CN107067897A - 虚拟物理实验系统及其搭建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟物理实验系统及其搭建方法，属于教学辅助系统技术领域，系统包括人机交互界面和内部程序结构，内部程序结构包括通过虚拟仪器开发平台按照物理原理及物理参数编写的用以控制人机交互界面动作的语言程序；搭建方法为：用虚拟仪器开发平台中的控件替换真实仪器仪表照片的待替换部位；利用顺序结构给所有控件设置初始值；利用事件结构对控件编写累加程序；根据相应物理原理利用循环结构写入控件在不同位置时的相应公式节点，利用条件结构，得出相应的结果，界面显示和美化、生成可执行文件并发布这六个步骤。本发明帮助学生进行课前预习、课上演示操作以及课后复习，提高学生实验课程学习效率，提升实验课程教学效果。

Description

虚拟物理实验系统及其搭建方法

技术领域

本发明涉及一种虚拟物理实验系统及其搭建方法，属于教学辅助系统技术领域。

背景技术

大学物理实验课程是理工科学生系统学习实验方法，培养科学实验能力的一门主要的基础课程。然而在实际教学过程，一方面，由于学时有限，教师在课程讲授中对实验原理和操作方法的讲解往往无法完全深入展开；另一方面，学生通过课前预习只能了解一些原理方面的知识，无法结合实际进行直观比较，尤其对一些较复杂和精密的实验仪器在实验中的使用，学生更是连仪器的设计原理和运行机理也无法理解。这样，学生往往在老师设计好的实验条件下完成实验，并没有掌握实验的设计思想、实验方法和应有的实验技能，严重影响课堂教学效果。因此，使学生切实理解实验原理，并在此基础上熟练掌握操作方法，对于提高学生实验课程学习效率，进而提升实验课程教学效果是十分重要的。

一个可行的方案就是给学生提供一套虚拟实验系统，帮助他们进行课前预习、课上演示操作以及课后复习。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种虚拟物理实验系统及其搭建方法，帮助学生进行课前预习、课上演示操作以及课后复习，提高学生实验课程学习效率，进而提升实验课程教学效果。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种虚拟物理实验系统，包括供用户操作的人机交互界面和与人机交互界面关联的内部程序结构，内部程序结构包括通过虚拟仪器开发平台按照物理原理及物理参数编写的用以控制人机交互界面动作的语言程序。

本发明技术方案的进一步改进在于：人机交互界面包括若干部件，部件为真实仪器仪表的照片，或者部件为通过虚拟仪器开发平台中的控件将真实仪器仪表中的待替换部位进行替换处理后的真实仪器仪表的照片。

本发明技术方案的进一步改进在于：待替换部位包括但不限于旋钮、按钮、开关、显示屏、指针、刻度、探头中的一种或多种，也可以是真实仪器仪表其他有可能涉及到的组成构件，虚拟仪器开发平台为LabVIEW。

一种虚拟物理实验系统的搭建方法，包括如下步骤：

步骤A、获取真实仪器仪表的照片，通过作图软件将其中的待替换部位去掉，然后用虚拟仪器开发平台中的控件进行替换；

步骤B、按照真实仪器仪表的量程，利用顺序结构给所有控件设置初始值；

步骤C、利用事件结构对具有旋转功能的控件编写累加程序，以实现真实仪器仪表的旋转功能；

步骤D、当具有旋转功能的控件在不同位置时，根据相应的物理原理利用循环结构写入相应的公式节点，然后利用条件结构，得出相应的结果，并进行人机交互界面显示；

步骤E、对显示的人机交互界面进行美化，以和真实仪器仪表一致；

步骤F、生成可执行文件进行发布。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤A中待替换部位包括旋钮、按钮、开关、显示屏、指针、刻度、探头中的一种或多种，作图软件为photoshop、美图秀秀或CorelDRAW，虚拟仪器开发平台为LabVIEW8.5软件。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤A中还可以将控件用真实仪器仪表的照片替代，并通过语言程序使其具有移动、调节的功能。以双棱镜干涉测波长实验为例，用水平滑动杆作为轨道，可以将轨道上的滑块替换为采用真实照片的透镜，然后利用语言程序实现透镜在轨道上的左右滑动，使实验更形象、直观并兼具美观的功效。

本发明技术方案的进一步改进在于：可执行文件包括.exe文件和/或.install文件。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

虚拟仪器开发平台选用的是LabVIEW软件，版本为8.5或其他。LabVIEW软件具有广阔的应用前景，且操作便利性好，利用LabVIEW软件制作多个虚拟物理实验系统，贯穿整个实验过程。即在实验前，学生通过虚拟物理实验系统，直观了解和熟悉实验的原理、步骤及操作方法，达到充分预习；在实验中，教师结合虚拟物理实验系统讲解实验，提高课程的生动性；在实验后，学生利用虚拟物理实验系统复习实验，加深对实验项目的理解。

使学生在做实验之前，对照着预习报告，在计算机上利用虚拟物理实验系统进行操作，不仅缩短学生认知实验仪器的距离，同时可避免损坏实验设备。

本虚拟物理实验系统的搭建方法，简单直观、易于上手、便于操作，只要擅长顺序结构、事件结构、循环结构、条件结构等结构语句，能够按照物理原理及物理参数编写用以控制人机交互界面动作的语言程序即可，并不影响编写人员的其他工作。

附图说明

图1是本发明实施例1的人机交互界面；

图2是本发明实施例2的人机交互界面。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1

如图1所示，一种用于周期信号傅里叶分析的虚拟物理实验系统，内部的语言程序利用LabVIEW8.5软件的内部仿真信号、带通滤波器、单频测量、顺序结构、事件结构、循环结构、条件结构（算术与比较）编写而成。

用于周期信号傅里叶分析的虚拟物理实验系统的搭建方法为：

步骤A、制作人机交互界面：获取真实仪器仪表的照片，通过作图软件（photoshop、美图秀秀或CorelDRAW）将其中的待替换部位（包括但不限于旋钮、按钮、开关、显示屏、指针、刻度、探头中的一种或多种）去掉，然后用虚拟仪器开发平台中的前面板的控件（旋钮、开关、复选框、仪表和量表等）进行替换。将前面板的控件输入给后台的内部程序结构，然后后台的语言程序利用相应的物理原理及物理参数（物理公式）处理后在前面板输出各个控件的动作。在处理过程中，利用内部仿真信号、带通滤波器、单频测量等进行内部程序结构的信号处理。

由于LabVIEW中的控件种类有数值输入控件（如滑动杆和旋钮），数值显示控件（如仪表和量表、图表），布尔控件（如按钮和开关），字符串，路径，数组，簇，列表框，树形控件，表格，下拉列表控件，枚举控件和容器控件等等，实际应用时根据具体实验进行选用。

步骤B、按照真实仪器仪表的量程，利用顺序结构给所有控件设置初始值；

步骤C、利用事件结构对具有旋转功能的控件（比如旋钮，通常是360°旋钮）编写累加程序，以实现真实仪器仪表的旋转功能。由于真实仪器仪表上的具有旋转功能的控件（比如旋钮）比较多，累加程序编写完成后可以将其变成一个模块直接应用，方便后续操作与应用。

步骤D、当具有旋转功能的控件（比如旋钮，通常是360°旋钮）在不同位置时，根据相应的物理原理利用循环结构写入相应的公式节点，然后利用条件结构，得出相应的结果，并进行人机交互界面显示，比如在屏幕上显示图形，直观形象；

步骤B、步骤C、步骤D为编写用以控制人机交互界面动作的语言程序；

步骤E、对显示的人机交互界面进行美化，以和真实仪器仪表一致；

步骤F、生成可执行文件（.exe文件和/或.install文件）进行发布到学校主页供学生下载预习和复习使用。

使用时，选择左边复选框得到一个周期信号。按照傅里叶级数展开式的关系，拨动面板的开关选择不同频率的正弦信号（满足傅里叶级数中频率和振幅之比及相位关系），可以得到与左侧相同的周期信号，让学生体会到周期信号是如何得到的。

实施例2

如图2所示，一种用落球法测定液体的黏度的虚拟物理实验系统，其搭建方法，内部的语言程序主要利用LabVIEW8.5软件的滑动杆、毫秒计时器、移位寄存器、顺序结构、事件结构、循环结构、条件结构（算术与比较）编写而成。

虚拟物理实验系统的搭建方法与实施例1大体相同，区别为：以水平滑动杆为例，初始先将两个水平滑动杆取最大值并填充等值的红色区域代表两个激光束，当小球落到第一个激光束时，水平滑动杆取最大值的一半即小球遮挡激光，接收器无法接到信号，秒表开始计时，实验界面形象、直观、美观。激光器和接收器也可以将控件用真实仪器仪表的照片替代，并通过语言程序使其具有上下移动、调节的功能。

此实验中关键是毫秒计时器的调节，当上下两个激光接收器分别接收到两束激光信号后毫秒计时器才可正常工作。使用时，通过右侧的受力分析掌握实验原理。先打开毫秒计时器开关，然后按“Start Measuring” 小球开始下落，当小球落至第一束激光线位置时，由于小球遮挡，第一接收器无法接收到激光信号，计时器开始计时；当小球落至第二束激光线位置时，由于小球遮挡，第二接收器无法接收到激光信号，计时器停止计时，从而得到小球匀速运动的时间。

利用本虚拟物理实验系统的搭建方法，还可以进行测量声速的试验装置、钢丝杨氏模量、光电效应与普朗克常数、示波器的使用、双棱镜干涉测波长等物理实验，在此不再赘述。

Claims (7)

1.一种虚拟物理实验系统，其特征在于：包括供用户操作的人机交互界面和与人机交互界面关联的内部程序结构，内部程序结构包括通过虚拟仪器开发平台按照物理原理及物理参数编写的用以控制人机交互界面动作的语言程序。

2.根据权利要求1所述的虚拟物理实验系统，其特征在于：人机交互界面包括若干部件，部件为真实仪器仪表的照片，或者部件为通过虚拟仪器开发平台中的控件将真实仪器仪表中的待替换部位进行替换处理后的真实仪器仪表的照片。

3.根据权利要求2所述的虚拟物理实验系统，其特征在于：待替换部位包括旋钮、按钮、开关、显示屏、指针、刻度、探头中的一种或多种，虚拟仪器开发平台为LabVIEW。

4.一种如权利要求1～3任一项的虚拟物理实验系统的搭建方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤A、获取真实仪器仪表的照片，通过作图软件将其中的待替换部位去掉，然后用虚拟仪器开发平台中的控件进行替换；

步骤B、按照真实仪器仪表的量程，利用顺序结构给所有控件设置初始值；

步骤C、利用事件结构对具有旋转功能的控件编写累加程序，以实现真实仪器仪表的旋转功能；

步骤D、当具有旋转功能的控件在不同位置时，根据相应的物理原理利用循环结构写入相应的公式节点，然后利用条件结构，得出相应的结果，并进行人机交互界面显示；

步骤E、对显示的人机交互界面进行美化，以和真实仪器仪表一致；

步骤F、生成可执行文件进行发布。

5.根据权利要求4所述的虚拟物理实验系统的搭建方法，其特征在于：步骤A中待替换部位包括旋钮、按钮、开关、显示屏、指针、刻度、探头中的一种或多种，作图软件为photoshop、美图秀秀或CorelDRAW，虚拟仪器开发平台为LabVIEW。

6.根据权利要求4所述的虚拟物理实验系统的搭建方法，其特征在于：步骤A中还可以将控件用真实仪器仪表的照片替代，并通过语言程序使其具有移动、调节的功能。

7.根据权利要求4所述的虚拟物理实验系统的搭建方法，其特征在于：可执行文件包括.exe文件和/或.install文件。