基于虛擬化儀器的物理實驗教學改革研究

陳建軍　胡彥婷　木拉提·哈米提

摘 要： 文章針對當前非物理專業的實驗教學中所面臨的各種問題和挑戰，采用虛擬軟件培養的方式，使學生快捷地認識和熟悉物理實驗的流程，進一步加深對專業基礎課程的了解和掌握，增強對相關物理實驗的實踐動手能力，最終以虛擬儀器實驗教學方式提高學生的實踐創新能力。

關鍵詞： 物理實驗教學 虛擬化 教學方式 實踐能力

一、引言

隨著經濟的高速發展，社會各行各業對有較強創新能力、動手能力的綜合類人才的迫切需求和此類人才數目的巨大缺口之間的矛盾越發突出[1]-[3]。高等院校肩負為社會輸出大量合格人才的主要責任，因此，對學生實踐能力的培養近年來越來越受到各高校的重視[4]-[5]。實驗是大學理工農醫等學科教育的重要環節，是提高學生動手能力，培養創造能力和綜合素質的最有效手段之一。醫用物理實驗是我校學生進入大學后首先遇到的一門系統全面的實驗課程，且作為醫科類學生必修的基礎類實踐課程，毫無疑問在學生的培養實踐環節方面處于重要地位，它不僅可以加深學生對理論知識的理解，更重要的是可以使學生獲得基本的實驗知識，在實驗方法和技能方面得到較系統、嚴格的訓練，培養學生敏銳的觀察力、嚴謹的科學思維能力和創新精神，提高學生的綜合素質。

二、物理實驗教學所涉及的問題

物理實驗教學示范中心是我校實驗教學示范中心，承擔全校醫學專業類學生的物理實驗教學工作。我校醫用物理實驗課程仍基本沿用傳統模式，在課程實施中存在一些問題，影響了教學效果。

1.作為專業醫學類院校，我校醫用物理實驗課程覆蓋面很廣，涉及臨床、檢驗、影像、公共衛生等近十個專業方向的學生，這些學生的理論基礎、動手能力和對知識的接受能力參差不齊，這對實驗教學環節提出了很大挑戰。盡管在教學過程中，我們根據實驗的難易程度對不同專業的學生進行分類教學，但這種劃分并不能完全解決上述問題。

2.實驗教學環節仍采用傳統模式，即老師在黑板上先講述實驗原理，再結合一定實驗操作給學生介紹實驗儀器、相關步驟、注意事項，等等。對于一些比較復雜的實驗，比如示波器的基本操作等，由于學生理論基礎普遍相對薄弱，實驗操作環節很復雜，采用傳統教學模式學生的知識接受度不足以滿足實驗教學要求。

3.雖然我校已加大了實踐環節的資金投入，但這種有限的投入很難滿足試驗設備價格昂貴、更新速度快的要求。由于實驗儀器長期高負荷運作，損耗率較高，實驗器材老化嚴重，影響了正常實驗教學工作的開展。

三、虛擬化實驗教學平臺

針對暴露出來的這些問題，我們在學校相關教改項目的支持下，已進行了一定的探索和研究。近年來，隨著虛擬儀器技術的迅猛發展，我們逐漸關注到其應用于實驗教學中的顯著優勢。

虛擬儀器實驗系統的優點如下：

1.成本低廉。虛擬儀器的價格低廉，是傳統儀器的10%～20%。虛擬儀器的結構是基于軟件體系的，不像傳統儀器的硬件存在器件老化及溫度變化的問題，從而延長設備的使用壽命，也可以節省維護費用。

2.靈活性大。傳統儀器系統自身封閉、功能固定、可擴展性差，而虛擬儀器可由用戶（學生或老師）自行定義功能模塊，大大增強了其靈活性。而且任何計算機技術的提升皆可及時提高虛擬儀器的功能。

3.數據處理功能強大。虛擬儀器可方便地對數據進行編輯、存儲和打印，這是傳統儀器無法做到的。

4.測量精確。傳統儀器受系統誤差的影響，不同儀器之間個體差異較大，加之觀察者自身因素等往往會影響測量結果，而虛擬儀器在PC機上運行，不同的PC機上運行具有相同的效果，測量誤差很小。

5.界面生動直觀，有利于激發學生的學習興趣。容錯性強，內核基于軟件，即使學生操作失誤也不容易對實驗儀器造成損壞。

由于虛擬儀器技術具有以上優點，因此可將其應用到實驗教學中，構成虛擬儀器實驗教學系統。目前，我們已基于Labview開發出一款虛擬示波器用于實驗教學環節中，該虛擬示波器集成了信號發生器模塊和示波器探測模塊，能夠模擬實現實驗教學中要求學生掌握的示波器的主要功能。該虛擬示波器已封裝為exe執行文件，學生可以在任何一臺電腦安裝運行，通過在電腦上進行模擬操作，結合書本預習課前就能掌握示波器的基本操作方法，從而大大激發學生在預習環節自主學習的熱情和動力。

四、結語

我們嘗試把虛擬示波器用于多媒體教學過程中，通過直觀演示，學生對知識的接受度大大提高，強化了教學效果，減輕了教學負擔。當然，我們目前做的工作才剛剛起步，下一階段，我們將會針對不同實驗內容針對性地開發相應的虛擬儀器，并對其應用于實驗教學環節的方法和手段進行積極探索。我們希望最終能夠開發出一套系統化、模塊化的虛擬儀器實驗教學系統，培養學生的創新能力和實踐能力，進而培養出更適合社會需要的棟梁。

參考文獻：

[1]國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）.新華社北京，2010年7月29日電.

[2]王勇，梅忠義.問題與對策：大學物理實驗教學改革探討.湖北廣播電視大學學報，2008，28（4）.

[3]鄧曉冉，楊帥.淺談大學物理實驗教學改革.大學物理實驗，2009，22（1）.endprint