虚拟技术在医用物理学实验教学中的应用

胡贵祥

摘要：为了增强学生学习医用物理学的兴趣，提高学习效率，本文利用Flash进行编程，开发了5个虚拟实验用于课堂教学和实验预习复习，进而实现了实验室在空间和时间上的延伸。

关键词：医用物理学；虚拟实验；实验教学；Flash

中图分类号：G642，O4-39 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2017）09-0064-04

由于医学专业学生对医用物理学认知不足，普遍对基础课程实验兴趣较低，教学效果大打折扣。为了增强学生学习兴趣，提高学习效率，我们可利用Flash动画可交互的特点[1，2]，设计虚拟实验，将医用物理学实验的内容及过程和相关知识形象生动、浅显易懂地表现出来，显示在计算机屏幕上。[3]在实验前进行虚拟实验操作，可以让学生了解本实验的测量原理和测量过程。在实验过程中运用虚拟技术分析实验的重点和难点，演示实验数据处理的方法，展示实验结论，能有效地提高实验课的教学质量。

为此，笔者专门设计了5个虚拟实验，用于课堂和实验课的教学，并取得了不错的成效。

虚拟实验《旋光仪的使用》

虚拟实验《旋光仪的使用》目的是测量旋光溶液浓度和旋光度的关系，实验界面如图1所示，包括试管选择、刻度盘调整、视野显示、角度讀数等几个部分。

实验中刻度盘可以快速调整也可以细调。在刻度盘圆环上单击并拖动鼠标可以快速转动刻度盘。刻度盘细调按钮可以接受鼠标单击和双击。单击按钮调整0.05度，双击调整0.5度，而刻度盘快速调整最小单位也是0.5度。调整时刻度盘会有旋转动画，同时左右游标示数和目镜中三荫片视野各条纹亮暗程度也会相应地做同步变化。在刻度盘圆环上单击并拖动鼠标左键，调用下面这个函数：

通过选择空白试样、标准试样和待测试样，调整刻度盘使视野在暗视场状态下出现三荫片的条纹间边界消失（此时各条纹亮度相同），读取刻度盘读数，与空白试样的读数相减，可以获得标准试样和待测试样的旋光度，从而测得待测试样的浓度。每次启动这个虚拟实验，待测试样的浓度值会随机设定，测得的数值都不一样。

虚拟实验《超声声速测定实验》

《超声声速测定实验》在介绍了驻波法和相位法测声速的原理后，可以在双踪示波器上设定双踪方式（驻波法）或者X-Y方式（相位法）两种测量方式，实验装置如图2所示，主要包括频率显示、声速测定仪的调整和刻度显示、示波器波形选择和显示等三个部分。

测量界面的示波器、声速测定仪、信号源间已经正确连接完成。单击声速测定仪的接收探头左移或右移按纽，示波器上的波形就会做相应的改变，在驻波法方式下可以获得一系列波形最高时的接收探头的位置读数，而在相位法时也可获得李萨如图形为正斜率直线时接收探头的一系列位置读数，利用逐差差处理数据，可得两种测量方法下空气中的声波波长和波速。探头移动有时需要慢速精确进行，有时需要快速进行。持续按住探头左移或右移按钮不松开，探头移动速度逐渐加快，直到10倍于最初速度。

虚拟实验《用分光计测量衍射光的波长》

在《用分光计测量衍射光的波长》实验中，光栅在界面中央，分光计望远镜可以绕光栅旋转，角度游标可同时显示望远镜位置，如图3所示。

汞灯发出的复色光经光栅衍射后获得不同衍射角的单色光，移动望远镜到合适位置，在望远镜目镜的视野中用能显示衍射条纹，游标读数为目镜视野中央单色光的衍射位置，如此可以测量这些光的衍射角。分光计望远镜的移动采用按钮形式，利用鼠标中间的滚轮也可以移动望远镜，这就大大增加了操作的便利性。

当望远镜转动到某一条衍射光位置时，视野内观察到的衍射条纹会相应地动态移入分划板中心，同时主尺刻度盘配合左右游标也能获得相应的读数。望远镜动态移动的实现方式是利用setInterval函数设置转动函数wyj_rota_to的自动运行时间间隔，使望远镜在到达目的角度phi之前按setp距离连续增加，缓慢移动，到达目的角度后执行cleraInterval，使函数wyj_rota_to停止自动运行。

望远镜视野的衍射条纹的移动也可用同样的方法实现，如此实现望远镜和望远镜视野都缓慢移动到目的位置，使虚拟实验更逼真，界面更友好。由此可以读出±1级、±2级和±3级衍射光的衍射角（各种色光的每一级衍射光都有上下两条光线，望远镜分别在上下两个位置可以观察到它们，测得的衍射角需要求出平均值），利用光栅方程就可得到这些光的波长。

虚拟实验《测定液体的黏度》

《测定液体的黏度》根据已知的蒸馏水的黏度用比较法测量无水乙醇的黏度，实验装置如图4所示，主要包括乌氏黏度计和电子秒表两个部分。选择一种液体注入黏度计（蒸馏水或者无水乙醇），单击“打气”按钮（未注入液体或注入液体未完成则“打气”按钮不可用），黏度计内的液体充满B、C两个支管。给黏度计打气后，“打气”按钮文字变成“放气”。单击“放气”按钮，C支管液体立即落下，B支管液面缓慢下降。通过一个下降的遮罩矩形实现液体液面的下降这个动作，遮罩矩形下降的速度依据液体截面的大小进行调整。

B管液面在m、n刻线之间启动和停止秒表，可得一次测量数据。水浴温度数据设计为在14～20摄氏度之间随机取值，之后每一次为黏度计液体打气，有一定概率使温度上升0.1摄氏度，表示水浴温度随环境缓慢上升。实验中使用到的水的黏度和密度、乙醇的密度，可以在单击“查附表”按钮后显示。这样用户可以用内插法获得整数带一位小数位的摄氏温度下的黏度和密度数值，就可以进行实验数据的计算了。

虚拟实验《长度测量实验》

《长度测量实验》操作界面如上页图5所示，包括游标卡尺的使用和千分尺的使用。先练习用游标卡尺测量圆筒的内外径、长度、深度和用千分尺测量圆柱的直径和高，学习游标卡尺和千分尺数据的测读方法。然后进行实验，用千分尺测量长杆圆柱的直径和用游标卡尺测量圆柱的长度，计算圆柱体积，并用测量数据进行误差和不确定度的学习和计算。用两种工具测量时，形成的读数的最后一位会加减一个随机数，使每次测量数据都略有差别。

在实验课前，笔者将相关虚拟实验程序提供给学生，并告诉学生在校园网上也可以进行操作，之后学生可自主选择时间进行实验模拟。这对于课前预习实验，充分搞清实验原理、实验过程和仪器设备的使用，建立实验前的直观认识和课后复习，巩固所学内容都有极大的好处，并能使广大学生有更多的动手实践机会，帮助他们亲身感受、理解知识的产生和发展过程，学会收集、处理信息，提高分析问题、解决问题的能力，也实现了实验室空间和时间的延伸。