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      LabVIEW在近代物理實驗新課程體系構(gòu)建中的應(yīng)用與實踐

      2018-06-01 10:51:09買合蘇提玉蘇甫孫振寧沈桂平
      關(guān)鍵詞:虛擬儀器儀器課程體系

      買合蘇提·玉蘇甫,孫振寧,,沈桂平,夏 楓

      (1.昌吉學(xué)院 物理系,新疆 昌吉 830011;2.廈門大學(xué) 電子科學(xué)系,福建 廈門 361005)

      1 調(diào)整課程結(jié)構(gòu),改革教學(xué)內(nèi)容,構(gòu)建實驗教學(xué)課程新體系

      1.1 模塊化課程結(jié)構(gòu)

      在傳統(tǒng)的固定思維和教學(xué)模式下,學(xué)生進行實驗操作過程中,學(xué)生基本上嚴(yán)格按照實驗講義要求逐步照本宣科操作一遍,所測量的數(shù)據(jù)和所觀察到的現(xiàn)象都千篇一律.不僅學(xué)生創(chuàng)新能力得不到很好的發(fā)揮,就是對理論知識的感知也很差,教學(xué)效果達不到要求,理論與實踐明顯脫節(jié).另外,在原有的實驗教學(xué)中,實驗儀器都具有固定的操作面板,操作方法固定單一.實驗儀器的定式條件限制了測量手段,實驗效果很難達到現(xiàn)在的教學(xué)要求,關(guān)鍵是這樣的實驗手段不容易讓學(xué)生加深對物理概念的理解和認(rèn)知[6].在整個教學(xué)過程中,學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣與主動性,因此,改變這一教學(xué)模式是勢在必行.為此,我們基于本?,F(xiàn)有的實驗教學(xué)條件,結(jié)合學(xué)科特點(應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng))及學(xué)生個性化(因人而異、因材施教)培養(yǎng)目標(biāo)方案,確定近代物理實驗課程體系改革的構(gòu)建思想和原則:一、核心:改革近代物理實驗的教學(xué)內(nèi)容(拓展知識點);二、載體:改革實驗的教學(xué)方法、教學(xué)手段及教學(xué)模式;三、目標(biāo):建立“分門別類、統(tǒng)籌兼顧”的模塊化近代物理實驗教學(xué)新課程體系.

      在新的課程體系建立過程中,培養(yǎng)學(xué)生的個性化目標(biāo)和創(chuàng)新能力是整個新課程體系建設(shè)方向.所以依據(jù)實驗內(nèi)容的普遍性、難易程度與學(xué)生的知識水平,把實驗項目設(shè)置成不同的模塊;根據(jù)實驗內(nèi)容從淺入深依次地分為基礎(chǔ)實驗?zāi)K、綜合專題性實驗?zāi)K、開放式設(shè)計性實驗?zāi)K和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練實驗?zāi)K等.其中,我們新設(shè)置一個虛擬實驗與網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)系統(tǒng),對各模塊實驗進行輔助教學(xué),并為學(xué)生提供一個實踐創(chuàng)新平臺.這樣課程新體系就形成這樣的特色:在課程結(jié)構(gòu)上形成了模塊化、在實驗內(nèi)容上區(qū)分出層次化、在實驗教學(xué)過程中形成階段化、實驗研究的深度上形成專業(yè)化.

      1.2 拓展教學(xué)內(nèi)容

      在實驗項目設(shè)置時注重考慮該項目的前沿性和實用性:在前沿性方面,緊密結(jié)合科學(xué)發(fā)展的新發(fā)現(xiàn)、新技術(shù),從新發(fā)現(xiàn)的理論和新科研的成果基礎(chǔ)上改革實驗教學(xué)的內(nèi)容.發(fā)揮本校和本學(xué)院優(yōu)勢學(xué)科平臺,將部分科研成果引入實驗教學(xué),使學(xué)生在實驗過程中能接觸和了解與本學(xué)科相關(guān)的最新進展;本著少而精,強化基礎(chǔ),刪繁就簡,擴大信息量的原則,打破課程體系的封閉性,實現(xiàn)與相關(guān)相近課程甚至跨學(xué)科課程之間的相互融合.同時在實用性方面,根據(jù)國家和地方經(jīng)濟建設(shè)對人才專業(yè)技能的需求,設(shè)置一系列與實際生產(chǎn)密切相關(guān)的應(yīng)用型實驗項目,提高學(xué)生的專業(yè)實驗技能.例如,氣體放電等離子體特性實驗、PN結(jié)溫度特性實驗、核磁共振磁場測量實驗、LED半導(dǎo)體檢測照明實驗室、單片機實驗室進行整體融合,開設(shè)基于核磁共振技術(shù)的油品(地溝油)檢測、功能飲料的分析與檢測、磁共振學(xué)成像應(yīng)用、半導(dǎo)體照明與光電檢測等實驗,把現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)和先進的實驗設(shè)備融合到傳統(tǒng)的近代物理實驗,實現(xiàn)了現(xiàn)在前沿技術(shù)與傳統(tǒng)的經(jīng)典實驗的良好結(jié)合,使實驗教學(xué)融合在科研課題中,同時將成熟的科研成果和新的實驗技術(shù)納入近代物理實驗教學(xué)中,推動以“鞏固基礎(chǔ),面向科研”的教學(xué)培養(yǎng)模式.這樣也就豐富近代物理實驗教學(xué)的內(nèi)容,地拓展了學(xué)生的知識面與創(chuàng)新思維.

      2 新課程體系下虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用與實踐

      2.1 虛擬實驗系統(tǒng)的構(gòu)建

      為了提高學(xué)生實踐動手能力、具體的實驗設(shè)計和實驗操作能力,首先要提高學(xué)生對實驗學(xué)習(xí)和研究的主動性和積極性,在實驗手段上我們引入LabVIEW的虛擬儀器技術(shù),本著以開放性的實驗教學(xué)方式,使學(xué)生從“被動、封閉、受束縛的學(xué)習(xí)狀態(tài)”變成“主動、開放、較自由的學(xué)習(xí)狀態(tài)”,真正地投入實驗研究和實驗設(shè)計;比如提出新的實驗方案或?qū)嶒炘O(shè)計,改進實驗方法等等.這樣既充分發(fā)揮了每個學(xué)生的個性才能,又提高他們的創(chuàng)新意識.另外通過師生對虛擬仿真實驗的編程設(shè)計及應(yīng)用設(shè)計相互討論,促進了教師和學(xué)生之間的互動交流.使教師加深了解了實驗教學(xué)的效果,促進了教師對實驗教學(xué)的重視和研究,也提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和實踐的創(chuàng)新意識[7].

      圖1為我校的近代物理虛擬實驗體系結(jié)構(gòu)圖:1、實驗?zāi)康哪K,使學(xué)生明確理解其學(xué)習(xí)該實驗?zāi)康暮腿蝿?wù)所在,通過本實驗的任務(wù)要求,把科研前沿項目與實驗設(shè)計緊密聯(lián)系在一起;2、實驗原理模塊,學(xué)生在通過理論的學(xué)習(xí)和實驗方案的討論,基本領(lǐng)會實驗的原理和實驗設(shè)計的實施方案,再通過LabVIEW的動畫演示,加深理解實驗原理的同時設(shè)計合理的實施方案;3、實驗儀器模塊,提供該實驗所需的儀器實物,讓學(xué)生360度全方位給予觀察,了解儀器面板上各個功能開關(guān)和控制旋鈕功能,并掌握所用實驗儀器性能和其使用方法;4、實驗步驟模塊,開放LabVIEW實驗系統(tǒng),要求學(xué)生模擬實物儀器操作過程設(shè)計一套該實驗的虛擬儀器系統(tǒng),同時該系統(tǒng)可以根據(jù)學(xué)生的操作情況給出實驗數(shù)據(jù)或?qū)嶒灲Y(jié)果;5、數(shù)據(jù)處理模塊,學(xué)生在完成虛擬實驗儀器操作后,可通過數(shù)據(jù)處理模塊對采集到的實驗數(shù)據(jù)進行計算、繪圖等各種處理;6、課程簡介模塊,該模塊可讓學(xué)生了解教學(xué)大綱、重點難點、教學(xué)實施方案、教材介紹、考核要求等基本信息;7、教學(xué)資源模塊,向?qū)W生提供教師實驗課程錄像,教學(xué)參考資料等;8、練習(xí)測試模塊,檢查學(xué)生對該實驗知識掌握程度、提供必要的實驗知識點練習(xí)和測試評價等內(nèi)容,來強化學(xué)生對該實驗所學(xué)知識;9、教學(xué)測評模塊:給學(xué)生提供對教師實驗教學(xué)的反饋,讓教師及時了解實驗教學(xué)效果,促進教學(xué)改革.

      圖1 近代物理虛擬實驗體系結(jié)構(gòu)

      2.2 虛擬儀器技術(shù)的設(shè)計實例

      根據(jù)改革后的實驗教學(xué)內(nèi)容和改革后的實驗教學(xué)手段,引導(dǎo)學(xué)生自己動手設(shè)計虛擬實驗平臺,充分調(diào)動學(xué)生主動性、積極性、創(chuàng)造性.在虛擬實驗平臺的設(shè)計過程中,教師與學(xué)生討論設(shè)計方案、設(shè)計流程,最后再由學(xué)生組成設(shè)計小組,進行虛擬儀器設(shè)計,有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗規(guī)律、獲取更多的相關(guān)知識、提高學(xué)生的實驗技能水平的同時,也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力.近年來,我們結(jié)合近代物理實驗教學(xué)的內(nèi)容,根據(jù)教學(xué)中的重點、難點,學(xué)生自主設(shè)計完成一系列優(yōu)秀的近代物理實驗虛擬實驗教學(xué)課件.

      圖2 氣體放電等離子體特性虛擬實驗界面圖

      等離子體有極放電實驗是近代物理實驗中比較經(jīng)典的一個實驗.由于該實驗存著的高壓電路,在實驗的過程中儀器的維修率非常高;而學(xué)生做實驗的過程中也存在著高壓輻射安全隱患.而我們的虛擬儀器就完全可以解決上面所提出的兩個方面的問題.圖2為氣體放電等離子特性測量的虛擬實驗界面,我們針對等離子體有極放電在不同的電壓下暗放電、輝光放電、弧光放電3個狀態(tài)進行虛擬實驗,并完成實時數(shù)據(jù)記錄與處理,獲得伏安(I-V)特性曲線.實驗結(jié)束,數(shù)據(jù)處理完成后,可以給出相關(guān)的電參量結(jié)果[8].

      PN結(jié)溫度特性實驗設(shè)以傳統(tǒng)實驗為基礎(chǔ),可進行PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系研究實驗的仿真[9],仿真過程與傳統(tǒng)的實驗過程相似.實驗界面如圖3所示,這一虛擬平臺可實驗加熱、測量PN結(jié)溫度,獲取結(jié)間電壓差,實時獲取ΔV-T曲線,并在實驗結(jié)束后,即可獲得PN結(jié)禁帶寬度,并給出測量誤差[9].此外,我們也設(shè)計核磁共振磁場測量儀,可以進行虛擬測量,也可以與測試探頭結(jié)合,實現(xiàn)磁場的實時測量,這一結(jié)果也應(yīng)用在近代實驗中的其他實驗設(shè)計中(圖4).

      圖3 PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系研究仿真實驗面板

      圖4 核磁共振磁場測量儀前面板

      3 新課程體系下虛擬教學(xué)的優(yōu)勢與特點

      我們緊扣近代物理實驗教學(xué)體系改革,根據(jù)教學(xué)中的重點、難點,引入了LabVIEW虛擬儀器技術(shù)設(shè)計一些適合我校近代物理實驗教學(xué)的虛擬教學(xué)課件,逐步形成虛擬教學(xué)系統(tǒng),這些成果具有以下幾方面的優(yōu)勢與特點[10]:

      (1)學(xué)生自主設(shè)計虛擬實驗系統(tǒng)體現(xiàn)其創(chuàng)新性.在設(shè)計虛擬儀器的過程中,教師只參與交流探討設(shè)計思路,具體的設(shè)計與制作實施,以學(xué)生為主體.不僅使學(xué)生鞏固了所學(xué)的知識,而且提高了學(xué)生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力,促進應(yīng)用型人才培養(yǎng)和學(xué)科建設(shè).

      (2)虛擬儀器設(shè)計與科研項目相結(jié)合體現(xiàn)其研究性.在虛擬儀器設(shè)計的過程當(dāng)中,教師適當(dāng)?shù)膶?dāng)今前沿的科研問題作為要求,與近代物理實驗教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合起來,引導(dǎo)學(xué)生進行思考,找出解決問題的設(shè)計方案.如此一來,將原有的驗證性為主的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)閹в袆?chuàng)新性和研究性的教學(xué)模式,達到了教學(xué)模式的改革;也實現(xiàn)了以學(xué)生為主體,以教師為主導(dǎo),激發(fā)學(xué)生的興趣,鞏固和深化學(xué)生的基礎(chǔ)知識.這種教學(xué)模式以更開放、更靈活的方式培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力和研究創(chuàng)新能力,形成開放式創(chuàng)新思維.

      (3)開放和創(chuàng)新設(shè)計性實驗與基礎(chǔ)實驗相結(jié)合體現(xiàn)其實用性.傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實驗教學(xué)受固有實驗儀器、老舊的實驗理論的限制,很難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性,不能體現(xiàn)出教學(xué)效果.在近代物理基礎(chǔ)實驗中引入虛擬儀器技術(shù),克服實驗條件的不足,提高實驗的可見性和實效性.給學(xué)生創(chuàng)造一個全新的學(xué)習(xí)環(huán)境,從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性,讓實際教學(xué)效果得到有效的改善.

      (4)采用虛擬儀器和固有儀器相結(jié)合體現(xiàn)其兼容性.在學(xué)生進行實驗操作和實驗開發(fā)過程中,既可以使用固有儀器進行實驗操作,也可以通過虛擬實驗儀器進行測量,還可以在虛擬儀器上進行功能擴展.這樣既增加了實驗方法,也擴充了實驗內(nèi)容,更新教學(xué)方法,提高教學(xué)質(zhì)量.

      (5)利用校園網(wǎng)絡(luò)資源和實驗室虛擬平臺相結(jié)合體現(xiàn)其靈活性.建立虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室,相關(guān)的實驗預(yù)習(xí)和部分實驗項目學(xué)生都可在網(wǎng)上完成,實現(xiàn)遠(yuǎn)程開放的實驗教學(xué).

      4 結(jié)束語

      虛擬儀器技術(shù)與近代物理和實驗教學(xué)相結(jié)合,實驗教學(xué)更加、生動,減少對硬件儀器的依靠,彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足,改善實驗教學(xué)條件,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與實驗技能水平,實現(xiàn)了現(xiàn)代技術(shù)與優(yōu)化教學(xué)的完整統(tǒng)一.這種新的教學(xué)模式,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、團隊合作能力,提高學(xué)習(xí)的主動性與積極性.

      總之,融合多學(xué)科的綜合近代物理實驗教學(xué)體系的建立是一項系統(tǒng)性、綜合性工程,是一個循序漸進的過程,需要繼續(xù)進行研究和實踐,以推進近代物理實驗教學(xué)改革不斷深入.

      〔1〕 沈桂平,駱萬發(fā).近代物理實驗新課程體系構(gòu)建的改革與實踐[J].物理實驗,2009,29(8):18-21.

      〔2〕 肖立娟.大學(xué)物理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀與教學(xué)改革的探究[J].大學(xué)物理實驗,2015,28(6):114-116.

      〔3〕 段雪松,張旭,張志東.面向?qū)W生自主學(xué)習(xí)的大學(xué)物理實驗教學(xué)體系建設(shè)與實踐 [J].實驗技術(shù)與管理,2015,32(9):187-190.

      〔4〕 張林.虛擬仿真技術(shù)對大學(xué)物理實驗教學(xué)影響的探究[J].大學(xué)物理實驗,2015,28(1):116-118.

      〔5〕 范婷,劉云虎,湯國富,等.探究型教學(xué)模式下大學(xué)物理實驗的改革與實踐[J].大學(xué)物理實驗,2016,29(2):149-152.

      〔6〕 騰香.近代物理虛擬仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)研究與實踐[J].渤海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,36(3):204-207.

      〔7〕 張增明,王中平,張憲鋒,等.國家級物理虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2015,32(12):146-149.

      〔8〕 劉燕萍,谷海霞,韓培德,等.輝光等離子放電體在表面合金化技術(shù)中的研究[J].材料工程,2009,增刊(S1):158-162.

      〔9〕 周黨培,陳業(yè)仙.半導(dǎo)體PN結(jié)溫度特性實驗[J].實驗室科學(xué),2012,15(1):100-103.

      〔10〕 李斌,譚鵬,陳國杰,等.LabVIEW 在物理設(shè)計性實驗中應(yīng)用的探討[J].大學(xué)物理實驗,2012,25(3):85-87.

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