基于labview的中學(xué)物理虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李勇 周甦

1 虛擬儀器技術(shù)及l(fā)abview介紹

虛擬儀器技術(shù)由美國(guó)國(guó)家儀器公司NI （ Nation Instruments）提出，其核心思想是“軟件即是儀器”，就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)儀器，其高效率、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)及維護(hù)成本低、擴(kuò)展性好等優(yōu)勢(shì)明顯。美國(guó)NI公司推出的LabVIEW （ Laboratory Virtual Instrumention Engineering Workbench）是一種圖形化編程語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境，被廣泛地應(yīng)用與工業(yè)、學(xué)術(shù)和實(shí)驗(yàn)室，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW是基于c語(yǔ)言基礎(chǔ)上采用框圖式的圖形化編程軟件。傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)所限無(wú)法達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，鑒于這樣的背景，為了促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，全面的提高教學(xué)質(zhì)量，本論文基于labview針對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。利用虛擬仿真技術(shù)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器教學(xué)，節(jié)省儀器設(shè)備的同時(shí)大大的提高了交互性，有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生獲取直接的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)有助于學(xué)生物理知識(shí)體系建構(gòu)。

2 Flash介紹

Flash是美國(guó)的MACROMEDIA公司于1999年6月推出的優(yōu)秀網(wǎng)頁(yè)動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件。它是一種交互式動(dòng)畫設(shè)計(jì)工具，用它可以將音樂(lè)，聲效，動(dòng)畫以及富有新意的界面融合在一起，以制作出高品質(zhì)的網(wǎng)頁(yè)動(dòng)態(tài)效果。Flash被廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域，文案演示、制作教學(xué)課件等較為常見(jiàn)。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以計(jì)算機(jī)作為硬件平臺(tái)，以labview2014為軟件平臺(tái)，結(jié)合Flash調(diào)用，開發(fā)一個(gè)“中學(xué)物理”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

3.1 程序設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能完成，數(shù)據(jù)生成，數(shù)據(jù)處理，運(yùn)動(dòng)軌跡描繪、指定運(yùn)動(dòng)圖像的生成、運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)演示、運(yùn)動(dòng)的軌跡分解、相關(guān)習(xí)題練習(xí)等。即包含3大模塊（1）物理實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)生成及處理。（2）實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)演示。（3）習(xí)題的練習(xí)。本次設(shè)計(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含7個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，分別對(duì)應(yīng)物理學(xué)中聲、光、電、力、熱、運(yùn)動(dòng)、信號(hào)七大模塊，本文主要介紹其中運(yùn)動(dòng)模塊、信號(hào)模塊、熱學(xué)模塊這3個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。同時(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含系統(tǒng)登陸、實(shí)驗(yàn)選擇、退出控件、圖像顯示、正誤判斷顯示等。

3.1.1 運(yùn)動(dòng)模塊

運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K分為兩個(gè)小模塊，分別是平拋運(yùn)動(dòng)模塊以及勻速直線運(yùn)動(dòng)模塊，平拋運(yùn)動(dòng)作為物理運(yùn)動(dòng)學(xué)高中階段研究的兩種經(jīng)典的曲線運(yùn)動(dòng)中的一種，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容安排，學(xué)生通過(guò)之前對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)，了解平拋運(yùn)動(dòng)的組成，以及如何分解平拋運(yùn)動(dòng)。它平拋運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)是學(xué)生首次用所學(xué)過(guò)的直線運(yùn)動(dòng)相關(guān)知識(shí)來(lái)處理、解決曲線運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，體會(huì)分析處理曲線運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的方法一一運(yùn)動(dòng)的分解與合成。在教學(xué)中應(yīng)讓學(xué)生體驗(yàn)應(yīng)用這種方法來(lái)探究物體做平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)習(xí)過(guò)程，體驗(yàn)知識(shí)發(fā)生的過(guò)程，激發(fā)學(xué)生對(duì)未知問(wèn)題的探求欲，進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)習(xí)新的思考方式，了解如何將復(fù)雜的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的問(wèn)題來(lái)解決，將未知的新問(wèn)題化為腦海中已有前概念的已知問(wèn)題進(jìn)行解決，將物體的曲線運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為更為直觀、簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題來(lái)探究。平拋運(yùn)動(dòng)是一種重要的運(yùn)動(dòng)方式，這不僅是知識(shí)的深化與擴(kuò)展，更重要的是思維能力的培養(yǎng)與提高。平拋運(yùn)動(dòng)相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜，不容易直接研究它在速度、位移等上的變化規(guī)律，需要將它分解成較為簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行研究。讓學(xué)生能夠理解運(yùn)動(dòng)的合成與分解這種思想方法的意義，知道為什么平拋運(yùn)動(dòng)可以進(jìn)行分解和如何進(jìn)行分解。學(xué)以致用，掌握平拋運(yùn)動(dòng)知識(shí)然后具備解決相關(guān)實(shí)際問(wèn)題的能力。

勻速直線運(yùn)動(dòng)則是中學(xué)物理中最為常見(jiàn)的一種運(yùn)動(dòng)方式，物體保持固定的的速度，加速度為0，沿直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，等時(shí)間間隔內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的位移相等。

系統(tǒng)中主要包括指定參數(shù)軌跡生成、運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)演示、習(xí)題演練三個(gè)部分。學(xué)生通過(guò)輸入運(yùn)動(dòng)相關(guān)參數(shù)獲取平拋運(yùn)動(dòng)以及勻速直線運(yùn)動(dòng)的軌跡圖像，通過(guò)對(duì)不同軌跡的圖像進(jìn)行觀察獲取相關(guān)規(guī)律，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與軌跡圖像可以實(shí)現(xiàn)同步，便于學(xué)生更好的觀察，通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行橫縱向分解，觀察flash動(dòng)態(tài)演示，從三個(gè)小球的運(yùn)動(dòng)圖像中直接的對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了解，通過(guò)頻閃照片了解運(yùn)動(dòng)軌跡，依照?qǐng)D表對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，了解平拋運(yùn)動(dòng)以及勻速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，最后進(jìn)行知識(shí)總結(jié)及習(xí)題鞏固。實(shí)驗(yàn)?zāi)K如圖1所示。

3.1.2 信號(hào)波形實(shí)驗(yàn)?zāi)K

在中學(xué)物理中，信號(hào)相關(guān)內(nèi)容為學(xué)生選修內(nèi)容，模塊包括虛擬信號(hào)生成、信號(hào)的合成與分解、濾波器、信號(hào)的加窗運(yùn)算。學(xué)生可以通過(guò)虛擬信號(hào)生成模塊生成周期信號(hào)以及非周期信號(hào)，包括正弦波、三角波、余弦波、鋸齒波、斜坡信號(hào)等信號(hào)波形，通過(guò)控制面板可以對(duì)生成信號(hào)的頻率、幅值、相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)加噪聲選版選擇是否添加噪聲，包括高斯噪聲、泊松噪聲等噪聲，該模塊主要用于信號(hào)類型，信號(hào)示波器的教學(xué)認(rèn)識(shí)，信號(hào)的合成與分解則方便學(xué)生利用此模塊學(xué)習(xí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，了解信號(hào)的疊加問(wèn)題，通過(guò)選用巴特沃斯等濾波器對(duì)加噪信號(hào)進(jìn)行濾波，在信號(hào)處理中還可對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT幅度、相位分析。具體實(shí)驗(yàn)?zāi)K如圖2、圖3所示。

3.1.3 熱學(xué)-比熱容模塊

在中學(xué)物理中，熱學(xué)實(shí)驗(yàn)也是一個(gè)重要部分，這里以比熱容實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生通過(guò)了解到物質(zhì)的特有屬性--比熱容，了解到不同物質(zhì)受熱后溫度變化的特性，實(shí)驗(yàn)通過(guò)物質(zhì)選擇、加熱環(huán)境模擬、導(dǎo)出物質(zhì)溫度隨時(shí)間變化曲線圖，學(xué)生通過(guò)對(duì)曲線圖的觀察、比對(duì)、分析。了解物質(zhì)的特性，學(xué)生不同物質(zhì)在同種加熱條件下溫度的變化是不同的，學(xué)習(xí)比熱容相關(guān)知識(shí)，利用習(xí)題模擬模塊進(jìn)行知識(shí)的鞏固。系統(tǒng)中加入了水、酒精、水銀、金屬等11種常見(jiàn)物質(zhì)，在給定初溫以及物體質(zhì)量的情況下對(duì)物體進(jìn)行加熱模擬。具體實(shí)驗(yàn)?zāi)K如圖4所示。

4 結(jié)論

基于labview的中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能較好的模擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生通過(guò)虛擬儀器的操作進(jìn)行相關(guān)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)，中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具備經(jīng)濟(jì)、便捷、維護(hù)成本低、交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可隨時(shí)供學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)使用，大大的提高了學(xué)習(xí)效率，作為課前預(yù)習(xí)工具，作為翻轉(zhuǎn)課堂的學(xué)生實(shí)驗(yàn)練習(xí)工具都可以起到提高課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率的作用，結(jié)合flash的直觀性以labview的程序運(yùn)算能力以及數(shù)據(jù)處理功能，學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)操作對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理功能也能幫助學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的重難點(diǎn)加強(qiáng)理解和掌握。同時(shí)信息化工具輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)順應(yīng)了新課標(biāo)提出的教育信息化的要求，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其不受時(shí)空限制、共享程度高、安全直觀、可實(shí)時(shí)交互等特性有助于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率的提高。

（作者單位：1湖南科技大學(xué) 2湖南長(zhǎng)沙同升湖實(shí)驗(yàn)中學(xué)）