“互联网+”背景下大学物理虚拟演示实验的探索

钟兰花 陈文博 肖世发

岭南师范学院物理科学与技术学院 广东湛江 524048

物理学是建立在实验基础上的一门学科，它是一切自然科学和技术的基础，一般高校的理工科专业都必修大学物理课程。大学物理一般分为理论和实验两部分，但是理论课程和实验课程的内容安排很难一致，甚至安排在不同的学期。大学物理理论课比较抽象、难懂，大部分学生难以产生兴趣。为了使课程更形象、生动，降低理解难度，很有必要在课程中插入演示实验。但是由于受时间、硬件条件的限制，更重要的是因为大学物理的许多内容在真实的实验中很难在学生面前清楚、明显地展示，因此在实际教学中很少安排演示实验。

随着计算机和多媒体设备的日益普及和互联网技术的发展，可借助虚拟仿真实验替代真实的演示实验，以有效地解决实际教学中存在的诸多问题。虚拟仿真实验与真实的硬件实验相比，除了便于采用多媒体清晰播放外，主要有如下优点：(1)不受环境干扰，容易进行严格、精密的控制，排除了次要因素的影响，更容易突出现象的本质规律；(2)对实验结果能同时从不同的角度进行定量的展示；(3)实验中的参数很方便更改、调节，以展示不同参数条件下的物理现象；(4)损耗小、软件升级容易、易于扩展、生命周期长。结合当今方兴未艾的“互联网+”和MOOC(Massive Open Online Courses，大规模开放在线课程)教育背景，虚拟仿真演示实验的优势更能凸显出来[1-3]，例如，可将虚拟实验发布在网络上供学生课前预习或课后拓展，学生自主操作进行动态交互放在课外的时间完成，部分地实现翻转课堂，而在课堂上教师主要引导学生把注意力集中在学习科学探究的整体思路和方法上。从而可使课堂教学在时间和空间上得到延伸，在增强课程趣味性的同时大大地提高课堂教学效率。

虚拟演示实验需要建立在一个虚拟的实验平台基础上，常用的开发平台有C++，VB，Java等通用编程软件[4]，某领域的专用软件如电路仿真软件MultiSim[5]、光学系统设计仿真软件Zemax等[4]，以及擅长数值计算的Matlab[3,6]。实际上，LabVIEW在建模仿真方面的功能也十分强大，尽管它最突出的功能是用于和硬件连接进行测试、测量和控制等[7-9]。LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench(实验室虚拟仪器集成环境)的简称，是美国国家仪器公司(National Instruments)开发的一种图形化编程软件。LabVIEW和其他基于文本型程序代码的编程语言不同，它采用编译型图形化编程语言—G语言，即采用图形模式的结构框图构建程序代码，如同画流程图一般[9]。LabVIEW不仅包含了多种多样的数学运算函数和丰富实用的数值分析模块，内部还集成了大量生成图形界面的模板，如各种表头、旋钮、开关、示波器、LED指示灯、图表等，其界面友好且直观。图形化编程语言使得过去烦琐、枯燥的编程工作变得更简单、方便，即使零基础也容易上手，是一种易学易用、便捷高效的软件设计工具。

本文以大学物理中的重要内容—光的干涉和衍射为例，展示采用LabVIEW平台仿真物理演示实验的过程。从中可以看出编程步骤简单、界面形象直观、结果展示清晰、参数调节方便，该软件非常适合用来开发、制作大学物理中的仿真演示实验。

1 光的干涉 衍射原理

光的干涉和衍射现象是波动光学里最经典的内容，大学物理实验课程也大都开设这两个实验[10]。它一般需要采用激光器在暗室中进行，而且接收屏上的光斑都比较小，要很近的距离才能观察到条纹现象，所以不适合直接演示，需要借助虚拟仿真的手段演示该实验现象及其变化规律。

图1 杨氏双缝干涉实验示意图

图2 夫琅和费矩孔衍射示意图

2 程序设计与仿真结果

Lab VIEW创建的项目称为VI(Virtual Instruments)，每一个VI包含前面板和程序框图。前面板是用户与系统交互的窗口，它与真实的物理仪器面板相似，用来提供虚拟仪器与用户的接口, 用户可以通过键盘和鼠标对虚拟仪器面板上的开关、按钮等进行各种操作输入和获取信息。程序框图是VI的核心，它以图形化的方法表示程序源代码，类似于真实仪器中用来实现仪器功能的零部件。

光的杨氏双缝干涉按光强分布函数仿真各点的光强分布，前面板和程序框图如图3所示。前面板可以很方便地插入原理图，还包括各种形式的参数输入窗口以及输出窗口，输出的内容有干涉图样、光强分布曲线以及条纹间距。因为表达式非常简单，程序框图主要包括把数据离散化、作图以及一个多分支选择语句按照不同波长呈现不同颜色。此处把可见按光波长分为七种颜色[11]：红色(622～760 nm)、橙色(597～622 nm)、黄色(577～597 nm)、绿色(492～577 nm)、青色(450～492 nm)、蓝色(435～450 nm)、紫色(390～435 nm)。当改变实验参数，如改变双缝间距、输入波长，则输出的条纹间距、光波颜色也随着发生变化。

图3 杨氏双缝干涉仿真实验的前面板和程序框图

夫琅禾费矩孔衍射实验的仿真程序如图4所示，前面板包括实验原理图、参数输入窗口、衍射图样以及在中心点处沿x方向和y方向的光强分布曲线。程序框图中光强分布函数还可直接写成数学表达式的形式，更为简洁、方便。当改变矩孔的大小或长宽比、光波波长等参数时，可得到非常清晰的、与实际实验结果相一致的衍射图样。

图4 夫琅禾费矩孔衍射仿真实验的前面板和程序框图

上述程序编好后，能很方便地打包生成可执行文件，可作为大学物理课程教学的一部分进行课堂演示。也可发布在互联网上让学生自主学习，通过在界面上输入不同的参数可得到不同的实验仿真结果。

4 结语

本文通过光的干涉和衍射两个比较简单的例子展示了应用LabVIEW创建虚拟演示实验的过程，可以看出，相对于其他常用软件编程更直观、高效。实际上，LabVIEW的数值计算功能非常强大，例如，可直接调用函数得到高阶非线性常微分方程组的解，一般对大学物理范围的内容都能较快捷地求解。即使有一些拓展性的内容不便直接数值求解，也可利用LabVIEW的可跨平台功能结合数值计算能力更强的软件，如Matlab，各自发挥自己的特长、联合处理。结合当今的“互联网+”教育背景，可使得大学物理课程中虚拟演示实验的应用更加灵活、效果更加突出。