虚拟仿真在物化实验教学中的应用
来源:用户上传
作者:强雪 王伟宇 白云山
[摘 要] 针对目前实验教学模式，以经典物理化学实验原电池电动势的测定作为研究对象，设计了一个基于LabVIEW的虛拟仿真实验系统。该系统不仅高度仿真原电池电动势的测定实验的全过程，还加入了实验步骤操作提示和错误警示设计。与传统教学模式相比，采用线上线下混合教学模式，学生实验所用时间平均缩短20分钟左右，且60%左右的学生实验误差的绝对值在5%以内。
[关键词] 物理化学实验;虚拟仿真;LabVIEW;原电池电动势
[基金项目] 2016年陕西师范大学教改项目“物化热力学实验仿真系统的研究”（16SY05）
[作者简介] 强 雪（1974—），女，陕西咸阳人，硕士，陕西师范大学基础实验教学中心讲师，主要研究方向为计算机教育技术及应用;王伟宇（通信作者）（1976—），男，陕西临潼人，硕士，陕西师范大学计算机科学学院讲师，主要研究方向为计算机教育应用及教学法;白云山（1966—），男（回族），博士，陕西师范大学基础实验教学中心副教授，硕士生导师，主要研究方向为无机材料及物理化学。
[中图分类号] TP391.9 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）31-0387-02 [收稿日期] 2020-02-18
随着信息技术的飞速发展，虚拟仿真实验也因其演示直观、操作灵活、可重复回放学习等优点被应用到了物理化学实验实际教学中。其中，大连理工大学刘志广课题组研发的物理化学虚拟实验可以在实验过程中切换场景，实现一些简单可行的交互性操作[1];成都师范学院奉强等人[2]使用量子化学软件Gaussian09，把热力学和动力学的抽象内容形象直观地展示给学生。LabVIEW因其采用图形化的编程环境，在虚拟仿真系统中具有模块交互友好、智能化程度高、界面友好等优点被人们应用于实验平台的开发中[3-5]。本文基于LabVIEW，以物理化学实验原电池电动势的测定为例，设计了一个高度模拟真实实验操作过程的仿真系统。本系统不仅为学生清晰地展示了实验操作、实验原理及仪器的使用方法，也能有效减少线下实验中因错误操作对仪器造成的损坏及实验失败的情况，提高实验的效率。
一、虚拟仿真开发环境
LabVIEW是一种图形化的软件开发环境，它由前面板和程序面板组成。前面板主要是通过系统提供的各种原始控件或自定义控件等来模拟真实的仪器操作环境，在程序面板将各种控件图标根据逻辑关系进行连接、运算，图标之间连线表明数据的流向。目前，LabVIEW被已经应用于测量测试、仪器控制、实验仿真、儿童教育、跨平台、快速开发等多个领域[6-8]。虚拟仿真中使用的仪器模型电极、恒温水浴槽、原电池、标准电池及ZC-WC数字式电位差计都是根据真实的仪器图片，使用CorelDRAW软件绘制出来的。
二、虚拟仿真实验
原电池电动势的测定实验是恒温下进行的，原电池的电极是铜棒和锌棒，实验采用对消法测量电动势，调节补偿电压，使测量仪器和被测量仪器之间没有电流，ZC-WC数字式电位差计刻度盘上的示数就是被测电池的电动势。记录当前实验室温度为T，根据以下公式，计算标准电池在实验温度下的电动势
En=1.01865-4.05×10-5（T-293）-9.5×10-7（T-293）2+1×10-8（T-293）3
虚拟仿真的界面真实的还原了实验中的操作场景，让学生有身在实验室中的感觉。该前面板即操作界面的设计分为八个部分（图1），分别用实验名称、实验目的、实验原理、实验仪器及试剂、实验步骤、仿真实验、数据记录及处理、注意事项及反思八个选项卡来呈现。仿真实验部分包含原电池组装和电动势测量两个子选项卡，是仿真实验的核心部分。
原电池组装界面（图2）用布尔按钮控件分别表示打磨铜棒、打磨锌棒、加入硫酸铜、加入硫酸锌等命令按钮;在操作界面中插入字符串显示控件，加入信息提示和警示，便于学生了解正确的操作步骤及容易出错的地方。
在电动势测量模块中导入恒温水浴、ZC-WC数字式电位差计模型，在ZC-WC数字式电位差计模型中插入开关控件、数值显示控件、旋钮控件，建立ZC-WC数字式电位差计控制模块，在恒温水浴图片模型中插入开关、旋钮、指示灯控件，效果如图3所示。
三、仿真系统的实践
为了验证仿真系统对实验教学的影响，我们选择化学专业的两个班级，从实验时间和实验误差绝对值两个方面进行考察。一班学生采取传统教学模式进行实验，二班学生采取线上线下混合模式进行实验。从图4可以看出，经过仿真系统学习的学生，线下实验时间比未仿真系统学习的学生平均少20分钟左右。图5表明，采用线上线下混合模式教学方法，大约有60%的学生实验误差绝对值在5%以内，而传统模式下此误差内的学生大约为47%。
四、结束语
本文针对目前物理化学实验的教学情况，以经典物理化学实验原电池电动势的测定为研究对象，依托LabVIEW开发环境，研发了独立的仿真实验系统。仿真实验系统的界面友好，互动性强，可以随时进行参数和算法的调整;实验高度仿真，清晰地展示了实验。
操作和实验原理，学生通过在虚拟情境中的模拟学习，可以更快速地完成线下实验，降低实验误差，提高实验的成功率。仿真实验系统为学生提供了一个线上实训平台，通过仿真实验操作，学生可以更快速地了解实验过程和仪器的使用，最终达到自主完成实验操作的目的。
参考文献
[1]刘志广，胡照琴，王海勇，等.基于flash技术的电位分析仿真虚拟实验室的构建方法研究[J].计算机与应用化学，2006，10（23）：1026-1030.
[2]奉强，常波，何冰，等.虚拟实验在物理化学教学中的应用研究[J].成都师范学院学报，2014，30（1）：114-117.
[3]黄炜，胡毅，李红莉，等.基于LabVIEW的远程可视化实验平台研究[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2018，41（03）：313-317.
[4]袁小平，金鹏，蒋硕，等.基于LabVIEW的远程虚拟实验室建设与应用[J].实验技术与管理，2016，33（12）：114-117.
[5]兰明.基于LabVIEW的传感器测试实验平台设计与实现[J].江西科技师范大学学报，2014，（6）：48-54.
[6]刘凯，初光勇，黄海松.基于LabVIEW的温度控制系统设计研究[J].现代电子技术，2017，40（18）：164-167.
[7]李哲，邓小刚，曹玉平，等.基于LabVIEW的过程控制实验平台开发[J].实验技术与管理，2019，36（07）：134-137.
[8]穆欣荣，张志杰，杨文杰，等.基于LabVIEW的压力传感器动态性能修正[J].现代电子技术，2017，40（8）：141-144.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-15285716.htm
