虛擬仿真在物化實驗教學(xué)中的應(yīng)用

強雪 王偉宇 白云山

[摘 要] 針對目前實驗教學(xué)模式，以經(jīng)典物理化學(xué)實驗原電池電動勢的測定作為研究對象，設(shè)計了一個基于LabVIEW的虛擬仿真實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅高度仿真原電池電動勢的測定實驗的全過程，還加入了實驗步驟操作提示和錯誤警示設(shè)計。與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，采用線上線下混合教學(xué)模式，學(xué)生實驗所用時間平均縮短20分鐘左右，且60%左右的學(xué)生實驗誤差的絕對值在5%以內(nèi)。

[關(guān)鍵詞] 物理化學(xué)實驗;虛擬仿真;LabVIEW;原電池電動勢

[基金項目] 2016年陜西師范大學(xué)教改項目“物化熱力學(xué)實驗仿真系統(tǒng)的研究”（16SY05）

[作者簡介] 強 雪（1974—），女，陜西咸陽人，碩士，陜西師范大學(xué)基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心講師，主要研究方向為計算機(jī)教育技術(shù)及應(yīng)用;王偉宇（通信作者）（1976—），男，陜西臨潼人，碩士，陜西師范大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院講師，主要研究方向為計算機(jī)教育應(yīng)用及教學(xué)法;白云山（1966—），男（回族），博士，陜西師范大學(xué)基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為無機(jī)材料及物理化學(xué)。

[中圖分類號] TP391.9? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）31-0387-02? ? [收稿日期] 2020-02-18

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真實驗也因其演示直觀、操作靈活、可重復(fù)回放學(xué)習(xí)等優(yōu)點被應(yīng)用到了物理化學(xué)實驗實際教學(xué)中。其中，大連理工大學(xué)劉志廣課題組研發(fā)的物理化學(xué)虛擬實驗可以在實驗過程中切換場景，實現(xiàn)一些簡單可行的交互性操作[1];成都師范學(xué)院奉強等人[2]使用量子化學(xué)軟件Gaussian09，把熱力學(xué)和動力學(xué)的抽象內(nèi)容形象直觀地展示給學(xué)生。LabVIEW因其采用圖形化的編程環(huán)境，在虛擬仿真系統(tǒng)中具有模塊交互友好、智能化程度高、界面友好等優(yōu)點被人們應(yīng)用于實驗平臺的開發(fā)中[3-5]。本文基于LabVIEW，以物理化學(xué)實驗原電池電動勢的測定為例，設(shè)計了一個高度模擬真實實驗操作過程的仿真系統(tǒng)。本系統(tǒng)不僅為學(xué)生清晰地展示了實驗操作、實驗原理及儀器的使用方法，也能有效減少線下實驗中因錯誤操作對儀器造成的損壞及實驗失敗的情況，提高實驗的效率。

一、虛擬仿真開發(fā)環(huán)境

LabVIEW是一種圖形化的軟件開發(fā)環(huán)境，它由前面板和程序面板組成。前面板主要是通過系統(tǒng)提供的各種原始控件或自定義控件等來模擬真實的儀器操作環(huán)境，在程序面板將各種控件圖標(biāo)根據(jù)邏輯關(guān)系進(jìn)行連接、運算，圖標(biāo)之間連線表明數(shù)據(jù)的流向。目前，LabVIEW被已經(jīng)應(yīng)用于測量測試、儀器控制、實驗仿真、兒童教育、跨平臺、快速開發(fā)等多個領(lǐng)域[6-8]。虛擬仿真中使用的儀器模型電極、恒溫水浴槽、原電池、標(biāo)準(zhǔn)電池及ZC-WC數(shù)字式電位差計都是根據(jù)真實的儀器圖片，使用CorelDRAW軟件繪制出來的。

二、虛擬仿真實驗

原電池電動勢的測定實驗是恒溫下進(jìn)行的，原電池的電極是銅棒和鋅棒，實驗采用對消法測量電動勢，調(diào)節(jié)補償電壓，使測量儀器和被測量儀器之間沒有電流，ZC-WC數(shù)字式電位差計刻度盤上的示數(shù)就是被測電池的電動勢。記錄當(dāng)前實驗室溫度為T，根據(jù)以下公式，計算標(biāo)準(zhǔn)電池在實驗溫度下的電動勢

En=1.01865-4.05×10-5（T-293）-9.5×10-7（T-293）2+1×10-8（T-293）3

虛擬仿真的界面真實的還原了實驗中的操作場景，讓學(xué)生有身在實驗室中的感覺。該前面板即操作界面的設(shè)計分為八個部分（圖1），分別用實驗名稱、實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒瀮x器及試劑、實驗步驟、仿真實驗、數(shù)據(jù)記錄及處理、注意事項及反思八個選項卡來呈現(xiàn)。仿真實驗部分包含原電池組裝和電動勢測量兩個子選項卡，是仿真實驗的核心部分。

原電池組裝界面（圖2）用布爾按鈕控件分別表示打磨銅棒、打磨鋅棒、加入硫酸銅、加入硫酸鋅等命令按鈕;在操作界面中插入字符串顯示控件，加入信息提示和警示，便于學(xué)生了解正確的操作步驟及容易出錯的地方。

在電動勢測量模塊中導(dǎo)入恒溫水浴、ZC-WC數(shù)字式電位差計模型，在ZC-WC數(shù)字式電位差計模型中插入開關(guān)控件、數(shù)值顯示控件、旋鈕控件，建立ZC-WC數(shù)字式電位差計控制模塊，在恒溫水浴圖片模型中插入開關(guān)、旋鈕、指示燈控件，效果如圖3所示。

三、仿真系統(tǒng)的實踐

為了驗證仿真系統(tǒng)對實驗教學(xué)的影響，我們選擇化學(xué)專業(yè)的兩個班級，從實驗時間和實驗誤差絕對值兩個方面進(jìn)行考察。一班學(xué)生采取傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行實驗，二班學(xué)生采取線上線下混合模式進(jìn)行實驗。從圖4可以看出，經(jīng)過仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)的學(xué)生，線下實驗時間比未仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)的學(xué)生平均少20分鐘左右。圖5表明，采用線上線下混合模式教學(xué)方法，大約有60%的學(xué)生實驗誤差絕對值在5%以內(nèi)，而傳統(tǒng)模式下此誤差內(nèi)的學(xué)生大約為47%。

四、結(jié)束語

本文針對目前物理化學(xué)實驗的教學(xué)情況，以經(jīng)典物理化學(xué)實驗原電池電動勢的測定為研究對象，依托LabVIEW開發(fā)環(huán)境，研發(fā)了獨立的仿真實驗系統(tǒng)。仿真實驗系統(tǒng)的界面友好，互動性強，可以隨時進(jìn)行參數(shù)和算法的調(diào)整;實驗高度仿真，清晰地展示了實驗。

操作和實驗原理，學(xué)生通過在虛擬情境中的模擬學(xué)習(xí)，可以更快速地完成線下實驗，降低實驗誤差，提高實驗的成功率。仿真實驗系統(tǒng)為學(xué)生提供了一個線上實訓(xùn)平臺，通過仿真實驗操作，學(xué)生可以更快速地了解實驗過程和儀器的使用，最終達(dá)到自主完成實驗操作的目的。

參考文獻(xiàn)

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