LabVIEW在近代物理實驗新課程體系構(gòu)建中的應(yīng)用與實踐

買合蘇提·玉蘇甫，孫振寧,，沈桂平，夏 楓

（1.昌吉學(xué)院 物理系，新疆 昌吉 830011；2.廈門大學(xué) 電子科學(xué)系，福建 廈門 361005）

1 調(diào)整課程結(jié)構(gòu)，改革教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建實驗教學(xué)課程新體系

1.1 模塊化課程結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的固定思維和教學(xué)模式下，學(xué)生進(jìn)行實驗操作過程中，學(xué)生基本上嚴(yán)格按照實驗講義要求逐步照本宣科操作一遍，所測量的數(shù)據(jù)和所觀察到的現(xiàn)象都千篇一律.不僅學(xué)生創(chuàng)新能力得不到很好的發(fā)揮，就是對理論知識的感知也很差，教學(xué)效果達(dá)不到要求，理論與實踐明顯脫節(jié).另外，在原有的實驗教學(xué)中，實驗儀器都具有固定的操作面板，操作方法固定單一.實驗儀器的定式條件限制了測量手段，實驗效果很難達(dá)到現(xiàn)在的教學(xué)要求，關(guān)鍵是這樣的實驗手段不容易讓學(xué)生加深對物理概念的理解和認(rèn)知[6].在整個教學(xué)過程中，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣與主動性，因此，改變這一教學(xué)模式是勢在必行.為此，我們基于本校現(xiàn)有的實驗教學(xué)條件，結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)（應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)）及學(xué)生個性化（因人而異、因材施教）培養(yǎng)目標(biāo)方案，確定近代物理實驗課程體系改革的構(gòu)建思想和原則：一、核心：改革近代物理實驗的教學(xué)內(nèi)容（拓展知識點(diǎn)）；二、載體：改革實驗的教學(xué)方法、教學(xué)手段及教學(xué)模式；三、目標(biāo)：建立“分門別類、統(tǒng)籌兼顧”的模塊化近代物理實驗教學(xué)新課程體系.

在新的課程體系建立過程中，培養(yǎng)學(xué)生的個性化目標(biāo)和創(chuàng)新能力是整個新課程體系建設(shè)方向.所以依據(jù)實驗內(nèi)容的普遍性、難易程度與學(xué)生的知識水平，把實驗項目設(shè)置成不同的模塊；根據(jù)實驗內(nèi)容從淺入深依次地分為基礎(chǔ)實驗?zāi)K、綜合專題性實驗?zāi)K、開放式設(shè)計性實驗?zāi)K和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練實驗?zāi)K等.其中，我們新設(shè)置一個虛擬實驗與網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)系統(tǒng)，對各模塊實驗進(jìn)行輔助教學(xué)，并為學(xué)生提供一個實踐創(chuàng)新平臺.這樣課程新體系就形成這樣的特色：在課程結(jié)構(gòu)上形成了模塊化、在實驗內(nèi)容上區(qū)分出層次化、在實驗教學(xué)過程中形成階段化、實驗研究的深度上形成專業(yè)化.

1.2 拓展教學(xué)內(nèi)容

在實驗項目設(shè)置時注重考慮該項目的前沿性和實用性：在前沿性方面，緊密結(jié)合科學(xué)發(fā)展的新發(fā)現(xiàn)、新技術(shù)，從新發(fā)現(xiàn)的理論和新科研的成果基礎(chǔ)上改革實驗教學(xué)的內(nèi)容.發(fā)揮本校和本學(xué)院優(yōu)勢學(xué)科平臺，將部分科研成果引入實驗教學(xué)，使學(xué)生在實驗過程中能接觸和了解與本學(xué)科相關(guān)的最新進(jìn)展；本著少而精，強(qiáng)化基礎(chǔ)，刪繁就簡，擴(kuò)大信息量的原則，打破課程體系的封閉性，實現(xiàn)與相關(guān)相近課程甚至跨學(xué)科課程之間的相互融合.同時在實用性方面，根據(jù)國家和地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)對人才專業(yè)技能的需求，設(shè)置一系列與實際生產(chǎn)密切相關(guān)的應(yīng)用型實驗項目，提高學(xué)生的專業(yè)實驗技能.例如，氣體放電等離子體特性實驗、PN結(jié)溫度特性實驗、核磁共振磁場測量實驗、LED半導(dǎo)體檢測照明實驗室、單片機(jī)實驗室進(jìn)行整體融合，開設(shè)基于核磁共振技術(shù)的油品（地溝油）檢測、功能飲料的分析與檢測、磁共振學(xué)成像應(yīng)用、半導(dǎo)體照明與光電檢測等實驗，把現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)和先進(jìn)的實驗設(shè)備融合到傳統(tǒng)的近代物理實驗，實現(xiàn)了現(xiàn)在前沿技術(shù)與傳統(tǒng)的經(jīng)典實驗的良好結(jié)合，使實驗教學(xué)融合在科研課題中，同時將成熟的科研成果和新的實驗技術(shù)納入近代物理實驗教學(xué)中，推動以“鞏固基礎(chǔ)，面向科研”的教學(xué)培養(yǎng)模式.這樣也就豐富近代物理實驗教學(xué)的內(nèi)容，地拓展了學(xué)生的知識面與創(chuàng)新思維.

2 新課程體系下虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用與實踐

2.1 虛擬實驗系統(tǒng)的構(gòu)建

為了提高學(xué)生實踐動手能力、具體的實驗設(shè)計和實驗操作能力，首先要提高學(xué)生對實驗學(xué)習(xí)和研究的主動性和積極性，在實驗手段上我們引入LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)，本著以開放性的實驗教學(xué)方式，使學(xué)生從“被動、封閉、受束縛的學(xué)習(xí)狀態(tài)”變成“主動、開放、較自由的學(xué)習(xí)狀態(tài)”，真正地投入實驗研究和實驗設(shè)計；比如提出新的實驗方案或?qū)嶒炘O(shè)計，改進(jìn)實驗方法等等.這樣既充分發(fā)揮了每個學(xué)生的個性才能，又提高他們的創(chuàng)新意識.另外通過師生對虛擬仿真實驗的編程設(shè)計及應(yīng)用設(shè)計相互討論，促進(jìn)了教師和學(xué)生之間的互動交流.使教師加深了解了實驗教學(xué)的效果，促進(jìn)了教師對實驗教學(xué)的重視和研究，也提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和實踐的創(chuàng)新意識[7].

圖1為我校的近代物理虛擬實驗體系結(jié)構(gòu)圖：1、實驗?zāi)康哪K，使學(xué)生明確理解其學(xué)習(xí)該實驗?zāi)康暮腿蝿?wù)所在，通過本實驗的任務(wù)要求，把科研前沿項目與實驗設(shè)計緊密聯(lián)系在一起；2、實驗原理模塊，學(xué)生在通過理論的學(xué)習(xí)和實驗方案的討論，基本領(lǐng)會實驗的原理和實驗設(shè)計的實施方案，再通過LabVIEW的動畫演示，加深理解實驗原理的同時設(shè)計合理的實施方案；3、實驗儀器模塊，提供該實驗所需的儀器實物，讓學(xué)生360度全方位給予觀察，了解儀器面板上各個功能開關(guān)和控制旋鈕功能，并掌握所用實驗儀器性能和其使用方法；4、實驗步驟模塊，開放LabVIEW實驗系統(tǒng)，要求學(xué)生模擬實物儀器操作過程設(shè)計一套該實驗的虛擬儀器系統(tǒng)，同時該系統(tǒng)可以根據(jù)學(xué)生的操作情況給出實驗數(shù)據(jù)或?qū)嶒灲Y(jié)果；5、數(shù)據(jù)處理模塊，學(xué)生在完成虛擬實驗儀器操作后，可通過數(shù)據(jù)處理模塊對采集到的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、繪圖等各種處理；6、課程簡介模塊，該模塊可讓學(xué)生了解教學(xué)大綱、重點(diǎn)難點(diǎn)、教學(xué)實施方案、教材介紹、考核要求等基本信息；7、教學(xué)資源模塊，向?qū)W生提供教師實驗課程錄像，教學(xué)參考資料等；8、練習(xí)測試模塊，檢查學(xué)生對該實驗知識掌握程度、提供必要的實驗知識點(diǎn)練習(xí)和測試評價等內(nèi)容，來強(qiáng)化學(xué)生對該實驗所學(xué)知識；9、教學(xué)測評模塊：給學(xué)生提供對教師實驗教學(xué)的反饋，讓教師及時了解實驗教學(xué)效果，促進(jìn)教學(xué)改革.

圖1 近代物理虛擬實驗體系結(jié)構(gòu)

2.2 虛擬儀器技術(shù)的設(shè)計實例

根據(jù)改革后的實驗教學(xué)內(nèi)容和改革后的實驗教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生自己動手設(shè)計虛擬實驗平臺，充分調(diào)動學(xué)生主動性、積極性、創(chuàng)造性.在虛擬實驗平臺的設(shè)計過程中，教師與學(xué)生討論設(shè)計方案、設(shè)計流程，最后再由學(xué)生組成設(shè)計小組，進(jìn)行虛擬儀器設(shè)計，有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗規(guī)律、獲取更多的相關(guān)知識、提高學(xué)生的實驗技能水平的同時，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力.近年來，我們結(jié)合近代物理實驗教學(xué)的內(nèi)容，根據(jù)教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，學(xué)生自主設(shè)計完成一系列優(yōu)秀的近代物理實驗虛擬實驗教學(xué)課件.

圖2 氣體放電等離子體特性虛擬實驗界面圖

等離子體有極放電實驗是近代物理實驗中比較經(jīng)典的一個實驗.由于該實驗存著的高壓電路，在實驗的過程中儀器的維修率非常高；而學(xué)生做實驗的過程中也存在著高壓輻射安全隱患.而我們的虛擬儀器就完全可以解決上面所提出的兩個方面的問題.圖2為氣體放電等離子特性測量的虛擬實驗界面，我們針對等離子體有極放電在不同的電壓下暗放電、輝光放電、弧光放電3個狀態(tài)進(jìn)行虛擬實驗，并完成實時數(shù)據(jù)記錄與處理，獲得伏安(I-V)特性曲線.實驗結(jié)束，數(shù)據(jù)處理完成后，可以給出相關(guān)的電參量結(jié)果[8].

PN結(jié)溫度特性實驗設(shè)以傳統(tǒng)實驗為基礎(chǔ)，可進(jìn)行PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系研究實驗的仿真[9]，仿真過程與傳統(tǒng)的實驗過程相似.實驗界面如圖3所示，這一虛擬平臺可實驗加熱、測量PN結(jié)溫度，獲取結(jié)間電壓差，實時獲取ΔV-T曲線，并在實驗結(jié)束后，即可獲得PN結(jié)禁帶寬度，并給出測量誤差[9].此外，我們也設(shè)計核磁共振磁場測量儀，可以進(jìn)行虛擬測量，也可以與測試探頭結(jié)合，實現(xiàn)磁場的實時測量，這一結(jié)果也應(yīng)用在近代實驗中的其他實驗設(shè)計中(圖4).

圖3 PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系研究仿真實驗面板

圖4 核磁共振磁場測量儀前面板

3 新課程體系下虛擬教學(xué)的優(yōu)勢與特點(diǎn)

我們緊扣近代物理實驗教學(xué)體系改革，根據(jù)教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，引入了LabVIEW虛擬儀器技術(shù)設(shè)計一些適合我校近代物理實驗教學(xué)的虛擬教學(xué)課件，逐步形成虛擬教學(xué)系統(tǒng)，這些成果具有以下幾方面的優(yōu)勢與特點(diǎn)[10]：

(1)學(xué)生自主設(shè)計虛擬實驗系統(tǒng)體現(xiàn)其創(chuàng)新性.在設(shè)計虛擬儀器的過程中，教師只參與交流探討設(shè)計思路，具體的設(shè)計與制作實施，以學(xué)生為主體.不僅使學(xué)生鞏固了所學(xué)的知識，而且提高了學(xué)生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力，促進(jìn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)和學(xué)科建設(shè).

(2)虛擬儀器設(shè)計與科研項目相結(jié)合體現(xiàn)其研究性.在虛擬儀器設(shè)計的過程當(dāng)中，教師適當(dāng)?shù)膶?dāng)今前沿的科研問題作為要求，與近代物理實驗教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合起來，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，找出解決問題的設(shè)計方案.如此一來，將原有的驗證性為主的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)閹в袆?chuàng)新性和研究性的教學(xué)模式，達(dá)到了教學(xué)模式的改革；也實現(xiàn)了以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的興趣，鞏固和深化學(xué)生的基礎(chǔ)知識.這種教學(xué)模式以更開放、更靈活的方式培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力和研究創(chuàng)新能力，形成開放式創(chuàng)新思維.

(3)開放和創(chuàng)新設(shè)計性實驗與基礎(chǔ)實驗相結(jié)合體現(xiàn)其實用性.傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實驗教學(xué)受固有實驗儀器、老舊的實驗理論的限制，很難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，不能體現(xiàn)出教學(xué)效果.在近代物理基礎(chǔ)實驗中引入虛擬儀器技術(shù)，克服實驗條件的不足，提高實驗的可見性和實效性.給學(xué)生創(chuàng)造一個全新的學(xué)習(xí)環(huán)境，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，讓實際教學(xué)效果得到有效的改善.

（4）采用虛擬儀器和固有儀器相結(jié)合體現(xiàn)其兼容性.在學(xué)生進(jìn)行實驗操作和實驗開發(fā)過程中，既可以使用固有儀器進(jìn)行實驗操作，也可以通過虛擬實驗儀器進(jìn)行測量，還可以在虛擬儀器上進(jìn)行功能擴(kuò)展.這樣既增加了實驗方法，也擴(kuò)充了實驗內(nèi)容，更新教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量.

（5）利用校園網(wǎng)絡(luò)資源和實驗室虛擬平臺相結(jié)合體現(xiàn)其靈活性.建立虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室，相關(guān)的實驗預(yù)習(xí)和部分實驗項目學(xué)生都可在網(wǎng)上完成，實現(xiàn)遠(yuǎn)程開放的實驗教學(xué).

4 結(jié)束語

虛擬儀器技術(shù)與近代物理和實驗教學(xué)相結(jié)合，實驗教學(xué)更加、生動，減少對硬件儀器的依靠，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，改善實驗教學(xué)條件，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與實驗技能水平，實現(xiàn)了現(xiàn)代技術(shù)與優(yōu)化教學(xué)的完整統(tǒng)一.這種新的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、團(tuán)隊合作能力，提高學(xué)習(xí)的主動性與積極性.

總之，融合多學(xué)科的綜合近代物理實驗教學(xué)體系的建立是一項系統(tǒng)性、綜合性工程，是一個循序漸進(jìn)的過程，需要繼續(xù)進(jìn)行研究和實踐，以推進(jìn)近代物理實驗教學(xué)改革不斷深入.

〔1〕 沈桂平,駱萬發(fā).近代物理實驗新課程體系構(gòu)建的改革與實踐[J].物理實驗,2009,29(8):18-21.

〔2〕 肖立娟.大學(xué)物理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀與教學(xué)改革的探究[J].大學(xué)物理實驗,2015,28(6):114-116.

〔3〕 段雪松,張旭,張志東.面向?qū)W生自主學(xué)習(xí)的大學(xué)物理實驗教學(xué)體系建設(shè)與實踐 [J].實驗技術(shù)與管理,2015,32(9):187-190.

〔4〕 張林.虛擬仿真技術(shù)對大學(xué)物理實驗教學(xué)影響的探究[J].大學(xué)物理實驗,2015,28(1):116-118.

〔5〕 范婷,劉云虎,湯國富，等.探究型教學(xué)模式下大學(xué)物理實驗的改革與實踐[J].大學(xué)物理實驗，2016,29(2):149-152.

〔6〕 騰香.近代物理虛擬仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)研究與實踐[J].渤海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,36(3):204-207.

〔7〕 張增明,王中平,張憲鋒，等.國家級物理虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2015,32(12):146-149.

〔8〕 劉燕萍,谷海霞,韓培德，等.輝光等離子放電體在表面合金化技術(shù)中的研究[J].材料工程,2009,增刊(S1):158-162.

〔9〕 周黨培,陳業(yè)仙.半導(dǎo)體PN結(jié)溫度特性實驗[J].實驗室科學(xué),2012,15(1):100-103.

〔10〕 李斌,譚鵬,陳國杰，等.LabVIEW 在物理設(shè)計性實驗中應(yīng)用的探討[J].大學(xué)物理實驗,2012,25(3):85-87.