便攜式微型化大學物理電學實驗平臺的設計與應用

周艷明,翦知漸,謝 中,周正貴

(湖南大學 物理與微電子科學學院 大學物理實驗中心，湖南 長沙 410082)

大學物理實驗課程是高等院校理工科學生接受系統實驗方法和實驗技能訓練的必修課程. 隨著互聯網技術的不斷發展，遠程教育、在線課程等模式興起，教育也逐步邁入“互聯網+” 時代[1]. 在“互聯網+”背景下，大學物理實驗課程的教學模式呈現出新的變化與發展. 例如基于計算機模擬編程技術和網絡系統的虛擬仿真實驗，讓以往做不到、做不好、甚至做不了的物理實驗成為現實[2-4]，這極大地拓展了大學物理實驗教學內容的深度和廣度；傳統物理實驗與虛擬仿真實驗相互融合，即“虛實結合”的教學模式已成為物理實驗教學的新方向[5-6]. 許多高校在各大MOOC平臺上開設的大學物理實驗在線課程[7]可作為線下課程的有益補充，極大地拓展了傳統實驗教學的時間與空間，改變了學生的學習習慣.

2020年春季學期，突如其來的新冠肺炎疫情嚴重影響了各級學校的正常教學安排. 虛擬仿真、MOOC課程等線上教學模式從過去的輔助地位轉變為特殊時期的主流教學手段,為物理實驗在線教學提供了可行的解決方案. 對于具有實踐操作性質的物理實驗課程，高校物理實驗教師通過深入探討、集思廣益，設計開發了可操作性強的居家實驗項目[8-10]作為特殊形勢下物理實驗教學的應對措施.

湖南大學物理實驗中心教師結合大學物理實驗自身特點及本校教學安排，設計了32課時的居家實驗教學方案，包括6個必做實驗項目和6個研究性實驗項目，統一歸入到“非實驗室環境下的大學物理實驗”系列[11]，實驗內容主要集中在力學、振動與波、光學實驗等方面. 縱觀全國其他高校設計開發的居家實驗項目，內容也主要涉及力學、聲學、光學方面. 而完整的大學物理實驗內容非常豐富，涉及力、熱、光、電等領域，其中電學實驗項目居多，幾乎占實驗總學時的1/3以上. 然而在居家條件或其他非實驗室環境下，學生獲得電學實驗中常見的元件及儀器如電阻、二極管、電壓表、電流表、靈敏電流計等非常困難；同時從安全角度考慮，也讓居家實驗方案難以涉及電學實驗內容，這對學生進行全面實驗方法及實驗技能訓練來說，無疑是重要的缺失.

如何讓物理實驗不受時間和空間的限制，保證教學效果并使學生獲得全面培養，是當前大學物理實驗教師面臨的重要難題. 為此，湖南大學實驗中心教師基于WAVE2微型示波器構建了低成本、微型化物理電學實驗平臺，利用該便攜式、微型化實驗平臺，可以開展示波器的使用、二極管整流特性、熱敏電阻溫度特性、PN結的物理特性、電阻應變式傳感器等10個電學實驗項目的教學，結合之前設計的居家實驗項目，能夠在非實驗室環境下開展基本覆蓋完整內容的實驗教學，也可以作為本校小學期的實驗實訓或逾期學生的實驗重修的替代方案.

1 微型化大學物理電學實驗平臺設計背景

按照教學大綱要求，大學物理實驗中電學實驗內容所占比重較大. 目前大部分高校開設的電學實驗項目主要有示波器的使用、多用電表的改裝與校正、傳感器實驗、非線性元件特性研究、RLC串聯諧振電路實驗等. 開展物理電學實驗項目，需要用到多種測量儀器與儀表. 電學實驗中常用儀器儀表主要有雙蹤示波器、信號函數發生器、數字萬用表、電壓表、電流表、直流電源等，并且單個電學實驗往往需要用到多種測量儀器與儀表. 在傳統的教學過程中，都是搭建配套的實驗室來完成不同的電學實驗項目，成本較高，實驗地點固定. 在特殊時期或非實驗室環境下如何開展電學實驗，目前國內許多高校的普遍做法是采用EDA、Multisim等仿真軟件進行虛擬仿真的實驗教學模式[12]. 然而從教學反饋發現，基于虛擬仿真的實驗教學模式難以讓學生充分掌握調試硬件電路的能力. 因此，本文設計了低成本、微型化、便攜式、實驗項目豐富的物理電學實驗平臺，以滿足特殊時期或非實驗室環境下大學物理電學實驗教學需要.

2 微型化大學物理電學實驗平臺構建

2.1 實驗平臺架構

在傳統的物理電學實驗中，示波器及函數發生器是使用頻次較高的實驗儀器，大部分物理電學實驗項目如示波器的使用、惠斯登電橋實驗、傳感器實驗、熱敏電阻的溫度特性實驗等，均可以采用示波器及函數發生器作為主要測量儀器來完成實驗. 因此，本文在構建微型化大學物理電學實驗平臺時，核心儀器選用示波器及函數發生器，平臺的系統框圖如圖1所示. 在整個硬件實驗平臺的設計中，考慮到便攜性的需求，示波器應選擇功能齊全，且內置函數發生器模塊的微型示波器；電學實驗板采用優質面包板，根據實驗內容設計將所需元器件接插在面包板上.

圖1 微型化大學物理電學實驗平臺系統框圖

2.2 微型示波器選擇

由圖1可知，構建微型化且能開設豐富實驗項目的物理電學平臺，便攜式、微型化示波器及函數發生器的選擇是核心與關鍵. 基于低成本、微型化、便攜式、實驗項目豐富的原則，經過反復試驗、比較，最終選擇JYE科技產品WAVE2雙通道微型示波器DIY套件. WAVE2微型示波器提供2.4英寸(1英寸=2.54 cm)320×240彩色液晶顯示屏，觸摸屏操作，X-Y模式顯示，內置雙通道DDS函數發生器，尺寸為115 mm×72 mm×30 mm，質量為290 g(不含電池與探頭)，具有重量輕、攜帶方便、價格低廉(160元)等特點，其外觀及操作界面如圖2所示，其主要性能參量見表1. 由表1可知，WAVE2微型示波器雖然體積小、價格低，但是性能優異，能媲美普通大學物理實驗室所配備的常規型臺式示波器. 其內置雙通道DDS函數發生器的設計，使示波器與函數發生器合二為一；使用時可由3.7 V充電鋰電池或USB供電等，其便攜性更加突出. 內置的雙通道DDS函數發生器可以輸出0～3 V、頻率范圍為0～20 kHz的正弦波、方波、鋸齒波、三角波信號，且輸出信號的相位及偏移量可調等，以上特性均可滿足大部分物理電學實驗需求.

圖2 WAVE2微型示波器

表1 WAVE2微型示波器的主要性能參量

2.3 基于PC機的虛擬儀器開發

性能優異的WAVE2示波器微型化設計使其便攜性得到充分展現，然而微型化外觀也使得其可操作的旋鈕以及屏幕顯示的項目不能像臺式儀器一樣完全，甚至會精簡許多，如圖2所示. 對于實驗教學來說，與傳統的臺式儀器相比，便攜式儀器精簡的外觀及不完全的屏幕顯示項目除了會弱化儀器的某些性能外，也不利于學生了解與學習儀器的結構.

隨著計算機技術的發展，傳統的儀器開始向計算機化方向演變，基于計算機的虛擬儀器順勢誕生. 虛擬儀器的組成與傳統儀器類似，由數據采集與控制、數據分析與處理、結果顯示3部分組成. 不同的是對于傳統儀器，這3部分均由硬件完成，而對于虛擬儀器，后2部分主要由軟件來實現. 數據采集與控制系統通過USB總線等與計算機通訊，用戶操作計算機即可相應地操作使用儀器設備. 因此，虛擬儀器是以計算機為核心，充分利用計算機強大的圖形界面和數據處理能力，提供對測量數據的分析和顯示功能. 虛擬儀器的最大特點是靈活性高，用戶在使用過程中，可以根據需要添加或刪除儀器功能，以滿足不同需求和環境，并且突破了傳統儀器在數據處理、表達、傳送以及存儲方面的限制. 為彌補便攜式儀器因外觀的精簡設計及顯示屏幕尺寸減小等因素對儀器性能以及使用體驗的影響，采用的普遍措施是將便攜式儀器與虛擬儀器相結合. 儀器硬件將獲取的數據通過USB數據總線(或RS232串行總線、GPIB通用接口總線、以太網接口總線)傳輸給計算機，利用計算機端開發的虛擬儀器軟件對數據進行分析、處理和保存.

由表1可知，WAVE2示波器提供了完整的數據串行總線輸出，開發基于PC端的虛擬儀器，既可豐富與強化儀器功能及使用體驗，也有助于加深學生理解儀器結構與性能. 為此，利用LabVIEW開發了基于PC端的WAVE2微型示波器的虛擬儀器，其界面如圖3所示. 虛擬儀器界面各控件按傳統臺式示波器面板布局，有利于學生操作使用虛擬示波器；而將儀器參量設置、數據測量、分析、保存等放置在頂部菜單及子菜單，可使虛擬儀器界面簡潔明了，又不弱化其性能. 同樣地，也開發了基于PC端的DDS內置函數發生器的虛擬儀器，如圖4所示.

圖3 WAVE2微型示波器PC機測量控制界面

圖4 DDS內置函數信號發生器虛擬儀器界面

3 基于平臺的物理電學實驗項目

結合上述實驗裝置(WAVE2微型示波器及內置DDS函數發生器)及自行開發的PC端虛擬儀器，從培養學生熟悉使用常見物理電學實驗儀器及相應實驗方法為出發點，以測量某些物理量為主線，結合實際情況，設計以下實驗項目：

1)示波器的使用：由函數發生器輸出波形，利用示波器觀察并進行相應測量，熟悉示波器的基本功能；由電阻、電容、電感、二極管組成簡單電路，如圖5所示，使用示波器觀察二極管半波整流波形，對測量信號進行比較，觀察并測量簡單RC和RL電路的波形，測量信號之間的相位差、觀察2個同頻信號合成的李薩如圖形等.

圖5 實驗元件接線圖

2)二極管半波、橋式整流特征比較：利用DDS函數發生器向二極管整流電路輸入正弦信號，用WAVE2微型示波器觀察比較二極管半波、橋式整流特征，并繪制相應的整流特性曲線.

3)RLC串聯諧振電路研究：研究分析RLC串聯電路發生諧振的條件和特點，通過實驗觀察諧振現象，繪制RLC串聯電路的幅頻曲線并測量相關參量. 具體方法為利用DDS函數發生器給RLC串聯電路輸入正弦信號，改變輸入信號頻率，用WAVE2微型示波器觀察諧振現象并測量相關參量.

4)溫度傳感器實驗：采用溫差電偶作為敏感元件，用電橋作為信號轉換電路. 溫差電偶將溫度改變轉換為電壓信號，該信號經差動放大器放大，輸出至WAVE2微型示波器進行測量，電路如圖6所示.

圖6 溫差電偶溫度傳感器電路

5)應變片傳感器實驗：將電阻應變片貼在小型懸臂梁上，懸臂梁的彎曲形變引起電阻變化，采用電橋電路放大信號，用示波器進行測量. 使用1元硬幣(6 g)進行傳感器定標.

6)黑箱探秘實驗(亦稱電子元器件的判別與測量實驗)：由電阻、電容、電感、半導體二極管元件組成黑箱，依據電阻、電容、電感及半導體二極管的特性或各元件組成的電路來判斷未知元件.

7)其他項目：本系統可擴展，其他項目如霍爾片傳感器、運算放大器性能研究等，都可以擴展納入本實驗平臺.

如圖7所示，提供基礎接線板(面包板)，提供各項實驗項目所需電子元器件，以及其他小配件如帶插頭的導線、小螺絲刀等，由學生自行搭建電路并完成實驗內容.

圖7 免焊接面包板、電子元器件和即插即用連接線

4 基于微型化平臺的物理電學實驗教學

湖南大學從2006年以來一直實行1學年4學期制，即春、夏、秋、冬學期，春季學期的后2周為夏季學期，冬季學期的前2周為秋季學期；夏、秋學期共4周，集中安排選修課及實驗實訓，也稱為小學期. 2020年疫情期間，我校物理實驗中心的教師設計的居家實驗方案(32課時)，統一被歸入到“非實驗室環境下的大學物理實驗”，是特殊時期的教學替代方案，也是正常教學秩序下小學期期間的大學物理實驗實訓方案. 鑒于之前居家實驗方案存在局限性，即缺少電磁學實驗方面的內容，本次開發的基于WAVE2微型化示波器的物理電學實驗平臺，及時補上了這一短板，以便小學期期間能夠在非實驗室環境下開展基本覆蓋完整內容的物理實驗教學. 教學過程包括“在線教學”“實際操作”和“數據分析與處理”，覆蓋了完整實驗教學所需的三大步驟，滿足教學大綱要求.

根據學校安排，進入小學期前，學生到大學物理實驗中心領取微型化物理實驗電學平臺1套(WAVE2微型示波器、虛擬儀器軟件、相應的實驗元件接線板及探頭、導線). 教師積極準備，梳理相關內容，制作教學課件，錄制相關操作短視頻，完善實驗教學資源. 在線授課之前，教師將實驗講義共享給學生，并布置預習要求等，讓學生課前對實驗內容有所了解. 課堂上，教師講解實驗內容、實驗原理及操作要點等.

完成在線授課后，學生根據自己的時間安排，在非實驗室環境下，利用微型化物理實驗電學平臺，進行定量研究與測量，完成相應實驗內容. 此過程中，學生可將實驗中遇到的問題反饋給教師，通過師生互動解決實際問題. 完成實驗后，學生在非實驗室環境下對實驗中獲得的數據進行分析與處理，并給出完整的實驗報告.

另外，該微型化物理實驗電學平臺及對應實驗內容除了可作為本校小學期的實驗實訓教學安排之外，也可用于逾期學生的實驗重修方案. 逾期學生，特別是臨近畢業的學生需要重修大學物理實驗時，當前時間段物理實驗教學已經結束，根據教學安排，重修實驗需要等1學期甚至1學年，導致學生延期畢業. 利用該平臺開展相應實驗內容，用于逾期學生的實驗重修方案，既可很好地解決學生重修大學物理實驗時須等1學期甚至1學年這一難題.

5 結束語

基于WAVE2微型示波器設計開發了物理電學實驗平臺及相應的實驗項目，彌補了2020年疫情期間構建的“非實驗室環境下的大學物理實驗”中缺少電學實驗的短板，便于教師能夠在非實驗室環境下開展基本覆蓋完整內容的物理實驗教學. 同時，利用該平臺開展相應實驗內容，也可用于逾期學生實驗重修的替代方案，為今后大學物理實驗進行線上線下混合式教學積累經驗.