冉俊霞 代秀紅 葛大勇 馬明毅

(河北大學物理科學與技術學院 河北 保定 071002)

關鍵字：虛擬仿真 Html5 素材庫 光學

1 引言

光學(Optics)是物理學的重要分支學科[1]．也是大學物理中非常重要的一門課程，學好光學對物理專業(yè)的大學生而言是非常有意義的．但是，由于光學中很多概念抽象難懂，規(guī)律眾多，而幫助教師講授、學生理解的素材很少，使學生理解和記憶起來非常困難，致使光學教學存在“難學難教”的現(xiàn)象[1～3]．即使人們做了一些素材，但是由于素材簡單、不能做到參數(shù)可調，過程可控，或者只能在電腦上運行，大大限制了其應用，不能滿足實際需要，因此，本文致力于建立跨平臺光學積件庫，積件庫著眼于同學們難以理解的重點難點、規(guī)律等內容，提供過程可控，參數(shù)可調的多方位積件庫，并提供快速檢索查詢功能，方便教師和學生快速找到相關積件．

本素材庫以HBuilder軟件為開發(fā)平臺，以Flash軟件作為輔助工具，結合SVG (Scalable Vector Graphics) 可伸縮矢量圖形和精靈圖技術，將矢量圖技術應用于Html5中，使制作的素材庫畫面清晰、動畫逼真．該積件庫和Flash積件庫相比，最顯著的優(yōu)勢在于其跨平臺性，該積件庫不需要安裝任何插件，該素材庫可在不同終端進行操作、演示，兼容PC端與移動端、Windows與Linux，安卓與IOS[4]．學生可在不同的設備上進行在線預習，復習，甚至進行在線仿真學習．它還可以輕易地移植到各種不同的開放平臺(比如可以放到Blackboard應用平臺)上供學生學習．隨著移動通訊的發(fā)展，跨平臺積件庫成為適應未來素材庫發(fā)展的新趨勢.

本素材庫包含幾何光學、光的干涉、光的衍射等10個章節(jié)，如圖1所示．每個章節(jié)又包含10幾個重點積件，每個積件都可用于課堂教學，還可用于學生單獨理解光學中的重點和難點內容．下面重點介紹幾個積件的建設情況．

圖1 光學積件庫結構圖

2 積件庫建設

2.1 幾何光學

幾何光學是以光線為基礎，研究光的傳播和成像規(guī)律．重點內容是研究物體被透鏡或其他光學元件成像的過程，以及在光學儀器等光學系統(tǒng)方面的應用．因此，其難點是如何讓學生更直觀地掌握光傳播的規(guī)律．比如最常見的凸透鏡成像規(guī)律，傳統(tǒng)方法是老師需要用蠟燭、透鏡、光學導軌、接收屏等教具，還需要室內光線不能太亮，這樣才可以直接在教室進行演示．但是這樣既費時又費力，而且演示過程中同學們還不能看到直接的數(shù)據(jù)，因此對規(guī)律的掌握和理解只是一個定性的印象，為此，我們開發(fā)了一系列透鏡成像規(guī)律的虛擬仿真積件．

如圖2所示，是凸透鏡成像積件的界面，教師在課堂可以隨時通過網(wǎng)絡在手機或電腦上拖動蠟燭進行演示，蠟燭的像會根據(jù)規(guī)律自動變化大小、位置和虛實．也可以通過上面的參數(shù)輸入框輸入透鏡的焦距等參數(shù)，進行參數(shù)調節(jié)．在本章，共制作了10個積件素材，將凸透鏡、凹透鏡、凸面鏡，凹面鏡、透鏡組、三棱鏡等的成像規(guī)律進行了虛擬仿真．由于本素材庫的跨平臺性，學生也可以在自己的電腦和手機上進行演示，了解各個光學器件的成像規(guī)律．

圖2 凸透鏡成像

2.2 光的干涉和光的衍射

光的干涉和衍射都證明了光具有波動性．但是由于其概念比較抽象，其觀測和演示都需要專用的設備(比如利用邁克爾孫干涉儀)，但是這些儀器不適用于課堂教學，其內部構造也無法展示．本積件庫將光波的衍射、牛頓圈、楊氏實驗、等厚干涉、單縫衍射、圓孔衍射、惠更斯原理、光柵原理、瑞利判據(jù)等重要的實驗和原理通過編程制作成虛擬仿真的積件庫，學生可在手機和電腦上操作實驗，觀察現(xiàn)象，得出結論．

教師還可以在課堂上通過投影儀進行演示．比如，圖3中的等厚干涉和圖4中的楊氏雙縫干涉仿真實驗．教師和學生都可以通過參數(shù)調節(jié)演示，觀察不同條件下干涉條紋的變化，直觀明了，將不可見的物理過程直觀地展示出來．

圖3 等厚干涉虛擬仿真

圖4 楊氏雙縫干涉虛擬仿真

2.3 光的偏振

光的偏振是光的波動性的又一例證，但是由于偏振概念抽象，學生常常理解困難．本積件庫根據(jù)學生難以理解的重點難點內容，制作了十幾個虛擬仿真素材，其中包括偏振的概念、雙折射晶體、各種棱鏡、波晶片、偏振器、各種偏振光、旋光現(xiàn)象、量糖術等．如圖5所示，將橢圓偏振光的獲得通過形象的動畫表現(xiàn)出來，將抽象變?yōu)樾蜗螅?/p>

圖5 橢圓偏振光的獲得

2.4 光學儀器

常見的光學儀器很多，因此素材庫中建立了顯微鏡、放大鏡、望遠鏡、投影儀、邁克爾孫干涉儀、光譜儀、眼睛結構等儀器內容，將各種儀器通過3Dmax做成三維動畫形式，內部進行剖析，原理通過動畫展示，如圖6所示為棱鏡光譜儀的原理，通過圖示和動畫演示其工作過程．

圖6 棱鏡光譜儀原理演示

2.5 光的量子性

光既是粒子又是波，光的量子性可以通過光電效應、黑體輻射、康普頓效應等實驗來體現(xiàn)，但是，這些實驗很難看到演示過程，有的不適于在課堂進行實體演示．而做成虛擬仿真積件庫可以隨時在課堂進行演示，還可以將不可見的過程變?yōu)榭梢?，如圖7所示，光電效應虛擬演示積件可以將光電效應的過程及影響光電效應的各個因素通過動畫的形式演示出來，讓學生一目了然，并從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，總結規(guī)律．

圖7 光電效應

2.6 光學全息

全息技術是先利用干涉原理記錄物體光波信息，然后利用衍射原理再現(xiàn)物體光波信息，這是成像過程．是光學原理在現(xiàn)代科技中的應用．其典型應用是全息照相，在本素材庫中，提供了全息照相的過程和原理，并通過動畫，圖形展示其過程，其過程做成可操作的形式，方便學生和教師進行具體操作，如圖8所示：點擊左面菜單，然后根據(jù)提示可以進行實際操作．加深學生對光學全息技術原理和過程的理解．

圖8 全息技術的應用及實驗操作

2.7 生活中的光學

圖9是生活中的太陽灶.光學在生活中應用也很多，比如除了太陽灶外，彩虹的形成、海市蜃樓等現(xiàn)象．可以通過動畫演示其原理過程．上課時老師可以將這些生活中與光學有關的動畫實例演示給學生，激發(fā)學生學習興趣．學生也可以直接在網(wǎng)上學

習，了解其原理，加深對光學原理的理解．

圖9 太陽灶的原理

3 結束語

本積件庫操作簡單，可根據(jù)菜單選擇每個積件項目，還可通過模糊查詢查找需要的積件．

由于在Html5中使用了SVG矢量圖技術，整個課件畫面清新典雅，放大后不會失真．由于本積件庫的跨平臺性，學生可通過手機、iPad，平板或電腦使用本積件庫，教師可以更加快速、方便地指導學生．學生也可通過本積件庫進行預習，自學．