新媒體下高校物理實(shí)驗(yàn)三維教學(xué)平臺(tái)

常雪芳

（太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

高校物理實(shí)驗(yàn)既能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，又能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的提升，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成良好的科學(xué)思維有著重要的作用[1]。傳統(tǒng)高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，常常僅憑紙質(zhì)教材對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論教育，很難讓學(xué)生真正感受到物理實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣，無(wú)法提高學(xué)生物理知識(shí)儲(chǔ)備量[2]。由于研究起步較晚，現(xiàn)有教學(xué)平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了無(wú)法滿足平臺(tái)用戶資源查詢需要，因此為了進(jìn)一步提高高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，本文開展新媒體下高校物理實(shí)驗(yàn)三維教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究。

1 基于新媒體的高校物理實(shí)驗(yàn)三維教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 物理實(shí)驗(yàn)三維教學(xué)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合新媒體技術(shù)的實(shí)驗(yàn)三維教學(xué)平臺(tái)主要包括電機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、電力自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)?zāi)K、繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、運(yùn)行維護(hù)模塊、通信協(xié)議、操作接口、擴(kuò)展接口等，平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于新媒體的高校物理實(shí)驗(yàn)三維教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

采用多層分布式體系結(jié)構(gòu)以確保在后期運(yùn)行過(guò)程中能夠滿足平臺(tái)用戶完成本地集中學(xué)習(xí)和研究的需要，同時(shí)滿足平臺(tái)用戶的遠(yuǎn)程教學(xué)與研究需要[3]。在本文設(shè)計(jì)的平臺(tái)中引入操作接口和擴(kuò)展接口，方便其他終端設(shè)備的連接，以此使平臺(tái)具備更豐富的運(yùn)行功能，并達(dá)到開放度極高的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)效果。

1.2 基于新媒體的物理實(shí)驗(yàn)裝置仿真

本文結(jié)合新媒體技術(shù)，在平臺(tái)中引入ADPSS裝置，利用其完成高校物理實(shí)驗(yàn)中的所有內(nèi)容。同時(shí)，ADPSS裝置具有良好的物理接口，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)任意物理量的輸出，例如電流、開關(guān)量等物理接口。ADPSS裝置包含多個(gè)CPU節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)運(yùn)作，以此支持平臺(tái)在相同時(shí)間開展多組不同實(shí)驗(yàn)。除此之外，在平臺(tái)中引入多個(gè)開放的通信接口，確保ADPSS裝置在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中具備良好的通信能力，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與虛擬現(xiàn)實(shí)界面的實(shí)時(shí)連接。

利用ADPSS裝置在平臺(tái)中對(duì)不同實(shí)驗(yàn)仿真軟件進(jìn)行搭建，將ADPSS裝置與下述VR界面進(jìn)行通信也能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性，提高平臺(tái)的可擴(kuò)展性，不斷豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使其更加靈活、多樣。

1.3 平臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)三維界面設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)界面可以真實(shí)地將物理設(shè)備外形結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)操作流程呈現(xiàn)給學(xué)生。同時(shí)，學(xué)生也可以在虛擬現(xiàn)實(shí)界面中，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備中的開關(guān)、指示燈、接線、發(fā)電調(diào)控等按鍵，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控與操作。圖2為基于VR技術(shù)設(shè)計(jì)的平臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)界面示意圖。

考慮到界面的動(dòng)態(tài)效果可能較差，而為了避免終端操作者出現(xiàn)視覺層面疲勞，可在完善界面過(guò)程中，在其中加入外界環(huán)境變化效果，以此種方式提供終端學(xué)習(xí)者更好的視覺體現(xiàn)。

圖2 基于VR技術(shù)的平臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)界面示意圖

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

將所設(shè)計(jì)平臺(tái)與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用到相同的實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境中。由于本文設(shè)計(jì)的高校物理實(shí)驗(yàn)三維教學(xué)平臺(tái)僅針對(duì)校園網(wǎng)，不會(huì)涉及外網(wǎng)，因此訪問(wèn)量通常不會(huì)過(guò)多，同時(shí)并發(fā)訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)的成本相對(duì)較高，因此考慮到上述問(wèn)題，本文采用白盒測(cè)試方法，完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)。分別將兩種教學(xué)平臺(tái)引入相同的教學(xué)環(huán)境中，并在白盒中對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。設(shè)置100名平臺(tái)用戶同時(shí)在平臺(tái)上進(jìn)行訪問(wèn)，以此驗(yàn)證兩種平臺(tái)的運(yùn)行效率。為方便對(duì)兩種平臺(tái)的性能進(jìn)行對(duì)比，本文選擇將吞吐量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，并得出如表1所示的兩種平臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表。

表1 兩種平臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

從表1中實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，本文平臺(tái)在100名用戶并發(fā)訪問(wèn)時(shí)吞吐量最高可達(dá)到3.4×106bit，而傳統(tǒng)平臺(tái)在100名用戶并發(fā)訪問(wèn)時(shí)吞吐量最高僅為1.2×106bit。因此，實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于新媒體的高校物理實(shí)驗(yàn)三維教學(xué)平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用中能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)更多數(shù)據(jù)數(shù)量的傳送，為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供良好的教學(xué)條件。同時(shí)，本文引入三維技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在平臺(tái)上對(duì)教學(xué)內(nèi)容三維立體化展現(xiàn)，進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣，為物理實(shí)驗(yàn)教師提供全新的教學(xué)思路。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，本文結(jié)合新媒體技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種全新的教學(xué)平臺(tái)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該平臺(tái)的運(yùn)行性能。為了進(jìn)一步體現(xiàn)平臺(tái)三維虛擬特點(diǎn)，針對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)界面，以此提高用戶在平臺(tái)中的沉浸感和交互性。