基于LabVIEW的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫小鋒，縣 偉，何曉明

(1. 青海師范大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，青海 西寧 810016;2. 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 國有資產(chǎn)管理處，甘肅 蘭州 730000)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會對人才的需求不斷提高，本科人才培養(yǎng)逐漸成為創(chuàng)新型社會發(fā)展的關(guān)鍵[1]. 物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物理學(xué)課程中具有極其重要的作用[2]. 然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要通過教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，學(xué)生重復(fù)實(shí)驗(yàn)來完成. 這種以教師為中心的教學(xué)模式難以滿足現(xiàn)代創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求. 因此，推動現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革迫在眉睫. 如今互聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)取得了飛速發(fā)展，它們將助力實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的改革. LabVIEW作為程序可視化編程平臺，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示等特點(diǎn)，同時(shí)，它還能建立互聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)的鏈接. 因此，LabVIEW受到廣大教學(xué)和科研工作者的關(guān)注[3-7].

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工科院校本科生必修的一門實(shí)驗(yàn)課程，同時(shí)也是一門培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維與動手能力的基礎(chǔ)課程[8-9]. 實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)將為學(xué)生將來研究生階段的探索和學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)[8-9]. 但是全國仍有很多地方高校由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的老化或者儀器的缺乏，無法為學(xué)生提供良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺. 另外理論課程與實(shí)驗(yàn)課程很難統(tǒng)一進(jìn)度，例如：光的衍射實(shí)驗(yàn)是大學(xué)一年級開設(shè)的，而光學(xué)理論課程卻在大學(xué)二年級開設(shè)，這就導(dǎo)致出現(xiàn)了理論與實(shí)驗(yàn)脫節(jié)的現(xiàn)象. 本文將基于LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算能力，同時(shí)結(jié)合青海師范大學(xué)國家級物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng). 首先，本系統(tǒng)可以應(yīng)用于理論課程教學(xué)，理論課教師通過本系統(tǒng)讓學(xué)生回顧實(shí)驗(yàn)，達(dá)到理論課程與實(shí)驗(yàn)充分結(jié)合的目的；其次，本系統(tǒng)可以作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提前預(yù)習(xí)的工具與實(shí)驗(yàn)教師演示實(shí)驗(yàn)的工具；最后，本系統(tǒng)可以為缺乏某些實(shí)驗(yàn)設(shè)備的部分學(xué)校提供認(rèn)識實(shí)驗(yàn)的機(jī)會. 本系統(tǒng)的開發(fā)也能不斷提升學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的熱情與應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決物理問題的能力[2].

1 系統(tǒng)登錄框架設(shè)計(jì)

LabVIEW的前面板提供了大量顯示插件和輸入插件[8]. 通過多種顯示插件和輸入插件相互組合，設(shè)計(jì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，為了使界面美觀，可以調(diào)節(jié)顯示插件和輸入插件的位置. 在前面板設(shè)計(jì)人機(jī)交換界面，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的要求設(shè)計(jì)出執(zhí)行程序.

1.1 登錄界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)登錄界面的前面板(圖1)是通過2個(gè)字符串輸入控件、2個(gè)布爾開關(guān)以及1個(gè)文件使用對話框(已隱藏)設(shè)計(jì)而成. 2個(gè)字符串輸入控件為用戶提供了輸入賬戶和密碼的通道. 而布爾開關(guān)則是用來控制系統(tǒng)的按鈕. 后面板(圖2)的程序是由while循環(huán)、事件循環(huán)、條件循環(huán)以及VI子程序調(diào)用等功能組成.

圖1 登錄界面前面版結(jié)構(gòu)

圖2 登錄界面程序框圖

1.2 功能選擇界面設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)通過登錄界面密碼驗(yàn)證后會進(jìn)入功能選擇界面(圖3)，功能選擇界面前面板由7個(gè)布爾開關(guān)和3個(gè)文件使用對話框(已隱藏)組成，7個(gè)布爾開關(guān)主要用來控制后面板中的7個(gè)事件結(jié)構(gòu)的運(yùn)行. 依次是調(diào)用學(xué)校與學(xué)院官網(wǎng)、打開實(shí)驗(yàn)、打開WPS軟件、修改密碼、幫助和返回上層. 功能選擇界面的程序框圖如圖4所示，是有1個(gè)while循環(huán)和7個(gè)事件循環(huán)構(gòu)成. 其中設(shè)置調(diào)用學(xué)校官網(wǎng)的目的是為了教師或者學(xué)生在使用本系統(tǒng)的同時(shí)，可以在本系統(tǒng)內(nèi)部直接進(jìn)入學(xué)校官網(wǎng)查找所需要的資料. 設(shè)置WPS打開選項(xiàng)方便教學(xué)過程中教師可以在本系統(tǒng)內(nèi)部打開自己的PPT課件，使得系統(tǒng)更便捷化、人性化.

圖3 功能選擇界面前面版

圖4 功能選擇界面程序框圖

1.3 修改密碼界面設(shè)計(jì)

密碼技術(shù)是保障個(gè)人信息和系統(tǒng)安全的重要屏障[9]. 為了保證本系統(tǒng)能夠安全地運(yùn)行，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了密碼修改程序. 前面板(圖5)由字符串輸入控件、布爾開關(guān)等組成，后面板(圖6)是由多種循環(huán)結(jié)構(gòu)相互連接而成. 特別說明的是：修改密碼的過程中，系統(tǒng)會將用戶輸入的新密碼寫入密碼文本文件. 這個(gè)過程是打開文本文件、寫入文本文件、關(guān)閉文本文件，如果少一步密碼將無法

圖5 修改密碼界面前面版

圖6 修改密碼界面程序框圖

修改成功.

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)部分的設(shè)計(jì)

完成系統(tǒng)登錄框架的設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)將進(jìn)入模擬實(shí)驗(yàn)部分，本文將從大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的4個(gè)基本實(shí)驗(yàn)入手，設(shè)計(jì)出具有界面友好型、使用方便型和資源共享型的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng).

2.1 沖擊電流計(jì)的調(diào)節(jié)與使用模塊設(shè)計(jì)

沖擊電流計(jì)主要用于測量短時(shí)間內(nèi)脈沖電流的電荷量以及與電荷量相關(guān)的物理量[10-11]. 因此，沖擊電流計(jì)主要應(yīng)用于測低電容、高電阻以及螺線管磁場等[11-13]. 本文基于LabVIEW設(shè)計(jì)模擬沖擊電流計(jì)來演示其測量低電容的實(shí)驗(yàn).

沖擊電流計(jì)測量低電容的實(shí)驗(yàn)包括電流正向充電和放電、電流反向充電和放電4個(gè)步驟，圖7為模擬沖擊電流計(jì)實(shí)驗(yàn)的前面板，正在進(jìn)行沖擊電流計(jì)測待測電容時(shí)電容器電流正向充電和反向放電的過程演示，如圖7～8所示. 儀器前面板主要由XY-Graph、旋鈕、滑竿、儀表盤、各種布爾元件和顯示控件組成. 沖擊電流計(jì)模擬儀器的前面板左上方為XY-Graph圖，主要用來模擬沖擊電流計(jì)在充放電過程中電荷量與時(shí)間的動態(tài)關(guān)系. 左下方藍(lán)色旋鈕為模擬電路中的變阻箱，主要根據(jù)電路分壓原理來調(diào)節(jié)接入電路中的電壓. 中間部分是電荷量顯示控件和模擬充放電過程中電荷值. 待測電容顯示控件，用來模擬顯示測得的電容值. 電壓表表盤顯示接入電路中的電壓值. 最下方為時(shí)間顯示量表，能夠循環(huán)顯示0～100 s的時(shí)間，其程序圖如圖9所示，由于充電過程需要計(jì)時(shí)，所以量表的設(shè)計(jì)更方便了實(shí)驗(yàn)時(shí)的讀數(shù). 前面板右方為電源電壓輸入滑竿、電容顯示控件、各類布爾元件和電容調(diào)節(jié)旋鈕.

圖7 模擬沖擊電流計(jì)前面板(充電)

圖8 模擬沖擊電流計(jì)前面板(放電)

圖9 時(shí)間顯示量表程序框圖

2.2 單臂電橋測電阻模塊設(shè)計(jì)

通常采用直接測量法、伏安法等方法測量電阻值[14]. 單臂電橋測電阻是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)很重要的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)[15]. 本文以LabVIEW為開發(fā)平臺設(shè)計(jì)單臂電橋測電阻模擬演示實(shí)驗(yàn).

圖10 單臂電橋測電阻前面板

本模塊由前面板和后面板2部分組成，前面板(圖10)主要是通過各種顯示控件和布爾元件組成，以滑竿模擬滑動變阻器，表盤顯示模擬電路中的電壓和電流值. 電流計(jì)顯示了電路中的電壓差，同時(shí)，為了讀數(shù)方便，系統(tǒng)在前面板左下方設(shè)計(jì)了4個(gè)顯示控件，用來顯示各個(gè)參量的值.

2.3 示波器的調(diào)節(jié)與使用實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

在理工科院校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中示波器的調(diào)節(jié)和使用是最基礎(chǔ)，也是最重要的實(shí)驗(yàn)[16]，仿真軟件將憑借其低成本、高性能的優(yōu)勢在一定程度上可以改善一些地區(qū)實(shí)驗(yàn)儀器缺乏問題.

基于LabVIEW設(shè)計(jì)的示波器實(shí)驗(yàn)演示模塊如圖11所示. 軟件前面板由2個(gè)波形圖，1個(gè)XY圖以及各種旋鈕和布爾元件組成. 第一波形圖有4種不同的波形以供選擇，并為XY圖表中的X方向提供信號. 第二波形圖顯示的是正弦波，并為XY圖表中的Y方向提供信號. 2個(gè)波形圖的頻率和振幅可通過旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，另外X方向波形圖設(shè)計(jì)為定態(tài)，其采樣點(diǎn)可以通過采樣旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，Y方向波形圖設(shè)計(jì)為動態(tài)，可以通過相位旋鈕對波形相位進(jìn)行調(diào)節(jié).XY圖表是用來表示2列不同的波合成以后的圖形.XY圖表下方設(shè)計(jì)了3個(gè)旋鈕，分別為調(diào)節(jié)X軸尺度、調(diào)節(jié)Y軸尺度以及調(diào)節(jié)曲線亮度的旋鈕. 前面板最右側(cè)是用來導(dǎo)出XY圖標(biāo)圖像的一些參量設(shè)計(jì)串口. 最下方為停止實(shí)驗(yàn)按鈕.

圖11 示波器的調(diào)節(jié)與使用實(shí)驗(yàn)前面板

3 系統(tǒng)使用說明

3.1 系統(tǒng)的開發(fā)目的說明

本系統(tǒng)是基于LabVIEW2017版平臺開發(fā)的教學(xué)演示軟件，適用于大學(xué)物理理論課程教學(xué)，同時(shí)可以應(yīng)用于大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的預(yù)習(xí)和教師講解環(huán)節(jié). 本系統(tǒng)的開發(fā)只是為了缺乏某些儀器的地方院校暫解燃眉之急，同時(shí)，為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)課程的興趣[17]. 該系統(tǒng)不能完全取代物理實(shí)驗(yàn)[18].

3.2 系統(tǒng)的安裝與登錄過程的說明

1)系統(tǒng)的安裝

本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為LabVIEW2017版軟件，因此，在系統(tǒng)開發(fā)完成后，生成了2種安裝包以供用戶選擇，其一，如果用戶計(jì)算機(jī)安裝了LabVIEW2017及以上版本的軟件，則可以直接使用從LabVIEW中生成的.exe程序；其二，本系統(tǒng)也生成了計(jì)算機(jī)軟件安裝包，可以直接安裝于計(jì)算機(jī)上隨時(shí)使用，操作簡單，通俗易懂.

2)系統(tǒng)的登錄過程

登錄本系統(tǒng)時(shí)需要在登錄界面輸入正確的登錄賬戶和密碼方可進(jìn)入系統(tǒng). 進(jìn)入后用戶可根據(jù)自己的需要繼續(xù)訪問.

3.3 實(shí)驗(yàn)部分的使用說明

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)部分的使用必需結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)講義進(jìn)行學(xué)習(xí)，使用者應(yīng)當(dāng)理性認(rèn)識，本系統(tǒng)應(yīng)于操作實(shí)驗(yàn)相結(jié)合才能起到它真正的作用. 單獨(dú)的操作實(shí)驗(yàn)枯燥乏味，單獨(dú)的模擬實(shí)驗(yàn)則會喪失學(xué)生的動手能力，如果兩者結(jié)合，必然會給學(xué)生提供優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)環(huán)境.

4 結(jié)束語

大學(xué)物理是理工科院校培養(yǎng)本科生的必修課程，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤為重要，它能夠培養(yǎng)學(xué)生動手能力和獨(dú)立思考解決問題能力，也為學(xué)生將來研究生階段的探索和學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的最基本要求. 本文設(shè)計(jì)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)將通過成本低廉、操作簡單、界面友好等優(yōu)點(diǎn)來解決理論課與實(shí)驗(yàn)課脫節(jié)問題和彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的枯燥乏味，為實(shí)驗(yàn)教師在授課時(shí)提供了方便. 另外，也能暫時(shí)緩解一些地方院校缺乏某些實(shí)驗(yàn)儀器的問題.