基于虚拟仪器技术的大学物理实验的开发和应用

摘要

大学物理实验是理工科学生的必修课，也是落实当代素质教育的重要环节。但长期以来传统教育思想、教学手段、高校扩招等因素成为制约实验教学发展的主要瓶颈。虚拟仪器技术与大学物理实验的整合正是在这一矛盾中诞生，并成为解决这些矛盾的最佳途径。本文研究针对物理实验长期存在的问题，从理论、技术和实践三重角度讨论虚拟仪器技术与物理实验教学的整合。具体包括以下几个方面的研究：
　　本文分析了当前大学物理实验教学现状，指出存在的问题及问题存在的原因、解决途径等，从活动课程论及建构主义学习理论出发，阐述虚拟仪器技术与大学物理实验教学整合的可行性和必要性。
　　虚拟仪器技术是基于计算机的软硬件相结合技术，鉴于这一技术在大学物理实验教学领域初露端倪，所以本文在理论的基础上，介绍虚拟仪器的开发工具及所涉及到的软硬件资源，分别以“李萨茹图形”和“热敏电阻温度计设计”实验为例，介绍NI ELVIS软硬件设备、图形化编程语言LabVIEW、数据采集与接口技术的概念及其在物理实验教学中的应用。在此基础上，开发RLC串联电路暂态过程实验，将虚拟仪器的软硬件应用和物理实验融合为一体。
　　虚拟仪器技术虽然能够采集真实的物理数据，但却忽视了人类认识过程中的形象思维，鉴于这一缺陷，本文创造性地实现了以Cult3D为核心的三维虚拟现实技术与虚拟仪器技术的整合，以三维虚拟示波器为例，系统研究三维虚拟技术的开发方法及与虚拟仪器技术整合的路线。通过两种技术的完美结合，赋予虚拟仪器以沉浸性、交互性和思想性，建立一个感性认识和理性认识相统一的实验室环境，给学习者以逼真的体验，既克服了以往LabVIEW技术缺乏沉浸感的弊端，同时又可以弥补三维虚拟技术疏于精确的不足。
　　最后，以“RLC串联电路暂态过程的研究”为课件开发案例，以建构主义学理论为理论支柱，利用LabVIEW软件提供的选项卡控件等技术，将实验各个模块加以整理、组合，最终实现虚拟仪器技术与大学物理实验教学的最优化结合。

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目录

1． 绪论

1．1．虚拟仪器产生的背景和依据

1．2．虚拟仪器在国内外的发展现状

1．3．研究的内容

1．4．本章小结

2． 虚拟仪器技术概述

2．1．虚拟仪器概述

2．2．虚拟仪器技术在大学物理实验教学领域的应用研究

2．3．虚拟仪器技术在教学中应用的优势

2．4．本章小结

3． 虚拟仪器实验案例的开发

3．1．实验简介

3．2． 实验的理论分析

3．3．基于LabVIEW技术虚拟实验的设计和开发

3．4．本章小结

4． 虚拟仪器技术与物理教学的整合

4．1．整合思想

4．2．虚拟仪器技术与三维虚拟技术的整合

4．3．基于虚拟仪器技术的课件开发及其教学应用

4．4．虚拟仪器技术与物理教学整合的意义

4．5．本章小结

5． 总结与展望

5．1．总结

5．2．展望

参考文献

附 录

攻读硕士学位期间主要课题及其成果

致谢