便携式微型化大学物理电学实验平台的设计与应用

周艳明,翦知渐,谢 中,周正贵

(湖南大学 物理与微电子科学学院 大学物理实验中心，湖南 长沙 410082)

大学物理实验课程是高等院校理工科学生接受系统实验方法和实验技能训练的必修课程. 随着互联网技术的不断发展，远程教育、在线课程等模式兴起，教育也逐步迈入“互联网+” 时代[1]. 在“互联网+”背景下，大学物理实验课程的教学模式呈现出新的变化与发展. 例如基于计算机模拟编程技术和网络系统的虚拟仿真实验，让以往做不到、做不好、甚至做不了的物理实验成为现实[2-4]，这极大地拓展了大学物理实验教学内容的深度和广度；传统物理实验与虚拟仿真实验相互融合，即“虚实结合”的教学模式已成为物理实验教学的新方向[5-6]. 许多高校在各大MOOC平台上开设的大学物理实验在线课程[7]可作为线下课程的有益补充，极大地拓展了传统实验教学的时间与空间，改变了学生的学习习惯.

2020年春季学期，突如其来的新冠肺炎疫情严重影响了各级学校的正常教学安排. 虚拟仿真、MOOC课程等线上教学模式从过去的辅助地位转变为特殊时期的主流教学手段,为物理实验在线教学提供了可行的解决方案. 对于具有实践操作性质的物理实验课程，高校物理实验教师通过深入探讨、集思广益，设计开发了可操作性强的居家实验项目[8-10]作为特殊形势下物理实验教学的应对措施.

湖南大学物理实验中心教师结合大学物理实验自身特点及本校教学安排，设计了32课时的居家实验教学方案，包括6个必做实验项目和6个研究性实验项目，统一归入到“非实验室环境下的大学物理实验”系列[11]，实验内容主要集中在力学、振动与波、光学实验等方面. 纵观全国其他高校设计开发的居家实验项目，内容也主要涉及力学、声学、光学方面. 而完整的大学物理实验内容非常丰富，涉及力、热、光、电等领域，其中电学实验项目居多，几乎占实验总学时的1/3以上. 然而在居家条件或其他非实验室环境下，学生获得电学实验中常见的元件及仪器如电阻、二极管、电压表、电流表、灵敏电流计等非常困难；同时从安全角度考虑，也让居家实验方案难以涉及电学实验内容，这对学生进行全面实验方法及实验技能训练来说，无疑是重要的缺失.

如何让物理实验不受时间和空间的限制，保证教学效果并使学生获得全面培养，是当前大学物理实验教师面临的重要难题. 为此，湖南大学实验中心教师基于WAVE2微型示波器构建了低成本、微型化物理电学实验平台，利用该便携式、微型化实验平台，可以开展示波器的使用、二极管整流特性、热敏电阻温度特性、PN结的物理特性、电阻应变式传感器等10个电学实验项目的教学，结合之前设计的居家实验项目，能够在非实验室环境下开展基本覆盖完整内容的实验教学，也可以作为本校小学期的实验实训或逾期学生的实验重修的替代方案.

1 微型化大学物理电学实验平台设计背景

按照教学大纲要求，大学物理实验中电学实验内容所占比重较大. 目前大部分高校开设的电学实验项目主要有示波器的使用、多用电表的改装与校正、传感器实验、非线性元件特性研究、RLC串联谐振电路实验等. 开展物理电学实验项目，需要用到多种测量仪器与仪表. 电学实验中常用仪器仪表主要有双踪示波器、信号函数发生器、数字万用表、电压表、电流表、直流电源等，并且单个电学实验往往需要用到多种测量仪器与仪表. 在传统的教学过程中，都是搭建配套的实验室来完成不同的电学实验项目，成本较高，实验地点固定. 在特殊时期或非实验室环境下如何开展电学实验，目前国内许多高校的普遍做法是采用EDA、Multisim等仿真软件进行虚拟仿真的实验教学模式[12]. 然而从教学反馈发现，基于虚拟仿真的实验教学模式难以让学生充分掌握调试硬件电路的能力. 因此，本文设计了低成本、微型化、便携式、实验项目丰富的物理电学实验平台，以满足特殊时期或非实验室环境下大学物理电学实验教学需要.

2 微型化大学物理电学实验平台构建

2.1 实验平台架构

在传统的物理电学实验中，示波器及函数发生器是使用频次较高的实验仪器，大部分物理电学实验项目如示波器的使用、惠斯登电桥实验、传感器实验、热敏电阻的温度特性实验等，均可以采用示波器及函数发生器作为主要测量仪器来完成实验. 因此，本文在构建微型化大学物理电学实验平台时，核心仪器选用示波器及函数发生器，平台的系统框图如图1所示. 在整个硬件实验平台的设计中，考虑到便携性的需求，示波器应选择功能齐全，且内置函数发生器模块的微型示波器；电学实验板采用优质面包板，根据实验内容设计将所需元器件接插在面包板上.

图1 微型化大学物理电学实验平台系统框图

2.2 微型示波器选择

由图1可知，构建微型化且能开设丰富实验项目的物理电学平台，便携式、微型化示波器及函数发生器的选择是核心与关键. 基于低成本、微型化、便携式、实验项目丰富的原则，经过反复试验、比较，最终选择JYE科技产品WAVE2双通道微型示波器DIY套件. WAVE2微型示波器提供2.4英寸(1英寸=2.54 cm)320×240彩色液晶显示屏，触摸屏操作，X-Y模式显示，内置双通道DDS函数发生器，尺寸为115 mm×72 mm×30 mm，质量为290 g(不含电池与探头)，具有重量轻、携带方便、价格低廉(160元)等特点，其外观及操作界面如图2所示，其主要性能参量见表1. 由表1可知，WAVE2微型示波器虽然体积小、价格低，但是性能优异，能媲美普通大学物理实验室所配备的常规型台式示波器. 其内置双通道DDS函数发生器的设计，使示波器与函数发生器合二为一；使用时可由3.7 V充电锂电池或USB供电等，其便携性更加突出. 内置的双通道DDS函数发生器可以输出0～3 V、频率范围为0～20 kHz的正弦波、方波、锯齿波、三角波信号，且输出信号的相位及偏移量可调等，以上特性均可满足大部分物理电学实验需求.

图2 WAVE2微型示波器

表1 WAVE2微型示波器的主要性能参量

2.3 基于PC机的虚拟仪器开发

性能优异的WAVE2示波器微型化设计使其便携性得到充分展现，然而微型化外观也使得其可操作的旋钮以及屏幕显示的项目不能像台式仪器一样完全，甚至会精简许多，如图2所示. 对于实验教学来说，与传统的台式仪器相比，便携式仪器精简的外观及不完全的屏幕显示项目除了会弱化仪器的某些性能外，也不利于学生了解与学习仪器的结构.

随着计算机技术的发展，传统的仪器开始向计算机化方向演变，基于计算机的虚拟仪器顺势诞生. 虚拟仪器的组成与传统仪器类似，由数据采集与控制、数据分析与处理、结果显示3部分组成. 不同的是对于传统仪器，这3部分均由硬件完成，而对于虚拟仪器，后2部分主要由软件来实现. 数据采集与控制系统通过USB总线等与计算机通讯，用户操作计算机即可相应地操作使用仪器设备. 因此，虚拟仪器是以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能. 虚拟仪器的最大特点是灵活性高，用户在使用过程中，可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足不同需求和环境，并且突破了传统仪器在数据处理、表达、传送以及存储方面的限制. 为弥补便携式仪器因外观的精简设计及显示屏幕尺寸减小等因素对仪器性能以及使用体验的影响，采用的普遍措施是将便携式仪器与虚拟仪器相结合. 仪器硬件将获取的数据通过USB数据总线(或RS232串行总线、GPIB通用接口总线、以太网接口总线)传输给计算机，利用计算机端开发的虚拟仪器软件对数据进行分析、处理和保存.

由表1可知，WAVE2示波器提供了完整的数据串行总线输出，开发基于PC端的虚拟仪器，既可丰富与强化仪器功能及使用体验，也有助于加深学生理解仪器结构与性能. 为此，利用LabVIEW开发了基于PC端的WAVE2微型示波器的虚拟仪器，其界面如图3所示. 虚拟仪器界面各控件按传统台式示波器面板布局，有利于学生操作使用虚拟示波器；而将仪器参量设置、数据测量、分析、保存等放置在顶部菜单及子菜单，可使虚拟仪器界面简洁明了，又不弱化其性能. 同样地，也开发了基于PC端的DDS内置函数发生器的虚拟仪器，如图4所示.

图3 WAVE2微型示波器PC机测量控制界面

图4 DDS内置函数信号发生器虚拟仪器界面

3 基于平台的物理电学实验项目

结合上述实验装置(WAVE2微型示波器及内置DDS函数发生器)及自行开发的PC端虚拟仪器，从培养学生熟悉使用常见物理电学实验仪器及相应实验方法为出发点，以测量某些物理量为主线，结合实际情况，设计以下实验项目：

1)示波器的使用：由函数发生器输出波形，利用示波器观察并进行相应测量，熟悉示波器的基本功能；由电阻、电容、电感、二极管组成简单电路，如图5所示，使用示波器观察二极管半波整流波形，对测量信号进行比较，观察并测量简单RC和RL电路的波形，测量信号之间的相位差、观察2个同频信号合成的李萨如图形等.

图5 实验元件接线图

2)二极管半波、桥式整流特征比较：利用DDS函数发生器向二极管整流电路输入正弦信号，用WAVE2微型示波器观察比较二极管半波、桥式整流特征，并绘制相应的整流特性曲线.

3)RLC串联谐振电路研究：研究分析RLC串联电路发生谐振的条件和特点，通过实验观察谐振现象，绘制RLC串联电路的幅频曲线并测量相关参量. 具体方法为利用DDS函数发生器给RLC串联电路输入正弦信号，改变输入信号频率，用WAVE2微型示波器观察谐振现象并测量相关参量.

4)温度传感器实验：采用温差电偶作为敏感元件，用电桥作为信号转换电路. 温差电偶将温度改变转换为电压信号，该信号经差动放大器放大，输出至WAVE2微型示波器进行测量，电路如图6所示.

图6 温差电偶温度传感器电路

5)应变片传感器实验：将电阻应变片贴在小型悬臂梁上，悬臂梁的弯曲形变引起电阻变化，采用电桥电路放大信号，用示波器进行测量. 使用1元硬币(6 g)进行传感器定标.

6)黑箱探秘实验(亦称电子元器件的判别与测量实验)：由电阻、电容、电感、半导体二极管元件组成黑箱，依据电阻、电容、电感及半导体二极管的特性或各元件组成的电路来判断未知元件.

7)其他项目：本系统可扩展，其他项目如霍尔片传感器、运算放大器性能研究等，都可以扩展纳入本实验平台.

如图7所示，提供基础接线板(面包板)，提供各项实验项目所需电子元器件，以及其他小配件如带插头的导线、小螺丝刀等，由学生自行搭建电路并完成实验内容.

图7 免焊接面包板、电子元器件和即插即用连接线

4 基于微型化平台的物理电学实验教学

湖南大学从2006年以来一直实行1学年4学期制，即春、夏、秋、冬学期，春季学期的后2周为夏季学期，冬季学期的前2周为秋季学期；夏、秋学期共4周，集中安排选修课及实验实训，也称为小学期. 2020年疫情期间，我校物理实验中心的教师设计的居家实验方案(32课时)，统一被归入到“非实验室环境下的大学物理实验”，是特殊时期的教学替代方案，也是正常教学秩序下小学期期间的大学物理实验实训方案. 鉴于之前居家实验方案存在局限性，即缺少电磁学实验方面的内容，本次开发的基于WAVE2微型化示波器的物理电学实验平台，及时补上了这一短板，以便小学期期间能够在非实验室环境下开展基本覆盖完整内容的物理实验教学. 教学过程包括“在线教学”“实际操作”和“数据分析与处理”，覆盖了完整实验教学所需的三大步骤，满足教学大纲要求.

根据学校安排，进入小学期前，学生到大学物理实验中心领取微型化物理实验电学平台1套(WAVE2微型示波器、虚拟仪器软件、相应的实验元件接线板及探头、导线). 教师积极准备，梳理相关内容，制作教学课件，录制相关操作短视频，完善实验教学资源. 在线授课之前，教师将实验讲义共享给学生，并布置预习要求等，让学生课前对实验内容有所了解. 课堂上，教师讲解实验内容、实验原理及操作要点等.

完成在线授课后，学生根据自己的时间安排，在非实验室环境下，利用微型化物理实验电学平台，进行定量研究与测量，完成相应实验内容. 此过程中，学生可将实验中遇到的问题反馈给教师，通过师生互动解决实际问题. 完成实验后，学生在非实验室环境下对实验中获得的数据进行分析与处理，并给出完整的实验报告.

另外，该微型化物理实验电学平台及对应实验内容除了可作为本校小学期的实验实训教学安排之外，也可用于逾期学生的实验重修方案. 逾期学生，特别是临近毕业的学生需要重修大学物理实验时，当前时间段物理实验教学已经结束，根据教学安排，重修实验需要等1学期甚至1学年，导致学生延期毕业. 利用该平台开展相应实验内容，用于逾期学生的实验重修方案，既可很好地解决学生重修大学物理实验时须等1学期甚至1学年这一难题.

5 结束语

基于WAVE2微型示波器设计开发了物理电学实验平台及相应的实验项目，弥补了2020年疫情期间构建的“非实验室环境下的大学物理实验”中缺少电学实验的短板，便于教师能够在非实验室环境下开展基本覆盖完整内容的物理实验教学. 同时，利用该平台开展相应实验内容，也可用于逾期学生实验重修的替代方案，为今后大学物理实验进行线上线下混合式教学积累经验.