基于虛擬儀器技術(shù)的高中摩擦力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

物理教學(xué)強(qiáng)調(diào)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，實(shí)踐教學(xué)就是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生加深對(duì)所學(xué)習(xí)物理知識(shí)的印象，教師要大膽創(chuàng)新，基于虛擬儀器技術(shù)建設(shè)高中物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，確保創(chuàng)新教學(xué)機(jī)制，豐富教學(xué)手段。摩擦力屬于高中物理教材中的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，圍繞摩擦力所展開的高中物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)非常生動(dòng)有趣。在契合高中物理新課改要求，采用LabVIEW編程、單片機(jī)等虛擬儀器技術(shù)所設(shè)計(jì)建立的物理摩擦力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能滿足師生教學(xué)需求，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)可視化、智能化操作，為高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提質(zhì)增效創(chuàng)造前提條件。

一、關(guān)于高中物理知識(shí)點(diǎn)——摩擦力

摩擦力屬于高中物理教材中力學(xué)單元的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，是重難點(diǎn)內(nèi)容。在常規(guī)教學(xué)中，教師常常用更為直觀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段來向?qū)W生介紹物理知識(shí)，幫助學(xué)生理解物理中摩擦力的概念。簡(jiǎn)單舉例，在利用小紙團(tuán)展開實(shí)驗(yàn)過程中，就記錄了小紙團(tuán)的動(dòng)靜摩擦力突變過程，而在這一實(shí)驗(yàn)過程中，教師就初步為學(xué)生構(gòu)建了最大靜摩擦力>滑動(dòng)摩擦力的基本科學(xué)概念。不過，這一實(shí)驗(yàn)也是存在缺陷的。

其一，實(shí)驗(yàn)中的小紙團(tuán)穩(wěn)定性表現(xiàn)不強(qiáng)，這種穩(wěn)定性表現(xiàn)不強(qiáng)問題要結(jié)合多點(diǎn)問題思考，保證準(zhǔn)確性內(nèi)涵能夠有所提升。在這一過程中，也需要思考導(dǎo)致小紙團(tuán)穩(wěn)定性表現(xiàn)不強(qiáng)問題可能是因?yàn)閼T性而不斷向前沖所造成的。

其二，如果采用測(cè)力儀器演示紙團(tuán)的動(dòng)靜摩擦力突變過程，可以了解到小紙團(tuán)的瞬時(shí)變化速度相對(duì)較快，所以變化現(xiàn)象不甚明顯，這種突變過程是不利于學(xué)生觀察的。換言之，物塊的瞬時(shí)突變演示效果不理想。

其三，物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程的演示完全取決于演示設(shè)備。所以，教師需要研制摩擦力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有效改善實(shí)驗(yàn)過程中的種種不足問題。

二、基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)原理與思路

如果采用相關(guān)操作內(nèi)容來展開分析，會(huì)了解到在測(cè)量過程中可能發(fā)生力量大小變化情況。就這一力量變化情況展開研討，需要基于諸多研究機(jī)制來思考提出有效解決方法。從某種程度上來講，還需要確保研究?jī)?nèi)容有所優(yōu)化，形成信息技術(shù)機(jī)制，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就傾向于采用虛擬儀器技術(shù)，其中就包括了單片機(jī)編程技術(shù)，在創(chuàng)設(shè)相關(guān)教學(xué)平臺(tái)過程中，也需要思考提出諸多問題，確保教學(xué)機(jī)制有效優(yōu)化，形成相關(guān)技術(shù)平臺(tái)，確保所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都能實(shí)現(xiàn)微觀化、可視化以及放大化，確保虛擬儀器技術(shù)中的諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)都能有效發(fā)揮出來，體現(xiàn)信息技術(shù)應(yīng)用高價(jià)值，制作形成一套完整的高中物理摩擦力實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，主要包含了虛擬仿真面板，它的基礎(chǔ)內(nèi)核是計(jì)算機(jī)平臺(tái)，其中包含了STM32單片機(jī)、攝像頭等，主要用于監(jiān)控滑塊、電機(jī)、力傳感器的相互轉(zhuǎn)變變化過程，提高實(shí)驗(yàn)操作效率。

以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的控制部分為例，它其中的模塊組成內(nèi)容豐富，單片機(jī)發(fā)揮了重要作用。教師會(huì)指導(dǎo)學(xué)生建立教學(xué)體系，確保優(yōu)化教學(xué)過程，思考教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合虛擬仿真面板來分析調(diào)整相關(guān)面板開關(guān)數(shù)據(jù)。從某種程度來講，也需要結(jié)合電機(jī)控制內(nèi)容來分析摩擦力變化，確保以及控制數(shù)據(jù)信息應(yīng)用到位。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)演示虛擬儀器技術(shù)過程中，同時(shí)也演示表格內(nèi)容、圖像內(nèi)容以及控制圖像處理控件，如此就能順利呈現(xiàn)摩擦力的操作內(nèi)容，來展開分析與處理內(nèi)容，結(jié)合摩擦力物理現(xiàn)象以及規(guī)律來展開分析，確保其中相關(guān)技術(shù)內(nèi)容被完整呈現(xiàn)出來。

三、基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案與效果

（一）基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

在課堂上，教師要基于虛擬儀器技術(shù)來指導(dǎo)學(xué)生展開操作，研究諸多技術(shù)內(nèi)容來建立相關(guān)采集機(jī)制，確保研究結(jié)果真實(shí)有效。要優(yōu)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，在采集摩擦力數(shù)據(jù)過程中，首先要點(diǎn)擊虛擬儀器技術(shù)設(shè)備中的“清零”開關(guān)，清除系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)容；其次，就是運(yùn)用“采集”“停止”開關(guān)來分析提出諸多教學(xué)問題，保證教學(xué)水平有所優(yōu)化。要分析靜摩擦力變化情況，有三種變化：

第一種是儀表顯示，需要基于教學(xué)內(nèi)容來分析相關(guān)操作，結(jié)合實(shí)驗(yàn)方式有效傳導(dǎo)來分析優(yōu)化顯示方案，結(jié)合直觀內(nèi)容分析相關(guān)操作，確保分析變化過程。

第二種是圖像顯示，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容來分析提出思考問題，教師要通過圖像為學(xué)生直觀顯示物理變化現(xiàn)象，基于教學(xué)內(nèi)涵來分析傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，保證教學(xué)機(jī)制思考分析摩擦力變化，同時(shí)思考摩擦力變化相關(guān)客觀規(guī)律，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量水平。

第三種是數(shù)字顯示，教師要指導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如此就能獲得摩擦力的客觀變化規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，學(xué)生能隨時(shí)學(xué)習(xí)掌握摩擦力大小的客觀變化規(guī)律，提高其實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)能力與操作能力。

（二）基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案實(shí)施效果

要基于虛擬儀器技術(shù)來設(shè)計(jì)打造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)后由教師為學(xué)生總結(jié)平臺(tái)設(shè)計(jì)與教學(xué)方案實(shí)施效果。比如，學(xué)生通過實(shí)時(shí)視頻來清晰透徹觀察受到摩擦力影響的滑塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，要保證所有學(xué)生都能觀察到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上動(dòng)摩擦力、靜摩擦力的變化過程，確保學(xué)生感性認(rèn)識(shí)相關(guān)知識(shí)內(nèi)容。久而久之，學(xué)生就能掌握摩擦力的大小變化規(guī)律內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，需要分析靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力變化，分析二者影響因素，進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上展開實(shí)驗(yàn)。

四、基于虛擬儀器技術(shù)的高中物理摩擦力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)案例

在高中物理摩擦力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)開展過程中，教師要大量使用各種虛擬儀器技術(shù)設(shè)備，有效開展教學(xué)活動(dòng)。

（一）激發(fā)學(xué)生興趣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

教師要開展基于虛擬儀器技術(shù)的高中實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)，就要激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣。眾所周知，高中物理知識(shí)難度較高，而且教學(xué)內(nèi)容枯燥乏味，容易讓學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)動(dòng)力。所以教師有必要在新課引入部分提出豐富的教學(xué)模塊，如引入基于虛擬儀器技術(shù)的“思維沖突”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠幫助學(xué)生體驗(yàn)神奇的摩擦力。

具體來講，教師要運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)為學(xué)生設(shè)計(jì)3D模板，并利用打孔機(jī)為3D模板兩端分別設(shè)計(jì)孔洞，然后結(jié)合教學(xué)內(nèi)容來分析截面變化情況，思考建立相關(guān)教學(xué)體系來分析提出問題，結(jié)合圓形界面分析變化情況，確保資質(zhì)3D模板有效形成。在這一過程中，也需要結(jié)合3D模板來展開思考分析，如圖1。

在課堂上，教師要運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)將3D模板疊合起來，呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，其目的是確保學(xué)生能夠結(jié)合自身的良好設(shè)計(jì)成果來學(xué)習(xí)理解相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的好奇心。當(dāng)然，3D模板在重疊以后可能會(huì)產(chǎn)生更大拉力，這容易令學(xué)生產(chǎn)生擔(dān)心焦慮，進(jìn)一步刺激學(xué)生產(chǎn)生了較大的思維沖突，進(jìn)而完全沉浸于物理實(shí)驗(yàn)情境中對(duì)物理學(xué)習(xí)產(chǎn)生較大興趣。在教師巧妙地教學(xué)方案設(shè)計(jì)、平臺(tái)建設(shè)以及虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用過程中，圍繞摩擦力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)就此建立起來，形成了教學(xué)中良好的情感鋪墊。

（二）增加學(xué)習(xí)感性體驗(yàn)并提高科學(xué)推理能力

在課堂教學(xué)中，教師需要增加學(xué)生的學(xué)習(xí)感性體驗(yàn)，同時(shí)提高學(xué)生的物理科學(xué)推理能力。為此，教師應(yīng)當(dāng)基于虛擬儀器技術(shù)來設(shè)計(jì)一個(gè)能夠確保師生互動(dòng)的平臺(tái)小實(shí)驗(yàn)。例如，采用摩擦力觀測(cè)設(shè)備來分析滑動(dòng)摩擦力的產(chǎn)生條件，結(jié)合彈力以及物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況來進(jìn)一步認(rèn)識(shí)滑動(dòng)摩擦力，滑動(dòng)摩擦力對(duì)于物體之間的互動(dòng)小實(shí)驗(yàn)非常敏感，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生阻力，這一阻力則需要結(jié)合對(duì)比實(shí)驗(yàn)過程來展開分析，確保實(shí)驗(yàn)過程中諸多實(shí)驗(yàn)視頻都能有效呈現(xiàn)出來，并建立對(duì)比實(shí)驗(yàn)教學(xué)，基于學(xué)生思考過程來分析認(rèn)識(shí)滑動(dòng)摩擦力的難度變化情況。當(dāng)然，教師為進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生感受滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生的條件，還需要利用虛擬儀器技術(shù)來指導(dǎo)學(xué)生觀察物體的相關(guān)操作來分析滑動(dòng)摩擦力作用變化，基于的研究?jī)?nèi)容來建立分析機(jī)制，思考多點(diǎn)實(shí)驗(yàn)視頻應(yīng)用情況。在這一過程中，也要結(jié)合視頻物塊來建立摩擦力分析機(jī)制，思考其中的關(guān)鍵影響，展開力學(xué)分析，建立教學(xué)引導(dǎo)機(jī)制，思考教學(xué)內(nèi)容與摩擦力變化情況。從思考摩擦力情況來過程中，也需要培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)與推理解題能力，達(dá)到應(yīng)有教學(xué)效果。

以其中一個(gè)視頻為例，教師要運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)來直觀展示物塊的直線運(yùn)動(dòng)。具體來講，就是采用A4紙與木塊，要基于教學(xué)內(nèi)容來分析思考有效模塊運(yùn)動(dòng)操作。在實(shí)驗(yàn)方案中，也需要結(jié)合多點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容來思考提出問題，確保結(jié)合桌面標(biāo)記內(nèi)容來分析參照物變化情況，在這一過程中需要基于教學(xué)來分析幫助學(xué)生理解何為加速運(yùn)動(dòng)，結(jié)合滑塊運(yùn)動(dòng)位置變化分析教學(xué)內(nèi)容。

（三）探索創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置

在教師指導(dǎo)學(xué)生探索創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置過程中，主要想解決的問題就是思考相關(guān)摩擦力變化情況，分析其中的影響因素。在深入了解傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的過程中，也需要思考不足問題，確保教學(xué)優(yōu)化到位，同時(shí)滿足教學(xué)內(nèi)容來思考提出問題。在這一過程中要保證教學(xué)內(nèi)容有所優(yōu)化，教師要在信息化平臺(tái)上為學(xué)生建立勻速拉動(dòng)彈簧秤變化，結(jié)合彈簧秤拉動(dòng)物塊過程來分析實(shí)驗(yàn)移動(dòng)過程，其讀數(shù)穩(wěn)定性可能不高。為此，教師需要利用虛擬仿真儀器平臺(tái)為學(xué)生設(shè)計(jì)摩擦力實(shí)驗(yàn)方案，如圖2。

教師要突破傳統(tǒng)方案，帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)測(cè)量滑動(dòng)摩擦力的虛擬儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，最終形成全新教學(xué)方案。

首先，需要采用細(xì)線懸掛彈簧秤來展開教學(xué)，客觀合理地分析彈簧秤示數(shù)變化情況，調(diào)整優(yōu)化其穩(wěn)定性，確保實(shí)驗(yàn)對(duì)于摩擦力測(cè)量產(chǎn)生良性影響，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)過程。

其次，教師要采用手動(dòng)方式直接拉動(dòng)長(zhǎng)模板，保證長(zhǎng)模板能夠在虛擬儀器技術(shù)平臺(tái)上沿著直線運(yùn)動(dòng)。如果學(xué)生直接用手控制難度較高，容易導(dǎo)致物塊停止不會(huì)產(chǎn)生任何摩擦力。當(dāng)長(zhǎng)木板停下時(shí)，主要對(duì)木塊以及模板之間的靜摩擦力進(jìn)行分析計(jì)算，最后在彈簧秤上分析所得出示數(shù)結(jié)果。

最后，還需要基于多點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容來展開分析，提出有效教學(xué)策略。要爭(zhēng)取對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，基于多點(diǎn)彈簧秤的讀數(shù)穩(wěn)定內(nèi)容來分析提出滑動(dòng)摩擦力變化情況即可。

總體來講，教學(xué)中要活用虛擬儀器技術(shù)，基于智能彈簧秤教學(xué)內(nèi)容來思考提出問題，分析彈簧秤的變化情況，保證讀數(shù)穩(wěn)定化操作。在彈簧秤中也需要基于教學(xué)內(nèi)容來建立分析機(jī)制，確保彈簧秤能夠發(fā)揮其正常功能，滿足滑動(dòng)優(yōu)勢(shì)，利用虛擬儀器技術(shù)確保其正常自如運(yùn)動(dòng)。此時(shí)分析摩擦力效應(yīng)，就能了解到物塊在長(zhǎng)木板上是能夠沿著直線向前運(yùn)動(dòng)的。如果在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上教師選擇使用了虛擬可調(diào)速的電動(dòng)機(jī)，則需要通過虛擬調(diào)速技術(shù)來分析教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合長(zhǎng)木板速度變化來分析長(zhǎng)模板摩擦力調(diào)整情況，保證教學(xué)的關(guān)聯(lián)。

為確保虛擬儀器技術(shù)能夠在分析相關(guān)關(guān)系過程中發(fā)揮作用，要給予相關(guān)關(guān)系內(nèi)容來建立教學(xué)分析機(jī)制，確保形成多方相互影響的正相關(guān)關(guān)系。從某種程度來講，需要基于諸多教學(xué)內(nèi)容來建立創(chuàng)新性組合設(shè)計(jì)內(nèi)容，要保證做到引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入課堂練習(xí)環(huán)節(jié)，提高教學(xué)水平。

（四）開展課堂練習(xí)活動(dòng)

教師要在高中物理課堂上開展課堂練習(xí)活動(dòng)，幫助學(xué)生將所學(xué)知識(shí)學(xué)以致用。通過虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)建物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教師可以用短視頻形式展示相關(guān)內(nèi)容，基于教學(xué)機(jī)制建立課堂練習(xí)教學(xué)活動(dòng)，豐富優(yōu)化教學(xué)方式，也需要確保由教師給出已知條件OA=2OB=2L，這其中L代表了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軌道長(zhǎng)度。教師需要基于水平位置為學(xué)生靜止放置、展示小球的重力加速度應(yīng)該為g。

在桿轉(zhuǎn)動(dòng)到豎直位置的過程中B小球的機(jī)械能變化過程，并得出以下結(jié)論：第一，指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)機(jī)械能守恒定律，并分析建立其中的小球物體模型。第二，判斷機(jī)械能守恒定律中的使用條件方法，配合摩擦力分析小球因?yàn)槟Σ亮τ绊懚a(chǎn)生的各種結(jié)果。第三，指導(dǎo)學(xué)生分析問題，轉(zhuǎn)換研究思路，做到活學(xué)活用，正確判斷機(jī)械能守恒定律的研究對(duì)象是哪些。

總結(jié)來講，小球A在不計(jì)算質(zhì)量的情況下受到彈簧壓縮影響而產(chǎn)生摩擦力；小球B則沿著光滑斜側(cè)表面有所上升，且小球處于擺動(dòng)狀態(tài)下。

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)研究可以了解到，摩擦力對(duì)象的選擇容易導(dǎo)致學(xué)生發(fā)生認(rèn)知錯(cuò)誤，所以教師利用虛擬儀器技術(shù)配合建立平臺(tái)做法幫助學(xué)生學(xué)習(xí)理解研究對(duì)象，同時(shí)讓學(xué)生充分理解虛擬儀器技術(shù)對(duì)于建立完整的摩擦力教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是相當(dāng)重要的。在整堂課的教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師都希望通過問題鏈+采用LabVIEW編程逐層深入引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)分析，為學(xué)生在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上呈現(xiàn)編程結(jié)果，展示實(shí)驗(yàn)流程。這些都需要教師發(fā)揮自身能力價(jià)值，幫助學(xué)生更好地發(fā)展。所以說，課堂上教師還需要努力培養(yǎng)學(xué)生良好的邏輯能力以及思維能力，從更多層面來形成育人思想，這對(duì)于解決學(xué)生學(xué)習(xí)理解某些教學(xué)難題，完成教學(xué)任務(wù)都有幫助。

在高中物理教學(xué)中，運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)來為學(xué)生搭建基于動(dòng)摩擦力、靜摩擦力的測(cè)量與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)是非常有意義的。它可以將傳統(tǒng)教學(xué)模式與信息化教學(xué)模式合二為一，簡(jiǎn)化教學(xué)方案，直觀呈現(xiàn)物理現(xiàn)象，如此更能吸引高中生學(xué)習(xí)物理，打破傳統(tǒng)教學(xué)桎梏，體現(xiàn)更高的高中物理教學(xué)價(jià)值。