基于虛擬儀器技術的高中摩擦力實驗平臺設計

物理教學強調理論教學與實踐教學相結合，實踐教學就是實驗教學，為豐富實驗教學內容，幫助學生加深對所學習物理知識的印象，教師要大膽創新，基于虛擬儀器技術建設高中物理實驗平臺，確保創新教學機制，豐富教學手段。摩擦力屬于高中物理教材中的關鍵知識點，圍繞摩擦力所展開的高中物理實驗平臺教學非常生動有趣。在契合高中物理新課改要求，采用LabVIEW編程、單片機等虛擬儀器技術所設計建立的物理摩擦力實驗平臺能滿足師生教學需求，實現實驗平臺教學可視化、智能化操作，為高中物理實驗教學提質增效創造前提條件。

一、關于高中物理知識點——摩擦力

摩擦力屬于高中物理教材中力學單元的關鍵知識點，是重難點內容。在常規教學中，教師常常用更為直觀的實驗教學手段來向學生介紹物理知識，幫助學生理解物理中摩擦力的概念。簡單舉例，在利用小紙團展開實驗過程中，就記錄了小紙團的動靜摩擦力突變過程，而在這一實驗過程中，教師就初步為學生構建了最大靜摩擦力>滑動摩擦力的基本科學概念。不過，這一實驗也是存在缺陷的。

其一，實驗中的小紙團穩定性表現不強，這種穩定性表現不強問題要結合多點問題思考，保證準確性內涵能夠有所提升。在這一過程中，也需要思考導致小紙團穩定性表現不強問題可能是因為慣性而不斷向前沖所造成的。

其二，如果采用測力儀器演示紙團的動靜摩擦力突變過程，可以了解到小紙團的瞬時變化速度相對較快，所以變化現象不甚明顯，這種突變過程是不利于學生觀察的。換言之，物塊的瞬時突變演示效果不理想。

其三，物理實驗平臺上對于實驗過程的演示完全取決于演示設備。所以，教師需要研制摩擦力實驗平臺，有效改善實驗過程中的種種不足問題。

二、基于虛擬儀器技術的實驗平臺設計原理與思路

如果采用相關操作內容來展開分析，會了解到在測量過程中可能發生力量大小變化情況。就這一力量變化情況展開研討，需要基于諸多研究機制來思考提出有效解決方法。從某種程度上來講，還需要確保研究內容有所優化，形成信息技術機制，實驗平臺就傾向于采用虛擬儀器技術，其中就包括了單片機編程技術，在創設相關教學平臺過程中，也需要思考提出諸多問題，確保教學機制有效優化，形成相關技術平臺，確保所有實驗數據都能實現微觀化、可視化以及放大化，確保虛擬儀器技術中的諸多技術優勢都能有效發揮出來，體現信息技術應用高價值，制作形成一套完整的高中物理摩擦力實驗教學平臺。在實驗平臺上，主要包含了虛擬仿真面板，它的基礎內核是計算機平臺，其中包含了STM32單片機、攝像頭等，主要用于監控滑塊、電機、力傳感器的相互轉變變化過程，提高實驗操作效率。

以實驗平臺上的控制部分為例，它其中的模塊組成內容豐富，單片機發揮了重要作用。教師會指導學生建立教學體系，確保優化教學過程，思考教學內容，結合虛擬仿真面板來分析調整相關面板開關數據。從某種程度來講，也需要結合電機控制內容來分析摩擦力變化，確保以及控制數據信息應用到位。在實驗平臺演示虛擬儀器技術過程中，同時也演示表格內容、圖像內容以及控制圖像處理控件，如此就能順利呈現摩擦力的操作內容，來展開分析與處理內容，結合摩擦力物理現象以及規律來展開分析，確保其中相關技術內容被完整呈現出來。

三、基于虛擬儀器技術的實驗平臺設計方案與效果

（一）基于虛擬儀器技術的實驗平臺設計方案

在課堂上，教師要基于虛擬儀器技術來指導學生展開操作，研究諸多技術內容來建立相關采集機制，確保研究結果真實有效。要優化實驗平臺設計方案，在采集摩擦力數據過程中，首先要點擊虛擬儀器技術設備中的“清零”開關，清除系統數據內容；其次，就是運用“采集”“停止”開關來分析提出諸多教學問題，保證教學水平有所優化。要分析靜摩擦力變化情況，有三種變化：

第一種是儀表顯示，需要基于教學內容來分析相關操作，結合實驗方式有效傳導來分析優化顯示方案，結合直觀內容分析相關操作，確保分析變化過程。

第二種是圖像顯示，結合教學內容來分析提出思考問題，教師要通過圖像為學生直觀顯示物理變化現象，基于教學內涵來分析傳統實驗內容，保證教學機制思考分析摩擦力變化，同時思考摩擦力變化相關客觀規律，提高實驗教學質量水平。

第三種是數字顯示，教師要指導學生分析實驗平臺上的實驗數據，如此就能獲得摩擦力的客觀變化規律。在實驗平臺上，學生能隨時學習掌握摩擦力大小的客觀變化規律，提高其實驗學習能力與操作能力。

（二）基于虛擬儀器技術的實驗平臺設計方案實施效果

要基于虛擬儀器技術來設計打造實驗平臺，在演示實驗教學后由教師為學生總結平臺設計與教學方案實施效果。比如，學生通過實時視頻來清晰透徹觀察受到摩擦力影響的滑塊運動狀態變化，要保證所有學生都能觀察到實驗平臺上動摩擦力、靜摩擦力的變化過程，確保學生感性認識相關知識內容。久而久之，學生就能掌握摩擦力的大小變化規律內容。在實驗平臺上，需要分析靜摩擦力與滑動摩擦力變化，分析二者影響因素，進一步在實驗平臺上展開實驗。

四、基于虛擬儀器技術的高中物理摩擦力實驗平臺設計案例

在高中物理摩擦力實驗平臺設計與教學實踐活動開展過程中，教師要大量使用各種虛擬儀器技術設備，有效開展教學活動。

（一）激發學生興趣設計實驗教學平臺

教師要開展基于虛擬儀器技術的高中實驗平臺教學，就要激發學生的物理學習興趣。眾所周知，高中物理知識難度較高，而且教學內容枯燥乏味，容易讓學生喪失學習興趣與學習動力。所以教師有必要在新課引入部分提出豐富的教學模塊，如引入基于虛擬儀器技術的“思維沖突”實驗平臺，該實驗平臺能夠幫助學生體驗神奇的摩擦力。

具體來講，教師要運用虛擬儀器技術為學生設計3D模板，并利用打孔機為3D模板兩端分別設計孔洞，然后結合教學內容來分析截面變化情況，思考建立相關教學體系來分析提出問題，結合圓形界面分析變化情況，確保資質3D模板有效形成。在這一過程中，也需要結合3D模板來展開思考分析，如圖1。

在課堂上，教師要運用虛擬儀器技術將3D模板疊合起來，呈現在學生眼前，其目的是確保學生能夠結合自身的良好設計成果來學習理解相關知識內容，激發學生的好奇心。當然，3D模板在重疊以后可能會產生更大拉力，這容易令學生產生擔心焦慮，進一步刺激學生產生了較大的思維沖突，進而完全沉浸于物理實驗情境中對物理學習產生較大興趣。在教師巧妙地教學方案設計、平臺建設以及虛擬儀器技術應用過程中，圍繞摩擦力的實驗教學平臺就此建立起來，形成了教學中良好的情感鋪墊。

（二）增加學習感性體驗并提高科學推理能力

在課堂教學中，教師需要增加學生的學習感性體驗，同時提高學生的物理科學推理能力。為此，教師應當基于虛擬儀器技術來設計一個能夠確保師生互動的平臺小實驗。例如，采用摩擦力觀測設備來分析滑動摩擦力的產生條件，結合彈力以及物體相對運動情況來進一步認識滑動摩擦力，滑動摩擦力對于物體之間的互動小實驗非常敏感，因為它會產生阻力，這一阻力則需要結合對比實驗過程來展開分析，確保實驗過程中諸多實驗視頻都能有效呈現出來，并建立對比實驗教學，基于學生思考過程來分析認識滑動摩擦力的難度變化情況。當然，教師為進一步指導學生感受滑動摩擦力產生的條件，還需要利用虛擬儀器技術來指導學生觀察物體的相關操作來分析滑動摩擦力作用變化，基于的研究內容來建立分析機制，思考多點實驗視頻應用情況。在這一過程中，也要結合視頻物塊來建立摩擦力分析機制，思考其中的關鍵影響，展開力學分析，建立教學引導機制，思考教學內容與摩擦力變化情況。從思考摩擦力情況來過程中，也需要培養學生良好的科學與推理解題能力，達到應有教學效果。

以其中一個視頻為例，教師要運用虛擬儀器技術來直觀展示物塊的直線運動。具體來講，就是采用A4紙與木塊，要基于教學內容來分析思考有效模塊運動操作。在實驗方案中，也需要結合多點教學內容來思考提出問題，確保結合桌面標記內容來分析參照物變化情況，在這一過程中需要基于教學來分析幫助學生理解何為加速運動，結合滑塊運動位置變化分析教學內容。

（三）探索創新實驗裝置

在教師指導學生探索創新實驗裝置過程中，主要想解決的問題就是思考相關摩擦力變化情況，分析其中的影響因素。在深入了解傳統實驗教學內容的過程中，也需要思考不足問題，確保教學優化到位，同時滿足教學內容來思考提出問題。在這一過程中要保證教學內容有所優化，教師要在信息化平臺上為學生建立勻速拉動彈簧秤變化，結合彈簧秤拉動物塊過程來分析實驗移動過程，其讀數穩定性可能不高。為此，教師需要利用虛擬仿真儀器平臺為學生設計摩擦力實驗方案，如圖2。

教師要突破傳統方案，帶領學生設計測量滑動摩擦力的虛擬儀器技術實驗平臺，最終形成全新教學方案。

首先，需要采用細線懸掛彈簧秤來展開教學，客觀合理地分析彈簧秤示數變化情況，調整優化其穩定性，確保實驗對于摩擦力測量產生良性影響，優化實驗教學活動過程。

其次，教師要采用手動方式直接拉動長模板，保證長模板能夠在虛擬儀器技術平臺上沿著直線運動。如果學生直接用手控制難度較高，容易導致物塊停止不會產生任何摩擦力。當長木板停下時，主要對木塊以及模板之間的靜摩擦力進行分析計算，最后在彈簧秤上分析所得出示數結果。

最后，還需要基于多點教學內容來展開分析，提出有效教學策略。要爭取對教學內容進行改進與創新，基于多點彈簧秤的讀數穩定內容來分析提出滑動摩擦力變化情況即可。

總體來講，教學中要活用虛擬儀器技術，基于智能彈簧秤教學內容來思考提出問題，分析彈簧秤的變化情況，保證讀數穩定化操作。在彈簧秤中也需要基于教學內容來建立分析機制，確保彈簧秤能夠發揮其正常功能，滿足滑動優勢，利用虛擬儀器技術確保其正常自如運動。此時分析摩擦力效應，就能了解到物塊在長木板上是能夠沿著直線向前運動的。如果在實驗平臺上教師選擇使用了虛擬可調速的電動機，則需要通過虛擬調速技術來分析教學內容，結合長木板速度變化來分析長模板摩擦力調整情況，保證教學的關聯。

為確保虛擬儀器技術能夠在分析相關關系過程中發揮作用，要給予相關關系內容來建立教學分析機制，確保形成多方相互影響的正相關關系。從某種程度來講，需要基于諸多教學內容來建立創新性組合設計內容，要保證做到引導學生進入課堂練習環節，提高教學水平。

（四）開展課堂練習活動

教師要在高中物理課堂上開展課堂練習活動，幫助學生將所學知識學以致用。通過虛擬儀器技術創建物理實驗平臺，教師可以用短視頻形式展示相關內容，基于教學機制建立課堂練習教學活動，豐富優化教學方式，也需要確保由教師給出已知條件OA=2OB=2L，這其中L代表了實驗平臺軌道長度。教師需要基于水平位置為學生靜止放置、展示小球的重力加速度應該為g。

在桿轉動到豎直位置的過程中B小球的機械能變化過程，并得出以下結論：第一，指導學生認識機械能守恒定律，并分析建立其中的小球物體模型。第二，判斷機械能守恒定律中的使用條件方法，配合摩擦力分析小球因為摩擦力影響而產生的各種結果。第三，指導學生分析問題，轉換研究思路，做到活學活用，正確判斷機械能守恒定律的研究對象是哪些。

總結來講，小球A在不計算質量的情況下受到彈簧壓縮影響而產生摩擦力；小球B則沿著光滑斜側表面有所上升，且小球處于擺動狀態下。

結合上述實驗平臺教學研究可以了解到，摩擦力對象的選擇容易導致學生發生認知錯誤，所以教師利用虛擬儀器技術配合建立平臺做法幫助學生學習理解研究對象，同時讓學生充分理解虛擬儀器技術對于建立完整的摩擦力教學實驗平臺是相當重要的。在整堂課的教學設計中，教師都希望通過問題鏈+采用LabVIEW編程逐層深入引導學生科學分析，為學生在計算機網絡平臺上呈現編程結果，展示實驗流程。這些都需要教師發揮自身能力價值，幫助學生更好地發展。所以說，課堂上教師還需要努力培養學生良好的邏輯能力以及思維能力，從更多層面來形成育人思想，這對于解決學生學習理解某些教學難題，完成教學任務都有幫助。

在高中物理教學中，運用虛擬儀器技術來為學生搭建基于動摩擦力、靜摩擦力的測量與實驗檢測平臺是非常有意義的。它可以將傳統教學模式與信息化教學模式合二為一，簡化教學方案，直觀呈現物理現象，如此更能吸引高中生學習物理，打破傳統教學桎梏，體現更高的高中物理教學價值。