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(chǔ)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(jié)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(xiàn)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(yīng)的物理規(guī)律，激發(fā)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(yōu)化整合，在大學物理課堂開展實驗教學的方法。虛與實結(jié)合，既提高了實驗效率，又激發(fā)學習興趣，促進了大學物理的教學。

關(guān)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(xiàn)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(yīng)的物理規(guī)律，激發(fā)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(shè)，由于實驗通常比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)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(xiàn)物理現(xiàn)象，但只是粗略的展示，實驗中的物理規(guī)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(shù)據(jù)，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(xiàn)兩者有機結(jié)合。針對上述問題，該文提出利用虛擬儀器優(yōu)化真實儀器，簡化真實實驗，提高實驗效率，并應(yīng)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(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。它的本質(zhì)是“實”而不是“虛”，完全可以替代傳統(tǒng)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(shù)字化測量平臺，實現(xiàn)示波器、信號發(fā)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(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)自動測量、記錄與數(shù)據(jù)處理[2]。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，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(shù)據(jù)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(yōu)化課堂教學

虛擬儀器的功能是用戶根據(jù)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(jù)需要隨意設(shè)計。而真實儀器可信度高，實驗過程清晰，現(xiàn)象明了，實驗結(jié)果學生樂于接受。因此將“虛”“實”結(jié)合，“虛”可以精簡“實”，“實”可以證明“虛”并不虛。二者優(yōu)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(nèi)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(shè)課的，究其原因：一個實驗內(nèi)容可能要用幾臺設(shè)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(shù)據(jù)又不能即時處理，無法立即獲得結(jié)論，在普遍課時少、教學任務(wù)重的情況下，物理實驗自然難以出現(xiàn)在理論課堂。而虛擬儀器具有自動化的快速數(shù)據(jù)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(jié)果。因此利用虛擬技術(shù)，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(fā)生器和示波器三臺設(shè)備才能完成。而結(jié)合虛擬技術(shù)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(jié)論。方法是設(shè)計基于Lab view聲卡的雙通道信號發(fā)生器和示波器[3]，可以完全替代真實的信號發(fā)生器和示波器。虛擬雙通道信號發(fā)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(fā)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(shù)據(jù)處理可以通過Lab view編寫一個求平均值VI實現(xiàn)，輸入測量數(shù)據(jù)即時獲得結(jié)論，包括誤差分析。為操作方便，將雙通道信號發(fā)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(guī)律

利用虛擬儀器對演示實驗的信息進行采集，經(jīng)數(shù)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(nèi)容，也使演示的效果更加生動，更吸引人。

如聲波拍現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(nèi)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(jié)語

該文借助虛擬技術(shù)，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(fā)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(shù)與管理，2005，22（11）：89-92.

[2] 楊樂平，李海濤，肖相生，等.Lab view程序設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)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.