基于LabVIEW的大学物理实验教学系统的设计

孙小锋，县 伟，何晓明

(1. 青海师范大学 物理与电子信息工程学院，青海 西宁 810016;2. 兰州石化职业技术学院 国有资产管理处，甘肃 兰州 730000)

随着经济的发展，社会对人才的需求不断提高，本科人才培养逐渐成为创新型社会发展的关键[1]. 物理学是一门实验与理论相结合的学科，实验教学在物理学课程中具有极其重要的作用[2]. 然而，传统的实验教学主要通过教师进行实验演示，学生重复实验来完成. 这种以教师为中心的教学模式难以满足现代创新型人才培养的需求. 因此，推动现代物理实验教学改革迫在眉睫. 如今互联网与计算机技术取得了飞速发展，它们将助力实验教学方式的改革. LabVIEW作为程序可视化编程平台，具有数据采集、数据处理以及数据显示等特点，同时，它还能建立互联网与计算机的链接. 因此，LabVIEW受到广大教学和科研工作者的关注[3-7].

大学物理实验是理工科院校本科生必修的一门实验课程，同时也是一门培养学生创新思维与动手能力的基础课程[8-9]. 实验课程的开设将为学生将来研究生阶段的探索和学习打下了基础[8-9]. 但是全国仍有很多地方高校由于实验设备的老化或者仪器的缺乏，无法为学生提供良好的实验教学平台. 另外理论课程与实验课程很难统一进度，例如：光的衍射实验是大学一年级开设的，而光学理论课程却在大学二年级开设，这就导致出现了理论与实验脱节的现象. 本文将基于LabVIEW强大的数据处理与运算能力，同时结合青海师范大学国家级物理实验教学示范中心的实验设备设计大学物理实验教学系统. 首先，本系统可以应用于理论课程教学，理论课教师通过本系统让学生回顾实验，达到理论课程与实验充分结合的目的；其次，本系统可以作为实验教学提前预习的工具与实验教师演示实验的工具；最后，本系统可以为缺乏某些实验设备的部分学校提供认识实验的机会. 本系统的开发也能不断提升学生对物理实验的热情与应用计算机技术解决物理问题的能力[2].

1 系统登录框架设计

LabVIEW的前面板提供了大量显示插件和输入插件[8]. 通过多种显示插件和输入插件相互组合，设计大学物理实验教学系统，为了使界面美观，可以调节显示插件和输入插件的位置. 在前面板设计人机交换界面，根据系统运行的要求设计出执行程序.

1.1 登录界面设计

系统登录界面的前面板(图1)是通过2个字符串输入控件、2个布尔开关以及1个文件使用对话框(已隐藏)设计而成. 2个字符串输入控件为用户提供了输入账户和密码的通道. 而布尔开关则是用来控制系统的按钮. 后面板(图2)的程序是由while循环、事件循环、条件循环以及VI子程序调用等功能组成.

图1 登录界面前面版结构

图2 登录界面程序框图

1.2 功能选择界面设计

当系统通过登录界面密码验证后会进入功能选择界面(图3)，功能选择界面前面板由7个布尔开关和3个文件使用对话框(已隐藏)组成，7个布尔开关主要用来控制后面板中的7个事件结构的运行. 依次是调用学校与学院官网、打开实验、打开WPS软件、修改密码、帮助和返回上层. 功能选择界面的程序框图如图4所示，是有1个while循环和7个事件循环构成. 其中设置调用学校官网的目的是为了教师或者学生在使用本系统的同时，可以在本系统内部直接进入学校官网查找所需要的资料. 设置WPS打开选项方便教学过程中教师可以在本系统内部打开自己的PPT课件，使得系统更便捷化、人性化.

图3 功能选择界面前面版

图4 功能选择界面程序框图

1.3 修改密码界面设计

密码技术是保障个人信息和系统安全的重要屏障[9]. 为了保证本系统能够安全地运行，本系统设计了密码修改程序. 前面板(图5)由字符串输入控件、布尔开关等组成，后面板(图6)是由多种循环结构相互连接而成. 特别说明的是：修改密码的过程中，系统会将用户输入的新密码写入密码文本文件. 这个过程是打开文本文件、写入文本文件、关闭文本文件，如果少一步密码将无法

图5 修改密码界面前面版

图6 修改密码界面程序框图

修改成功.

2 系统实验部分的设计

完成系统登录框架的设计后，系统将进入模拟实验部分，本文将从大学物理实验的4个基本实验入手，设计出具有界面友好型、使用方便型和资源共享型的大学物理实验教学系统.

2.1 冲击电流计的调节与使用模块设计

冲击电流计主要用于测量短时间内脉冲电流的电荷量以及与电荷量相关的物理量[10-11]. 因此，冲击电流计主要应用于测低电容、高电阻以及螺线管磁场等[11-13]. 本文基于LabVIEW设计模拟冲击电流计来演示其测量低电容的实验.

冲击电流计测量低电容的实验包括电流正向充电和放电、电流反向充电和放电4个步骤，图7为模拟冲击电流计实验的前面板，正在进行冲击电流计测待测电容时电容器电流正向充电和反向放电的过程演示，如图7～8所示. 仪器前面板主要由XY-Graph、旋钮、滑竿、仪表盘、各种布尔元件和显示控件组成. 冲击电流计模拟仪器的前面板左上方为XY-Graph图，主要用来模拟冲击电流计在充放电过程中电荷量与时间的动态关系. 左下方蓝色旋钮为模拟电路中的变阻箱，主要根据电路分压原理来调节接入电路中的电压. 中间部分是电荷量显示控件和模拟充放电过程中电荷值. 待测电容显示控件，用来模拟显示测得的电容值. 电压表表盘显示接入电路中的电压值. 最下方为时间显示量表，能够循环显示0～100 s的时间，其程序图如图9所示，由于充电过程需要计时，所以量表的设计更方便了实验时的读数. 前面板右方为电源电压输入滑竿、电容显示控件、各类布尔元件和电容调节旋钮.

图7 模拟冲击电流计前面板(充电)

图8 模拟冲击电流计前面板(放电)

图9 时间显示量表程序框图

2.2 单臂电桥测电阻模块设计

通常采用直接测量法、伏安法等方法测量电阻值[14]. 单臂电桥测电阻是大学物理实验中一个很重要的基础物理实验[15]. 本文以LabVIEW为开发平台设计单臂电桥测电阻模拟演示实验.

图10 单臂电桥测电阻前面板

本模块由前面板和后面板2部分组成，前面板(图10)主要是通过各种显示控件和布尔元件组成，以滑竿模拟滑动变阻器，表盘显示模拟电路中的电压和电流值. 电流计显示了电路中的电压差，同时，为了读数方便，系统在前面板左下方设计了4个显示控件，用来显示各个参量的值.

2.3 示波器的调节与使用实验模块设计

在理工科院校大学物理实验教学中示波器的调节和使用是最基础，也是最重要的实验[16]，仿真软件将凭借其低成本、高性能的优势在一定程度上可以改善一些地区实验仪器缺乏问题.

基于LabVIEW设计的示波器实验演示模块如图11所示. 软件前面板由2个波形图，1个XY图以及各种旋钮和布尔元件组成. 第一波形图有4种不同的波形以供选择，并为XY图表中的X方向提供信号. 第二波形图显示的是正弦波，并为XY图表中的Y方向提供信号. 2个波形图的频率和振幅可通过旋钮进行调节，另外X方向波形图设计为定态，其采样点可以通过采样旋钮进行调节，Y方向波形图设计为动态，可以通过相位旋钮对波形相位进行调节.XY图表是用来表示2列不同的波合成以后的图形.XY图表下方设计了3个旋钮，分别为调节X轴尺度、调节Y轴尺度以及调节曲线亮度的旋钮. 前面板最右侧是用来导出XY图标图像的一些参量设计串口. 最下方为停止实验按钮.

图11 示波器的调节与使用实验前面板

3 系统使用说明

3.1 系统的开发目的说明

本系统是基于LabVIEW2017版平台开发的教学演示软件，适用于大学物理理论课程教学，同时可以应用于大学物理基础实验教学的预习和教师讲解环节. 本系统的开发只是为了缺乏某些仪器的地方院校暂解燃眉之急，同时，为了提高学生学习实验课程的兴趣[17]. 该系统不能完全取代物理实验[18].

3.2 系统的安装与登录过程的说明

1)系统的安装

本系统的开发环境为LabVIEW2017版软件，因此，在系统开发完成后，生成了2种安装包以供用户选择，其一，如果用户计算机安装了LabVIEW2017及以上版本的软件，则可以直接使用从LabVIEW中生成的.exe程序；其二，本系统也生成了计算机软件安装包，可以直接安装于计算机上随时使用，操作简单，通俗易懂.

2)系统的登录过程

登录本系统时需要在登录界面输入正确的登录账户和密码方可进入系统. 进入后用户可根据自己的需要继续访问.

3.3 实验部分的使用说明

本系统实验部分的使用必需结合大学物理实验讲义进行学习，使用者应当理性认识，本系统应于操作实验相结合才能起到它真正的作用. 单独的操作实验枯燥乏味，单独的模拟实验则会丧失学生的动手能力，如果两者结合，必然会给学生提供优良的实验环境.

4 结束语

大学物理是理工科院校培养本科生的必修课程，其中实验教学尤为重要，它能够培养学生动手能力和独立思考解决问题能力，也为学生将来研究生阶段的探索和学习打下了基础，是培养创新型人才的最基本要求. 本文设计的大学物理实验教学系统将通过成本低廉、操作简单、界面友好等优点来解决理论课与实验课脱节问题和弥补实验教学的枯燥乏味，为实验教师在授课时提供了方便. 另外，也能暂时缓解一些地方院校缺乏某些实验仪器的问题.