虚拟仿真实验，是当前物理实验教学改革里的一个重要方向，自20世纪90年代于大学物理实验课程中正式开始使用后，极大地推动了全国大学物理实验教学的进步。然而，随着实验教学改革持续深入，以及各专业对大学物理实验教学需求不断提升，早期主要起实验预习作用，外形仿真度高但物理内涵仿真度低的仿真实验，已无法充分满足教学要求，基于准确物理模型的定量仿真，将逐步成为仿真实验的主体。中山大学，国家级物理实验教学示范中心，在基础物理实验课程里，于力学、热学等这部分内容分支当中，设置了好些包含“实验仿真实验”内容的，虚实结合的实验模块，去尝试在实验课程期间，把理论物理、实验物理以及计算物理这三种研究方法结合起来，使得学生从低年级起，便运用科研和工程设计的思维方法来做实验，这种虚实结合的教学模式，可以有效地促进学生的创新能力以及知识的应用能力，并取得了较好的教学效果。
在这篇文章里，会非常细致地去介绍那个把虚拟事物与真实事物相互融合联通起来的电学层面的实验模块，这个模块呢会跟当下被广泛运用的、一系列的软件相联合，于NI硬件平台上，去把大学里面的物理专业内有关实验课程里RLC电路所具有的特征特性，以及利用交流电桥来测量电容电感，还有混沌相关的电路里面的实验等诸多教学方面的内容进行相应的整合，其目的在于能够让学生在比较早的时候就开始接触并深入进去电路仿真的软件以及编程这个技术领域，同时呢还会结合实实在在的实物去展开教学活动，在数目有限的教学课时范围之内，涵盖了较为丰富多样的教学方面的内容，进而去提高提升教学的实用价值以及具有的挑战程度。这实验主要分成了这三个部分，一是操作实物的时候去完成RLC电路特性实验，也存在操作实物以完成交流电桥测电容电感实验的情况，之后获取实验数据；二是采用仿真软件针对上述实验结果开展验证性仿真，要调节其中的仿真参数，以此让仿真结果跟实验结果尽可能地保持一样；与此同时还要为混沌电路实验进行预测性仿真，进而预测实验结果；三是利用编程来控制数据采集器，操作实物完成混沌电路实验，然后将实验结果跟仿真结果进行对比，评估其中的异同之处并还要去讨论原因。这种“实验仿真实验”的流程，会多次循环，会不断改进实验，会不断改进仿真模型，类似科研过程，以此促进学生能力的培养，、等数学软件也是很好的仿真工具，不过在低年级实验教学中，除非有其他的编程课程来配合，除非要求学生在实验课前编制好仿真程序，除非是由教师提供，否则较难在课堂上完成物理模型的构建，较难在课堂上完成仿真工作，所以选取了在科研和工程设计中使用的成品软件来进行仿真，虚实结合实验及特点见表1。
1 RLC电路特性或交流电桥实物实验
虚拟与现实相互结合的实验模块之中的首个部分便是去达成一次具有基础性特质的实物实验，电阻、电感、电容串联电路在交流状态下的稳态特性实验以及借助交流电桥测量电容与电感的实验，它们的困难程度是相类似于一起的，在开展教学活动的时候能够从这二者里随意挑选其中之一。采纳传统的教学方式方法的话，学生能够运用函数信号发生器、双通道示波器、交流毫伏表、电阻箱等各自独立的通用型设备，依靠自己的能力搭建起实验电路，进而完成实验，最终达成大学物理实验课程教学所规定基本要求的相关内容。
1.1 RLC串联电路交流稳态特性实验
如图1所示为实验电路，其中电阻R的值是512.01Ω，电感L为2.28mH，电容C是100.80nF。数字式函数信号发生器S将正弦信号输出到RLC串联电路中，数字示波器信号输入端即CH1 以及CH2，它们分别连接图1里的点A和点B，与此同时要观测串联电路总电压U以及电阻两端电压UR的波形。依据I = URR以及两波形相位差Δφ，对电路的幅频特性和相频特性分别展开分析。根据交流电路稳态特性，RLC串联电路的I和Δφ的理论值为
（1）
其中 ω =2π**f为交流信号的角频率。
这部分内容着重予以交变电路里复数阻抗的物理方面的描述，借助实物实验促使学生得以发现矢量图示法乃是解决交变电路分析的一种有效方法，进而为后续的仿真实验埋下伏笔。
1.2 交流电桥测量电容和电感实验
大学物理实验里，交流电桥以及直流电桥属于一个重要的教学内容，它还是许多精密测量还有传感器的核心电路，交流电桥能够较为精确地测量出电容与电感的数值，其是阻抗分析仪的基础，对于对实验要求比较高的物理类专业学生而言，可以选取此内容，交流电桥测电容的电路如同图2所呈现的那样，测电感的电路如同图3所展示的那般。
图 2 里的被测实物电容 CX，是由纯电容 C1 与损耗电阻 R1 串联构成的，5 - 3/4 位数字万用表测得 R1 和 R2 的阻值，分别是 R 1 =50.96Ω，R 2 =511.96Ω，其中 R3 是 1kΩ电位器，R4 是 2kΩ电位器，商品 RL C 测量仪测得 C 1 =964.68nF，损耗 D 1 =0.306，C 2 =472.38nF。实验之际，函数信号发生器S输出着频率f为1kHz，峰 - 峰值VPP是5V的正弦信号，运用交流毫伏表去测量A点和B点之间的电压UAB。对R3和R4加以调节从而使UAB值变为最小，于是电桥达成平衡。处于完全不存在屏蔽的情形下，UAB值能够被调节到5mV以下，在这个时候测得R 3等于100.82Ω，R 4等于1049.2Ω。依据交流电桥平衡条件能够得出^^。
（2）
和商品测量仪器所得到的测量结果相比较而言，相对误差分别是3.48%，0.35%以及2.21%。
图3里，被测的实物电感LX，是由纯电感L1以及电阻R1串联构成的。用5 - 3/4位数字万用表，测得了R1和R3的阻值一流范文网，其中R1 = 133.03Ω，R3 = 502.58Ω。而R2是100Ω的电位器，R4是1kΩ的电位器。通过商品RLC测量仪，测得了L1 = 20.55mH，品质因数Q1 = 9.86，C1 = 487.52nF。做实验之际，函数信号发生器S输出着频率f为10kHz，峰峰值VPP是5V的正弦信号，运用交流毫伏表去测量A点和B点之间的电压UAB。对R2和R4加以调节从而让电桥实现平衡。在全然没有屏蔽的时候，UAB值能够被调节到5mV以下，这个时候测量得到R 2等于84.38Ω，R 4等于333.86Ω。依据交流电桥平衡条件能够得出^^。
（3）
跟商品测量仪器所测结果相比较，相对误差分别是4.52%，0.62%以及3.72%。
电桥，是大学生电学精密测量里的一种基本方法，借助实物测量，能让学生理解差分概念，还能设计不同阻抗特性电桥以解决交变阻抗的测量问题。交流电桥实验涵盖谐振频率测量，部分高频信号测量受仪器限制，解决此挑战的有效办法是仿真，然而在实物实验基础上，带着感性认识拓宽认知范围，是仿真不可欠缺的一个优势。
2 电路仿真实验
其中，该部分实验被划分成两个环节，其一为针对上述实验展开验证性仿真，其二是朝着后续的混沌电路实验进行预测性仿真。依据教学节奏，教师能够挑选实物实验率先进行，仿真紧随其后；或者从仿真着手，去了解全局特性，在此之后开展实物实验，并且剖析实物实验不确定度的来源。本单元实验从基本电学参量研究起始，直至具体的电路整体特性分析，起到承上启下的作用，“实验验证预测实验”的这一过程近似于科研的思维过程。
2.1 RLC电路和交流电桥的验证性仿真
（1） RLC电路验证性仿真
位于其中，RLC串联电路的仿真模型如同图4所展示的那般。当中XFG1是虚拟函数信号发生器，XMM1至3是三个虚拟数字万用表，进而XSC1是虚拟示波器。仿真电路、元件参数、交流信号的参数等跟实物实验保持一致。利用XMM1去测量A点处于对地时的电压U，借助XMM3去测量B点处于对地时的电压UR，通过I =URR来对幅频特性予以表征。此虚拟示波器呈现的仿真界面就像图5那样，跟实物仪器全然一样，能够按照波形，借助光标测量线的方式来确定两波形之间的相位差。
幅频特性的虚实结合实验结果，如图６所示，相频特性的虚实结合实验结果，如图７所示。图６里，I1是实物实验测量结果，I2是仿真结果，I是理论计算结果，这三者符合得极为良好。图7中，Δφ1是实物实验测量结果，Δφ2是仿真结果，Δφ是理论计算结果，此三者同样符合得非常不错。本实验应用了理论、实验以及仿真这三种方法。
这部分实验，是针对大学低年级学生开展的，它要求学生去实现一种系统化思维能力的构建，这种构建涵盖从实物实验到逻辑链路组织，再到分析，最后实现输出，它能够有效地提升学生的综合能力。
（2） 交流电桥的验证性仿真
当中，用于交流电桥测电容的仿真模型呈现为图8那般的样子，测电感的仿真模型呈现为图9那般的样子，这里面XMM1是虚拟数字万用表，XFG1是虚拟函数信号发生器，仿真元件参数跟实物实验是一样的是一致的。于图8仿真期间，当调节致使电桥达到平衡状态时，此时R 3 的阻值为104.1Ω，R 4 的阻值为1045.6Ω，将其代入式（2）中，能够得出R 1 的值是50.97Ω、C 1 的值是964.76nF、D 1 的值是0.309 ，把这些所得结果与商品测量仪器所给出的测量结果进行对比，相对误差分别是0.005%、0.009%和0.969%。在图9的仿真里，当调节到电桥平衡状态时，R 2 的阻值为83.87Ω ，R 4 的阻值是316.9Ω ，将这些数值代入式（3）后，得到R 1 的值为133.01Ω，L 1 的值是20.549mH，Q 1 的值是9.707。把这些结果与商品测量仪器的测量结果做对比，相对误差分别是0.02%、0.008%和1.55%。电容测量电路的仿真结果和实验结果符合得很不错，电感测量电路的仿真结果与实验结果同样符合得相当好。
该实验里，对于各个参数的调节，能够依据实验实物元器件所具有的具体情况，来开展精度以及步长的设置，通常来讲，刚刚进入实验室的同学，尚未构建起精度以及整体性能的概念，针对这部分实验，需要教师去启发学生，建设合理的仿真系统，以此让仿真能够做到有的放矢，与实物实验相互契合，相互补充。
2.2 混沌电路实验的预测性仿真
“蔡氏电路”将被用于实现混沌电路，如此之来。鉴于实物实验现象对电路参数极为敏感，振荡状态调节电阻的调节精度得达到1Ω以下才行，除此之外 ，其还会受到接触电阻、杂散电容等因素的影响 ，一旦学生直接开展实验 ，鉴于经验欠缺 ，电阻调节速度过快 ，常常会错过振荡点进而观察不到混沌现象。仿真实验不会受到上述干扰因素的影响 ，要是通过仿真实验先确定电路元件的参数范围 ，而后在实物实验时依据此范围再进行调节高中物理电桥电路实验总结，实验的成功率便能够显著提高。
于其中，蔡氏电路的仿真模型呈现为图10那般，U1乃是运算放大器，XSC1是示波器，当中两个通道分别针对于A点以及B点波形予以测量，且运用X - Y显示模式来展示混沌现象。元件参数呈图所示状，细致地去调节R7的阻值，能够观察到多种混沌现象，像图11的a1a5所展现的那般。当R7为Ω之际，获取到a1的二倍周期图；处于Ω时，得到a2或者a3的单吸引子图；在Ω时，得到a4的双吸引子图；为0Ω时，得到a5的直线图。经由仿真可知，a2或者a3的单吸引子图属于实验调节的难点。
3 混沌电路实物实验
实物实验要求学生高中物理电桥电路实验总结，采用分立的元件，在面包板上连线完成，电路以及元件参数如图10所示，不过其中的虚拟示波器，要替换成用设计的双通道示波器，CH0测量A点波形，CH1测量B点波形。双通道示波器通过数据采集器，利用编程控制来实现，其前面板如图12所示。图10中的R7采用10圈精密可调电位器，参照仿真结果，反复且仔细地调节R7的阻值，能用示波器观察到已仿真出来的各种混沌现象，如图11的b1至b5所示。当R7为Ω的时候，能够得到b1的二倍周期图；在Ω这个情况下，会得到b2或者b3的单吸引子图；处于1453~1684Ω这个范围时，能得到b4的双吸引子图；当为0Ω时，能得到b5的直线图。从图11能够看出，实物实验的结果与仿真结果符合得极为良好。进一步来讲，可以运用或者等数学软件，依据蔡氏混沌电路的理论公式，通过编程来计算混沌现象，进而与实物实验结果以及仿真结果展开对比。
混沌是大学物理阶段会碰见的极为重要的、依赖非线性初值的运动模式，影响混沌的参量都涵盖于本部分实验，学生能够通过自行搭建仿真电路，透彻地了解混沌现象产生的物理机制，能够进一步研究混沌这一现象呈现出的物理本质，为今后的学习构建起良好的物理图像。
4 结语
综上所述，虚实结合的电学实验，它能够在4至12学时的这段教学时间之内，去完成对基本电学量的测量，还能明晰电学量之间存在的简单依赖关系，进而进一步去了解混沌以及其他非线性电学现象发生来源和调控方法，在此期间会涉及到电路仿真、数据采集器、编程等这些业界所通用的技术，同时也涵盖RLC电路、交流电桥、混沌电路等此类丰富的实际物理概念和规律。教学流程是这样的，先进行实验，接着验证仿真，再进行预测仿真，最后又回到实验，把理论、实验、仿真这三种方法所得到的结果加以比对，引导低年级学生运用科研以及工程设计的思维方法去完成教学实验，为切实有效提升学生解决复杂问题的能力，以便其调用基础知识，组合进行应用甚至创新提供培养平台，为学生后续开展的科研训练以及实验竞赛等工作奠定了较好的基础。