虛擬仿真在物化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

強(qiáng)雪 王偉宇 白云山

[摘 要] 針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以經(jīng)典物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)原電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LabVIEW的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅高度仿真原電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)的全過程，還加入了實(shí)驗(yàn)步驟操作提示和錯(cuò)誤警示設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，采用線上線下混合教學(xué)模式，學(xué)生實(shí)驗(yàn)所用時(shí)間平均縮短20分鐘左右，且60%左右的學(xué)生實(shí)驗(yàn)誤差的絕對(duì)值在5%以內(nèi)。

[關(guān)鍵詞] 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn);虛擬仿真;LabVIEW;原電池電動(dòng)勢(shì)

[基金項(xiàng)目] 2016年陜西師范大學(xué)教改項(xiàng)目“物化熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的研究”（16SY05）

[作者簡(jiǎn)介] 強(qiáng) 雪（1974—），女，陜西咸陽(yáng)人，碩士，陜西師范大學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)教育技術(shù)及應(yīng)用;王偉宇（通信作者）（1976—），男，陜西臨潼人，碩士，陜西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)教育應(yīng)用及教學(xué)法;白云山（1966—），男（回族），博士，陜西師范大學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)機(jī)材料及物理化學(xué)。

[中圖分類號(hào)] TP391.9? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）31-0387-02? ? [收稿日期] 2020-02-18

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也因其演示直觀、操作靈活、可重復(fù)回放學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用到了物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)際教學(xué)中。其中，大連理工大學(xué)劉志廣課題組研發(fā)的物理化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)可以在實(shí)驗(yàn)過程中切換場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單可行的交互性操作[1];成都師范學(xué)院奉強(qiáng)等人[2]使用量子化學(xué)軟件Gaussian09，把熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的抽象內(nèi)容形象直觀地展示給學(xué)生。LabVIEW因其采用圖形化的編程環(huán)境，在虛擬仿真系統(tǒng)中具有模塊交互友好、智能化程度高、界面友好等優(yōu)點(diǎn)被人們應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)中[3-5]。本文基于LabVIEW，以物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)原電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定為例，設(shè)計(jì)了一個(gè)高度模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作過程的仿真系統(tǒng)。本系統(tǒng)不僅為學(xué)生清晰地展示了實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)原理及儀器的使用方法，也能有效減少線下實(shí)驗(yàn)中因錯(cuò)誤操作對(duì)儀器造成的損壞及實(shí)驗(yàn)失敗的情況，提高實(shí)驗(yàn)的效率。

一、虛擬仿真開發(fā)環(huán)境

LabVIEW是一種圖形化的軟件開發(fā)環(huán)境，它由前面板和程序面板組成。前面板主要是通過系統(tǒng)提供的各種原始控件或自定義控件等來(lái)模擬真實(shí)的儀器操作環(huán)境，在程序面板將各種控件圖標(biāo)根據(jù)邏輯關(guān)系進(jìn)行連接、運(yùn)算，圖標(biāo)之間連線表明數(shù)據(jù)的流向。目前，LabVIEW被已經(jīng)應(yīng)用于測(cè)量測(cè)試、儀器控制、實(shí)驗(yàn)仿真、兒童教育、跨平臺(tái)、快速開發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域[6-8]。虛擬仿真中使用的儀器模型電極、恒溫水浴槽、原電池、標(biāo)準(zhǔn)電池及ZC-WC數(shù)字式電位差計(jì)都是根據(jù)真實(shí)的儀器圖片，使用CorelDRAW軟件繪制出來(lái)的。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

原電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)是恒溫下進(jìn)行的，原電池的電極是銅棒和鋅棒，實(shí)驗(yàn)采用對(duì)消法測(cè)量電動(dòng)勢(shì)，調(diào)節(jié)補(bǔ)償電壓，使測(cè)量?jī)x器和被測(cè)量?jī)x器之間沒有電流，ZC-WC數(shù)字式電位差計(jì)刻度盤上的示數(shù)就是被測(cè)電池的電動(dòng)勢(shì)。記錄當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室溫度為T，根據(jù)以下公式，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)電池在實(shí)驗(yàn)溫度下的電動(dòng)勢(shì)

En=1.01865-4.05×10-5（T-293）-9.5×10-7（T-293）2+1×10-8（T-293）3

虛擬仿真的界面真實(shí)的還原了實(shí)驗(yàn)中的操作場(chǎng)景，讓學(xué)生有身在實(shí)驗(yàn)室中的感覺。該前面板即操作界面的設(shè)計(jì)分為八個(gè)部分（圖1），分別用實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器及試劑、實(shí)驗(yàn)步驟、仿真實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)記錄及處理、注意事項(xiàng)及反思八個(gè)選項(xiàng)卡來(lái)呈現(xiàn)。仿真實(shí)驗(yàn)部分包含原電池組裝和電動(dòng)勢(shì)測(cè)量?jī)蓚€(gè)子選項(xiàng)卡，是仿真實(shí)驗(yàn)的核心部分。

原電池組裝界面（圖2）用布爾按鈕控件分別表示打磨銅棒、打磨鋅棒、加入硫酸銅、加入硫酸鋅等命令按鈕;在操作界面中插入字符串顯示控件，加入信息提示和警示，便于學(xué)生了解正確的操作步驟及容易出錯(cuò)的地方。

在電動(dòng)勢(shì)測(cè)量模塊中導(dǎo)入恒溫水浴、ZC-WC數(shù)字式電位差計(jì)模型，在ZC-WC數(shù)字式電位差計(jì)模型中插入開關(guān)控件、數(shù)值顯示控件、旋鈕控件，建立ZC-WC數(shù)字式電位差計(jì)控制模塊，在恒溫水浴圖片模型中插入開關(guān)、旋鈕、指示燈控件，效果如圖3所示。

三、仿真系統(tǒng)的實(shí)踐

為了驗(yàn)證仿真系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響，我們選擇化學(xué)專業(yè)的兩個(gè)班級(jí)，從實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)誤差絕對(duì)值兩個(gè)方面進(jìn)行考察。一班學(xué)生采取傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，二班學(xué)生采取線上線下混合模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從圖4可以看出，經(jīng)過仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)的學(xué)生，線下實(shí)驗(yàn)時(shí)間比未仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)的學(xué)生平均少20分鐘左右。圖5表明，采用線上線下混合模式教學(xué)方法，大約有60%的學(xué)生實(shí)驗(yàn)誤差絕對(duì)值在5%以內(nèi)，而傳統(tǒng)模式下此誤差內(nèi)的學(xué)生大約為47%。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)情況，以經(jīng)典物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)原電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定為研究對(duì)象，依托LabVIEW開發(fā)環(huán)境，研發(fā)了獨(dú)立的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的界面友好，互動(dòng)性強(qiáng)，可以隨時(shí)進(jìn)行參數(shù)和算法的調(diào)整;實(shí)驗(yàn)高度仿真，清晰地展示了實(shí)驗(yàn)。

操作和實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)生通過在虛擬情境中的模擬學(xué)習(xí)，可以更快速地完成線下實(shí)驗(yàn)，降低實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)的成功率。仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為學(xué)生提供了一個(gè)線上實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，通過仿真實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生可以更快速地了解實(shí)驗(yàn)過程和儀器的使用，最終達(dá)到自主完成實(shí)驗(yàn)操作的目的。

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