虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)與實(shí)踐

王建立

（東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

一、引言

隨著科技的不斷發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及，大學(xué)生的知識(shí)體系在廣度上有了很大提升。為了進(jìn)一步拓展大學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的深度，在理論教學(xué)構(gòu)建了完整知識(shí)體系的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得尤為重要。但是由于各方面條件的限制，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和規(guī)模都難以滿足廣大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求，目前很多還是以小組或者演示的形式讓學(xué)生熟悉具體實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生能獨(dú)立參與實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)非常少，特別是很難接觸到國際前沿的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法。

虛擬實(shí)驗(yàn)是以虛擬儀器為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器編程來實(shí)現(xiàn)，通過接口設(shè)備，完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能，因此在教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)用日益廣泛。常用的虛擬儀器的開發(fā)軟件包括美國國家儀器公司的Labview 和LabWindows/CVI，美國Tektronis 公司的Tek-TNS 軟件等，其中Labview 和LabWindows/CVI 軟件采用圖形化編程，學(xué)習(xí)操作簡單，應(yīng)用最為廣泛，非常適合于本科生教學(xué)。目前虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)外高校的機(jī)械、電子、生物、物理等教學(xué)科研領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用。國外麻省理工學(xué)院微電子系的Alamo 教授開發(fā)的Weblab 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)較早投入教學(xué)使用，取得了很大成功。國內(nèi)包括清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等院校都開設(shè)了相關(guān)討論課程。

通過虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在有限的教學(xué)資源條件下，最大限度地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力和能動(dòng)性，培養(yǎng)科學(xué)研究興趣。課題組結(jié)合熱物性測量實(shí)驗(yàn)，探索了虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)和應(yīng)用，從而為今后的教學(xué)改革積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

二、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要內(nèi)容

1.傳統(tǒng)測量系統(tǒng)

圖1（a）顯示了該套系統(tǒng)的主要組成，包括樣品、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字萬用表、鎖相放大器等儀器。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件下，學(xué)生操作順序見圖2 所示。先調(diào)整信號(hào)發(fā)生器發(fā)生頻率，等數(shù)值穩(wěn)定以后，讀取數(shù)字萬用表的電壓讀數(shù)，同時(shí)設(shè)置鎖相放大器時(shí)間常數(shù)，讀取幅值和相位信息。其中數(shù)字萬用表精度為八位半，即每次要讀9 位數(shù)字，鎖相放大器為微伏精度，通常為6 位數(shù)字。為了保證測量精度，一般要求萬用表讀5～10 次取平均，鎖相放大器也是5～10 次讀數(shù)取平均。每組實(shí)驗(yàn)信號(hào)發(fā)生器改變30 個(gè)頻率。因此記錄一組實(shí)驗(yàn)大概需要2 小時(shí)左右。學(xué)生要時(shí)刻關(guān)注儀表讀數(shù)的變化，迅速記錄儀表數(shù)值，然后錄入Excell 表格中，再繪制圖表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)第一個(gè)階段改進(jìn)

利用虛擬儀器控制信號(hào)發(fā)生器、鎖相放大器以及數(shù)字萬用表，實(shí)現(xiàn)各個(gè)儀表自動(dòng)參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)讀取、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理功能。用GPIB 線將三臺(tái)主要設(shè)備連接，然后通過GPIB-USB 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口接入計(jì)算機(jī)中，編寫儀器控制程序，用于設(shè)定三臺(tái)設(shè)備的主要參數(shù)，例如改變信號(hào)發(fā)生器頻率，讀取鎖相放大器幅值和相位，讀取數(shù)字萬用表電壓。學(xué)生通過程序可以直接將數(shù)據(jù)保存到指定文檔中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。同樣測量30 個(gè)頻率，時(shí)間大概為半個(gè)小時(shí)，因此大大提高了測量效率，同時(shí)可防止人為因素引入的測量誤差。

3.虛擬實(shí)驗(yàn)第二個(gè)階段改進(jìn)

第一個(gè)階段只是利用虛擬儀器控制原有設(shè)備，而這個(gè)階段則用虛擬儀器代替儀表，此時(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1（b）所示。為了實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)，需要在計(jì)算機(jī)中置入數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，在程序中編制虛擬信號(hào)發(fā)生器，用數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出到樣品中，同時(shí)讀取樣品兩端的電壓信號(hào)，有數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并在計(jì)算機(jī)中編寫虛擬鎖相放大器程序，處理得到對應(yīng)的幅值和相位。讀取固定電阻的電壓，同樣用數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，用計(jì)算機(jī)編寫虛擬數(shù)字萬用表程序，處理得到電壓。將頻率，幅值和相位，電壓信號(hào)存儲(chǔ)到固定文件中（原始數(shù)據(jù)），并用Labview 中的信號(hào)處理模塊，處理得到最后樣品的熱物性參數(shù)（最終測量結(jié)果）。

圖1 （a）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；（b）虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程

三、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

通過以上教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)可以看出，虛擬實(shí)驗(yàn)在學(xué)習(xí)科研過程中，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，在實(shí)現(xiàn)數(shù)字化教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量和水平，提高學(xué)生綜合素質(zhì)等方面都有重要意義。同時(shí)課題組也發(fā)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)存在的一些容易被忽視的問題。

1.虛擬實(shí)驗(yàn)的積極作用

（1）理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前推導(dǎo)了樣品平均溫度隨電阻變化曲線，得到線性變化關(guān)系。通過學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了推導(dǎo)的準(zhǔn)確性，并進(jìn)而計(jì)算得到了樣品熱物性參數(shù)。通過這個(gè)過程，加深了學(xué)生對電阻溫度計(jì)的理解。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中，遇到了很多感興趣的問題，通過不斷提問，讓學(xué)生對整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如何設(shè)計(jì)和實(shí)施有了全新的認(rèn)識(shí)。通過這些互動(dòng)，無論對教學(xué)和科研都具有重要促進(jìn)作用。

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更加具體、實(shí)際，學(xué)生直接與儀器儀表接觸，掌握儀器的說明書。但是，說明書后面儀器通訊部分，往往被學(xué)生忽略。而虛擬實(shí)驗(yàn)用于控制儀器儀表設(shè)置以及自動(dòng)讀取讀數(shù)的程序卻需要學(xué)生掌握GPIB 通訊語言。學(xué)生通過自己學(xué)習(xí)說明書和Labview 語言，編寫控制程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、存儲(chǔ)和處理，這本身就是能力培養(yǎng)的過程。學(xué)生在編程過程中遇到很多問題，例如無法跟儀器儀表通訊，如何調(diào)試，數(shù)據(jù)保存總是覆蓋原有數(shù)據(jù)等。這些問題雖然在Labview 語言相關(guān)教材中也有論述，但是遇到這些問題以后，學(xué)生通過自我學(xué)習(xí)，解決問題的過程給他們極大的鼓舞和信心，提高了學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動(dòng)性。特別是Labview 語言，不僅可以用于儀器控制，更能夠可視化地實(shí)現(xiàn)許多語言需要編寫大量代碼才能實(shí)現(xiàn)的功能，簡單易學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)主要內(nèi)容之余，自己主動(dòng)學(xué)習(xí)了該語言其他的模塊功能，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造性。

（3）提高實(shí)驗(yàn)效率和質(zhì)量。教學(xué)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)需要幾個(gè)小時(shí)，引入虛擬實(shí)驗(yàn)后，現(xiàn)在壓縮為半個(gè)小時(shí)，而且調(diào)試好以后，只需要點(diǎn)一下程序啟動(dòng)按鈕，無需要人為記錄讀數(shù)，這都大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。因此，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，例如樣品準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)處理、問題討論等環(huán)節(jié)投入更多時(shí)間和精力。而記錄數(shù)據(jù)這些重復(fù)性工作則有計(jì)算機(jī)代替，這也提高了實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量和水平。實(shí)驗(yàn)過程不再是演示，而是從理論推導(dǎo)到數(shù)據(jù)分析處理整個(gè)過程全方位交給學(xué)生，增強(qiáng)了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的理解。同時(shí)學(xué)生可以利用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的問題，使得教學(xué)內(nèi)容在時(shí)間和空間上都得到延伸和拓展。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)的可能問題

（1）儀器使用技能的淡化。在實(shí)驗(yàn)開始階段，可能學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程還能夠認(rèn)真學(xué)習(xí)和把握，但是由于虛擬實(shí)驗(yàn)太過方便，久而久之，學(xué)生對一些儀器的參數(shù)設(shè)置的概念開始模糊，經(jīng)常遇到例如僅需增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，學(xué)生卻需要從頭學(xué)習(xí)儀器說明書，重新編程。因此一味依賴計(jì)算機(jī)可能會(huì)減弱儀器使用的真實(shí)感受和基本實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練。

（2）減弱對實(shí)驗(yàn)突發(fā)問題的處理能力。在實(shí)驗(yàn)過程中，會(huì)突然遇到一些意想不到的問題。如果是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生就在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，可能知道偏離所產(chǎn)生的原因。但是虛擬實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生往往不在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，也沒有實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，等看到已經(jīng)測完的超乎預(yù)期的數(shù)據(jù)，又不會(huì)太留意，一般重新開始一組實(shí)驗(yàn)，因此會(huì)減少學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程的反思，更有甚者，失去發(fā)現(xiàn)新實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的機(jī)會(huì)。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)更適用于成熟的實(shí)驗(yàn)過程，在實(shí)驗(yàn)初始階段，學(xué)生最好能夠通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行培養(yǎng)。

四、結(jié)論

虛擬實(shí)驗(yàn)是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上的延伸和拓展，是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的重要趨勢和方向。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫亟鉀Q實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間限制性等問題，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，因此推廣虛擬實(shí)驗(yàn)對教學(xué)和科研都具有重要幫助。但是虛擬實(shí)驗(yàn)并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程，只有將虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，彼此互相促進(jìn)和補(bǔ)充，才能讓高等教育中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊跟時(shí)代步伐，在培養(yǎng)綜合型人才過程中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

［1］厲旭云，梅汝煥，葉治國，等.高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的發(fā)展及趨勢［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014（03）.

［2］侯國屏，王珅，葉齊鑫.Labview7.1 編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.