xiǎn)性和一些設(shè)備昂貴、高難度的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，而那些對數(shù)據(jù)處理要求較高以 及對學(xué)生動手能力、綜合能力要求較高的實(shí)驗(yàn)可安排學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室完成。在這樣的教學(xué)模 式中，學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室動手做實(shí)驗(yàn)的目的，一是為檢查學(xué)生對儀器的熟悉程度，二是為彌補(bǔ) 虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的薄弱，三是為檢查和提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。為減輕學(xué) 生負(fù)擔(dān)，對于要求學(xué)生動手完成的實(shí)驗(yàn)成績，可不要求學(xué)生

37、進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，也可降低該實(shí) 驗(yàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)階段的成績權(quán)重，從而突出對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)教師則要循循善誘，培 養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、積極探索，對于有創(chuàng)新精神的學(xué)生，及時(shí)表揚(yáng)，并適當(dāng)提高實(shí)驗(yàn)成績9。 初中科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺在初中科學(xué)中 虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，要求教師必須改變實(shí) 驗(yàn)教學(xué)觀念，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教師由演示者向指導(dǎo)者、創(chuàng)新者的轉(zhuǎn)換。要求學(xué)生由模仿者向探 求和創(chuàng)造者轉(zhuǎn)換，達(dá)到由培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)型人才向培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的轉(zhuǎn)變。要求教師善于運(yùn)用 實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略，鼓勵學(xué)生將自主設(shè)計(jì)、自主探索與協(xié)作實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合 10，更多的 是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)的相結(jié)合。 4.3.3.對中學(xué)理科仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分類 中學(xué)理科仿真實(shí)驗(yàn)包含多學(xué)科、多種表現(xiàn)形式、多種參與形式、多種復(fù)雜程度的試驗(yàn) 目。 1按學(xué)科可分為物理、化學(xué)、幾何、地理等； 2按表現(xiàn)形式可分為演示實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、觀察實(shí)驗(yàn)、課題實(shí)驗(yàn)、制作實(shí)驗(yàn)、課題研 討論題目、觀