孫小鋒，縣 偉，何曉明

(1. 青海師范大學 物理與電子信息工程學院，青海 西寧 810016;2. 蘭州石化職業(yè)技術學院 國有資產管理處，甘肅 蘭州 730000)

隨著經濟的發(fā)展，社會對人才的需求不斷提高，本科人才培養(yǎng)逐漸成為創(chuàng)新型社會發(fā)展的關鍵[1]. 物理學是一門實驗與理論相結合的學科，實驗教學在物理學課程中具有極其重要的作用[2]. 然而，傳統(tǒng)的實驗教學主要通過教師進行實驗演示，學生重復實驗來完成. 這種以教師為中心的教學模式難以滿足現(xiàn)代創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求. 因此，推動現(xiàn)代物理實驗教學改革迫在眉睫. 如今互聯(lián)網(wǎng)與計算機技術取得了飛速發(fā)展，它們將助力實驗教學方式的改革. LabVIEW作為程序可視化編程平臺，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示等特點，同時，它還能建立互聯(lián)網(wǎng)與計算機的鏈接. 因此，LabVIEW受到廣大教學和科研工作者的關注[3-7].

大學物理實驗是理工科院校本科生必修的一門實驗課程，同時也是一門培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維與動手能力的基礎課程[8-9]. 實驗課程的開設將為學生將來研究生階段的探索和學習打下了基礎[8-9]. 但是全國仍有很多地方高校由于實驗設備的老化或者儀器的缺乏，無法為學生提供良好的實驗教學平臺. 另外理論課程與實驗課程很難統(tǒng)一進度，例如：光的衍射實驗是大學一年級開設的，而光學理論課程卻在大學二年級開設，這就導致出現(xiàn)了理論與實驗脫節(jié)的現(xiàn)象. 本文將基于LabVIEW強大的數(shù)據(jù)處理與運算能力，同時結合青海師范大學國家級物理實驗教學示范中心的實驗設備設計大學物理實驗教學系統(tǒng). 首先，本系統(tǒng)可以應用于理論課程教學，理論課教師通過本系統(tǒng)讓學生回顧實驗，達到理論課程與實驗充分結合的目的；其次，本系統(tǒng)可以作為實驗教學提前預習的工具與實驗教師演示實驗的工具；最后，本系統(tǒng)可以為缺乏某些實驗設備的部分學校提供認識實驗的機會. 本系統(tǒng)的開發(fā)也能不斷提升學生對物理實驗的熱情與應用計算機技術解決物理問題的能力[2].

1 系統(tǒng)登錄框架設計

LabVIEW的前面板提供了大量顯示插件和輸入插件[8]. 通過多種顯示插件和輸入插件相互組合，設計大學物理實驗教學系統(tǒng)，為了使界面美觀，可以調節(jié)顯示插件和輸入插件的位置. 在前面板設計人機交換界面，根據(jù)系統(tǒng)運行的要求設計出執(zhí)行程序.

1.1 登錄界面設計

系統(tǒng)登錄界面的前面板(圖1)是通過2個字符串輸入控件、2個布爾開關以及1個文件使用對話框(已隱藏)設計而成. 2個字符串輸入控件為用戶提供了輸入賬戶和密碼的通道. 而布爾開關則是用來控制系統(tǒng)的按鈕. 后面板(圖2)的程序是由while循環(huán)、事件循環(huán)、條件循環(huán)以及VI子程序調用等功能組成.

圖1 登錄界面前面版結構

圖2 登錄界面程序框圖

1.2 功能選擇界面設計

當系統(tǒng)通過登錄界面密碼驗證后會進入功能選擇界面(圖3)，功能選擇界面前面板由7個布爾開關和3個文件使用對話框(已隱藏)組成，7個布爾開關主要用來控制后面板中的7個事件結構的運行. 依次是調用學校與學院官網(wǎng)、打開實驗、打開WPS軟件、修改密碼、幫助和返回上層. 功能選擇界面的程序框圖如圖4所示，是有1個while循環(huán)和7個事件循環(huán)構成. 其中設置調用學校官網(wǎng)的目的是為了教師或者學生在使用本系統(tǒng)的同時，可以在本系統(tǒng)內部直接進入學校官網(wǎng)查找所需要的資料. 設置WPS打開選項方便教學過程中教師可以在本系統(tǒng)內部打開自己的PPT課件，使得系統(tǒng)更便捷化、人性化.

圖3 功能選擇界面前面版

圖4 功能選擇界面程序框圖

1.3 修改密碼界面設計

密碼技術是保障個人信息和系統(tǒng)安全的重要屏障[9]. 為了保證本系統(tǒng)能夠安全地運行，本系統(tǒng)設計了密碼修改程序. 前面板(圖5)由字符串輸入控件、布爾開關等組成，后面板(圖6)是由多種循環(huán)結構相互連接而成. 特別說明的是：修改密碼的過程中，系統(tǒng)會將用戶輸入的新密碼寫入密碼文本文件. 這個過程是打開文本文件、寫入文本文件、關閉文本文件，如果少一步密碼將無法

圖5 修改密碼界面前面版

圖6 修改密碼界面程序框圖

修改成功.

2 系統(tǒng)實驗部分的設計

完成系統(tǒng)登錄框架的設計后，系統(tǒng)將進入模擬實驗部分，本文將從大學物理實驗的4個基本實驗入手，設計出具有界面友好型、使用方便型和資源共享型的大學物理實驗教學系統(tǒng).

2.1 沖擊電流計的調節(jié)與使用模塊設計

沖擊電流計主要用于測量短時間內脈沖電流的電荷量以及與電荷量相關的物理量[10-11]. 因此，沖擊電流計主要應用于測低電容、高電阻以及螺線管磁場等[11-13]. 本文基于LabVIEW設計模擬沖擊電流計來演示其測量低電容的實驗.

沖擊電流計測量低電容的實驗包括電流正向充電和放電、電流反向充電和放電4個步驟，圖7為模擬沖擊電流計實驗的前面板，正在進行沖擊電流計測待測電容時電容器電流正向充電和反向放電的過程演示，如圖7～8所示. 儀器前面板主要由XY-Graph、旋鈕、滑竿、儀表盤、各種布爾元件和顯示控件組成. 沖擊電流計模擬儀器的前面板左上方為XY-Graph圖，主要用來模擬沖擊電流計在充放電過程中電荷量與時間的動態(tài)關系. 左下方藍色旋鈕為模擬電路中的變阻箱，主要根據(jù)電路分壓原理來調節(jié)接入電路中的電壓. 中間部分是電荷量顯示控件和模擬充放電過程中電荷值. 待測電容顯示控件，用來模擬顯示測得的電容值. 電壓表表盤顯示接入電路中的電壓值. 最下方為時間顯示量表，能夠循環(huán)顯示0～100 s的時間，其程序圖如圖9所示，由于充電過程需要計時，所以量表的設計更方便了實驗時的讀數(shù). 前面板右方為電源電壓輸入滑竿、電容顯示控件、各類布爾元件和電容調節(jié)旋鈕.

圖7 模擬沖擊電流計前面板(充電)

圖8 模擬沖擊電流計前面板(放電)

圖9 時間顯示量表程序框圖

2.2 單臂電橋測電阻模塊設計

通常采用直接測量法、伏安法等方法測量電阻值[14]. 單臂電橋測電阻是大學物理實驗中一個很重要的基礎物理實驗[15]. 本文以LabVIEW為開發(fā)平臺設計單臂電橋測電阻模擬演示實驗.

圖10 單臂電橋測電阻前面板

本模塊由前面板和后面板2部分組成，前面板(圖10)主要是通過各種顯示控件和布爾元件組成，以滑竿模擬滑動變阻器，表盤顯示模擬電路中的電壓和電流值. 電流計顯示了電路中的電壓差，同時，為了讀數(shù)方便，系統(tǒng)在前面板左下方設計了4個顯示控件，用來顯示各個參量的值.

2.3 示波器的調節(jié)與使用實驗模塊設計

在理工科院校大學物理實驗教學中示波器的調節(jié)和使用是最基礎，也是最重要的實驗[16]，仿真軟件將憑借其低成本、高性能的優(yōu)勢在一定程度上可以改善一些地區(qū)實驗儀器缺乏問題.

基于LabVIEW設計的示波器實驗演示模塊如圖11所示. 軟件前面板由2個波形圖，1個XY圖以及各種旋鈕和布爾元件組成. 第一波形圖有4種不同的波形以供選擇，并為XY圖表中的X方向提供信號. 第二波形圖顯示的是正弦波，并為XY圖表中的Y方向提供信號. 2個波形圖的頻率和振幅可通過旋鈕進行調節(jié)，另外X方向波形圖設計為定態(tài)，其采樣點可以通過采樣旋鈕進行調節(jié)，Y方向波形圖設計為動態(tài)，可以通過相位旋鈕對波形相位進行調節(jié).XY圖表是用來表示2列不同的波合成以后的圖形.XY圖表下方設計了3個旋鈕，分別為調節(jié)X軸尺度、調節(jié)Y軸尺度以及調節(jié)曲線亮度的旋鈕. 前面板最右側是用來導出XY圖標圖像的一些參量設計串口. 最下方為停止實驗按鈕.

圖11 示波器的調節(jié)與使用實驗前面板

3 系統(tǒng)使用說明

3.1 系統(tǒng)的開發(fā)目的說明

本系統(tǒng)是基于LabVIEW2017版平臺開發(fā)的教學演示軟件，適用于大學物理理論課程教學，同時可以應用于大學物理基礎實驗教學的預習和教師講解環(huán)節(jié). 本系統(tǒng)的開發(fā)只是為了缺乏某些儀器的地方院校暫解燃眉之急，同時，為了提高學生學習實驗課程的興趣[17]. 該系統(tǒng)不能完全取代物理實驗[18].

3.2 系統(tǒng)的安裝與登錄過程的說明

1)系統(tǒng)的安裝

本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為LabVIEW2017版軟件，因此，在系統(tǒng)開發(fā)完成后，生成了2種安裝包以供用戶選擇，其一，如果用戶計算機安裝了LabVIEW2017及以上版本的軟件，則可以直接使用從LabVIEW中生成的.exe程序；其二，本系統(tǒng)也生成了計算機軟件安裝包，可以直接安裝于計算機上隨時使用，操作簡單，通俗易懂.

2)系統(tǒng)的登錄過程

登錄本系統(tǒng)時需要在登錄界面輸入正確的登錄賬戶和密碼方可進入系統(tǒng). 進入后用戶可根據(jù)自己的需要繼續(xù)訪問.

3.3 實驗部分的使用說明

本系統(tǒng)實驗部分的使用必需結合大學物理實驗講義進行學習，使用者應當理性認識，本系統(tǒng)應于操作實驗相結合才能起到它真正的作用. 單獨的操作實驗枯燥乏味，單獨的模擬實驗則會喪失學生的動手能力，如果兩者結合，必然會給學生提供優(yōu)良的實驗環(huán)境.

4 結束語

大學物理是理工科院校培養(yǎng)本科生的必修課程，其中實驗教學尤為重要，它能夠培養(yǎng)學生動手能力和獨立思考解決問題能力，也為學生將來研究生階段的探索和學習打下了基礎，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的最基本要求. 本文設計的大學物理實驗教學系統(tǒng)將通過成本低廉、操作簡單、界面友好等優(yōu)點來解決理論課與實驗課脫節(jié)問題和彌補實驗教學的枯燥乏味，為實驗教師在授課時提供了方便. 另外，也能暫時緩解一些地方院校缺乏某些實驗儀器的問題.