冉俊霞 代秀紅 葛大勇 馬明毅

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)

關(guān)鍵字：虛擬仿真 Html5 素材庫 光學(xué)

1 引言

光學(xué)(Optics)是物理學(xué)的重要分支學(xué)科[1]．也是大學(xué)物理中非常重要的一門課程，學(xué)好光學(xué)對(duì)物理專業(yè)的大學(xué)生而言是非常有意義的．但是，由于光學(xué)中很多概念抽象難懂，規(guī)律眾多，而幫助教師講授、學(xué)生理解的素材很少，使學(xué)生理解和記憶起來非常困難，致使光學(xué)教學(xué)存在“難學(xué)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(jiǎn)單、不能做到參數(shù)可調(diào)，過程可控，或者只能在電腦上運(yùn)行，大大限制了其應(yīng)用，不能滿足實(shí)際需要，因此，本文致力于建立跨平臺(tái)光學(xué)積件庫，積件庫著眼于同學(xué)們難以理解的重點(diǎn)難點(diǎn)、規(guī)律等內(nèi)容，提供過程可控，參數(shù)可調(diào)的多方位積件庫，并提供快速檢索查詢功能，方便教師和學(xué)生快速找到相關(guān)積件．

本素材庫以HBuilder軟件為開發(fā)平臺(tái)，以Flash軟件作為輔助工具，結(jié)合SVG (Scalable Vector Graphics) 可伸縮矢量圖形和精靈圖技術(shù)，將矢量圖技術(shù)應(yīng)用于Html5中，使制作的素材庫畫面清晰、動(dòng)畫逼真．該積件庫和Flash積件庫相比，最顯著的優(yōu)勢(shì)在于其跨平臺(tái)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(jìn)行操作、演示，兼容PC端與移動(dòng)端、Windows與Linux，安卓與IOS[4]．學(xué)生可在不同的設(shè)備上進(jìn)行在線預(yù)習(xí)，復(fù)習(xí)，甚至進(jìn)行在線仿真學(xué)習(xí)．它還可以輕易地移植到各種不同的開放平臺(tái)(比如可以放到Blackboard應(yīng)用平臺(tái))上供學(xué)生學(xué)習(xí)．隨著移動(dòng)通訊的發(fā)展，跨平臺(tái)積件庫成為適應(yīng)未來素材庫發(fā)展的新趨勢(shì).

本素材庫包含幾何光學(xué)、光的干涉、光的衍射等10個(gè)章節(jié)，如圖1所示．每個(gè)章節(jié)又包含10幾個(gè)重點(diǎn)積件，每個(gè)積件都可用于課堂教學(xué)，還可用于學(xué)生單獨(dú)理解光學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容．下面重點(diǎn)介紹幾個(gè)積件的建設(shè)情況．

圖1 光學(xué)積件庫結(jié)構(gòu)圖

2 積件庫建設(shè)

2.1 幾何光學(xué)

幾何光學(xué)是以光線為基礎(chǔ)，研究光的傳播和成像規(guī)律．重點(diǎn)內(nèi)容是研究物體被透鏡或其他光學(xué)元件成像的過程，以及在光學(xué)儀器等光學(xué)系統(tǒng)方面的應(yīng)用．因此，其難點(diǎn)是如何讓學(xué)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(xué)導(dǎo)軌、接收屏等教具，還需要室內(nèi)光線不能太亮，這樣才可以直接在教室進(jìn)行演示．但是這樣既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且演示過程中同學(xué)們還不能看到直接的數(shù)據(jù)，因此對(duì)規(guī)律的掌握和理解只是一個(gè)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(shí)通過網(wǎng)絡(luò)在手機(jī)或電腦上拖動(dòng)蠟燭進(jìn)行演示，蠟燭的像會(huì)根據(jù)規(guī)律自動(dòng)變化大小、位置和虛實(shí)．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(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)．在本章，共制作了10個(gè)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(jìn)行了虛擬仿真．由于本素材庫的跨平臺(tái)性，學(xué)生也可以在自己的電腦和手機(jī)上進(jìn)行演示，了解各個(gè)光學(xué)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(dòng)性．但是由于其概念比較抽象，其觀測(cè)和演示都需要專用的設(shè)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(xué)，其內(nèi)部構(gòu)造也無法展示．本積件庫將光波的衍射、牛頓圈、楊氏實(shí)驗(yàn)、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(shí)驗(yàn)和原理通過編程制作成虛擬仿真的積件庫，學(xué)生可在手機(jī)和電腦上操作實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象，得出結(jié)論．

教師還可以在課堂上通過投影儀進(jìn)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(shí)驗(yàn)．教師和學(xué)生都可以通過參數(shù)調(diào)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(dòng)性的又一例證，但是由于偏振概念抽象，學(xué)生常常理解困難．本積件庫根據(jù)學(xué)生難以理解的重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容，制作了十幾個(gè)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(shù)等．如圖5所示，將橢圓偏振光的獲得通過形象的動(dòng)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(xué)儀器

常見的光學(xué)儀器很多，因此素材庫中建立了顯微鏡、放大鏡、望遠(yuǎn)鏡、投影儀、邁克爾孫干涉儀、光譜儀、眼睛結(jié)構(gòu)等儀器內(nèi)容，將各種儀器通過3Dmax做成三維動(dòng)畫形式，內(nèi)部進(jìn)行剖析，原理通過動(dòng)畫展示，如圖6所示為棱鏡光譜儀的原理，通過圖示和動(dòng)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(yīng)、黑體輻射、康普頓效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)來體現(xiàn)，但是，這些實(shí)驗(yàn)很難看到演示過程，有的不適于在課堂進(jìn)行實(shí)體演示．而做成虛擬仿真積件庫可以隨時(shí)在課堂進(jìn)行演示，還可以將不可見的過程變?yōu)榭梢姡鐖D7所示，光電效應(yīng)虛擬演示積件可以將光電效應(yīng)的過程及影響光電效應(yīng)的各個(gè)因素通過動(dòng)畫的形式演示出來，讓學(xué)生一目了然，并從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，總結(jié)規(guī)律．

圖7 光電效應(yīng)

2.6 光學(xué)全息

全息技術(shù)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(xué)原理在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用．其典型應(yīng)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(dòng)畫，圖形展示其過程，其過程做成可操作的形式，方便學(xué)生和教師進(jìn)行具體操作，如圖8所示：點(diǎn)擊左面菜單，然后根據(jù)提示可以進(jìn)行實(shí)際操作．加深學(xué)生對(duì)光學(xué)全息技術(shù)原理和過程的理解．

圖8 全息技術(shù)的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)操作

2.7 生活中的光學(xué)

圖9是生活中的太陽灶.光學(xué)在生活中應(yīng)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(dòng)畫演示其原理過程．上課時(shí)老師可以將這些生活中與光學(xué)有關(guān)的動(dòng)畫實(shí)例演示給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣．學(xué)生也可以直接在網(wǎng)上學(xué)

習(xí)，了解其原理，加深對(duì)光學(xué)原理的理解．

圖9 太陽灶的原理

3 結(jié)束語

本積件庫操作簡(jiǎn)單，可根據(jù)菜單選擇每個(gè)積件項(xiàng)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(shù)，整個(gè)課件畫面清新典雅，放大后不會(huì)失真．由于本積件庫的跨平臺(tái)性，學(xué)生可通過手機(jī)、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(dǎo)學(xué)生．學(xué)生也可通過本積件庫進(jìn)行預(yù)習(xí)，自學(xué)．