基于虛擬化儀器的物理實驗教學改革研究

陳建軍　胡彥婷　木拉提·哈米提

摘 要： 文章針對當前非物理專業(yè)的實驗教學中所面臨的各種問題和挑戰(zhàn)，采用虛擬軟件培養(yǎng)的方式，使學生快捷地認識和熟悉物理實驗的流程，進一步加深對專業(yè)基礎課程的了解和掌握，增強對相關物理實驗的實踐動手能力，最終以虛擬儀器實驗教學方式提高學生的實踐創(chuàng)新能力。

關鍵詞： 物理實驗教學 虛擬化 教學方式 實踐能力

一、引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，社會各行各業(yè)對有較強創(chuàng)新能力、動手能力的綜合類人才的迫切需求和此類人才數(shù)目的巨大缺口之間的矛盾越發(fā)突出[1]-[3]。高等院校肩負為社會輸出大量合格人才的主要責任，因此，對學生實踐能力的培養(yǎng)近年來越來越受到各高校的重視[4]-[5]。實驗是大學理工農醫(yī)等學科教育的重要環(huán)節(jié)，是提高學生動手能力，培養(yǎng)創(chuàng)造能力和綜合素質的最有效手段之一。醫(yī)用物理實驗是我校學生進入大學后首先遇到的一門系統(tǒng)全面的實驗課程，且作為醫(yī)科類學生必修的基礎類實踐課程，毫無疑問在學生的培養(yǎng)實踐環(huán)節(jié)方面處于重要地位，它不僅可以加深學生對理論知識的理解，更重要的是可以使學生獲得基本的實驗知識，在實驗方法和技能方面得到較系統(tǒng)、嚴格的訓練，培養(yǎng)學生敏銳的觀察力、嚴謹?shù)目茖W思維能力和創(chuàng)新精神，提高學生的綜合素質。

二、物理實驗教學所涉及的問題

物理實驗教學示范中心是我校實驗教學示范中心，承擔全校醫(yī)學專業(yè)類學生的物理實驗教學工作。我校醫(yī)用物理實驗課程仍基本沿用傳統(tǒng)模式，在課程實施中存在一些問題，影響了教學效果。

1.作為專業(yè)醫(yī)學類院校，我校醫(yī)用物理實驗課程覆蓋面很廣，涉及臨床、檢驗、影像、公共衛(wèi)生等近十個專業(yè)方向的學生，這些學生的理論基礎、動手能力和對知識的接受能力參差不齊，這對實驗教學環(huán)節(jié)提出了很大挑戰(zhàn)。盡管在教學過程中，我們根據(jù)實驗的難易程度對不同專業(yè)的學生進行分類教學，但這種劃分并不能完全解決上述問題。

2.實驗教學環(huán)節(jié)仍采用傳統(tǒng)模式，即老師在黑板上先講述實驗原理，再結合一定實驗操作給學生介紹實驗儀器、相關步驟、注意事項，等等。對于一些比較復雜的實驗，比如示波器的基本操作等，由于學生理論基礎普遍相對薄弱，實驗操作環(huán)節(jié)很復雜，采用傳統(tǒng)教學模式學生的知識接受度不足以滿足實驗教學要求。

3.雖然我校已加大了實踐環(huán)節(jié)的資金投入，但這種有限的投入很難滿足試驗設備價格昂貴、更新速度快的要求。由于實驗儀器長期高負荷運作，損耗率較高，實驗器材老化嚴重，影響了正常實驗教學工作的開展。

三、虛擬化實驗教學平臺

針對暴露出來的這些問題，我們在學校相關教改項目的支持下，已進行了一定的探索和研究。近年來，隨著虛擬儀器技術的迅猛發(fā)展，我們逐漸關注到其應用于實驗教學中的顯著優(yōu)勢。

虛擬儀器實驗系統(tǒng)的優(yōu)點如下：

1.成本低廉。虛擬儀器的價格低廉，是傳統(tǒng)儀器的10%～20%。虛擬儀器的結構是基于軟件體系的，不像傳統(tǒng)儀器的硬件存在器件老化及溫度變化的問題，從而延長設備的使用壽命，也可以節(jié)省維護費用。

2.靈活性大。傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)自身封閉、功能固定、可擴展性差，而虛擬儀器可由用戶（學生或老師）自行定義功能模塊，大大增強了其靈活性。而且任何計算機技術的提升皆可及時提高虛擬儀器的功能。

3.數(shù)據(jù)處理功能強大。虛擬儀器可方便地對數(shù)據(jù)進行編輯、存儲和打印，這是傳統(tǒng)儀器無法做到的。

4.測量精確。傳統(tǒng)儀器受系統(tǒng)誤差的影響，不同儀器之間個體差異較大，加之觀察者自身因素等往往會影響測量結果，而虛擬儀器在PC機上運行，不同的PC機上運行具有相同的效果，測量誤差很小。

5.界面生動直觀，有利于激發(fā)學生的學習興趣。容錯性強，內核基于軟件，即使學生操作失誤也不容易對實驗儀器造成損壞。

由于虛擬儀器技術具有以上優(yōu)點，因此可將其應用到實驗教學中，構成虛擬儀器實驗教學系統(tǒng)。目前，我們已基于Labview開發(fā)出一款虛擬示波器用于實驗教學環(huán)節(jié)中，該虛擬示波器集成了信號發(fā)生器模塊和示波器探測模塊，能夠模擬實現(xiàn)實驗教學中要求學生掌握的示波器的主要功能。該虛擬示波器已封裝為exe執(zhí)行文件，學生可以在任何一臺電腦安裝運行，通過在電腦上進行模擬操作，結合書本預習課前就能掌握示波器的基本操作方法，從而大大激發(fā)學生在預習環(huán)節(jié)自主學習的熱情和動力。

四、結語

我們嘗試把虛擬示波器用于多媒體教學過程中，通過直觀演示，學生對知識的接受度大大提高，強化了教學效果，減輕了教學負擔。當然，我們目前做的工作才剛剛起步，下一階段，我們將會針對不同實驗內容針對性地開發(fā)相應的虛擬儀器，并對其應用于實驗教學環(huán)節(jié)的方法和手段進行積極探索。我們希望最終能夠開發(fā)出一套系統(tǒng)化、模塊化的虛擬儀器實驗教學系統(tǒng)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力，進而培養(yǎng)出更適合社會需要的棟梁。

參考文獻：

[1]國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）.新華社北京，2010年7月29日電.

[2]王勇，梅忠義.問題與對策：大學物理實驗教學改革探討.湖北廣播電視大學學報，2008，28（4）.

[3]鄧曉冉，楊帥.淺談大學物理實驗教學改革.大學物理實驗，2009，22（1）.endprint