《虛擬儀器原理》課程的教學(xué)探索與實(shí)踐

梁玉

摘 要： 《虛擬儀器原理》課程是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生的一門重要課程，也是智能儀器儀表及測(cè)控方向研究生需要具備的基本專業(yè)知識(shí)，在該課程教學(xué)中理論講解與實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練兼具，本文針對(duì)該課程的教學(xué)探索與實(shí)踐進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞： 《虛擬儀器原理》 智能儀器 教學(xué)探索與實(shí)踐

上世紀(jì)后期出現(xiàn)的虛擬儀器（Virtual Instrument）技術(shù)強(qiáng)調(diào)在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上構(gòu)筑儀表儀器功能，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀表儀器技術(shù)的完美結(jié)合，是智能儀器發(fā)展的新階段。該技術(shù)最早起源于美國(guó)德克薩斯大學(xué)James、Truchard和William三位研究人員為美國(guó)海軍進(jìn)行的一項(xiàng)研究，隨后三人成立了一家公司，致力于虛擬儀器技術(shù)的開(kāi)發(fā)，即著名的美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI，National Instruments）。該技術(shù)后來(lái)逐漸被引入我國(guó)，起初在一些科研院所、重點(diǎn)高校的實(shí)驗(yàn)室用于特定科學(xué)研究用途，從該技術(shù)一開(kāi)始應(yīng)用便顯現(xiàn)了其卓越的無(wú)可取代技術(shù)優(yōu)勢(shì)，后來(lái)被一些著名公司、企業(yè)（尤其從事高新技術(shù)方面）廣泛采用，如今已發(fā)展成為電子信息領(lǐng)域非常盛行的一個(gè)熱門技術(shù)。針對(duì)重要的科研目的和迫切的市場(chǎng)需求，我國(guó)教育指導(dǎo)部門及時(shí)提出全國(guó)高校的電子信息類學(xué)科中開(kāi)設(shè)虛擬儀器相關(guān)課程的規(guī)劃并迅速得以實(shí)施，《虛擬儀器原理》課程便是一個(gè)典型代表。我根據(jù)一直以來(lái)該課程教學(xué)過(guò)程中的一些經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，提出該課程部分內(nèi)容的教學(xué)探索與實(shí)踐思路以供同行參考。

1.虛擬儀器概念引入的教學(xué)探索與實(shí)踐思路

在介紹虛擬儀器概念前，首先應(yīng)明確什么是儀器，儀器的特點(diǎn)是什么，這一概念看似簡(jiǎn)單，其實(shí)并不容易?，F(xiàn)實(shí)生活中的儀器太多，可以在教師的引導(dǎo)下，讓學(xué)生舉一些例子（注：分別從力、熱、光、電等角度引導(dǎo)），然后每舉一例，分別討論其基于的物理原理，比如天平這一儀器是基于物理中的力學(xué)原理，溫度計(jì)這一儀器是基于物理中的熱學(xué)原理，顯微鏡這一儀器是基于物理中的光線原理，萬(wàn)用表這一儀器是基于物理中的電磁學(xué)原理等，這些儀器的共有特性是具備測(cè)量的功能，從而提煉出儀器的本質(zhì)：儀器一般是基于各種科學(xué)原理的，而且具備測(cè)量的功能，一般脫離這兩點(diǎn)的任一事物，要么不是儀器，要么是不可信的儀器。接下來(lái)，讓學(xué)生明白什么是智能儀器，智能儀器仍然是儀器，應(yīng)該說(shuō)是儀器發(fā)展的高級(jí)階段，著重于強(qiáng)調(diào)其智能性，主要體現(xiàn)在微處理器芯片的引入，并且新增基本的數(shù)據(jù)處理和通信的功能，進(jìn)一步引入什么是虛擬儀器，虛擬儀器又是智能儀器發(fā)展的新階段，不僅具備常規(guī)儀器和智能儀器的功能，而且新增數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)共享可編程擴(kuò)展功能等，強(qiáng)調(diào)的是在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上構(gòu)筑儀表儀器功能，用戶通過(guò)操作計(jì)算機(jī)不僅實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀表儀器的功能，而且能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀表儀器難以實(shí)現(xiàn)的新功能并且不斷增加或升級(jí)。對(duì)于此前的儀表儀器，用戶直接操作的是儀表儀器本身，這些其實(shí)是其本質(zhì)區(qū)別，可以舉例，比如宇航員在飛行器艙內(nèi)對(duì)空間進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)或勘探時(shí)，實(shí)際上就是采用虛擬儀器技術(shù)對(duì)艙外的宇宙空間展開(kāi)的遙控遙測(cè)活動(dòng)。

2.虛擬儀器的定義和組成的教學(xué)探索與實(shí)踐思路

在介紹虛擬儀器的定義和組成時(shí)，強(qiáng)調(diào)虛擬儀器是把技能教給用戶，所以開(kāi)發(fā)虛擬的核心環(huán)節(jié)是使用者（用戶在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)需求定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試性能），而非硬件生產(chǎn)商。有些教材把虛擬儀器定義為L(zhǎng)abVIEW組建的程序單元，這要辯證地讓學(xué)生進(jìn)行分析，客觀地或更廣義地說(shuō)，一般的虛擬儀器是由硬件與軟件共同組成的，硬件部分主要用于獲取真實(shí)世界中的被測(cè)信號(hào)，軟件部分用于控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能，并將其集成為儀器操作與運(yùn)行的命令環(huán)境。但是開(kāi)發(fā)虛擬儀器的核心環(huán)節(jié)在于軟件開(kāi)發(fā)，因?yàn)橛布糠制涔δ苁枪潭ǖ?，一般難以進(jìn)行調(diào)整或升級(jí)，但是基于LabVIEW的程序單元是可修改的，所以開(kāi)發(fā)的虛擬儀器質(zhì)量就取決于使用者的編程水平，也就是把技能教給用戶，美國(guó)NI公司曾提出‘軟件即儀器，實(shí)際上這里的‘軟件指的是LabVIEW軟件平臺(tái)及其組建的程序單元，這里的“儀器”就是虛擬儀器，這句話正是把握了其本質(zhì)，所以把LabVIEW組件的程序單元稱為虛擬儀器有其辯證的正確性，要給學(xué)生分析清楚。

3.虛擬儀器分類的教學(xué)探索與實(shí)踐思路

虛擬儀器可以按照不同總線接口進(jìn)行分類，在介紹時(shí)可以結(jié)合實(shí)物，讓學(xué)生有直接的感性印象，而且按照接口的發(fā)展程度介紹，比如由傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡式虛擬儀器發(fā)展為現(xiàn)在較流行的通用功能接口總線（GPIB）的虛擬儀器。另外，還有PXI、USB等接口的虛擬儀器，其中著重介紹通用功能接口總線（GPIB）的虛擬儀器，而且說(shuō)明有時(shí)實(shí)驗(yàn)中會(huì)用到。

4.虛擬儀器發(fā)展歷程介紹的教學(xué)探索與實(shí)踐思路

介紹虛擬儀器的發(fā)展歷程時(shí)，從其初始發(fā)展歷程開(kāi)始說(shuō)起，按照時(shí)間脈絡(luò)展開(kāi)，其中強(qiáng)調(diào)惠普（HP）公司和美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司的貢獻(xiàn)，為活躍課堂氣氛，可舉一些學(xué)生熟悉的HP公司產(chǎn)品的例子，比如HP筆記本、打印機(jī)等，然后糾正一個(gè)誤區(qū)：HP公司并不是單單生產(chǎn)這兩類產(chǎn)品的公司，其實(shí)其原本是生產(chǎn)儀器的大公司，而且曾一度成為行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，虛擬儀器的總線雛形實(shí)際就是HP公司的重大杰作，NI公司對(duì)虛擬儀器的軟件核心貢獻(xiàn)居功至偉，是該行業(yè)的先驅(qū)也是權(quán)威，并鼓勵(lì)大家一定要在大學(xué)階段好好學(xué)習(xí)，將來(lái)努力去大公司歷練自己，這些方面的介紹可進(jìn)一步活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

5.結(jié)語(yǔ)

虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)代高等學(xué)校電子信息類專業(yè)學(xué)生需掌握的重要技術(shù)，《虛擬儀器原理》課程系統(tǒng)而深入地闡釋了此項(xiàng)技術(shù)，高等學(xué)校教師在該技術(shù)相關(guān)課程的教學(xué)過(guò)程中不斷進(jìn)行思路探索與實(shí)踐創(chuàng)新，有助于培養(yǎng)出綜合素質(zhì)高、專業(yè)能力強(qiáng)的更優(yōu)秀電子信息類人才。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃松嶺.虛擬儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程， 清華大學(xué)出版社，2008.

[2] 張毅剛.虛擬儀器技術(shù)介紹，國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2006.