基于虚拟仪器与真实仪器整合的大学物理教学改革
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（c）-0185-01
在物理教学过程中利用实验再现某些物理情景和过程，增强学生感性认识，将有助于学生理解和掌握相应的物理规律，激发学习兴趣，从而大幅度提高教学效果。工科院校常见物理类实验有：大学物理实验、物理演示实验、计算机仿真实验以及近年兴起的虚拟实验。在我国高校中大学物理实验是一门独立课程，一般在大学物理课程之后开设，由于实验通常比较复杂，数据处理量大，所以不适于大学物理课堂教学直接使用；物理演示实验虽然可以生动、直观地表现物理现象，但只是粗略的展示，实验中的物理规律并没有被充分、有效地展示。教师只是定性分析与说明，而非精确分析和全面展示，因此缺乏一定的严谨性，精密性；计算机仿真实验虽然形象直观，过程逼真，但是缺乏真实感，无法让学生感受到真实仪器的那种踏实，乐于接受情感；虚拟实验（虚拟仪器）虽然采集和处理的都是真实物理数据，但其高度集成化，忽视了认识过程中的形象思维。近年虽有一些文献探讨了将虚拟实验与真实实验的整合尝试[1]。但方法都只是将二者进行简单相互验证，实是实，虚是虚，没有实现两者有机结合。针对上述问题，该文提出利用虚拟仪器优化真实仪器，简化真实实验，提高实验效率，并应用于大学物理课堂教学，提高教学效果。
1 虚拟仪器
虚拟仪器是一种基于计算机的仪器，利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。它的本质是“实”而不是“虚”，完全可以替代传统测量测试仪器。软件即仪器，安装软件的计算机便成为一个具有各种测量功能的数字化测量平台，实现示波器、信号发生器、频谱仪、电压表、电流表等多种普通仪器的全部功能，而且通过数据采集卡，实现自动测量、记录与数据处理[2]。目前在这一领域内，使用较为广泛的是美国NI公司的Lab view软件。Lab view是一个标准的数据采集和仪器控制软件。其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣，编程时基本上不写程序代码，取而代之的是流程图，是一个面向最终用户的工具。
2 将虚拟仪器与真实仪器整合，优化课堂教学
虚拟仪器的功能是用户根据需要由软件自定义的，而不是像真实仪器那样事先由厂家定义好的，用户可以根据需要随意设计。而真实仪器可信度高，实验过程清晰，现象明了，实验结果学生乐于接受。因此将“虚”“实”结合，“虚”可以精简“实”，“实”可以证明“虚”并不虚。二者优势互补，大大提高实验的效率。
2.1 提高大学物理实验效率，促进课堂教学
目前国内几乎所有高校的大学物理课程和大学物理实验课程都是独立设课的，究其原因：一个实验内容可能要用几台设备，搬运不便，影响了教师使用积极性；另外仪器的安装和实验测试需要花费较多时间，实验数据又不能即时处理，无法立即获得结论，在普遍课时少、教学任务重的情况下，物理实验自然难以出现在理论课堂。而虚拟仪器具有自动化的快速数据采集和分析能力，强大而全面的图形化处理能力，可以快速、精确获得实验结果。因此利用虚拟技术，即可解决部分大学物理实验进入课堂的上述困难。
如声速测量实验，实验需要声速测量仪、信号发生器和示波器三台设备才能完成。而结合虚拟技术后，在多媒体教室，只需要一个声速测量仪（很容易携带），即可快速完成实验并获得实验结论。方法是设计基于Lab view声卡的双通道信号发生器和示波器[3]，可以完全替代真实的信号发生器和示波器。虚拟双通道信号发生器通过功放与声速测量仪的一个压电陶瓷换能器（超声波发生器）相连，另一个压电陶瓷换能器（接受器）通过麦克风插孔与虚拟示波器相连。实验数据处理可以通过Lab view编写一个求平均值VI实现，输入测量数据即时获得结论，包括误差分析。为操作方便，将双通道信号发生器和示波器集成在一个虚拟仪器前面板上。
2.2 将演示实验精细化，充分展示物理规律
利用虚拟仪器对演示实验的信息进行采集，经数字化处理，使得以往仅能在教室中作定性描述的演示实验，就可能在较短的时间里完成精确测量，这就提高了演示实验的精确度，丰富了演示内容，也使演示的效果更加生动，更吸引人。
如声波拍现象演示，常用的是采用两个频率略有不同的音叉。演示时，当分别击打这两个音叉时，就可听到“嗡”、“嗡”的拍音。该演示的不足之处是学生不能直观看到音叉及拍的实时振动图像，也想象不出拍的频谱，学生只能靠听觉判断。而将音叉与基于声卡的虚拟示波器整合演示拍现象，音频信号利用麦克风采集并送达虚拟示波器上，则在演示时学生不仅能听到嗡…嗡拍音，还能在虚拟示波器前面板上观测每个音叉发出音频信号实时振动图像及合振动拍的振动图像，进一步还可以测出拍频。显然组合后的演示感官上更全面（听觉、视觉），内容更丰富（观察振动图像、还可以直接测得拍频），也使演示的效果更生动，更吸引人，学生也更容易接受、理解和掌握拍的概念，大大提高了课堂教学效果。
3 结语
该文借助虚拟技术，在大学物理课堂进行实验教学的有益尝试，将物理演示实验和大学物理实验引入大学物理理论课堂教学之中。使得看似简单演示和枯燥的物理实验瞬间变得“高大上”，激发了学生兴趣，大大提高理论课教学效果。对于开展高效的物理教学提供一条有效的解决途径。
- 上一篇：立足高职校本,促进物理教师专业化发展
- 下一篇：驾驶读本中的物理学知识
