LabVIEW虛擬實(shí)驗(yàn)與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合模式探析

王星

【摘要】文章結(jié)合教學(xué)實(shí)際，分析了LabVIEW虛擬仿真在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)和弊端，最后提出了如何趨利避害，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW虛擬仿真實(shí)驗(yàn);大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程;虛實(shí)結(jié)合

【基金項(xiàng)目】本文由廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：2018JGA338）資助。

物理學(xué)的基本理論是生產(chǎn)技術(shù)的許多自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)，同時(shí)應(yīng)用在理工科專業(yè)的各個(gè)學(xué)科中，也正因如此，大學(xué)物理是理工科所有專業(yè)的必修課程，可以說(shuō)學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程是學(xué)習(xí)專業(yè)課程的基礎(chǔ)[1]。大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容并不僅僅是通過(guò)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)對(duì)邏輯思維能力進(jìn)行培養(yǎng)，也要通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)將很多物理現(xiàn)象和物理規(guī)律直觀形象地展示，可以說(shuō)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)于大學(xué)物理的教學(xué)具有非常重要的意義[2-3]。雖然傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式也能在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和動(dòng)手能力，但存在很多缺點(diǎn)。

首先，由于實(shí)驗(yàn)教材和儀器在短期內(nèi)得不到更新，不能及時(shí)反映最新科技進(jìn)展，師生覺(jué)得物理實(shí)驗(yàn)缺乏挑戰(zhàn)性和成就感。其次，由于教學(xué)時(shí)間有限，課堂上教師沒(méi)有足夠的時(shí)間引導(dǎo)學(xué)生，只能簡(jiǎn)單講解和演示，學(xué)生也只能完成書(shū)本規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生探索和研究的機(jī)會(huì)甚少。另外，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，一次完整的實(shí)驗(yàn)課應(yīng)包括：1.課前預(yù)習(xí);2.課堂上由教師講解理解原理和操作過(guò)程并獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù);3.課下完成數(shù)據(jù)處理以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告;4.對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)，準(zhǔn)備考試。但由于目前多數(shù)學(xué)校開(kāi)設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)相對(duì)較少，實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間也非常有限，所以學(xué)生的課前預(yù)習(xí)只能以對(duì)照書(shū)本抄寫(xiě)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告的這種較為枯燥的方式進(jìn)行。這種預(yù)習(xí)效率低并且枯燥，不易理解，同時(shí)還降低了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣;而后續(xù)的復(fù)習(xí)只能靠學(xué)生之前在課堂上與儀器接觸的短暫時(shí)間的記憶進(jìn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)課程開(kāi)設(shè)的意義。

LabVIEW虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。LabVIEW軟件的編程界面為圖形化，且是面向最終用戶的高效工具。用它可以在計(jì)算機(jī)上制作各種儀器面板，然后通過(guò)接口電路完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳送、存儲(chǔ)、顯示，也就是用軟件取代傳統(tǒng)儀器的硬件來(lái)完成儀器的測(cè)量?jī)?nèi)容。

第一，LabVIEW虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提高實(shí)驗(yàn)安全性，降低儀器易損壞的損壞率。由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限，采用虛擬儀器可讓學(xué)生在預(yù)習(xí)階段對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中易損壞的設(shè)備進(jìn)行提示。如有些實(shí)驗(yàn)中所涉及的儀器比較容易損壞，如“光的等厚干涉實(shí)驗(yàn)”中的牛頓環(huán)儀經(jīng)常被學(xué)生摔碎，經(jīng)過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)，提高學(xué)生對(duì)儀器的重視程度，避免不必要的損耗。

第二，將LabVIEW虛擬仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以將教學(xué)的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生。通過(guò)逼真的仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在上課之前已經(jīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器有了較為深入的了解。因此，教師在課堂上不僅可以開(kāi)展一些書(shū)本中設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)，而且可以發(fā)揮學(xué)生的主體作用，設(shè)計(jì)出更具多樣性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生的探索、思考、創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義。

第三，LabVIEW虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有利于提高實(shí)驗(yàn)效率與效果。儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)是神秘的，學(xué)生對(duì)儀器結(jié)構(gòu)的理解直接影響到整個(gè)實(shí)驗(yàn)原理、操作過(guò)程甚至實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)可以給學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使學(xué)生了解儀器的內(nèi)部運(yùn)行過(guò)程，加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器和原理的理解，達(dá)到了真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到的教學(xué)效果。虛擬儀器具有可重復(fù)性，學(xué)生可以在課前和課后利用該虛擬系統(tǒng)預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解和掌握。

但是LabVIEW虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也有潛在的弊端。首先，LabVIEW虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的程序性。雖然LabVIEW虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)ξ锢韺?shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真并得到真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，并可以通過(guò)LabVIEW內(nèi)部的編程實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)距離、時(shí)間、電壓、電流、光子頻率等的精確控制，具有較強(qiáng)的交互性，但是多數(shù)的結(jié)果和過(guò)程都是設(shè)計(jì)者事先編輯好的，結(jié)果是可預(yù)測(cè)的，單純地利用仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)完成課程，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生缺乏科學(xué)探索性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)的意義。

其次，LabVIEW虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的單一性。LabVIEW虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展往往是為了減少實(shí)驗(yàn)成本，但是制作或購(gòu)買虛擬仿真實(shí)驗(yàn)本身也會(huì)花費(fèi)不菲。

再次，虛擬仿真缺乏指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)課堂是教師陪在學(xué)生身邊完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，教師可以即時(shí)給予答疑解惑。這種即時(shí)性非常有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高。但是在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生面對(duì)的是電腦，一旦實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)困惑，只能以留言方式反饋，降低了教學(xué)效率。

因此，利用LabVIEW虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)高效的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要謹(jǐn)慎而行。LabVIEW虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在一定程度上可以優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生成為課堂的主體，提高課堂效率，減少對(duì)學(xué)生和儀器不必要的損害。虛擬實(shí)驗(yàn)雖然具備交互性，但畢竟是虛擬的，無(wú)法代替課堂上利用儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)學(xué)科，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以很大程度上提高課堂效率。但是教師在教學(xué)過(guò)程中不可以過(guò)度依賴，要堅(jiān)持科學(xué)的實(shí)踐性。實(shí)體實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)都具有對(duì)方無(wú)法超越的優(yōu)點(diǎn)和一定的缺點(diǎn)。為了最大限度地提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，可以采用實(shí)體實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)模式。虛擬仿真技術(shù)引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，要按照“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的原則實(shí)施，即在預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)階段引入虛擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生以虛擬的儀器來(lái)代替真實(shí)的儀器，從而達(dá)到良好的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)效果。如，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課學(xué)生預(yù)習(xí)只能對(duì)照書(shū)本抄寫(xiě)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，通過(guò)觀察書(shū)上的二維圖片了解實(shí)驗(yàn)儀器;而LabVIEW虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以讓學(xué)生在課前預(yù)習(xí)階段從各個(gè)角度全方位地觀察實(shí)驗(yàn)儀器，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行任意的縮放、移動(dòng)，甚至進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)儀器的內(nèi)部去了解儀器的設(shè)計(jì)原理，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器認(rèn)識(shí)，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在課堂上，學(xué)生在預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，面對(duì)真實(shí)的儀器，又可以將之前在電腦屏幕中的虛擬儀器真實(shí)化，并進(jìn)一步對(duì)之前理解的內(nèi)容加以證實(shí)，完成實(shí)驗(yàn)。這樣，充分發(fā)揮真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)各自的優(yōu)勢(shì)，相互補(bǔ)充，將素質(zhì)能力培養(yǎng)貫穿于教學(xué)的全過(guò)程。這種實(shí)體實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式，有助于改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

根據(jù)馬克思的辯證理論思想，凡事皆具有兩面性。大力推行信息化有助于提高教學(xué)質(zhì)量，但運(yùn)用不當(dāng)也會(huì)造成一定弊端。將LabVIEW虛擬仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用到預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)中，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)助益頗多;但不可盲目用虛擬實(shí)驗(yàn)代替真實(shí)的課堂教學(xué)，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)以虛實(shí)結(jié)合的方式利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使其與真實(shí)實(shí)驗(yàn)深化結(jié)合，二者在教學(xué)中揚(yáng)長(zhǎng)避短，將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量最優(yōu)化，達(dá)到新時(shí)代高水平人才培養(yǎng)的目的。

【參考文獻(xiàn)】

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