姜海波

徐州師范大學(xué) 江蘇徐州 221116

虛擬儀器技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用

姜海波

徐州師范大學(xué) 江蘇徐州 221116

該文對虛擬儀器在高校教學(xué)中的應(yīng)用重點(diǎn)進(jìn)行了分析，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)，特別是課堂教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析研究。將虛擬儀器技術(shù)引入課堂教學(xué)可以提高教學(xué)的生動性，加強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，同時可以增加學(xué)生的動手實(shí)踐能力及相關(guān)的編程能力。

高校教學(xué)；虛擬儀器；編程；實(shí)踐

一、虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。虛擬儀器最早由美國國家儀器公司在1986年提出，“軟件就是儀器”的概念是對虛擬儀器最本質(zhì)的論述和表達(dá)。其所包含的意義包括兩方面：一方面是說虛擬儀器的面板是虛擬的；另一方面，虛擬儀器的功能是由軟件來實(shí)現(xiàn)的。無論是初學(xué)乍用的新手還是經(jīng)驗(yàn)豐富的程序開發(fā)人員，虛擬儀器在各種不同的工程應(yīng)用和行業(yè)的測量及控制的用戶中廣受歡迎，這都?xì)w功于其直觀化的圖形編程語言。虛擬儀器的圖形化數(shù)據(jù)流語言和程序框圖能自然地顯示您的數(shù)據(jù)流，同時地圖化的用戶界面直觀地顯示數(shù)據(jù)，使我們能夠輕松地查看、修改數(shù)據(jù)或控制輸入。目前世界上最具代表性的3個虛擬儀器開發(fā)平臺是：美國NI公司的LabWindows/CVI、LabView和惠普公司的HPVEE（又稱為AgilentVEE）。

與傳統(tǒng)的儀器相比較，虛擬儀器擁有自身的特點(diǎn)。第一，利用軟件編制的程序替代傳統(tǒng)的硬件儀器，降低了設(shè)備的采購成本和設(shè)備的安裝空間；第二，根據(jù)使用者的實(shí)際需求進(jìn)行程序的編制，做到“按需分配”，不浪費(fèi)設(shè)備的采購資金；第三，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)異地操作和網(wǎng)絡(luò)共享，這點(diǎn)是傳統(tǒng)儀器所不具備的；第四，儀器的更新?lián)Q代只需要對部分硬件進(jìn)行更新，多數(shù)的改進(jìn)是對軟件的升級和重新編程，這點(diǎn)節(jié)約了二次采購的成本。

二、虛擬儀器在高校中的應(yīng)用

隨著高校的不斷擴(kuò)招，在校生數(shù)目與日俱增，同時全社會對畢業(yè)生需求滯后，這些因素導(dǎo)致高校就業(yè)率的下降，就業(yè)率的壓力使得高校對學(xué)生素質(zhì)教育的要求不斷提高。對于工科院校而言，提高理論水平的課堂教學(xué)和實(shí)踐能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高綜合素質(zhì)的兩個主要方面。

1.在科研和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

在高校中，科研和實(shí)驗(yàn)教學(xué)是利用設(shè)備最多的兩個部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力方面充當(dāng)了重要的角色，其不但可以增強(qiáng)學(xué)生對知識的掌握，而且可以同時培養(yǎng)其主動能力和創(chuàng)新思維，特別是對工科學(xué)生，沒有足夠的實(shí)驗(yàn)就仿佛是紙上談兵，沒有任何的感性認(rèn)識可言，更不可能有創(chuàng)新。隨著學(xué)生人數(shù)的激增和科技的快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的落后和數(shù)量的不足逐漸體現(xiàn)出來。多數(shù)普通高校的實(shí)驗(yàn)室沒有足夠的經(jīng)費(fèi)進(jìn)行設(shè)備的更新和采購，于是就出現(xiàn)了眾多學(xué)生圍在1臺老式設(shè)備旁看實(shí)驗(yàn)教師的講授，而沒有多少動手機(jī)會。于是保證每個學(xué)生都有機(jī)會完成實(shí)驗(yàn)操作是高校面臨的首要課題。

對于某些基礎(chǔ)課和專業(yè)課，實(shí)驗(yàn)是必不可少的教學(xué)部分，一般來講對于1個實(shí)驗(yàn)需要1臺或幾臺儀器，而這些儀器通常只能完成1個，最多兩、三個教學(xué)任務(wù)，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要的場地大、儀器多、使用效率不高且設(shè)備投入的資金巨大，這些原因使得不是所有的學(xué)校都能滿足每個學(xué)生親自進(jìn)行動手實(shí)驗(yàn)。而且類似的實(shí)驗(yàn)還具有以下的缺點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的功能單一、適應(yīng)面窄，不利于發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性。實(shí)驗(yàn)資源不能有效利用，開放程度較差，管理維護(hù)不便。

虛擬儀器技術(shù)能將實(shí)驗(yàn)與課程的關(guān)聯(lián)性得到滿足，對于某些實(shí)驗(yàn)完全可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)；而對于多數(shù)的實(shí)驗(yàn)，只需要很少的硬件設(shè)備，軟件部分完全可以由教師針對課程的性質(zhì)和特點(diǎn)通過編程來實(shí)現(xiàn)，或者也可以由學(xué)生自主設(shè)計(jì)，通過編程實(shí)現(xiàn)，這樣不但進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而且可以提高學(xué)生對于課程的理解深度和相關(guān)的程序設(shè)計(jì)能力。虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)的好處是便于學(xué)生進(jìn)行二次開發(fā)，為學(xué)生提供更大的開放空間；引進(jìn)了組件技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)理念；增加了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)功能，便于學(xué)生隨時隨地實(shí)驗(yàn)，同時增強(qiáng)了對網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識。

同樣，在科研中，也可以通過軟件和部分硬件來完成相關(guān)的測試平臺的搭建，不但能夠節(jié)約科研資金，而且也減小了由于不同設(shè)備之間實(shí)驗(yàn)所帶來的實(shí)驗(yàn)誤差。

2.在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)儀器在高校教學(xué)中的應(yīng)用較為普遍，但隨著科技的進(jìn)步也體現(xiàn)了自身的不足。儀器的更新速度使得傳統(tǒng)儀器的更新相對落后；同時儀器自身的不足和誤差會對實(shí)驗(yàn)或演示結(jié)果造成偏差。隨著多媒體教學(xué)的普及，虛擬儀器也由幕后走到臺前，從單純的實(shí)驗(yàn)教學(xué)走到課堂教學(xué)。其在教學(xué)中的優(yōu)勢具有以下幾點(diǎn)：

（1）所需設(shè)備少。單憑1臺計(jì)算機(jī)和相關(guān)的程序就可以演示多種實(shí)驗(yàn)，結(jié)合少量的測量終端可以演示絕大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)過程。可以節(jié)省大量的設(shè)備資金。

（2）物理空間不受限制。由于虛擬儀器技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)的，因此其不受空間的限制，學(xué)生除了可以在課堂上接觸到相關(guān)內(nèi)容，在課后也同樣可以利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更多的資源共享。

（3）虛擬儀器的演示效果逼真，相關(guān)維護(hù)簡單?；谟?jì)算機(jī)的軟件可以建立逼真美觀的演示實(shí)驗(yàn)，使課堂教學(xué)更加豐富，互動性強(qiáng)。同時對于虛擬儀器的維護(hù)也僅限于對計(jì)算機(jī)和程序的維護(hù)，不需要大量的資金和人員。

（4）利用虛擬儀器進(jìn)行講解能使課堂教學(xué)內(nèi)容更加生動，形式更加靈活，使學(xué)生更易于理解，更易于接受，并牢固掌握最基本的概念。

雖然虛擬儀器具有很多的優(yōu)點(diǎn)，但其完全擺脫傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備并不現(xiàn)實(shí)，在教學(xué)中應(yīng)該做到取長補(bǔ)短，將傳統(tǒng)教學(xué)方法和先進(jìn)教學(xué)方法進(jìn)行融合，共同促進(jìn)教學(xué)的多樣化和教學(xué)效果的最大化。

三、結(jié)束語

虛擬儀器技術(shù)在高校教學(xué)中已經(jīng)得到了應(yīng)用，正在逐步由單純的科研設(shè)備向?qū)嶒?yàn)教學(xué)設(shè)備和課堂教學(xué)的方向發(fā)展。實(shí)踐證明，虛擬儀器在教學(xué)中的應(yīng)用對提高教育技術(shù)水平、改革教學(xué)模式、強(qiáng)化課堂效果和提高創(chuàng)新能力均有不同程度的提高。

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Virtual instrument technology used in the college teaching

Jiang Haibo
Xuzhou normal university, Xuzhou, 221116, China

In this paper, application of the virtual instrument in the experimental teaching, especially in the classroom teaching is analyzed. The virtual instrument technology into classroom teaching can improve teaching vivid and perceptual knowledge, while students in hands-on labs can increase the capacity and programming capability.

college teaching；virtual instruments；programming；practice

2010-04-09

姜海波，博士，講師。