基于虛擬儀器與真實(shí)儀器整合的大學(xué)物理教學(xué)改革

姜洪喜 鄧慧 任敦亮 郭鐵梁 任常愚 劉炳勝

摘 要：物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，許多物理知識(shí)獲得都是通過觀察實(shí)驗(yàn)，認(rèn)真的思索總結(jié)歸納出來(lái)的。因此在大學(xué)物理課堂開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)是非常必要的。在物理教學(xué)過程中利用實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)某些物理情景和過程，增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，將有助于學(xué)生理解和掌握相應(yīng)的物理規(guī)律，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，從而大幅度提高教學(xué)效果。文章介紹了將虛擬儀器與真實(shí)儀器優(yōu)化整合，在大學(xué)物理課堂開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法。虛與實(shí)結(jié)合，既提高了實(shí)驗(yàn)效率，又激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了大學(xué)物理的教學(xué)。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器 真實(shí)儀器 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）04（c）-0185-01

在物理教學(xué)過程中利用實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)某些物理情景和過程，增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，將有助于學(xué)生理解和掌握相應(yīng)的物理規(guī)律，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，從而大幅度提高教學(xué)效果。工科院校常見物理類實(shí)驗(yàn)有：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、物理演示實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)以及近年興起的虛擬實(shí)驗(yàn)。在我國(guó)高校中大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是一門獨(dú)立課程，一般在大學(xué)物理課程之后開設(shè)，由于實(shí)驗(yàn)通常比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大，所以不適于大學(xué)物理課堂教學(xué)直接使用；物理演示實(shí)驗(yàn)雖然可以生動(dòng)、直觀地表現(xiàn)物理現(xiàn)象，但只是粗略的展示，實(shí)驗(yàn)中的物理規(guī)律并沒有被充分、有效地展示。教師只是定性分析與說(shuō)明，而非精確分析和全面展示，因此缺乏一定的嚴(yán)謹(jǐn)性，精密性；計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)雖然形象直觀，過程逼真，但是缺乏真實(shí)感，無(wú)法讓學(xué)生感受到真實(shí)儀器的那種踏實(shí)，樂于接受情感；虛擬實(shí)驗(yàn)（虛擬儀器）雖然采集和處理的都是真實(shí)物理數(shù)據(jù)，但其高度集成化，忽視了認(rèn)識(shí)過程中的形象思維。近年雖有一些文獻(xiàn)探討了將虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的整合嘗試[1]。但方法都只是將二者進(jìn)行簡(jiǎn)單相互驗(yàn)證，實(shí)是實(shí)，虛是虛，沒有實(shí)現(xiàn)兩者有機(jī)結(jié)合。針對(duì)上述問題，該文提出利用虛擬儀器優(yōu)化真實(shí)儀器，簡(jiǎn)化真實(shí)實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)效率，并應(yīng)用于大學(xué)物理課堂教學(xué)，提高教學(xué)效果。

1 虛擬儀器

虛擬儀器是一種基于計(jì)算機(jī)的儀器，利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。它的本質(zhì)是“實(shí)”而不是“虛”，完全可以替代傳統(tǒng)測(cè)量測(cè)試儀器。軟件即儀器，安裝軟件的計(jì)算機(jī)便成為一個(gè)具有各種測(cè)量功能的數(shù)字化測(cè)量平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)示波器、信號(hào)發(fā)生器、頻譜儀、電壓表、電流表等多種普通儀器的全部功能，而且通過數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、記錄與數(shù)據(jù)處理[2]。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的是美國(guó)NI公司的Lab view軟件。Lab view是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣，編程時(shí)基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖，是一個(gè)面向最終用戶的工具。

2 將虛擬儀器與真實(shí)儀器整合，優(yōu)化課堂教學(xué)

虛擬儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件自定義的，而不是像真實(shí)儀器那樣事先由廠家定義好的，用戶可以根據(jù)需要隨意設(shè)計(jì)。而真實(shí)儀器可信度高，實(shí)驗(yàn)過程清晰，現(xiàn)象明了，實(shí)驗(yàn)結(jié)果學(xué)生樂于接受。因此將“虛”“實(shí)”結(jié)合，“虛”可以精簡(jiǎn)“實(shí)”，“實(shí)”可以證明“虛”并不虛。二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，大大提高實(shí)驗(yàn)的效率。

2.1 提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)效率，促進(jìn)課堂教學(xué)

目前國(guó)內(nèi)幾乎所有高校的大學(xué)物理課程和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程都是獨(dú)立設(shè)課的，究其原因：一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可能要用幾臺(tái)設(shè)備，搬運(yùn)不便，影響了教師使用積極性；另外儀器的安裝和實(shí)驗(yàn)測(cè)試需要花費(fèi)較多時(shí)間，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)又不能即時(shí)處理，無(wú)法立即獲得結(jié)論，在普遍課時(shí)少、教學(xué)任務(wù)重的情況下，物理實(shí)驗(yàn)自然難以出現(xiàn)在理論課堂。而虛擬儀器具有自動(dòng)化的快速數(shù)據(jù)采集和分析能力，強(qiáng)大而全面的圖形化處理能力，可以快速、精確獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此利用虛擬技術(shù)，即可解決部分大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)入課堂的上述困難。

如聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)需要聲速測(cè)量?jī)x、信號(hào)發(fā)生器和示波器三臺(tái)設(shè)備才能完成。而結(jié)合虛擬技術(shù)后，在多媒體教室，只需要一個(gè)聲速測(cè)量?jī)x（很容易攜帶），即可快速完成實(shí)驗(yàn)并獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論。方法是設(shè)計(jì)基于Lab view聲卡的雙通道信號(hào)發(fā)生器和示波器[3]，可以完全替代真實(shí)的信號(hào)發(fā)生器和示波器。虛擬雙通道信號(hào)發(fā)生器通過功放與聲速測(cè)量?jī)x的一個(gè)壓電陶瓷換能器（超聲波發(fā)生器）相連，另一個(gè)壓電陶瓷換能器（接受器）通過麥克風(fēng)插孔與虛擬示波器相連。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理可以通過Lab view編寫一個(gè)求平均值VI實(shí)現(xiàn)，輸入測(cè)量數(shù)據(jù)即時(shí)獲得結(jié)論，包括誤差分析。為操作方便，將雙通道信號(hào)發(fā)生器和示波器集成在一個(gè)虛擬儀器前面板上。

2.2 將演示實(shí)驗(yàn)精細(xì)化，充分展示物理規(guī)律

利用虛擬儀器對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的信息進(jìn)行采集，經(jīng)數(shù)字化處理，使得以往僅能在教室中作定性描述的演示實(shí)驗(yàn)，就可能在較短的時(shí)間里完成精確測(cè)量，這就提高了演示實(shí)驗(yàn)的精確度，豐富了演示內(nèi)容，也使演示的效果更加生動(dòng)，更吸引人。

如聲波拍現(xiàn)象演示，常用的是采用兩個(gè)頻率略有不同的音叉。演示時(shí)，當(dāng)分別擊打這兩個(gè)音叉時(shí)，就可聽到“嗡”、“嗡”的拍音。該演示的不足之處是學(xué)生不能直觀看到音叉及拍的實(shí)時(shí)振動(dòng)圖像，也想象不出拍的頻譜，學(xué)生只能靠聽覺判斷。而將音叉與基于聲卡的虛擬示波器整合演示拍現(xiàn)象，音頻信號(hào)利用麥克風(fēng)采集并送達(dá)虛擬示波器上，則在演示時(shí)學(xué)生不僅能聽到嗡…嗡拍音，還能在虛擬示波器前面板上觀測(cè)每個(gè)音叉發(fā)出音頻信號(hào)實(shí)時(shí)振動(dòng)圖像及合振動(dòng)拍的振動(dòng)圖像，進(jìn)一步還可以測(cè)出拍頻。顯然組合后的演示感官上更全面（聽覺、視覺），內(nèi)容更豐富（觀察振動(dòng)圖像、還可以直接測(cè)得拍頻），也使演示的效果更生動(dòng)，更吸引人，學(xué)生也更容易接受、理解和掌握拍的概念，大大提高了課堂教學(xué)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

該文借助虛擬技術(shù)，在大學(xué)物理課堂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益嘗試，將物理演示實(shí)驗(yàn)和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)引入大學(xué)物理理論課堂教學(xué)之中。使得看似簡(jiǎn)單演示和枯燥的物理實(shí)驗(yàn)瞬間變得“高大上”，激發(fā)了學(xué)生興趣，大大提高理論課教學(xué)效果。對(duì)于開展高效的物理教學(xué)提供一條有效的解決途徑。

參考文獻(xiàn)

[1] 田豐.虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的整合研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（11）：89-92.

[2] 楊樂平，李海濤，肖相生，等.Lab view程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001：193.

[3] 方利廣.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006：66-70.