虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)中的定性與定量

羅 濤，韓 飛，劉佳琳

(長(zhǎng)春師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130032)

1 研究背景

隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷進(jìn)步，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題[1-3]。各科技公司紛紛推出虛擬仿真教育產(chǎn)品。教育部推行“國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”評(píng)選活動(dòng)，新一輪的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)競(jìng)賽拉開帷幕[4]。

目前虛擬仿真教學(xué)往往只注重虛擬仿真技術(shù)，而弱化了教學(xué)本身定位。如何有效地開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，是值得進(jìn)行深入探討的。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)一般涉及多種技術(shù)[5]，在獨(dú)立開發(fā)情況下，探索一套適合教學(xué)產(chǎn)品開發(fā)的模式，涉及虛擬仿真技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、管理平臺(tái)等多方面。而在合作開發(fā)的條件下，可積極與供應(yīng)商探討技術(shù)層面相關(guān)問題，確定如何有效推動(dòng)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用教學(xué)的順利開展。

迄今為止，多數(shù)研究集中在各種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的功能模塊和應(yīng)用價(jià)值[2，4，6]，很少涉及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)與設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)問題。本文以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)為例，探討相關(guān)設(shè)計(jì)方法。

2 定性表達(dá)與定量表達(dá)

對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)人員來說，虛擬仿真的動(dòng)畫與網(wǎng)頁制作并非難事，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及現(xiàn)象的定性表達(dá)也比較容易實(shí)現(xiàn)，無論是彩色還是黑白，無論是遠(yuǎn)觀還是近看，無論是靜圖還是動(dòng)畫，無論是2D還是3D，都能夠?qū)崿F(xiàn)很好的沉浸性和交互性[1，3，5]。

在設(shè)計(jì)旋光儀測(cè)糖溶液濃度的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以將手輪的旋轉(zhuǎn)、度盤數(shù)據(jù)的變化和目鏡中的光強(qiáng)分布變化同時(shí)呈現(xiàn)在一個(gè)屏幕中，使學(xué)習(xí)者很好地理解它們之間的傳遞性關(guān)系(圖1)，在正常情況下可以根據(jù)各參數(shù)的關(guān)系式得到讀數(shù)和光強(qiáng)分布之間的定量表達(dá)。但是在很多真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作中，往往需要根據(jù)操作之后的現(xiàn)象反饋來判斷操作的正誤與好壞，這就需要現(xiàn)象能夠?qū)崟r(shí)完整地表現(xiàn)操作效果，而現(xiàn)象與操作之間的精確定量表達(dá)卻比較復(fù)雜。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，如何更好地反映現(xiàn)實(shí)情況，提高虛擬實(shí)驗(yàn)的逼真性將是一個(gè)難題[7]。由于動(dòng)畫制作者不能很好地理解實(shí)驗(yàn)的原理和影響因素，很多方面需要具有真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的科研人員來設(shè)計(jì)與規(guī)劃。

圖1 用旋光儀測(cè)糖溶液濃度的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

真實(shí)的實(shí)驗(yàn)因素十分復(fù)雜，虛擬仿真只能近似接近，而不能把所有現(xiàn)象完全模擬出來，這就需要對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行簡(jiǎn)化和近似處理。首先，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器各元件的操作進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。然后，對(duì)儀器元件數(shù)據(jù)變化范圍進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。最后，對(duì)各方面的現(xiàn)象與元件各操作的關(guān)系進(jìn)行聯(lián)動(dòng)處理。下面以光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)為例，進(jìn)行設(shè)計(jì)方法的簡(jiǎn)化和近似處理。

3 儀器操作的簡(jiǎn)化

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，用雙棱鏡干涉測(cè)鈉光波長(zhǎng)是一個(gè)典型的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，也是難度較大且需要反復(fù)練習(xí)才能做好的實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以參考普通物理實(shí)驗(yàn)教材[8]，真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器如圖2所示。

圖2 雙棱鏡干涉測(cè)鈉光波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)儀器

光屏上的光強(qiáng)分布在光路被調(diào)成理想狀態(tài)時(shí)，運(yùn)用理論分析可以近似得到某些光強(qiáng)取極值條件的條紋位置，通過數(shù)學(xué)建模可以模擬條紋位置變化隨一些參數(shù)的動(dòng)態(tài)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(shí)驗(yàn)中也就很難將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及時(shí)反饋給操作者，而真實(shí)實(shí)驗(yàn)的光強(qiáng)分布卻可以在光屏上全部直接呈現(xiàn)出來。

光學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心就是光路的調(diào)節(jié)，其等高共軸的程度直接決定實(shí)驗(yàn)結(jié)果。把某光學(xué)元件的中垂線(或叫作對(duì)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(xué)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(shí)驗(yàn)中同時(shí)涉及調(diào)節(jié)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(cè)微目鏡，另外還有狹縫寬度的調(diào)節(jié)、狹縫與雙棱鏡交棱方向的調(diào)節(jié)，這樣最后在光屏或目鏡中所觀察到的光強(qiáng)分布就涉及24個(gè)維度或參數(shù)共同作用的變化。

對(duì)光屏上的現(xiàn)象進(jìn)行描述時(shí)，任何一個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了發(fā)揮仿真實(shí)驗(yàn)的最大功效，又不增大工作量，可以進(jìn)行定性加半定量的近似處理。在上述實(shí)驗(yàn)中，將各光學(xué)元件的中心左右調(diào)節(jié)、中心高低調(diào)節(jié)、截面方向調(diào)節(jié)各分-1、0、1檔位，狹縫的寬度調(diào)節(jié)也分1、2、3檔位，狹縫方向的調(diào)節(jié)再分-2、0、2檔位(跨度稍微大點(diǎn))，與雙棱鏡交棱方向的調(diào)節(jié)再分-2、-1、0、1、2檔位(跨度稍微小點(diǎn)，但檔位多一些)，如圖3所示。

圖3 雙棱鏡干涉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中各光學(xué)元件及檔位設(shè)置

學(xué)生登陸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，系統(tǒng)對(duì)各光學(xué)元件的初始檔位進(jìn)行隨機(jī)設(shè)置，做虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)生必須像在做真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣考慮各光學(xué)元件的初始狀態(tài)，進(jìn)行等高共軸的光路調(diào)節(jié)。做真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)是通過觀察光屏上的像或光強(qiáng)分布來判斷等高共軸的，而即使進(jìn)行以上簡(jiǎn)化操作，也可能會(huì)發(fā)生很多的變化。為了得到盡可能多的真實(shí)反映，可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行排列組合，進(jìn)行相應(yīng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)并錄制實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，放入虛擬仿真系統(tǒng)中。對(duì)于不同檔位的組合，在光屏上的光強(qiáng)分布可以得到不同的對(duì)應(yīng)現(xiàn)象。

為了初步考察學(xué)生的光路調(diào)節(jié)操作能力，培養(yǎng)其良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，增強(qiáng)其糾錯(cuò)能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。首先，系統(tǒng)默認(rèn)將光具座的左右對(duì)稱位置作為各光學(xué)元件軸線的橫向參考，即為各元件左右0檔位的標(biāo)準(zhǔn)。先放入光路的是光源，系統(tǒng)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(jìn)行下一個(gè)元件的放置，系統(tǒng)提醒錯(cuò)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(shí)初始設(shè)定的光源中心的高低檔位作為系統(tǒng)軸線的高低初始值。下一個(gè)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(jìn)行查看與確認(rèn)，如果有不同，則不能進(jìn)行下一個(gè)元件的放置，系統(tǒng)將提醒其改正錯(cuò)誤。之后放入的光學(xué)元件都應(yīng)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(diào)節(jié)的21個(gè)參數(shù)的變化問題，剩下的變化參數(shù)只有狹縫的寬度檔位和狹縫、雙棱鏡交棱方向的檔位調(diào)節(jié)。

4 現(xiàn)象與操作的聯(lián)動(dòng)

在測(cè)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(tǒng)在光屏上顯示的雙縫像也不是豎直方向(-2檔位時(shí)左斜、2檔位時(shí)右斜)，此時(shí)操作者應(yīng)調(diào)整狹縫的方向?yàn)樨Q直。如果雙棱鏡交棱方向與狹縫的方向不平行，則系統(tǒng)在光屏上顯示的雙縫像不對(duì)稱(-2檔位左高右低、2檔位右高左低)，此時(shí)操作者應(yīng)調(diào)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(cè)量雙縫像的間距了。

之后的步驟是調(diào)出雙縫干涉條紋，而要得到清晰的干涉條紋，系統(tǒng)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(yán)格平行。系統(tǒng)中設(shè)置狹縫的寬度為1檔位時(shí)是合適的寬度，如果其初設(shè)值為2、3檔位，則系統(tǒng)在光屏上顯示光強(qiáng)均勻分布，操作者需要把其減小到1檔位。這樣在測(cè)微目鏡中觀察到的光強(qiáng)分布才會(huì)有中央亮區(qū)，即雙光束重疊區(qū)域，也就是干涉條紋產(chǎn)生的區(qū)域。然后調(diào)整雙棱鏡交棱的方向，系統(tǒng)中設(shè)置0檔位即棱脊與狹縫的方向嚴(yán)格平行。如果處于-1或1檔位，則系統(tǒng)在目鏡中顯示出干涉條紋的模糊形狀，需要調(diào)整為0檔位才能變得清晰。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中可能發(fā)生的問題與需要注意的事項(xiàng)，根據(jù)儀器操作的簡(jiǎn)化處理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與儀器的操作關(guān)聯(lián)呈現(xiàn)出即時(shí)的反饋，指導(dǎo)操作者規(guī)范地進(jìn)行每一個(gè)步驟，最終得到正確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

綜上所述，以雙棱鏡干涉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例，對(duì)定性表達(dá)與定量表達(dá)在需求與可能性方面進(jìn)行了討論，對(duì)儀器操作的簡(jiǎn)化和現(xiàn)象與操作的聯(lián)動(dòng)做出具體的安排與規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了比較真實(shí)的即時(shí)反饋與實(shí)驗(yàn)的逼真效果，為光學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)提供一定的借鑒意義，為物理學(xué)及其他專業(yè)涉及試錯(cuò)與糾錯(cuò)機(jī)制，進(jìn)行現(xiàn)象與操作半定量表達(dá)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供參考。