LabVIEW虛擬實驗與大學物理實驗教學結合模式探析

王星

【摘要】文章結合教學實際，分析了LabVIEW虛擬仿真在大學物理實驗教學中的優點和弊端，最后提出了如何趨利避害，提高實驗教學效果。

【關鍵詞】LabVIEW虛擬仿真實驗;大學物理實驗課程;虛實結合

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

物理學的基本理論是生產技術的許多自然科學和工程技術的基礎，同時應用在理工科專業的各個學科中，也正因如此，大學物理是理工科所有專業的必修課程，可以說學習大學物理課程是學習專業課程的基礎[1]。大學物理的教學內容并不僅僅是通過理論知識的學習對邏輯思維能力進行培養，也要通過動手實驗將很多物理現象和物理規律直觀形象地展示，可以說大學物理實驗對于大學物理的教學具有非常重要的意義[2-3]。雖然傳統的物理實驗教學方式也能在一定程度上培養學生的創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得不到更新，不能及時反映最新科技進展，師生覺得物理實驗缺乏挑戰性和成就感。其次，由于教學時間有限，課堂上教師沒有足夠的時間引導學生，只能簡單講解和演示，學生也只能完成書本規定的實驗內容。在整個實驗教學過程中，學生探索和研究的機會甚少。另外，對于學生來說，一次完整的實驗課應包括：1.課前預習;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，記錄數據;3.課下完成數據處理以及實驗報告;4.對實驗內容進行復習，準備考試。但由于目前多數學校開設的大學物理實驗課的課時相對較少，實驗室開放時間也非常有限，所以學生的課前預習只能以對照書本抄寫實驗預習報告的這種較為枯燥的方式進行。這種預習效率低并且枯燥，不易理解，同時還降低了學生對實驗的興趣;而后續的復習只能靠學生之前在課堂上與儀器接觸的短暫時間的記憶進行，無法實現課程開設的意義。

LabVIEW虛擬仿真實驗具有諸多優點。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。用它可以在計算機上制作各種儀器面板，然后通過接口電路完成對數據的采集、處理、傳送、存儲、顯示，也就是用軟件取代傳統儀器的硬件來完成儀器的測量內容。

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。由于實驗經費有限，采用虛擬儀器可讓學生在預習階段對實驗過程中易損壞的設備進行提示。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”中的牛頓環儀經常被學生摔碎，經過虛擬仿真實驗的預習，提高學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物理實驗教學中，可以將教學的主動權交給學生。通過逼真的仿真實驗，學生在上課之前已經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計好的實驗，而且可以發揮學生的主體作用，設計出更具多樣性的實驗內容，提高學生的探索、思考、創新能力，實現大學物理實驗教學的意義。

第三，LabVIEW虛擬仿真實驗有利于提高實驗效率與效果。儀器的內部結構對于學生來說是神秘的，學生對儀器結構的理解直接影響到整個實驗原理、操作過程甚至實驗結果。仿真實驗可以給學生展示實驗儀器的內部結構，使學生了解儀器的內部運行過程，加深了學生對實驗儀器和原理的理解，達到了真實實驗難以達到的教學效果。虛擬儀器具有可重復性，學生可以在課前和課后利用該虛擬系統預習、復習，加深對實驗原理、實驗步驟及實驗結果的理解和掌握。

但是LabVIEW虛擬仿真實驗也有潛在的弊端。首先，LabVIEW虛擬仿真實驗結果的程序性。雖然LabVIEW虛擬仿真實驗系統能夠對物理實驗進行仿真并得到真實可靠的數據結果，并可以通過LabVIEW內部的編程實現對移動距離、時間、電壓、電流、光子頻率等的精確控制，具有較強的交互性，但是多數的結果和過程都是設計者事先編輯好的，結果是可預測的，單純地利用仿真實驗來完成課程，會導致學生缺乏科學探索性，無法實現大學物理實驗課程開設的意義。

其次，LabVIEW虛擬仿真實驗內容的單一性。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，虛擬仿真缺乏指導意義。傳統課堂是教師陪在學生身邊完成實驗，對于學生在實驗過程中出現的問題，教師可以即時給予答疑解惑。這種即時性非常有利于學生科學素養的提高。但是在虛擬仿真實驗中，學生面對的是電腦，一旦實驗過程中出現困惑，只能以留言方式反饋，降低了教學效率。

因此，利用LabVIEW虛擬仿真實驗實現高效的大學物理實驗教學需要謹慎而行。LabVIEW虛擬仿真實驗在一定程度上可以優化物理實驗教學，使學生成為課堂的主體，提高課堂效率，減少對學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行實驗的真實感。大學物理實驗學是一門實驗學科，虛擬仿真實驗可以很大程度上提高課堂效率。但是教師在教學過程中不可以過度依賴，要堅持科學的實踐性。實體實驗和虛擬實驗都具有對方無法超越的優點和一定的缺點。為了最大限度地提高大學物理實驗實驗教學的質量，可以采用實體實驗與虛擬仿真實驗相結合的“虛實結合”教學模式。虛擬仿真技術引入大學物理實驗教學，要按照“能實不虛、虛實結合、相互補充”的原則實施，即在預習和復習階段引入虛擬實驗，讓學生以虛擬的儀器來代替真實的儀器，從而達到良好的預習和復習效果。如，傳統實驗課學生預習只能對照書本抄寫實驗預習報告，通過觀察書上的二維圖片了解實驗儀器;而LabVIEW虛擬仿真實驗系統可以讓學生在課前預習階段從各個角度全方位地觀察實驗儀器，可以對實驗儀器進行任意的縮放、移動，甚至進入到實驗儀器的內部去了解儀器的設計原理，加深學生對實驗儀器認識，進而提高學生的學習興趣。在課堂上，學生在預習的基礎上，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，并進一步對之前理解的內容加以證實，完成實驗。這樣，充分發揮真實實驗與虛擬仿真實驗各自的優勢，相互補充，將素質能力培養貫穿于教學的全過程。這種實體實驗與虛擬仿真實驗相結合的教學模式，有助于改革傳統的實驗教學，提高學生的創新能力。

根據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質量，但運用不當也會造成一定弊端。將LabVIEW虛擬仿真實驗運用到預習和復習中，對學生學習大學物理實驗助益頗多;但不可盲目用虛擬實驗代替真實的課堂教學，在教學過程中應以虛實結合的方式利用虛擬仿真實驗，使其與真實實驗深化結合，二者在教學中揚長避短，將大學物理實驗教學質量最優化，達到新時代高水平人才培養的目的。

【參考文獻】

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

[2]黃焱，何松林，戴祖誠.大學物理設計性實驗的探索與實驗[J].實驗室研究與探索，2010，13（01）：85-86.

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