基于虛擬儀器與真實儀器整合的大學物理教學改革

姜洪喜 鄧慧 任敦亮 郭鐵梁 任常愚 劉炳勝

摘 要：物理學是一門以實驗為基礎的科學，許多物理知識獲得都是通過觀察實驗，認真的思索總結歸納出來的。因此在大學物理課堂開展實驗教學是非常必要的。在物理教學過程中利用實驗再現某些物理情景和過程，增強學生感性認識，將有助于學生理解和掌握相應的物理規律，激發學習興趣，從而大幅度提高教學效果。文章介紹了將虛擬儀器與真實儀器優化整合，在大學物理課堂開展實驗教學的方法。虛與實結合，既提高了實驗效率，又激發學習興趣，促進了大學物理的教學。

關鍵詞：虛擬儀器 真實儀器 實驗教學 教學改革

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0185-01

在物理教學過程中利用實驗再現某些物理情景和過程，增強學生感性認識，將有助于學生理解和掌握相應的物理規律，激發學習興趣，從而大幅度提高教學效果。工科院校常見物理類實驗有：大學物理實驗、物理演示實驗、計算機仿真實驗以及近年興起的虛擬實驗。在我國高校中大學物理實驗是一門獨立課程，一般在大學物理課程之后開設，由于實驗通常比較復雜，數據處理量大，所以不適于大學物理課堂教學直接使用；物理演示實驗雖然可以生動、直觀地表現物理現象，但只是粗略的展示，實驗中的物理規律并沒有被充分、有效地展示。教師只是定性分析與說明，而非精確分析和全面展示，因此缺乏一定的嚴謹性，精密性；計算機仿真實驗雖然形象直觀，過程逼真，但是缺乏真實感，無法讓學生感受到真實儀器的那種踏實，樂于接受情感；虛擬實驗（虛擬儀器）雖然采集和處理的都是真實物理數據，但其高度集成化，忽視了認識過程中的形象思維。近年雖有一些文獻探討了將虛擬實驗與真實實驗的整合嘗試[1]。但方法都只是將二者進行簡單相互驗證，實是實，虛是虛，沒有實現兩者有機結合。針對上述問題，該文提出利用虛擬儀器優化真實儀器，簡化真實實驗，提高實驗效率，并應用于大學物理課堂教學，提高教學效果。

1 虛擬儀器

虛擬儀器是一種基于計算機的儀器，利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。它的本質是“實”而不是“虛”，完全可以替代傳統測量測試儀器。軟件即儀器，安裝軟件的計算機便成為一個具有各種測量功能的數字化測量平臺，實現示波器、信號發生器、頻譜儀、電壓表、電流表等多種普通儀器的全部功能，而且通過數據采集卡，實現自動測量、記錄與數據處理[2]。目前在這一領域內，使用較為廣泛的是美國NI公司的Lab view軟件。Lab view是一個標準的數據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有趣，編程時基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖，是一個面向最終用戶的工具。

2 將虛擬儀器與真實儀器整合，優化課堂教學

虛擬儀器的功能是用戶根據需要由軟件自定義的，而不是像真實儀器那樣事先由廠家定義好的，用戶可以根據需要隨意設計。而真實儀器可信度高，實驗過程清晰，現象明了，實驗結果學生樂于接受。因此將“虛”“實”結合，“虛”可以精簡“實”，“實”可以證明“虛”并不虛。二者優勢互補，大大提高實驗的效率。

2.1 提高大學物理實驗效率，促進課堂教學

目前國內幾乎所有高校的大學物理課程和大學物理實驗課程都是獨立設課的，究其原因：一個實驗內容可能要用幾臺設備，搬運不便，影響了教師使用積極性；另外儀器的安裝和實驗測試需要花費較多時間，實驗數據又不能即時處理，無法立即獲得結論，在普遍課時少、教學任務重的情況下，物理實驗自然難以出現在理論課堂。而虛擬儀器具有自動化的快速數據采集和分析能力，強大而全面的圖形化處理能力，可以快速、精確獲得實驗結果。因此利用虛擬技術，即可解決部分大學物理實驗進入課堂的上述困難。

如聲速測量實驗，實驗需要聲速測量儀、信號發生器和示波器三臺設備才能完成。而結合虛擬技術后，在多媒體教室，只需要一個聲速測量儀（很容易攜帶），即可快速完成實驗并獲得實驗結論。方法是設計基于Lab view聲卡的雙通道信號發生器和示波器[3]，可以完全替代真實的信號發生器和示波器。虛擬雙通道信號發生器通過功放與聲速測量儀的一個壓電陶瓷換能器（超聲波發生器）相連，另一個壓電陶瓷換能器（接受器）通過麥克風插孔與虛擬示波器相連。實驗數據處理可以通過Lab view編寫一個求平均值VI實現，輸入測量數據即時獲得結論，包括誤差分析。為操作方便，將雙通道信號發生器和示波器集成在一個虛擬儀器前面板上。

2.2 將演示實驗精細化，充分展示物理規律

利用虛擬儀器對演示實驗的信息進行采集，經數字化處理，使得以往僅能在教室中作定性描述的演示實驗，就可能在較短的時間里完成精確測量，這就提高了演示實驗的精確度，豐富了演示內容，也使演示的效果更加生動，更吸引人。

如聲波拍現象演示，常用的是采用兩個頻率略有不同的音叉。演示時，當分別擊打這兩個音叉時，就可聽到“嗡”、“嗡”的拍音。該演示的不足之處是學生不能直觀看到音叉及拍的實時振動圖像，也想象不出拍的頻譜，學生只能靠聽覺判斷。而將音叉與基于聲卡的虛擬示波器整合演示拍現象，音頻信號利用麥克風采集并送達虛擬示波器上，則在演示時學生不僅能聽到嗡…嗡拍音，還能在虛擬示波器前面板上觀測每個音叉發出音頻信號實時振動圖像及合振動拍的振動圖像，進一步還可以測出拍頻。顯然組合后的演示感官上更全面（聽覺、視覺），內容更豐富（觀察振動圖像、還可以直接測得拍頻），也使演示的效果更生動，更吸引人，學生也更容易接受、理解和掌握拍的概念，大大提高了課堂教學效果。

3 結語

該文借助虛擬技術，在大學物理課堂進行實驗教學的有益嘗試，將物理演示實驗和大學物理實驗引入大學物理理論課堂教學之中。使得看似簡單演示和枯燥的物理實驗瞬間變得“高大上”，激發了學生興趣，大大提高理論課教學效果。對于開展高效的物理教學提供一條有效的解決途徑。

參考文獻

[1] 田豐.虛擬實驗與真實實驗的整合研究[J].實驗技術與管理，2005，22（11）：89-92.

[2] 楊樂平，李海濤，肖相生，等.Lab view程序設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2001：193.

[3] 方利廣.大學物理實驗[M].上海：同濟大學出版社，2006：66-70.