利用LabVIEW软件制作的虚拟仿真实验对大学物理实验教育的优化

【摘要】LabVIEW的图形化编程及强大的仿真功能给物理实验教学带来了极大的方便，并且使物理实验变得更加有趣。虚拟仪器技术在物理实验教学中的优虚拟仿真实验可以克服传统仪器规格和数量不足、仪器易损坏的困难。采用虚拟仿真技术，可构成开放性的教学环境，不受到时间和空间限制。其应用有深远的意义和时代的必要性。

【关键词】实验素质 大学物理实验 LabVIEW

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）16-0183-02

一、引言

虚拟仪器是在以计算机为核心的硬件平台上，利用软件在屏幕上生成各种仪器面板，通过接口电路配合计算机完成对数据的采集、处理、传送、存储、显示和打印， 由软件取代传统仪器的硬件来完成仪器的功能。[1]目前在这一领域内，使用较为广泛的是LabVIEW软件，编程界面图形化，是一个面向最终用户的高效工具。国内在物理虚拟仿真实验系统的构建与开发方面已经投入大量精力，如中国科学院高能物理研究所做了基于LabVIEW的同步辐射实验系统；中国科学技术大学在运用虚拟技术进行物理实验方面的成就在于开发了大学物理仿真实验软件。虚拟仪器实验室在基础实验课程中的优势，正逐步为高校所认识，并逐步用虚拟仪器实验室补充和取代传统实验室， 起到很好的教学效果，促进了创新人才的培养。教育部物理基础课程教学指导委员会发布的《理工科大学物理实验课程教学基本要求》中明确提出， 要“创造条件，充分利用包括网络技术、多媒体教学软件等在内的现代教育技术丰富教学资源，拓宽教学的时间和空间。[2]

二、利用LabVIEW软件制作的虚拟仿真实验的设计

（一）用户界面

在虚拟实验室中，学习者必须是通过用户界面与虚拟实验进行交互。因此，构建方便操作、逼近物理原型的人機界面是虚拟实验系统要解决的首要问题。虚拟实验室的真实性可以丰富学习者在虚拟情境中的体验。模块关键要实现在虚拟实验过程中按照学习者的实验进度，适时地为其提出指导性建议，同时，对于要操作中的危险因素（比如高压，玻璃易碎）给出明显的警告提示。

（二）情境创设

虚拟实验室要依据学习者的经验、知识背景及需求，呈现具体的实验目的、实验发展历史、在物理学中的地位等相关背景资料以及相关环境等信息。设置实验内容，仿真实验场景和实验对象，通过情境创设，以激发学习者的兴趣。为了让学习者在做实验前掌握各种实验仪器的性能和使用方法，本模块给出了整个实验中用到的所有仪器设备，并且呈现的方式可以使学习者360°全方位的观察；为了方便学习者的学习，可以对三维立体的实验仪器进行任意的缩放、移动和旋转甚至是进入到实验仪器的内部。

（三）过程仿真

由于实验步骤模块关系到学习者是否能将在虚拟实验室中获得的技能向真实的操作能力迁移，所以对实验步骤模块设计的要求是尽可能提供一个与真实实验相近的虚拟实验环境，这就需要根据实验原理进行精准编程和制作。学习者可以自由操作和调试实验仪器，同时系统根据学习者的操作情况给出丰富的视觉反馈信息。

（四）数据处理

实验数据是对实验定量分析的依据，是探索、验证物理规律的第一手资料，也是对实验数据的处理是实验过程的重要内容之一。在该虚拟实验室中，需要考虑设置数据处理模块，使学生摆脱繁琐的计算，集中精力于实验本身。当学习者完成实验操作并记录下实验数据后，能通过该模块对实验数据进行处理和分析。

三、利用LabVIEW软件制作虚拟仿真实验的优势

虚拟仿真物理实验教学提高了实验过程的可重复性。虚拟仪器系统可由用户自己定义，自己设计仪器，可满足不同要求，一台虚拟仪器可以完成数台甚至成套仪器所能完成的功能，节约了费用，减少了使用空间。

现代物理理论的发展使得通常的实验仪器、实验方法远远无法满足现代物理理论的要求， 随着现代物理理论日益抽象的内容和形式的多样化，这种变化趋势会越来越大， 而虚拟仪器将能弥补其不足。

有些实验中所涉及的一起比较容易损坏，如“分光计测量三棱镜折射率”中的三棱镜经常被学生摔碎；“拉伸法测量杨氏模量”实验中的小平面镜也常常会坠落；“气垫导轨上的碰撞实验”中由于疏忽，容易造成导轨的磨损；而密立根油滴实验中的油滴室其电压可高至550V，而虚拟仿真实验则可以有效境地降低安全隐患。

虚拟仿真实验有利于提高实验效率与效果。实验仪器类似黑匣子，学生看不到仪器的内部结构，学生对实验原理和仪器原理的理解遇到障碍，而通过仿真实验可以给学生展示实验仪器的内部结构、了解仪器的内部运行过程，加深了对实验仪器和原理的理解，提高真实实验教学的效果。

四、小结

虚拟仿真技术不仅使学生能够有效地通过观察提出假想，而且提供的优良交互性使实验教学系统能够为学生提供必要的反馈，学生可以通过屏幕提示逐步思考、选择， 探索物理现象的本质， 大大提高学生的理解力和掌握能力。

参考文献：

[1]刘君华.基于LabV IEW的虚拟仪器设计[M].北京：电子工业出版社，2003.

[2]李斌，谭鹏，等.LavVIEW在物理设计性实验中应用的探讨[J].大学物理实验，2012，25（3）：85-87.

作者简介：

王星 （1989.8-）， 女，汉族，黑龙江北安人，硕士研究生，讲师，研究方向：多孔硅热电材料。