基于labview的中學物理虛擬仿真系統設計

李勇 周甦

1 虛擬儀器技術及labview介紹

虛擬儀器技術由美國國家儀器公司NI （ Nation Instruments）提出，其核心思想是“軟件即是儀器”，就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件完成各種測試、測量和自動化的應用。相較于傳統儀器，其高效率、經濟、開發及維護成本低、擴展性好等優勢明顯。美國NI公司推出的LabVIEW （ Laboratory Virtual Instrumention Engineering Workbench）是一種圖形化編程語言的開發環境，被廣泛地應用與工業、學術和實驗室，被視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW是基于c語言基礎上采用框圖式的圖形化編程軟件。傳統物理實驗教學往往受實驗設備、實驗時長所限無法達到理想的實驗教學效果，鑒于這樣的背景，為了促進實驗教學，全面的提高教學質量，本論文基于labview針對中學物理實驗教學系統進行設計和開發。利用虛擬仿真技術來代替傳統儀器教學，節省儀器設備的同時大大的提高了交互性，有助于提高實驗教學水平，同時在實驗中讓學生獲取直接的實驗經驗有助于學生物理知識體系建構。

2 Flash介紹

Flash是美國的MACROMEDIA公司于1999年6月推出的優秀網頁動畫設計軟件。它是一種交互式動畫設計工具，用它可以將音樂，聲效，動畫以及富有新意的界面融合在一起，以制作出高品質的網頁動態效果。Flash被廣泛應用于各大領域，文案演示、制作教學課件等較為常見。

3 虛擬實驗系統設計

以計算機作為硬件平臺，以labview2014為軟件平臺，結合Flash調用，開發一個“中學物理”虛擬仿真實驗系統。

3.1 程序設計及結構

虛擬仿真實驗系統能完成，數據生成，數據處理，運動軌跡描繪、指定運動圖像的生成、運動的動態演示、運動的軌跡分解、相關習題練習等。即包含3大模塊（1）物理實驗相關數據生成及處理。（2）實驗的動態演示。（3）習題的練習。本次設計的虛擬仿真實驗系統包含7個實驗模塊，分別對應物理學中聲、光、電、力、熱、運動、信號七大模塊，本文主要介紹其中運動模塊、信號模塊、熱學模塊這3個實驗模塊。同時實驗系統包含系統登陸、實驗選擇、退出控件、圖像顯示、正誤判斷顯示等。

3.1.1 運動模塊

運動實驗模塊分為兩個小模塊，分別是平拋運動模塊以及勻速直線運動模塊，平拋運動作為物理運動學高中階段研究的兩種經典的曲線運動中的一種，根據教學內容安排，學生通過之前對直線運動的學習，了解平拋運動的組成，以及如何分解平拋運動。它平拋運動的學習是學生首次用所學過的直線運動相關知識來處理、解決曲線運動的問題，體會分析處理曲線運動問題的方法一一運動的分解與合成。在教學中應讓學生體驗應用這種方法來探究物體做平拋運動規律的學習過程，體驗知識發生的過程，激發學生對未知問題的探求欲，進一步提高學習的積極性，學習新的思考方式，了解如何將復雜的問題轉化為簡單的問題來解決，將未知的新問題化為腦海中已有前概念的已知問題進行解決，將物體的曲線運動的問題轉化為更為直觀、簡單的直線運動的問題來探究。平拋運動是一種重要的運動方式，這不僅是知識的深化與擴展，更重要的是思維能力的培養與提高。平拋運動相對直線運動來說較為復雜，不容易直接研究它在速度、位移等上的變化規律，需要將它分解成較為簡單的運動來進行研究。讓學生能夠理解運動的合成與分解這種思想方法的意義，知道為什么平拋運動可以進行分解和如何進行分解。學以致用，掌握平拋運動知識然后具備解決相關實際問題的能力。

勻速直線運動則是中學物理中最為常見的一種運動方式，物體保持固定的的速度，加速度為0，沿直線進行運動，等時間間隔內物體運動的位移相等。

系統中主要包括指定參數軌跡生成、運動的動態演示、習題演練三個部分。學生通過輸入運動相關參數獲取平拋運動以及勻速直線運動的軌跡圖像，通過對不同軌跡的圖像進行觀察獲取相關規律，實驗數據與軌跡圖像可以實現同步，便于學生更好的觀察，通過實驗系統對平拋運動進行橫縱向分解，觀察flash動態演示，從三個小球的運動圖像中直接的對運動進行了解，通過頻閃照片了解運動軌跡，依照圖表對運動進行分析，了解平拋運動以及勻速直線運動的規律，最后進行知識總結及習題鞏固。實驗模塊如圖1所示。

3.1.2 信號波形實驗模塊

在中學物理中，信號相關內容為學生選修內容，模塊包括虛擬信號生成、信號的合成與分解、濾波器、信號的加窗運算。學生可以通過虛擬信號生成模塊生成周期信號以及非周期信號，包括正弦波、三角波、余弦波、鋸齒波、斜坡信號等信號波形，通過控制面板可以對生成信號的頻率、幅值、相位進行調節，通過加噪聲選版選擇是否添加噪聲，包括高斯噪聲、泊松噪聲等噪聲，該模塊主要用于信號類型，信號示波器的教學認識，信號的合成與分解則方便學生利用此模塊學習對信號進行處理，了解信號的疊加問題，通過選用巴特沃斯等濾波器對加噪信號進行濾波，在信號處理中還可對信號進行FFT幅度、相位分析。具體實驗模塊如圖2、圖3所示。

3.1.3 熱學-比熱容模塊

在中學物理中，熱學實驗也是一個重要部分，這里以比熱容實驗為例，學生通過了解到物質的特有屬性--比熱容，了解到不同物質受熱后溫度變化的特性，實驗通過物質選擇、加熱環境模擬、導出物質溫度隨時間變化曲線圖，學生通過對曲線圖的觀察、比對、分析。了解物質的特性，學生不同物質在同種加熱條件下溫度的變化是不同的，學習比熱容相關知識，利用習題模擬模塊進行知識的鞏固。系統中加入了水、酒精、水銀、金屬等11種常見物質，在給定初溫以及物體質量的情況下對物體進行加熱模擬。具體實驗模塊如圖4所示。

4 結論

基于labview的中學物理虛擬實驗系統能較好的模擬實驗內容，讓學生通過虛擬儀器的操作進行相關物理知識的學習，中學物理虛擬實驗系統，具備經濟、便捷、維護成本低、交互性強等優點，可隨時供學生進行學習使用，大大的提高了學習效率，作為課前預習工具，作為翻轉課堂的學生實驗練習工具都可以起到提高課堂實驗教學效率的作用，結合flash的直觀性以labview的程序運算能力以及數據處理功能，學生通過虛擬實驗操作對實驗知識進行學習。虛擬實驗系統的數據分析處理功能也能幫助學生對實驗的重難點加強理解和掌握。同時信息化工具輔助實驗教學順應了新課標提出的教育信息化的要求，虛擬仿真實驗系統輔助物理實驗教學，其不受時空限制、共享程度高、安全直觀、可實時交互等特性有助于物理實驗教學效率的提高。

（作者單位：1湖南科技大學 2湖南長沙同升湖實驗中學）