基于labview的中学物理虚拟仿真系统设计

李勇 周甦

1 虚拟仪器技术及labview介绍

虚拟仪器技术由美国国家仪器公司NI （ Nation Instruments）提出，其核心思想是“软件即是仪器”，就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件完成各种测试、测量和自动化的应用。相较于传统仪器，其高效率、经济、开发及维护成本低、扩展性好等优势明显。美国NI公司推出的LabVIEW （ Laboratory Virtual Instrumention Engineering Workbench）是一种图形化编程语言的开发环境，被广泛地应用与工业、学术和实验室，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW是基于c语言基础上采用框图式的图形化编程软件。传统物理实验教学往往受实验设备、实验时长所限无法达到理想的实验教学效果，鉴于这样的背景，为了促进实验教学，全面的提高教学质量，本论文基于labview针对中学物理实验教学系统进行设计和开发。利用虚拟仿真技术来代替传统仪器教学，节省仪器设备的同时大大的提高了交互性，有助于提高实验教学水平，同时在实验中让学生获取直接的实验经验有助于学生物理知识体系建构。

2 Flash介绍

Flash是美国的MACROMEDIA公司于1999年6月推出的优秀网页动画设计软件。它是一种交互式动画设计工具，用它可以将音乐，声效，动画以及富有新意的界面融合在一起，以制作出高品质的网页动态效果。Flash被广泛应用于各大领域，文案演示、制作教学课件等较为常见。

3 虚拟实验系统设计

以计算机作为硬件平台，以labview2014为软件平台，结合Flash调用，开发一个“中学物理”虚拟仿真实验系统。

3.1 程序设计及结构

虚拟仿真实验系统能完成，数据生成，数据处理，运动轨迹描绘、指定运动图像的生成、运动的动态演示、运动的轨迹分解、相关习题练习等。即包含3大模块（1）物理实验相关数据生成及处理。（2）实验的动态演示。（3）习题的练习。本次设计的虚拟仿真实验系统包含7个实验模块，分别对应物理学中声、光、电、力、热、运动、信号七大模块，本文主要介绍其中运动模块、信号模块、热学模块这3个实验模块。同时实验系统包含系统登陆、实验选择、退出控件、图像显示、正误判断显示等。

3.1.1 运动模块

运动实验模块分为两个小模块，分别是平抛运动模块以及匀速直线运动模块，平抛运动作为物理运动学高中阶段研究的两种经典的曲线运动中的一种，根据教学内容安排，学生通过之前对直线运动的学习，了解平抛运动的组成，以及如何分解平抛运动。它平抛运动的学习是学生首次用所学过的直线运动相关知识来处理、解决曲线运动的问题，体会分析处理曲线运动问题的方法一一运动的分解与合成。在教学中应让学生体验应用这种方法来探究物体做平抛运动规律的学习过程，体验知识发生的过程，激发学生对未知问题的探求欲，进一步提高学习的积极性，学习新的思考方式，了解如何将复杂的问题转化为简单的问题来解决，将未知的新问题化为脑海中已有前概念的已知问题进行解决，将物体的曲线运动的问题转化为更为直观、简单的直线运动的问题来探究。平抛运动是一种重要的运动方式，这不仅是知识的深化与扩展，更重要的是思维能力的培养与提高。平抛运动相对直线运动来说较为复杂，不容易直接研究它在速度、位移等上的变化规律，需要将它分解成较为简单的运动来进行研究。让学生能够理解运动的合成与分解这种思想方法的意义，知道为什么平抛运动可以进行分解和如何进行分解。学以致用，掌握平抛运动知识然后具备解决相关实际问题的能力。

匀速直线运动则是中学物理中最为常见的一种运动方式，物体保持固定的的速度，加速度为0，沿直线进行运动，等时间间隔内物体运动的位移相等。

系统中主要包括指定参数轨迹生成、运动的动态演示、习题演练三个部分。学生通过输入运动相关参数获取平抛运动以及匀速直线运动的轨迹图像，通过对不同轨迹的图像进行观察获取相关规律，实验数据与轨迹图像可以实现同步，便于学生更好的观察，通过实验系统对平抛运动进行横纵向分解，观察flash动态演示，从三个小球的运动图像中直接的对运动进行了解，通过频闪照片了解运动轨迹，依照图表对运动进行分析，了解平抛运动以及匀速直线运动的规律，最后进行知识总结及习题巩固。实验模块如图1所示。

3.1.2 信号波形实验模块

在中学物理中，信号相关内容为学生选修内容，模块包括虚拟信号生成、信号的合成与分解、滤波器、信号的加窗運算。学生可以通过虚拟信号生成模块生成周期信号以及非周期信号，包括正弦波、三角波、余弦波、锯齿波、斜坡信号等信号波形，通过控制面板可以对生成信号的频率、幅值、相位进行调节，通过加噪声选版选择是否添加噪声，包括高斯噪声、泊松噪声等噪声，该模块主要用于信号类型，信号示波器的教学认识，信号的合成与分解则方便学生利用此模块学习对信号进行处理，了解信号的叠加问题，通过选用巴特沃斯等滤波器对加噪信号进行滤波，在信号处理中还可对信号进行FFT幅度、相位分析。具体实验模块如图2、图3所示。

3.1.3 热学-比热容模块

在中学物理中，热学实验也是一个重要部分，这里以比热容实验为例，学生通过了解到物质的特有属性--比热容，了解到不同物质受热后温度变化的特性，实验通过物质选择、加热环境模拟、导出物质温度随时间变化曲线图，学生通过对曲线图的观察、比对、分析。了解物质的特性，学生不同物质在同种加热条件下温度的变化是不同的，学习比热容相关知识，利用习题模拟模块进行知识的巩固。系统中加入了水、酒精、水银、金属等11种常见物质，在给定初温以及物体质量的情况下对物体进行加热模拟。具体实验模块如图4所示。

4 结论

基于labview的中学物理虚拟实验系统能较好的模拟实验内容，让学生通过虚拟仪器的操作进行相关物理知识的学习，中学物理虚拟实验系统，具备经济、便捷、维护成本低、交互性强等优点，可随时供学生进行学习使用，大大的提高了学习效率，作为课前预习工具，作为翻转课堂的学生实验练习工具都可以起到提高课堂实验教学效率的作用，结合flash的直观性以labview的程序运算能力以及数据处理功能，学生通过虚拟实验操作对实验知识进行学习。虚拟实验系统的数据分析处理功能也能帮助学生对实验的重难点加强理解和掌握。同时信息化工具辅助实验教学顺应了新课标提出的教育信息化的要求，虚拟仿真实验系统辅助物理实验教学，其不受时空限制、共享程度高、安全直观、可实时交互等特性有助于物理实验教学效率的提高。

（作者单位：1湖南科技大学 2湖南长沙同升湖实验中学）