田碩　魏慶濤

摘 要：主要分析了虛擬儀器技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并探討了虛擬儀器技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中引入虛擬儀器技術(shù)不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，節(jié)約教學(xué)成本，還能夠提高教學(xué)質(zhì)量和教師科研能力。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；應(yīng)用優(yōu)勢(shì)；學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法通常是教師指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)箱面板上連接相應(yīng)的原理圖，通過(guò)各種儀器儀表觀察各項(xiàng)指標(biāo)和波形曲線等。雖然這種方式可以在一定程度上提高學(xué)生的動(dòng)手能力，但由模擬實(shí)驗(yàn)裝置得出實(shí)驗(yàn)效果并不理想。同時(shí)，為了保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常開(kāi)展，必須購(gòu)買一定數(shù)量的設(shè)備，另外還需一定的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。因此傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備重復(fù)，成本高；（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備參差不齊，大部分設(shè)備比較陳舊，更新較慢；（3）實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容側(cè)重于理論的驗(yàn)證和模仿訓(xùn)練?；谶@些滯后陳舊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，學(xué)生的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)新性得不到激發(fā)。因此，把虛擬儀器技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，從而大幅度節(jié)約儀器成本，提高教學(xué)科研質(zhì)量與效率。

一、虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器是現(xiàn)代儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來(lái)模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，使用者用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板，完成傳統(tǒng)儀器面板上的各種器件的相應(yīng)功能，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理；利用I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集測(cè)量與輸出，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。

虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。利用虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)屏幕上虛擬出儀器的面板，學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開(kāi)關(guān)和按鍵，設(shè)置各種工作參數(shù)，啟動(dòng)、停止及控制儀器，并直接從虛擬儀器面板讀出測(cè)量結(jié)果。通過(guò)這種方式在屏幕上通過(guò)虛擬儀器面板對(duì)儀器的操作如同在真實(shí)儀器上的操作一樣直觀、方便、靈活。

二、虛擬儀器技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

虛擬儀器通過(guò)相關(guān)的計(jì)算機(jī)軟件可以建立逼真的演示實(shí)驗(yàn)，使課堂教學(xué)更加的豐富，互動(dòng)性強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)課時(shí)，通過(guò)教師的語(yǔ)言講解，親身動(dòng)手演示和學(xué)生的動(dòng)手搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)和觸覺(jué)3個(gè)角度刺激學(xué)生去學(xué)習(xí)，使問(wèn)題更容易被學(xué)生理解，實(shí)驗(yàn)過(guò)程更容易讓學(xué)生接受，從而使學(xué)生更牢固地掌握基本概念。

2.節(jié)約教學(xué)成本

在實(shí)驗(yàn)室中使用虛擬儀器可以節(jié)約大量?jī)x器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入，提高設(shè)備的利用率。隨著高校學(xué)生的增加和科技的快速發(fā)展，高等學(xué)校中實(shí)驗(yàn)設(shè)備的落后和數(shù)量的不足逐漸體現(xiàn)出來(lái)。首先，購(gòu)置儀器設(shè)備所需投資巨大，大多普通高等院校沒(méi)有足夠的經(jīng)費(fèi)進(jìn)行設(shè)備的采購(gòu)和更新。其次，傳統(tǒng)儀器購(gòu)買后還需要場(chǎng)地來(lái)存放，需要有專門的人進(jìn)行后期的維護(hù)。第三，維護(hù)需要投入一定數(shù)量的人力物力。第四，如果后期管理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致雖然有儀器，但是卻不能正常使用的現(xiàn)象。第五，實(shí)驗(yàn)設(shè)備買回來(lái)以后大多數(shù)只能進(jìn)行兩三個(gè)實(shí)驗(yàn)，真正的利用率并不高。

如果在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)用虛擬儀器系統(tǒng)，需要投入的資金和購(gòu)買傳統(tǒng)儀器相比要低很多，雖然系統(tǒng)建立初期也需要投入一定的經(jīng)費(fèi)，用來(lái)購(gòu)買硬件設(shè)備和相關(guān)軟件。但是后期儀器的更新主要是軟件的更新，這使得購(gòu)置設(shè)備的投資大大降低。后期儀器的維護(hù)僅限于對(duì)于計(jì)算機(jī)和軟件的維護(hù)，不需要大量的資金和人力。

3.實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠提供可操作的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，使學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上通過(guò)接近真實(shí)的人機(jī)交互界面完成實(shí)驗(yàn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生還可以將實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)、收獲和問(wèn)題發(fā)布到網(wǎng)上。從教師角度來(lái)說(shuō)，教師可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題，給學(xué)生提出建議并指導(dǎo)學(xué)生正確完成實(shí)驗(yàn)。從學(xué)生角度來(lái)說(shuō)，學(xué)生可以及時(shí)得到教師的指導(dǎo)，也可以吸收別人的經(jīng)驗(yàn)，從而使自己的能力得到提升。

4.提高教師科研能力

教師只有通過(guò)科研活動(dòng)，不斷吸收新知識(shí)、創(chuàng)造新成果，并把這些新知識(shí)、新成果充實(shí)到教學(xué)內(nèi)容之中，才能使教學(xué)內(nèi)容具有科學(xué)性和超前性。虛擬儀器技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)室后，一些從事過(guò)測(cè)試系統(tǒng)研究、熟悉虛擬儀器工作流程、對(duì)新技術(shù)新知識(shí)有探索精神的教師可以利用優(yōu)良的工作環(huán)境進(jìn)行不斷深入的研究，開(kāi)發(fā)出更多更高級(jí)的實(shí)驗(yàn)來(lái)充實(shí)和豐富大學(xué)的教研工作。

三、虛擬儀器技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用

1.代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器

傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室一般需購(gòu)置大量的基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器。而且投資大，技術(shù)更新快、維護(hù)困難。利用虛擬儀器技術(shù)，我們可以設(shè)計(jì)出與實(shí)際儀器在原理、功能和操作等方面完全一樣的全軟件虛擬儀器。利用這些虛擬儀器，學(xué)生在計(jì)算機(jī)上就可以學(xué)習(xí)和掌握儀器原理、功能操作。虛擬儀器技術(shù)正在迅速發(fā)展，它可以取代測(cè)量技術(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。

在虛擬儀器環(huán)境下，用虛擬儀表直接觀察輸入不同信號(hào)波形所引起的結(jié)果差異，以波形、指示表、數(shù)值等多種形式顯示測(cè)量結(jié)果。我們可以使用系統(tǒng)提供的各種控件圖標(biāo)，如：旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鈕等，設(shè)計(jì)出清晰直觀、易于操作的前面板，用于設(shè)置輸入數(shù)值和輸出量。在虛擬儀器前面板上可以模擬出真實(shí)儀器的操作顯示面板，根據(jù)儀器的功能，設(shè)置實(shí)時(shí)波形顯示窗口、數(shù)據(jù)采集等控制窗口。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生可以完成在實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有條件完成的實(shí)驗(yàn)，使用到在實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有的儀器設(shè)備，看到在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件下看不到的測(cè)試波形和結(jié)果，同時(shí)也可以考查學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

2.搭建虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

在實(shí)驗(yàn)室中引入虛擬儀器除了滿足日常教學(xué)實(shí)踐任務(wù)，還可以用于開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等領(lǐng)域的專用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)者可使用相同的硬件系統(tǒng)，通過(guò)不同的軟件編程就可以充分發(fā)揮自己的才能，按自己的意愿隨心所欲地設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)測(cè)試和測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)和推動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。例如，虛擬儀器技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并成為測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流。濰柴動(dòng)力、洛陽(yáng)一拖等國(guó)內(nèi)大型柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，已經(jīng)將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于柴油機(jī)出廠測(cè)試。國(guó)內(nèi)很多高校進(jìn)行了相關(guān)的研究，清華大學(xué)在這方面的應(yīng)用研究較為領(lǐng)先，利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)早期應(yīng)用的代表。當(dāng)然這只是虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)例子，等待我們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)的領(lǐng)域還很多。虛擬儀器的出現(xiàn)最終將取代大量的傳統(tǒng)儀器成為儀器領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，成為測(cè)量、分析、控制及自動(dòng)化儀表的核心。

通過(guò)對(duì)虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用的介紹，我們看到在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室引入虛擬儀器技術(shù)是勢(shì)在必行的。虛擬儀器技術(shù)使實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能和實(shí)驗(yàn)方法水平都產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，這促使我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能跟上信息時(shí)代飛速前進(jìn)的步伐。它無(wú)論在教學(xué)還是科研方面都讓我們看到利用新技術(shù)提高學(xué)校教學(xué)質(zhì)量和科研能力的科學(xué)創(chuàng)新之路。

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編輯 李建軍