周艷明,翦知漸,謝 中,周正貴

(湖南大學(xué) 物理與微電子科學(xué)學(xué)院 大學(xué)物理實驗中心，湖南 長沙 410082)

大學(xué)物理實驗課程是高等院校理工科學(xué)生接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的必修課程. 隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程教育、在線課程等模式興起，教育也逐步邁入“互聯(lián)網(wǎng)+” 時代[1]. 在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)模式呈現(xiàn)出新的變化與發(fā)展. 例如基于計算機模擬編程技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的虛擬仿真實驗，讓以往做不到、做不好、甚至做不了的物理實驗成為現(xiàn)實[2-4]，這極大地拓展了大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度；傳統(tǒng)物理實驗與虛擬仿真實驗相互融合，即“虛實結(jié)合”的教學(xué)模式已成為物理實驗教學(xué)的新方向[5-6]. 許多高校在各大MOOC平臺上開設(shè)的大學(xué)物理實驗在線課程[7]可作為線下課程的有益補充，極大地拓展了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的時間與空間，改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣.

2020年春季學(xué)期，突如其來的新冠肺炎疫情嚴(yán)重影響了各級學(xué)校的正常教學(xué)安排. 虛擬仿真、MOOC課程等線上教學(xué)模式從過去的輔助地位轉(zhuǎn)變?yōu)樘厥鈺r期的主流教學(xué)手段,為物理實驗在線教學(xué)提供了可行的解決方案. 對于具有實踐操作性質(zhì)的物理實驗課程，高校物理實驗教師通過深入探討、集思廣益，設(shè)計開發(fā)了可操作性強的居家實驗項目[8-10]作為特殊形勢下物理實驗教學(xué)的應(yīng)對措施.

湖南大學(xué)物理實驗中心教師結(jié)合大學(xué)物理實驗自身特點及本校教學(xué)安排，設(shè)計了32課時的居家實驗教學(xué)方案，包括6個必做實驗項目和6個研究性實驗項目，統(tǒng)一歸入到“非實驗室環(huán)境下的大學(xué)物理實驗”系列[11]，實驗內(nèi)容主要集中在力學(xué)、振動與波、光學(xué)實驗等方面. 縱觀全國其他高校設(shè)計開發(fā)的居家實驗項目，內(nèi)容也主要涉及力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)方面. 而完整的大學(xué)物理實驗內(nèi)容非常豐富，涉及力、熱、光、電等領(lǐng)域，其中電學(xué)實驗項目居多，幾乎占實驗總學(xué)時的1/3以上. 然而在居家條件或其他非實驗室環(huán)境下，學(xué)生獲得電學(xué)實驗中常見的元件及儀器如電阻、二極管、電壓表、電流表、靈敏電流計等非常困難；同時從安全角度考慮，也讓居家實驗方案難以涉及電學(xué)實驗內(nèi)容，這對學(xué)生進(jìn)行全面實驗方法及實驗技能訓(xùn)練來說，無疑是重要的缺失.

如何讓物理實驗不受時間和空間的限制，保證教學(xué)效果并使學(xué)生獲得全面培養(yǎng)，是當(dāng)前大學(xué)物理實驗教師面臨的重要難題. 為此，湖南大學(xué)實驗中心教師基于WAVE2微型示波器構(gòu)建了低成本、微型化物理電學(xué)實驗平臺，利用該便攜式、微型化實驗平臺，可以開展示波器的使用、二極管整流特性、熱敏電阻溫度特性、PN結(jié)的物理特性、電阻應(yīng)變式傳感器等10個電學(xué)實驗項目的教學(xué)，結(jié)合之前設(shè)計的居家實驗項目，能夠在非實驗室環(huán)境下開展基本覆蓋完整內(nèi)容的實驗教學(xué)，也可以作為本校小學(xué)期的實驗實訓(xùn)或逾期學(xué)生的實驗重修的替代方案.

1 微型化大學(xué)物理電學(xué)實驗平臺設(shè)計背景

按照教學(xué)大綱要求，大學(xué)物理實驗中電學(xué)實驗內(nèi)容所占比重較大. 目前大部分高校開設(shè)的電學(xué)實驗項目主要有示波器的使用、多用電表的改裝與校正、傳感器實驗、非線性元件特性研究、RLC串聯(lián)諧振電路實驗等. 開展物理電學(xué)實驗項目，需要用到多種測量儀器與儀表. 電學(xué)實驗中常用儀器儀表主要有雙蹤示波器、信號函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字萬用表、電壓表、電流表、直流電源等，并且單個電學(xué)實驗往往需要用到多種測量儀器與儀表. 在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，都是搭建配套的實驗室來完成不同的電學(xué)實驗項目，成本較高，實驗地點固定. 在特殊時期或非實驗室環(huán)境下如何開展電學(xué)實驗，目前國內(nèi)許多高校的普遍做法是采用EDA、Multisim等仿真軟件進(jìn)行虛擬仿真的實驗教學(xué)模式[12]. 然而從教學(xué)反饋發(fā)現(xiàn)，基于虛擬仿真的實驗教學(xué)模式難以讓學(xué)生充分掌握調(diào)試硬件電路的能力. 因此，本文設(shè)計了低成本、微型化、便攜式、實驗項目豐富的物理電學(xué)實驗平臺，以滿足特殊時期或非實驗室環(huán)境下大學(xué)物理電學(xué)實驗教學(xué)需要.

2 微型化大學(xué)物理電學(xué)實驗平臺構(gòu)建

2.1 實驗平臺架構(gòu)

在傳統(tǒng)的物理電學(xué)實驗中，示波器及函數(shù)發(fā)生器是使用頻次較高的實驗儀器，大部分物理電學(xué)實驗項目如示波器的使用、惠斯登電橋?qū)嶒灐鞲衅鲗嶒?、熱敏電阻的溫度特性實驗等，均可以采用示波器及函?shù)發(fā)生器作為主要測量儀器來完成實驗. 因此，本文在構(gòu)建微型化大學(xué)物理電學(xué)實驗平臺時，核心儀器選用示波器及函數(shù)發(fā)生器，平臺的系統(tǒng)框圖如圖1所示. 在整個硬件實驗平臺的設(shè)計中，考慮到便攜性的需求，示波器應(yīng)選擇功能齊全，且內(nèi)置函數(shù)發(fā)生器模塊的微型示波器；電學(xué)實驗板采用優(yōu)質(zhì)面包板，根據(jù)實驗內(nèi)容設(shè)計將所需元器件接插在面包板上.

圖1 微型化大學(xué)物理電學(xué)實驗平臺系統(tǒng)框圖

2.2 微型示波器選擇

由圖1可知，構(gòu)建微型化且能開設(shè)豐富實驗項目的物理電學(xué)平臺，便攜式、微型化示波器及函數(shù)發(fā)生器的選擇是核心與關(guān)鍵. 基于低成本、微型化、便攜式、實驗項目豐富的原則，經(jīng)過反復(fù)試驗、比較，最終選擇JYE科技產(chǎn)品WAVE2雙通道微型示波器DIY套件. WAVE2微型示波器提供2.4英寸(1英寸=2.54 cm)320×240彩色液晶顯示屏，觸摸屏操作，X-Y模式顯示，內(nèi)置雙通道DDS函數(shù)發(fā)生器，尺寸為115 mm×72 mm×30 mm，質(zhì)量為290 g(不含電池與探頭)，具有重量輕、攜帶方便、價格低廉(160元)等特點，其外觀及操作界面如圖2所示，其主要性能參量見表1. 由表1可知，WAVE2微型示波器雖然體積小、價格低，但是性能優(yōu)異，能媲美普通大學(xué)物理實驗室所配備的常規(guī)型臺式示波器. 其內(nèi)置雙通道DDS函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計，使示波器與函數(shù)發(fā)生器合二為一；使用時可由3.7 V充電鋰電池或USB供電等，其便攜性更加突出. 內(nèi)置的雙通道DDS函數(shù)發(fā)生器可以輸出0～3 V、頻率范圍為0～20 kHz的正弦波、方波、鋸齒波、三角波信號，且輸出信號的相位及偏移量可調(diào)等，以上特性均可滿足大部分物理電學(xué)實驗需求.

圖2 WAVE2微型示波器

表1 WAVE2微型示波器的主要性能參量

2.3 基于PC機的虛擬儀器開發(fā)

性能優(yōu)異的WAVE2示波器微型化設(shè)計使其便攜性得到充分展現(xiàn)，然而微型化外觀也使得其可操作的旋鈕以及屏幕顯示的項目不能像臺式儀器一樣完全，甚至?xí)喸S多，如圖2所示. 對于實驗教學(xué)來說，與傳統(tǒng)的臺式儀器相比，便攜式儀器精簡的外觀及不完全的屏幕顯示項目除了會弱化儀器的某些性能外，也不利于學(xué)生了解與學(xué)習(xí)儀器的結(jié)構(gòu).

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的儀器開始向計算機化方向演變，基于計算機的虛擬儀器順勢誕生. 虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器類似，由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果顯示3部分組成. 不同的是對于傳統(tǒng)儀器，這3部分均由硬件完成，而對于虛擬儀器，后2部分主要由軟件來實現(xiàn). 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)通過USB總線等與計算機通訊，用戶操作計算機即可相應(yīng)地操作使用儀器設(shè)備. 因此，虛擬儀器是以計算機為核心，充分利用計算機強大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對測量數(shù)據(jù)的分析和顯示功能. 虛擬儀器的最大特點是靈活性高，用戶在使用過程中，可以根據(jù)需要添加或刪除儀器功能，以滿足不同需求和環(huán)境，并且突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳送以及存儲方面的限制. 為彌補便攜式儀器因外觀的精簡設(shè)計及顯示屏幕尺寸減小等因素對儀器性能以及使用體驗的影響，采用的普遍措施是將便攜式儀器與虛擬儀器相結(jié)合. 儀器硬件將獲取的數(shù)據(jù)通過USB數(shù)據(jù)總線(或RS232串行總線、GPIB通用接口總線、以太網(wǎng)接口總線)傳輸給計算機，利用計算機端開發(fā)的虛擬儀器軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和保存.

由表1可知，WAVE2示波器提供了完整的數(shù)據(jù)串行總線輸出，開發(fā)基于PC端的虛擬儀器，既可豐富與強化儀器功能及使用體驗，也有助于加深學(xué)生理解儀器結(jié)構(gòu)與性能. 為此，利用LabVIEW開發(fā)了基于PC端的WAVE2微型示波器的虛擬儀器，其界面如圖3所示. 虛擬儀器界面各控件按傳統(tǒng)臺式示波器面板布局，有利于學(xué)生操作使用虛擬示波器；而將儀器參量設(shè)置、數(shù)據(jù)測量、分析、保存等放置在頂部菜單及子菜單，可使虛擬儀器界面簡潔明了，又不弱化其性能. 同樣地，也開發(fā)了基于PC端的DDS內(nèi)置函數(shù)發(fā)生器的虛擬儀器，如圖4所示.

圖3 WAVE2微型示波器PC機測量控制界面

圖4 DDS內(nèi)置函數(shù)信號發(fā)生器虛擬儀器界面

3 基于平臺的物理電學(xué)實驗項目

結(jié)合上述實驗裝置(WAVE2微型示波器及內(nèi)置DDS函數(shù)發(fā)生器)及自行開發(fā)的PC端虛擬儀器，從培養(yǎng)學(xué)生熟悉使用常見物理電學(xué)實驗儀器及相應(yīng)實驗方法為出發(fā)點，以測量某些物理量為主線，結(jié)合實際情況，設(shè)計以下實驗項目：

1)示波器的使用：由函數(shù)發(fā)生器輸出波形，利用示波器觀察并進(jìn)行相應(yīng)測量，熟悉示波器的基本功能；由電阻、電容、電感、二極管組成簡單電路，如圖5所示，使用示波器觀察二極管半波整流波形，對測量信號進(jìn)行比較，觀察并測量簡單RC和RL電路的波形，測量信號之間的相位差、觀察2個同頻信號合成的李薩如圖形等.

圖5 實驗元件接線圖

2)二極管半波、橋式整流特征比較：利用DDS函數(shù)發(fā)生器向二極管整流電路輸入正弦信號，用WAVE2微型示波器觀察比較二極管半波、橋式整流特征，并繪制相應(yīng)的整流特性曲線.

3)RLC串聯(lián)諧振電路研究：研究分析RLC串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件和特點，通過實驗觀察諧振現(xiàn)象，繪制RLC串聯(lián)電路的幅頻曲線并測量相關(guān)參量. 具體方法為利用DDS函數(shù)發(fā)生器給RLC串聯(lián)電路輸入正弦信號，改變輸入信號頻率，用WAVE2微型示波器觀察諧振現(xiàn)象并測量相關(guān)參量.

4)溫度傳感器實驗：采用溫差電偶作為敏感元件，用電橋作為信號轉(zhuǎn)換電路. 溫差電偶將溫度改變轉(zhuǎn)換為電壓信號，該信號經(jīng)差動放大器放大，輸出至WAVE2微型示波器進(jìn)行測量，電路如圖6所示.

圖6 溫差電偶溫度傳感器電路

5)應(yīng)變片傳感器實驗：將電阻應(yīng)變片貼在小型懸臂梁上，懸臂梁的彎曲形變引起電阻變化，采用電橋電路放大信號，用示波器進(jìn)行測量. 使用1元硬幣(6 g)進(jìn)行傳感器定標(biāo).

6)黑箱探秘實驗(亦稱電子元器件的判別與測量實驗)：由電阻、電容、電感、半導(dǎo)體二極管元件組成黑箱，依據(jù)電阻、電容、電感及半導(dǎo)體二極管的特性或各元件組成的電路來判斷未知元件.

7)其他項目：本系統(tǒng)可擴展，其他項目如霍爾片傳感器、運算放大器性能研究等，都可以擴展納入本實驗平臺.

如圖7所示，提供基礎(chǔ)接線板(面包板)，提供各項實驗項目所需電子元器件，以及其他小配件如帶插頭的導(dǎo)線、小螺絲刀等，由學(xué)生自行搭建電路并完成實驗內(nèi)容.

圖7 免焊接面包板、電子元器件和即插即用連接線

4 基于微型化平臺的物理電學(xué)實驗教學(xué)

湖南大學(xué)從2006年以來一直實行1學(xué)年4學(xué)期制，即春、夏、秋、冬學(xué)期，春季學(xué)期的后2周為夏季學(xué)期，冬季學(xué)期的前2周為秋季學(xué)期；夏、秋學(xué)期共4周，集中安排選修課及實驗實訓(xùn)，也稱為小學(xué)期. 2020年疫情期間，我校物理實驗中心的教師設(shè)計的居家實驗方案(32課時)，統(tǒng)一被歸入到“非實驗室環(huán)境下的大學(xué)物理實驗”，是特殊時期的教學(xué)替代方案，也是正常教學(xué)秩序下小學(xué)期期間的大學(xué)物理實驗實訓(xùn)方案. 鑒于之前居家實驗方案存在局限性，即缺少電磁學(xué)實驗方面的內(nèi)容，本次開發(fā)的基于WAVE2微型化示波器的物理電學(xué)實驗平臺，及時補上了這一短板，以便小學(xué)期期間能夠在非實驗室環(huán)境下開展基本覆蓋完整內(nèi)容的物理實驗教學(xué). 教學(xué)過程包括“在線教學(xué)”“實際操作”和“數(shù)據(jù)分析與處理”，覆蓋了完整實驗教學(xué)所需的三大步驟，滿足教學(xué)大綱要求.

根據(jù)學(xué)校安排，進(jìn)入小學(xué)期前，學(xué)生到大學(xué)物理實驗中心領(lǐng)取微型化物理實驗電學(xué)平臺1套(WAVE2微型示波器、虛擬儀器軟件、相應(yīng)的實驗元件接線板及探頭、導(dǎo)線). 教師積極準(zhǔn)備，梳理相關(guān)內(nèi)容，制作教學(xué)課件，錄制相關(guān)操作短視頻，完善實驗教學(xué)資源. 在線授課之前，教師將實驗講義共享給學(xué)生，并布置預(yù)習(xí)要求等，讓學(xué)生課前對實驗內(nèi)容有所了解. 課堂上，教師講解實驗內(nèi)容、實驗原理及操作要點等.

完成在線授課后，學(xué)生根據(jù)自己的時間安排，在非實驗室環(huán)境下，利用微型化物理實驗電學(xué)平臺，進(jìn)行定量研究與測量，完成相應(yīng)實驗內(nèi)容. 此過程中，學(xué)生可將實驗中遇到的問題反饋給教師，通過師生互動解決實際問題. 完成實驗后，學(xué)生在非實驗室環(huán)境下對實驗中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，并給出完整的實驗報告.

另外，該微型化物理實驗電學(xué)平臺及對應(yīng)實驗內(nèi)容除了可作為本校小學(xué)期的實驗實訓(xùn)教學(xué)安排之外，也可用于逾期學(xué)生的實驗重修方案. 逾期學(xué)生，特別是臨近畢業(yè)的學(xué)生需要重修大學(xué)物理實驗時，當(dāng)前時間段物理實驗教學(xué)已經(jīng)結(jié)束，根據(jù)教學(xué)安排，重修實驗需要等1學(xué)期甚至1學(xué)年，導(dǎo)致學(xué)生延期畢業(yè). 利用該平臺開展相應(yīng)實驗內(nèi)容，用于逾期學(xué)生的實驗重修方案，既可很好地解決學(xué)生重修大學(xué)物理實驗時須等1學(xué)期甚至1學(xué)年這一難題.

5 結(jié)束語

基于WAVE2微型示波器設(shè)計開發(fā)了物理電學(xué)實驗平臺及相應(yīng)的實驗項目，彌補了2020年疫情期間構(gòu)建的“非實驗室環(huán)境下的大學(xué)物理實驗”中缺少電學(xué)實驗的短板，便于教師能夠在非實驗室環(huán)境下開展基本覆蓋完整內(nèi)容的物理實驗教學(xué). 同時，利用該平臺開展相應(yīng)實驗內(nèi)容，也可用于逾期學(xué)生實驗重修的替代方案，為今后大學(xué)物理實驗進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)積累經(jīng)驗.