淺談在實驗教學(xué)中引入虛擬儀器技術(shù)的重要性

田碩　魏慶濤

摘 要：主要分析了虛擬儀器技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢，并探討了虛擬儀器技術(shù)在實驗室中的應(yīng)用。在實驗室教學(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；學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法通常是教師指導(dǎo)學(xué)生在實驗箱面板上連接相應(yīng)的原理圖，通過各種儀器儀表觀察各項指標(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)生的動手能力，但由模擬實驗裝置得出實驗效果并不理想。同時，為了保證實驗教學(xué)的正常開展，必須購買一定數(shù)量的設(shè)備，另外還需一定的實驗場地。因此傳統(tǒng)實驗教學(xué)的問題主要體現(xiàn)在以下幾點：（1）實驗設(shè)備重復(fù)，成本高；（2）實驗設(shè)備參差不齊，大部分設(shè)備比較陳舊，更新較慢；（3）實驗的內(nèi)容側(cè)重于理論的驗證和模仿訓(xùn)練?；谶@些滯后陳舊的實驗設(shè)備和傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ?，學(xué)生的積極性、主動性和創(chuàng)新性得不到激發(fā)。因此，把虛擬儀器技術(shù)引入實驗教學(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)和計算機技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，在以計算機為核心的硬件平臺上，利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(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，利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理；利用I/O接口設(shè)備完成信號的采集測量與輸出，從而完成各種測試功能的一種計算機測試系統(tǒng)。

虛擬儀器技術(shù)的實質(zhì)是充分利用最新的計算機技術(shù)來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。利用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺在計算機屏幕上虛擬出儀器的面板，學(xué)生通過鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開關(guān)和按鍵，設(shè)置各種工作參數(shù)，啟動、停止及控制儀器，并直接從虛擬儀器面板讀出測量結(jié)果。通過這種方式在屏幕上通過虛擬儀器面板對儀器的操作如同在真實儀器上的操作一樣直觀、方便、靈活。

二、虛擬儀器技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢

1.激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

虛擬儀器通過相關(guān)的計算機軟件可以建立逼真的演示實驗，使課堂教學(xué)更加的豐富，互動性強。實驗課時，通過教師的語言講解，親身動手演示和學(xué)生的動手搭建實驗平臺，從聽覺、視覺和觸覺3個角度刺激學(xué)生去學(xué)習(xí)，使問題更容易被學(xué)生理解，實驗過程更容易讓學(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

在實驗室中使用虛擬儀器可以節(jié)約大量儀器設(shè)備的經(jīng)費投入，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)校中實驗設(shè)備的落后和數(shù)量的不足逐漸體現(xiàn)出來。首先，購置儀器設(shè)備所需投資巨大，大多普通高等院校沒有足夠的經(jīng)費進行設(shè)備的采購和更新。其次，傳統(tǒng)儀器購買后還需要場地來存放，需要有專門的人進行后期的維護。第三，維護需要投入一定數(shù)量的人力物力。第四，如果后期管理不當(dāng)，會導(dǎo)致雖然有儀器，但是卻不能正常使用的現(xiàn)象。第五，實驗設(shè)備買回來以后大多數(shù)只能進行兩三個實驗，真正的利用率并不高。

如果在實驗室中運用虛擬儀器系統(tǒng)，需要投入的資金和購買傳統(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，用來購買硬件設(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，這使得購置設(shè)備的投資大大降低。后期儀器的維護僅限于對于計算機和軟件的維護，不需要大量的資金和人力。

3.實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)

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

4.提高教師科研能力

教師只有通過科研活動，不斷吸收新知識、創(chuàng)造新成果，并把這些新知識、新成果充實到教學(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)引入實驗室后，一些從事過測試系統(tǒng)研究、熟悉虛擬儀器工作流程、對新技術(shù)新知識有探索精神的教師可以利用優(yōu)良的工作環(huán)境進行不斷深入的研究，開發(fā)出更多更高級的實驗來充實和豐富大學(xué)的教研工作。

三、虛擬儀器技術(shù)在實驗室中的應(yīng)用

1.代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器

傳統(tǒng)的教學(xué)實驗室一般需購置大量的基礎(chǔ)測量儀器。而且投資大，技術(shù)更新快、維護困難。利用虛擬儀器技術(shù)，我們可以設(shè)計出與實際儀器在原理、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)生在計算機上就可以學(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、開關(guān)、按鈕等，設(shè)計出清晰直觀、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儀器的操作顯示面板，根據(jù)儀器的功能，設(shè)置實時波形顯示窗口、數(shù)據(jù)采集等控制窗口。在虛擬實驗室中，學(xué)生可以完成在實驗室沒有條件完成的實驗，使用到在實驗室沒有的儀器設(shè)備，看到在實驗室現(xiàn)有條件下看不到的測試波形和結(jié)果，同時也可以考查學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰Α?/p>

2.搭建虛擬實驗開發(fā)平臺

在實驗室中引入虛擬儀器除了滿足日常教學(xué)實踐任務(wù)，還可以用于開發(fā)數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)、工業(yè)自動控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等領(lǐng)域的專用軟件開發(fā)平臺。實驗者可使用相同的硬件系統(tǒng)，通過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)計自己的儀器系統(tǒng)。

自20世紀90年代以來，計算機技術(shù)迅猛發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、自動測試和測量儀器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，促進和推動測試系統(tǒng)和測量儀器的設(shè)計方法與實現(xiàn)技術(shù)。例如，虛擬儀器技術(shù)在國內(nèi)發(fā)動機測試領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并成為測試系統(tǒng)設(shè)計的主流。濰柴動力、洛陽一拖等國內(nèi)大型柴油機生產(chǎn)企業(yè)，已經(jīng)將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于柴油機出廠測試。國內(nèi)很多高校進行了相關(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)動機檢測系統(tǒng)為國內(nèi)早期應(yīng)用的代表。當(dāng)然這只是虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用的一個例子，等待我們?nèi)ラ_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，成為測量、分析、控制及自動化儀表的核心。

通過對虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢和應(yīng)用的介紹，我們看到在大學(xué)實驗室引入虛擬儀器技術(shù)是勢在必行的。虛擬儀器技術(shù)使實驗設(shè)備功能和實驗方法水平都產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，這促使我們的實驗教學(xué)能跟上信息時代飛速前進的步伐。它無論在教學(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