利用LabVIEW軟件制作的虛擬仿真實驗對大學物理實驗教育的優(yōu)化

【摘要】LabVIEW的圖形化編程及強大的仿真功能給物理實驗教學帶來了極大的方便，并且使物理實驗變得更加有趣。虛擬儀器技術在物理實驗教學中的優(yōu)虛擬仿真實驗可以克服傳統(tǒng)儀器規(guī)格和數(shù)量不足、儀器易損壞的困難。采用虛擬仿真技術，可構成開放性的教學環(huán)境，不受到時間和空間限制。其應用有深遠的意義和時代的必要性。

【關鍵詞】實驗素質(zhì) 大學物理實驗 LabVIEW

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）16-0183-02

一、引言

虛擬儀器是在以計算機為核心的硬件平臺上，利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板，通過接口電路配合計算機完成對數(shù)據(jù)的采集、處理、傳送、存儲、顯示和打印， 由軟件取代傳統(tǒng)儀器的硬件來完成儀器的功能。[1]目前在這一領域內(nèi)，使用較為廣泛的是LabVIEW軟件，編程界面圖形化，是一個面向最終用戶的高效工具。國內(nèi)在物理虛擬仿真實驗系統(tǒng)的構建與開發(fā)方面已經(jīng)投入大量精力，如中國科學院高能物理研究所做了基于LabVIEW的同步輻射實驗系統(tǒng)；中國科學技術大學在運用虛擬技術進行物理實驗方面的成就在于開發(fā)了大學物理仿真實驗軟件。虛擬儀器實驗室在基礎實驗課程中的優(yōu)勢，正逐步為高校所認識，并逐步用虛擬儀器實驗室補充和取代傳統(tǒng)實驗室， 起到很好的教學效果，促進了創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。教育部物理基礎課程教學指導委員會發(fā)布的《理工科大學物理實驗課程教學基本要求》中明確提出， 要“創(chuàng)造條件，充分利用包括網(wǎng)絡技術、多媒體教學軟件等在內(nèi)的現(xiàn)代教育技術豐富教學資源，拓寬教學的時間和空間。[2]

二、利用LabVIEW軟件制作的虛擬仿真實驗的設計

（一）用戶界面

在虛擬實驗室中，學習者必須是通過用戶界面與虛擬實驗進行交互。因此，構建方便操作、逼近物理原型的人機界面是虛擬實驗系統(tǒng)要解決的首要問題。虛擬實驗室的真實性可以豐富學習者在虛擬情境中的體驗。模塊關鍵要實現(xiàn)在虛擬實驗過程中按照學習者的實驗進度，適時地為其提出指導性建議，同時，對于要操作中的危險因素（比如高壓，玻璃易碎）給出明顯的警告提示。

（二）情境創(chuàng)設

虛擬實驗室要依據(jù)學習者的經(jīng)驗、知識背景及需求，呈現(xiàn)具體的實驗目的、實驗發(fā)展歷史、在物理學中的地位等相關背景資料以及相關環(huán)境等信息。設置實驗內(nèi)容，仿真實驗場景和實驗對象，通過情境創(chuàng)設，以激發(fā)學習者的興趣。為了讓學習者在做實驗前掌握各種實驗儀器的性能和使用方法，本模塊給出了整個實驗中用到的所有儀器設備，并且呈現(xiàn)的方式可以使學習者360°全方位的觀察；為了方便學習者的學習，可以對三維立體的實驗儀器進行任意的縮放、移動和旋轉甚至是進入到實驗儀器的內(nèi)部。

（三）過程仿真

由于實驗步驟模塊關系到學習者是否能將在虛擬實驗室中獲得的技能向真實的操作能力遷移，所以對實驗步驟模塊設計的要求是盡可能提供一個與真實實驗相近的虛擬實驗環(huán)境，這就需要根據(jù)實驗原理進行精準編程和制作。學習者可以自由操作和調(diào)試實驗儀器，同時系統(tǒng)根據(jù)學習者的操作情況給出豐富的視覺反饋信息。

（四）數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)是對實驗定量分析的依據(jù)，是探索、驗證物理規(guī)律的第一手資料，也是對實驗數(shù)據(jù)的處理是實驗過程的重要內(nèi)容之一。在該虛擬實驗室中，需要考慮設置數(shù)據(jù)處理模塊，使學生擺脫繁瑣的計算，集中精力于實驗本身。當學習者完成實驗操作并記錄下實驗數(shù)據(jù)后，能通過該模塊對實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析。

三、利用LabVIEW軟件制作虛擬仿真實驗的優(yōu)勢

虛擬仿真物理實驗教學提高了實驗過程的可重復性。虛擬儀器系統(tǒng)可由用戶自己定義，自己設計儀器，可滿足不同要求，一臺虛擬儀器可以完成數(shù)臺甚至成套儀器所能完成的功能，節(jié)約了費用，減少了使用空間。

現(xiàn)代物理理論的發(fā)展使得通常的實驗儀器、實驗方法遠遠無法滿足現(xiàn)代物理理論的要求， 隨著現(xiàn)代物理理論日益抽象的內(nèi)容和形式的多樣化，這種變化趨勢會越來越大， 而虛擬儀器將能彌補其不足。

有些實驗中所涉及的一起比較容易損壞，如“分光計測量三棱鏡折射率”中的三棱鏡經(jīng)常被學生摔碎；“拉伸法測量楊氏模量”實驗中的小平面鏡也常常會墜落；“氣墊導軌上的碰撞實驗”中由于疏忽，容易造成導軌的磨損；而密立根油滴實驗中的油滴室其電壓可高至550V，而虛擬仿真實驗則可以有效境地降低安全隱患。

虛擬仿真實驗有利于提高實驗效率與效果。實驗儀器類似黑匣子，學生看不到儀器的內(nèi)部結構，學生對實驗原理和儀器原理的理解遇到障礙，而通過仿真實驗可以給學生展示實驗儀器的內(nèi)部結構、了解儀器的內(nèi)部運行過程，加深了對實驗儀器和原理的理解，提高真實實驗教學的效果。

四、小結

虛擬仿真技術不僅使學生能夠有效地通過觀察提出假想，而且提供的優(yōu)良交互性使實驗教學系統(tǒng)能夠為學生提供必要的反饋，學生可以通過屏幕提示逐步思考、選擇， 探索物理現(xiàn)象的本質(zhì)， 大大提高學生的理解力和掌握能力。

參考文獻：

[1]劉君華.基于LabV IEW的虛擬儀器設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2]李斌，譚鵬，等.LavVIEW在物理設計性實驗中應用的探討[J].大學物理實驗，2012，25（3）：85-87.

作者簡介：

王星 （1989.8-）， 女，漢族，黑龍江北安人，碩士研究生，講師，研究方向：多孔硅熱電材料。