田　凱，王麗霞，蔡曉艷

(黃河科技學院，河南 鄭州　450000)

?

仿真實驗與實體實驗相結(jié)合在大學物理實驗教學中的應用探索

田凱，王麗霞，蔡曉艷

(黃河科技學院，河南 鄭州450000)

摘 要：隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，仿真軟件的功能越來越強大，在各學科科研及工程實踐中的作用越來越重要。作為一種新的教學模式,仿真實驗具有諸多優(yōu)點，在大學物理實驗教學中的應用越來越廣泛。但是仿真實驗也有不足，因為仿真實驗畢竟只是模擬性實驗，而學生只有通過真實的實驗過程，親手操作才能真正提高實驗技能，培養(yǎng)動手能力。實踐證明，將仿真實驗與實體實驗有機地結(jié)合起來，比如結(jié)合本校開設的實體實驗開發(fā)相匹配的仿真實驗，或者采用LabVIEW等軟件，結(jié)合單片機及各種測量傳感器，開發(fā)基于虛擬儀器的物理實驗裝置，對激發(fā)學生興趣，提高教學質(zhì)量有顯著效果。

關鍵詞：大學物理實驗；仿真實驗；實體實驗

大學物理實驗是理工科大學生必修的一門重要基礎實驗課程，是大學生進入高校后進行科學實驗基本訓練的入門課。大學物理實驗的教學目的在于培養(yǎng)學生對基本物理思想的理解、熟悉基本實驗方法、掌握基本實驗技能，對學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、創(chuàng)新意識及理論聯(lián)系實際能力的培養(yǎng)都有重要作用。但是受到經(jīng)費、人力和管理上的限制，目前不少高校的大學物理實驗室都存在儀器設備陳舊、超期服役、數(shù)量不足等現(xiàn)象，難免影響實驗教學效果。另外，許多近現(xiàn)代物理實驗儀器由于價格昂貴或者涉及放射性元素，除了有物理專業(yè)的少數(shù)重點院校，一般工科院校通常不配置或配置很少，因此能開設的近現(xiàn)代物理實驗項目很少，很多重要的實驗內(nèi)容根本就無法涉及。近年來，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，適用于各學科的仿真軟件日益流行，功能越來越強大。作為一種新的實驗教學手段，大學物理仿真實驗有助于減少儀器設備及實驗耗材的投入，還能使學生在計算機上對一些實驗設備昂貴、實驗過程危險的近現(xiàn)代物理實驗進行模擬實驗，對一般工科院校非物理專業(yè)的學生開拓視野、加深對相關物理知識的理解都有積極作用。目前，仿真實驗系統(tǒng)已逐漸應用于大學物理實驗課程中[1-4]。我校在開展大學物理仿真實驗的過程中，對如何將仿真實驗與實體實驗有機地結(jié)合起來，以更好地提高教學質(zhì)量進行了實踐與探索，取得了一些有意義的成果。

1仿真實驗在大學物理實驗教學中的應用

1.1大學物理實驗仿真軟件簡介及教學安排

我們學校所選用的大學物理實驗仿真軟件是中國科學技術(shù)大學推出的，該軟件由該校人工智能與計算機應用研究室王曉蒲教授、霍劍青教授團隊開發(fā)多年，曾獲國家級教學成果獎，功能十分強大，代表了當前物理仿真實驗的較高水平，已被國內(nèi)200多所大學采用，該軟件是國際上第一套虛擬現(xiàn)實型的教學軟件,受到國際同行的高度評價。單機版需要學生在仿真實驗室完成實驗項目，網(wǎng)絡版支持學生隨時隨地遠程登陸服務器后進行實驗操作。這套實驗系統(tǒng)包括近60個仿真實驗項目，既包括力學、熱學、光學、電磁學中常見的基本實驗，也有核磁共振、塞曼效應、拉曼光譜、掃描隧道顯微鏡等多個近現(xiàn)代物理實驗。

教學安排方面，目前我們學校一方面在大學物理實驗教學中為仿真實驗安排了兩次課的內(nèi)容，第一次是全面介紹一下仿真實驗，使學生對這種實驗方式有一個整體了解，另外通過碰撞與動量守恒這樣一個比較簡單的實驗項目，使學生基本掌握軟件的使用方法；第二次是讓學生結(jié)合自己的專業(yè)以及興趣愛好，選做一到兩個實驗項目。另一方面，我們準備向?qū)W校申請將大學物理仿真實驗作為公共選修課列入本科教學課程體系，對全校學生，特別是理工科學生開放。

1.2物理仿真實驗在大學物理實驗課預習和復習中的應用

由于仿真實驗不受實驗課時的限制，學生無論何時何地都可以通過計算機登陸仿真實驗服務器進入軟件操作界面，而且由于每項具體實驗都有實驗原理、實驗步驟、注意事項，還有一些與實驗相關的測試題。有的儀器還可以觀察到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，操作時還有語音提示，操作非常方便。因此，對于我們開設的實體實驗，特別是一些原理比較復雜難懂，操作要求高，難度比較大的實驗項目，比如分光計、邁克爾遜干涉儀等項目，仿真軟件中如果有相關的實驗項目，都要求學生提前進行仿真實驗，熟悉實驗原理，儀器結(jié)構(gòu)及基本操作方法，實踐證明即使實驗內(nèi)容及儀器型號不完全相同，學生做完仿真實驗后再做實體實驗，效果都會好得多。另外，學期最后我們還要進行操作考試，要求學生抽簽隨機選取一個本學期做過的實驗項目進行實際操作，教師根據(jù)操作情況打成績。學生沒有時間，實驗室也不具備條件讓每一個學生考前都到實驗室對所有的實驗項目進行復習，但是學生可以利用仿真實驗，很方便地對相關實驗特別是操作方法進行復習，由于已經(jīng)做過實體實驗，再進行仿真實驗時很容易聯(lián)想到真實的實驗情況，實踐證明效果很好。

1.3將其他學科仿真軟件引入大學物理仿真實驗教學中的探索

近年來計算機仿真技術(shù)發(fā)展很快，幾乎理工類各專業(yè)都有相應的仿真軟件，其中有很多功能強大、界面友好、操作方便的優(yōu)秀軟件，在國際上已經(jīng)非常流行，日益成為相關科學研究、工程設計及教學中的重要手段[5-6]。其中如Multisim、Proteus、Protel等優(yōu)秀的電子設計及虛擬仿真軟件，使電路的設計、分析、仿真測試非常方便；如ZEMAX、TracePro、LightTools等優(yōu)秀的光學系統(tǒng)設計仿真軟件，廣泛應用于光學及照明系統(tǒng)的設計中；如Matlab等優(yōu)秀的數(shù)學軟件，具有強大的數(shù)據(jù)分析、科學計算、圖像處理及創(chuàng)建交互式圖形用戶界面等功能,在很多特別是需要進行復雜數(shù)學處理的學科如自動控制、信號系統(tǒng)中應用非常廣泛；如ANSYS等優(yōu)秀的有限元計算分析軟件，有限元法是當今數(shù)值計算領域應用最為廣泛最為成熟的一種計算方法,通用性強、精度高，廣泛應用于結(jié)構(gòu)力學、流體動力學、熱學、電磁學和聲學等領域；如MS、LAMMPS等常見的材料計算軟件，廣泛應用于各種材料的模擬計算中；如Gaussian等量子化學計算軟件，廣泛應用于分子結(jié)構(gòu)及化學反應的計算分析中。我們結(jié)合本校開設的相關專業(yè)，嘗試將一些常用的仿真軟件引入大學物理仿真實驗教學中，作為選修課面向各專業(yè)學生開放，比如電子、通信等涉及電子信息技術(shù)相關學科的學生可以選學Multisim、Proteus等電子設計仿真軟件[7-8]，做RLC電路暫態(tài)分析、直流單臂電橋測電阻、直流電位差計測電動勢等實驗項目；比如光學工程、光電專業(yè)等涉及光學設計相關學科的學生可以選學ZEMAX、TracePro等光學仿真軟件，做望遠鏡、顯微鏡的設計與組裝等實驗項目；比如自動控制、通信技術(shù)等對數(shù)學處理要求較高的相關學科的學生可以選學Matlab等數(shù)學軟件，做一些光學中的實驗[9]，如單縫衍射、楊氏雙縫干涉等涉及復雜數(shù)學方程的實驗；比如土木工程、機械設計、材料等涉及結(jié)構(gòu)力學、流體動力學相關學科的學生可以選學ANSYS等有限元計算分析軟件，做一些模擬大學物理實驗中的電磁場分布可視化的實驗[10]，如模擬法測繪靜電場中各種電極所產(chǎn)生的電場空間分布的三維分布顯示圖像。由于這些軟件雖然應用廣泛，但不少在教學課程體系中不會涉及到。實踐證明這不僅有助于加深學生對相關物理內(nèi)容的理解，促進大學物理實驗教學水平的提高，還有助于擴大學生的知識面，提高計算機應用水平，而且有助于學生提前熟悉本專業(yè)以后經(jīng)常要用到的相關仿真軟件，為以后的深造或工作打下良好的基礎。

2大學物理仿真實驗與實體實驗相結(jié)合的探索

2.1增強學生對仿真實驗中儀器設備的直觀認識

仿真實驗只是模擬性實驗，學生會缺少“實物感”，不夠真實，且測量過程通過既定程序操作，實驗現(xiàn)象單一，若在教學中僅用仿真實驗，不利于學生對真實實驗儀器的認識及操作能力訓練，達不到培養(yǎng)學生動手能力的目的。因此，在大學物理實驗教學中，我們努力將仿真實驗與實體實驗有機結(jié)合起來，在開設仿真實驗時，盡量向?qū)W生展示仿真軟件中的儀器設備所對應的實體實驗設備，具體結(jié)構(gòu)原理及操作方法，有的設備學校沒有，我們會搜集相關圖片、資料通過課件向?qū)W生介紹。

2.2開發(fā)與我校開設實體實驗相匹配的仿真實驗項目

由于不同學校開設的實體實驗項目不同，不少在購置的仿真軟件中沒有，有的雖然有但是實驗內(nèi)容及采用的儀器設備與仿真軟件不同，這種情況普遍存在，為了更好地配合學生預習、復習，不少學校的老師根據(jù)本校情況，自己開發(fā)了一些仿真實驗。受其啟發(fā)，我們物理實驗老師與幾位計算機系搞軟件開發(fā)的老師合作，開發(fā)了兩個與我校開設的實體實驗相匹配的仿真實驗，直流電位差計測電動勢及拉伸法測金屬絲的楊氏模量，已經(jīng)用到實際教學當中，學生反映很好。這個工作打算繼續(xù)做下去，爭取為我校開設的所有實體實驗都開發(fā)出相應的仿真實驗，而且也可以吸收感興趣的學生，特別是計算機軟件相關專業(yè)的學生加入，甚至可以作為其畢業(yè)設計的題目，這樣對提高學生及老師的計算機能力很有幫助，對實驗室也有好處。

2.3開發(fā)與實體儀器測量相結(jié)合的基于虛擬儀器的實驗裝置

LabVIEW是時下開發(fā)虛擬儀器應用軟件最為流行的圖形化編程環(huán)境之一，它采用一種獨特的用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言,可視化好、編程效率高,能充分發(fā)揮計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，設計者可以很方便地創(chuàng)建與傳統(tǒng)儀器類似的具有友好用戶界面的控制系統(tǒng)[11]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、工程控制、數(shù)據(jù)分析處理等功能。我們結(jié)合實驗室的實體實驗設備，采用LabVIEW作為上位機，結(jié)合單片機及各種測量傳感器，設計制作了基于虛擬儀器的光電效應測普朗克常數(shù)及螺線管中磁感應強度的測繪兩套實驗裝置，學生在計算機上模擬實際操作完成實驗，通過計算機控制單片機利用傳感器測量相關數(shù)據(jù)，并通過計算機自動存儲、處理。這樣的實驗內(nèi)容有助于學生加深對計算機及傳感器在通用數(shù)據(jù)測量及處理中應用的認識，學生很歡迎，我們計劃以后多開發(fā)一些類似的實驗項目。

3仿真實驗在大學物理實驗教學中的思考與展望

隨著計算機技術(shù)的不斷進步，仿真軟件的功能肯定會越來越強大，應用肯定會越來越廣泛。比如中國科技大學近年來開發(fā)出了基于組件的大學物理實驗仿真軟件[12]，允許使用者自行設計實驗方案，靈活選擇儀器。我校正在考察，準備引進該軟件，一方面用于設計性和研究性實驗的開設，另一方面打算通過該軟件制作用于實驗操作考核的“實驗操作題”，建立仿真考試系統(tǒng)，使實驗操作的考核客觀化、精確化。當然如果能借鑒該軟件，結(jié)合我校開設的實體實驗自行開發(fā)一些基于組件的仿真實驗項目及實驗操作考核題，這樣效果應該會更好。當然自己開發(fā)畢竟存在很多困難，因此建議一些實力強的大型實驗儀器廠家能結(jié)合自己的儀器開發(fā)相應的仿真軟件，提供給購置儀器的學校使用。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷成熟，相信不久的將來一定會應用到仿真實驗系統(tǒng)中，給仿真實驗帶來更真實的操作體驗。另外，隨著智能手機功能越來越強大，越來越普及，開發(fā)能在手機上運行的仿真實驗應該也是一個努力方向。

4結(jié)束語

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，仿真軟件的功能越來越強大，在各學科的科研及工程實踐中的作用越來越重要。目前仿真實驗系統(tǒng)已逐漸應用于大學物理實驗教學中。但是必須強調(diào)的是大學物理仿真實驗系統(tǒng)雖然有內(nèi)容豐富、建設成本較低、易于維護等優(yōu)點，但是也有不足，因為仿真實驗畢竟只是模擬性實驗，實驗過程都由程序確定，實驗現(xiàn)象單一。而學生只有通過真實的實驗過程，親手操作才能真正提高實驗技能，培養(yǎng)動手能力。實踐證明，將仿真實驗與實體實驗有機地結(jié)合起來，比如結(jié)合本校開設的實體實驗開發(fā)相匹配的仿真實驗，或者采用LabVIEW等軟件，結(jié)合單片機及各種測量傳感器，開發(fā)基于虛擬儀器的物理實驗裝置，對激發(fā)學生興趣，提高教學質(zhì)量有顯著效果。

參考文獻：

[1]譚守標,霍劍青,王曉蒲.計算機虛擬技術(shù)在大學物理仿真實驗教學系統(tǒng)中的應用[J]．中國科學技術(shù)大學學報，2005,35(3)：429-433．

[2]郭文閣,陳海霞,王瑋,等.仿真實驗在大學物理實驗教學應用探討[J].大學物理實驗，2015，28(3)：124-127.

[3]王溢琴，蘆彩林.基于仿真技術(shù)的大學物理實驗教學改革[J].新鄉(xiāng)學院學報，2015，32(6)：68-70.

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

[5]梁勇.虛擬仿真技術(shù)在項目式綜合測控系統(tǒng)教學中的應用[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30(3)：82-85.

[6]程思寧，耿強，姜文波，等.虛擬仿真技術(shù)在電類實驗教學中的應用與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30(7)：94-97.

[7]祁國權(quán).Multisim在大學物理電學實驗中的應用[J].渤海大學學報(自然科學版),2012，33(1)：24-27.

[8]張明長.Proteus仿真軟件在物理實驗教學中的應用[J].大學物理實驗，2012，25(5)：68-71.

[9]劉志成，張君霞，黃蕊.Matlab可視化在大學物理實驗中的應用[J].大學物理實驗，2015，28(1)：69-72.

[10] 李戰(zhàn)廠,黃國鋒,白洪波,等.新教改下ANSYS軟件在大學物理實驗教學中的應用與實踐[J].赤峰學院學報(自然科學版),2015，31(6)：19-20.

[11] 劉佳,鄧月明.一種基于虛擬儀器的金屬線膨脹率測量方法[J].大學物理實驗，2015，28(1)：85-89.

[12] 施俊輝，楊旭，霍劍青，等．基于組件的可設計性虛擬實驗的構(gòu)建與實現(xiàn)[J]．中國科學技術(shù)大學學報，2010,40(3)：249-253．

TheApplicationandExplorationoftheCombinationofSimulationandRealExperimentsinUniversityPhysicsExperimentTeaching

TIANKai,WANGLi-xia，CAIXiao-yan

(HuangheScienceandTechnologyCollege,HenanZhengzhou450000)

Keywords：universityphysicsexperiment；simulationexperiment；realexperiment

Abstract：Withtherapiddevelopmentofcomputertechnology,thefunctionofthesimulationsoftwareismoreandmorepowerfulandtheroleofthesimulationsoftwareinscientificresearchandengineeringpracticeismoreandmoreimportant.Asanewteachingmode,withmanyadvantages,theapplicationofthesimulationexperimentinuniversityphysicsexperimentteachingismoreandmorewidely.Butthesimulationexperimentsalsohavedisadvantages.Theexperimentalskillsandpracticalabilityofstudentscanonlybedevelopedbyrealexperimentprocess.Practicehasprovedthateffectinstimulatingstudentsinterestsandimprovingtheteachingqualityofcombiningsimulationandrealexperimentsissignificant.ThiscanbeachievedbydevelopingsimulationexperimentsadaptedtorealexperimentandvirtualinstrumentswiththesoftwaresuchasLabVIEWcombinedwithsinglechipmicrocomputerandvariousmeasuringsensor.

收稿日期：2016-01-15

基金項目：鄭州市重點實驗室建設項目(ZZLG201414)；黃河科技學院校級教改項目(JG2014014)

文章編號：1007-2934(2016)03-0080-04

中圖分類號：G642.423

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.022