基于虚拟化仪器的物理实验教学改革研究

陈建军　胡彦婷　木拉提·哈米提

摘 要： 文章针对当前非物理专业的实验教学中所面临的各种问题和挑战，采用虚拟软件培养的方式，使学生快捷地认识和熟悉物理实验的流程，进一步加深对专业基础课程的了解和掌握，增强对相关物理实验的实践动手能力，最终以虚拟仪器实验教学方式提高学生的实践创新能力。

关键词： 物理实验教学 虚拟化 教学方式 实践能力

一、引言

随着经济的高速发展，社会各行各业对有较强创新能力、动手能力的综合类人才的迫切需求和此类人才数目的巨大缺口之间的矛盾越发突出[1]-[3]。高等院校肩负为社会输出大量合格人才的主要责任，因此，对学生实践能力的培养近年来越来越受到各高校的重视[4]-[5]。实验是大学理工农医等学科教育的重要环节，是提高学生动手能力，培养创造能力和综合素质的最有效手段之一。医用物理实验是我校学生进入大学后首先遇到的一门系统全面的实验课程，且作为医科类学生必修的基础类实践课程，毫无疑问在学生的培养实践环节方面处于重要地位，它不仅可以加深学生对理论知识的理解，更重要的是可以使学生获得基本的实验知识，在实验方法和技能方面得到较系统、严格的训练，培养学生敏锐的观察力、严谨的科学思维能力和创新精神，提高学生的综合素质。

二、物理实验教学所涉及的问题

物理实验教学示范中心是我校实验教学示范中心，承担全校医学专业类学生的物理实验教学工作。我校医用物理实验课程仍基本沿用传统模式，在课程实施中存在一些问题，影响了教学效果。

1.作为专业医学类院校，我校医用物理实验课程覆盖面很广，涉及临床、检验、影像、公共卫生等近十个专业方向的学生，这些学生的理论基础、动手能力和对知识的接受能力参差不齐，这对实验教学环节提出了很大挑战。尽管在教学过程中，我们根据实验的难易程度对不同专业的学生进行分类教学，但这种划分并不能完全解决上述问题。

2.实验教学环节仍采用传统模式，即老师在黑板上先讲述实验原理，再结合一定实验操作给学生介绍实验仪器、相关步骤、注意事项，等等。对于一些比较复杂的实验，比如示波器的基本操作等，由于学生理论基础普遍相对薄弱，实验操作环节很复杂，采用传统教学模式学生的知识接受度不足以满足实验教学要求。

3.虽然我校已加大了实践环节的资金投入，但这种有限的投入很难满足试验设备价格昂贵、更新速度快的要求。由于实验仪器长期高负荷运作，损耗率较高，实验器材老化严重，影响了正常实验教学工作的开展。

三、虚拟化实验教学平台

针对暴露出来的这些问题，我们在学校相关教改项目的支持下，已进行了一定的探索和研究。近年来，随着虚拟仪器技术的迅猛发展，我们逐渐关注到其应用于实验教学中的显著优势。

虚拟仪器实验系统的优点如下：

1.成本低廉。虚拟仪器的价格低廉，是传统仪器的10%～20%。虚拟仪器的结构是基于软件体系的，不像传统仪器的硬件存在器件老化及温度变化的问题，从而延长设备的使用寿命，也可以节省维护费用。

2.灵活性大。传统仪器系统自身封闭、功能固定、可扩展性差，而虚拟仪器可由用户（学生或老师）自行定义功能模块，大大增强了其灵活性。而且任何计算机技术的提升皆可及时提高虚拟仪器的功能。

3.数据处理功能强大。虚拟仪器可方便地对数据进行编辑、存储和打印，这是传统仪器无法做到的。

4.测量精确。传统仪器受系统误差的影响，不同仪器之间个体差异较大，加之观察者自身因素等往往会影响测量结果，而虚拟仪器在PC机上运行，不同的PC机上运行具有相同的效果，测量误差很小。

5.界面生动直观，有利于激发学生的学习兴趣。容错性强，内核基于软件，即使学生操作失误也不容易对实验仪器造成损坏。

由于虚拟仪器技术具有以上优点，因此可将其应用到实验教学中，构成虚拟仪器实验教学系统。目前，我们已基于Labview开发出一款虚拟示波器用于实验教学环节中，该虚拟示波器集成了信号发生器模块和示波器探测模块，能够模拟实现实验教学中要求学生掌握的示波器的主要功能。该虚拟示波器已封装为exe执行文件，学生可以在任何一台电脑安装运行，通过在电脑上进行模拟操作，结合书本预习课前就能掌握示波器的基本操作方法，从而大大激发学生在预习环节自主学习的热情和动力。

四、结语

我们尝试把虚拟示波器用于多媒体教学过程中，通过直观演示，学生对知识的接受度大大提高，强化了教学效果，减轻了教学负担。当然，我们目前做的工作才刚刚起步，下一阶段，我们将会针对不同实验内容针对性地开发相应的虚拟仪器，并对其应用于实验教学环节的方法和手段进行积极探索。我们希望最终能够开发出一套系统化、模块化的虚拟仪器实验教学系统，培养学生的创新能力和实践能力，进而培养出更适合社会需要的栋梁。

参考文献：

[1]国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）.新华社北京，2010年7月29日电.

[2]王勇，梅忠义.问题与对策：大学物理实验教学改革探讨.湖北广播电视大学学报，2008，28（4）.

[3]邓晓冉，杨帅.浅谈大学物理实验教学改革.大学物理实验，2009，22（1）.endprint