王星

【摘要】文章結(jié)合教學(xué)實際，分析了LabVIEW虛擬仿真在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的優(yōu)點和弊端，最后提出了如何趨利避害，提高實驗教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW虛擬仿真實驗;大學(xué)物理實驗課程;虛實結(jié)合

【基金項目】本文由廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項目（項目號：2018JGA338）資助。

物理學(xué)的基本理論是生產(chǎn)技術(shù)的許多自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)，同時應(yīng)用在理工科專業(yè)的各個學(xué)科中，也正因如此，大學(xué)物理是理工科所有專業(yè)的必修課程，可以說學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程是學(xué)習(xí)專業(yè)課程的基礎(chǔ)[1]。大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容并不僅僅是通過理論知識的學(xué)習(xí)對邏輯思維能力進(jìn)行培養(yǎng)，也要通過動手實驗將很多物理現(xiàn)象和物理規(guī)律直觀形象地展示，可以說大學(xué)物理實驗對于大學(xué)物理的教學(xué)具有非常重要的意義[2-3]。雖然傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)方式也能在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和動手能力，但存在很多缺點。

首先，由于實驗教材和儀器在短期內(nèi)得不到更新，不能及時反映最新科技進(jìn)展，師生覺得物理實驗缺乏挑戰(zhàn)性和成就感。其次，由于教學(xué)時間有限，課堂上教師沒有足夠的時間引導(dǎo)學(xué)生，只能簡單講解和演示，學(xué)生也只能完成書本規(guī)定的實驗內(nèi)容。在整個實驗教學(xué)過程中，學(xué)生探索和研究的機(jī)會甚少。另外，對于學(xué)生來說，一次完整的實驗課應(yīng)包括：1.課前預(yù)習(xí);2.課堂上由教師講解理解原理和操作過程并獨立完成實驗，記錄數(shù)據(jù);3.課下完成數(shù)據(jù)處理以及實驗報告;4.對實驗內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)，準(zhǔn)備考試。但由于目前多數(shù)學(xué)校開設(shè)的大學(xué)物理實驗課的課時相對較少，實驗室開放時間也非常有限，所以學(xué)生的課前預(yù)習(xí)只能以對照書本抄寫實驗預(yù)習(xí)報告的這種較為枯燥的方式進(jìn)行。這種預(yù)習(xí)效率低并且枯燥，不易理解，同時還降低了學(xué)生對實驗的興趣;而后續(xù)的復(fù)習(xí)只能靠學(xué)生之前在課堂上與儀器接觸的短暫時間的記憶進(jìn)行，無法實現(xiàn)課程開設(shè)的意義。

LabVIEW虛擬仿真實驗具有諸多優(yōu)點。LabVIEW軟件的編程界面為圖形化，且是面向最終用戶的高效工具。用它可以在計算機(jī)上制作各種儀器面板，然后通過接口電路完成對數(shù)據(jù)的采集、處理、傳送、存儲、顯示，也就是用軟件取代傳統(tǒng)儀器的硬件來完成儀器的測量內(nèi)容。

第一，LabVIEW虛擬仿真實驗可以提高實驗安全性，降低儀器易損壞的損壞率。由于實驗經(jīng)費有限，采用虛擬儀器可讓學(xué)生在預(yù)習(xí)階段對實驗過程中易損壞的設(shè)備進(jìn)行提示。如有些實驗中所涉及的儀器比較容易損壞，如“光的等厚干涉實驗”中的牛頓環(huán)儀經(jīng)常被學(xué)生摔碎，經(jīng)過虛擬仿真實驗的預(yù)習(xí)，提高學(xué)生對儀器的重視程度，避免不必要的損耗。

第二，將LabVIEW虛擬仿真實驗運用于大學(xué)物理實驗教學(xué)中，可以將教學(xué)的主動權(quán)交給學(xué)生。通過逼真的仿真實驗，學(xué)生在上課之前已經(jīng)對實驗儀器有了較為深入的了解。因此，教師在課堂上不僅可以開展一些書本中設(shè)計好的實驗，而且可以發(fā)揮學(xué)生的主體作用，設(shè)計出更具多樣性的實驗內(nèi)容，提高學(xué)生的探索、思考、創(chuàng)新能力，實現(xiàn)大學(xué)物理實驗教學(xué)的意義。

第三，LabVIEW虛擬仿真實驗有利于提高實驗效率與效果。儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對于學(xué)生來說是神秘的，學(xué)生對儀器結(jié)構(gòu)的理解直接影響到整個實驗原理、操作過程甚至實驗結(jié)果。仿真實驗可以給學(xué)生展示實驗儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使學(xué)生了解儀器的內(nèi)部運行過程，加深了學(xué)生對實驗儀器和原理的理解，達(dá)到了真實實驗難以達(dá)到的教學(xué)效果。虛擬儀器具有可重復(fù)性，學(xué)生可以在課前和課后利用該虛擬系統(tǒng)預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)，加深對實驗原理、實驗步驟及實驗結(jié)果的理解和掌握。

但是LabVIEW虛擬仿真實驗也有潛在的弊端。首先，LabVIEW虛擬仿真實驗結(jié)果的程序性。雖然LabVIEW虛擬仿真實驗系統(tǒng)能夠?qū)ξ锢韺嶒炦M(jìn)行仿真并得到真實可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，并可以通過LabVIEW內(nèi)部的編程實現(xiàn)對移動距離、時間、電壓、電流、光子頻率等的精確控制，具有較強(qiáng)的交互性，但是多數(shù)的結(jié)果和過程都是設(shè)計者事先編輯好的，結(jié)果是可預(yù)測的，單純地利用仿真實驗來完成課程，會導(dǎo)致學(xué)生缺乏科學(xué)探索性，無法實現(xiàn)大學(xué)物理實驗課程開設(shè)的意義。

其次，LabVIEW虛擬仿真實驗內(nèi)容的單一性。LabVIEW虛擬實驗的開展往往是為了減少實驗成本，但是制作或購買虛擬仿真實驗本身也會花費不菲。

再次，虛擬仿真缺乏指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)課堂是教師陪在學(xué)生身邊完成實驗，對于學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)的問題，教師可以即時給予答疑解惑。這種即時性非常有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高。但是在虛擬仿真實驗中，學(xué)生面對的是電腦，一旦實驗過程中出現(xiàn)困惑，只能以留言方式反饋，降低了教學(xué)效率。

因此，利用LabVIEW虛擬仿真實驗實現(xiàn)高效的大學(xué)物理實驗教學(xué)需要謹(jǐn)慎而行。LabVIEW虛擬仿真實驗在一定程度上可以優(yōu)化物理實驗教學(xué)，使學(xué)生成為課堂的主體，提高課堂效率，減少對學(xué)生和儀器不必要的損害。虛擬實驗雖然具備交互性，但畢竟是虛擬的，無法代替課堂上利用儀器進(jìn)行實驗的真實感。大學(xué)物理實驗學(xué)是一門實驗學(xué)科，虛擬仿真實驗可以很大程度上提高課堂效率。但是教師在教學(xué)過程中不可以過度依賴，要堅持科學(xué)的實踐性。實體實驗和虛擬實驗都具有對方無法超越的優(yōu)點和一定的缺點。為了最大限度地提高大學(xué)物理實驗實驗教學(xué)的質(zhì)量，可以采用實體實驗與虛擬仿真實驗相結(jié)合的“虛實結(jié)合”教學(xué)模式。虛擬仿真技術(shù)引入大學(xué)物理實驗教學(xué)，要按照“能實不虛、虛實結(jié)合、相互補充”的原則實施，即在預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)階段引入虛擬實驗，讓學(xué)生以虛擬的儀器來代替真實的儀器，從而達(dá)到良好的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)效果。如，傳統(tǒng)實驗課學(xué)生預(yù)習(xí)只能對照書本抄寫實驗預(yù)習(xí)報告，通過觀察書上的二維圖片了解實驗儀器;而LabVIEW虛擬仿真實驗系統(tǒng)可以讓學(xué)生在課前預(yù)習(xí)階段從各個角度全方位地觀察實驗儀器，可以對實驗儀器進(jìn)行任意的縮放、移動，甚至進(jìn)入到實驗儀器的內(nèi)部去了解儀器的設(shè)計原理，加深學(xué)生對實驗儀器認(rèn)識，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在課堂上，學(xué)生在預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，面對真實的儀器，又可以將之前在電腦屏幕中的虛擬儀器真實化，并進(jìn)一步對之前理解的內(nèi)容加以證實，完成實驗。這樣，充分發(fā)揮真實實驗與虛擬仿真實驗各自的優(yōu)勢，相互補充，將素質(zhì)能力培養(yǎng)貫穿于教學(xué)的全過程。這種實體實驗與虛擬仿真實驗相結(jié)合的教學(xué)模式，有助于改革傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

根據(jù)馬克思的辯證理論思想，凡事皆具有兩面性。大力推行信息化有助于提高教學(xué)質(zhì)量，但運用不當(dāng)也會造成一定弊端。將LabVIEW虛擬仿真實驗運用到預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)中，對學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理實驗助益頗多;但不可盲目用虛擬實驗代替真實的課堂教學(xué)，在教學(xué)過程中應(yīng)以虛實結(jié)合的方式利用虛擬仿真實驗，使其與真實實驗深化結(jié)合，二者在教學(xué)中揚長避短，將大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量最優(yōu)化，達(dá)到新時代高水平人才培養(yǎng)的目的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李斌，譚鵬，陳國杰，等.LabVIEW 在物理設(shè)計性實驗中應(yīng)用的探討[J].大學(xué)物理實驗2012，25（03）：85-87.

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[3]原安娟，段蘋，王吉友.基于大學(xué)物理實驗的虛擬儀器探討[J].大學(xué)物理實驗，2007，20（04）：70-72.