利用虛擬儀器開展實驗教學的意義

長沙大學電子與通信工程系長沙410003

摘要 介紹虛擬儀器的基本概念及特點，針對傳統儀器在實驗教學中遇到的問題，提出利用虛擬儀器開展實驗教學的解決方案。論證虛擬儀器具有傳統儀器不可替代的優勢，在實驗教學中，它將發揮越來越重要的作用。

關鍵詞虛擬儀器；傳統儀器；實驗教學

中圖分類號：TP391.6 文件標識碼：A 文章編號：1671-489X（2007）03－0033-03

Sinificance in Developing Experiment Teaching with Virtual Instrument//Qu Zhao， Yin Kesheng， Deng Juqi

Abstract This paper introduces the basic concept and characteristic of the virtual instrument. It has the advantage that the traditional instrument unable to be replaced， which will play a more and more important role in the experiment teaching.

Key words virtual instrument; traditional instrument; experiment teaching

Author's address Dept. of Electronics and Communication Engineering， Changsha University， Changsha 410003

引言

自高校擴招以來，高校在校學生數逐年大幅度增加，一般高校不可能大量地擴充場地和購置各種教學設備，師資力量、實驗設備和教學場地等相應的配置很難跟上發展的要求，就使得教學質量很難保證，極易貽誤學生的學業。另外，隨著遠程教育的發展，終身教育的觀念進一步普及，越來越多的學習者通過網絡進行學習，但遠程教育的不足是學習者無法到實驗室作具體實驗，這已成為制約遠程教育質量的一個重要因素[1]。如何利用虛擬儀器等新技術來解決這些問題，已被越來越多的高校管理者和實驗工作者所關注。

1虛擬儀器

虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI）是計算機技術與儀器技術相結合的產物，代表了現代測試技術的發展方向。它利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統儀器的控制面板，以多種形式表達輸出測試結果；利用I/O接口設備完成信號的采集、測量與調理；利用計算機強大的軟件功能來實現信號的運算、分析和處理，從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統[2]。因為虛擬儀器可與計算機同步發展，與網絡及其他周邊設備互聯，用戶只需改變軟件程序或改變軟件模塊的組合，就可以不斷擴展和增強它的測試和分析功能，真正體現了“軟件就是儀器”（The Software is the Instrument）、“網絡就是儀器”（The Network is the Instrument）的概念。用戶可根據自己的需要，設計自己的儀器系統，滿足多種多樣的應用要求。利用計算機豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統儀器在數據的處理、表達、傳遞、儲存等方面的限制，達到傳統儀器無法比擬的效果。

測試儀器大體上經歷了模擬儀器、數字化儀器、智能儀器、虛擬儀器4個階段，同時也由單臺儀器逐步發展到疊加式儀器、虛擬儀器系統等。測試儀器主要是由信號的采集與控制、信號分析與處理、結果的表達與輸出這三大功能模塊構成。對于傳統儀器，這三大功能模塊都是以硬件（固化的軟件）的形式存在的，這種框架式的結構決定了傳統儀器只能由廠家來定義、制造，而用戶無法隨意改變其結構和功能。即使是后來出現的數字化儀器、智能儀器，使測試儀器的測試精度提高、功能增強，但仍未改變傳統儀器那種獨立使用、手動操作、任務單一的模式，并且與其他儀器的連接也受到限制。另外，開發維護的費用高，技術更新周期長。

虛擬儀器把測試儀器的三大功能模塊中的信號的分析與處理、結果的表達與輸出放到計算機上來實現，用計算機的軟件系統來完成。因此，只需另外提供一定的數據采集硬件來完成信號的采集、測量與處理，就可構成基于計算機的測試儀器，即虛擬儀器。在虛擬儀器中硬件僅僅是為了解決信號的輸入和輸出，軟件才是整個儀器系統的關鍵。虛擬儀器打破了傳統儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，降低了系統的開發和維護費用，加快了技術更新速度，縮短了系統組建時間。

2利用虛擬儀器可大大減少實驗室建設的資金投入和實驗室用房面積

眾所周知，儀器是實驗的基礎，是保證實驗開設質量的關鍵。通常總是根據實驗教學內容來選擇相應的實驗儀器，不同的實驗內容要配備不同的實驗儀器。如果開設綜合性和設計性的實驗，所需的實驗儀器就更多，有時需多種實驗儀器組合起來，才能完成實驗內容，不僅成本高、體積大、占用空間多，而且傳統儀器的功能和用途單一，只能根據其規定在其適用的場合使用，使用效率低，大多數實驗儀器在大部分時間處于閑置的狀態，并且單個實驗的成本較高，造成實驗只能有選擇地按學校實驗條件開設，而不是按教學需要設置。隨著測試技術的發展，儀器更新換代的步伐越來越快，功能越來越復雜，精度越來越高，投資費用加大。為了保證實驗教學的效果，需要不斷更新實驗儀器，而經費短缺是很多高校面臨的主要問題。如何更合理地配置實驗資源，解決資金投入與人才培養之間的矛盾，是學校進行實驗室建設經常需要考慮而又是傷腦筋的問題[3]。

虛擬儀器的出現和發展，為解決上述問題提供了一個新的思路。想建立一個教學儀器系統，又不花太多的錢，可以利用虛擬儀器組建一個虛擬儀器系統。虛擬儀器的投資少，只需一臺計算機，再配上相應的硬件和軟件，就可以實現多種測試任務。虛擬儀器在實驗教學中的最簡單的運用就是代替常規的儀器，如信號發生器、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀、萬用表等。使用一套虛擬儀器系統就可以實現上述的多種常規儀器的全部功能，而且還可以實現自動測量、自動記錄、自動數據處理和分析。比如利用虛擬儀器生成的信號發生器產生實驗所需的激勵信號，利用虛擬儀器生成的示波器測量實驗電路對激勵信號的響應。信號發生器和示波器通過計算機窗口進行切換，示波器的測量通道、標尺比例、時基、極性、觸發信號等或信號發生器產生的波形、頻率、占空比、幅值、偏置等都可以用鍵盤或鼠標進行設置，如同常規儀器一樣的使用[4]。

由于虛擬儀器可以由用戶定義、設計儀器，以滿足不同的實驗需要，一臺虛擬儀器可以完成數臺甚至成套儀器所能完成的全部功能，達到資源共享，并且通用性好，易于升級與擴展，隨著課程內容范圍的擴大，可隨時增加實驗內容。虛擬儀器系統的功能模塊可采用嵌入式結構，可以隨學科、專業的擴充在現有設備的基礎上進行重組，不斷增加模塊，不斷生成新的功能[5]。當要構建不同的實驗室或不同的實驗項目時，通過編程即可完成。若要求更改數據采集方式，只需更換數據采集卡，并修改程序即可[6]。隨著網絡技術的引入，虛擬儀器技術逐漸向網絡化方向發展，并且很多測試任務也提出了遠程測試的要求。網絡技術與虛擬儀器技術的結合產生了一種新型儀器——網絡化虛擬儀器（Network Virtual Instrument，簡稱NVI）。利用網絡的優勢，虛擬儀器可以實現實驗數據共享。因此只需少量的數據采集卡就可以供許多學生使用，同時也為多人協同進行大型實驗提供了條件。網絡技術拓展了虛擬儀器的實驗范圍，使之能通過局域網或互聯網實現異地在線檢測和遠程測控，它不僅可以實現實驗設備、實驗數據、實驗經驗和方法的網上共享，而且可以實現設備共享基礎之上的實驗系統乃至實驗室的網上共享，從而大大提高實驗設備的利用率和實驗室的實驗服務能力，為遠程實驗教學這一公認的難題提供一種全新的解決方案[7][8]。虛擬儀器具有很多傳統儀器所不能代替的特點，它可以運用在多種測量、控制、仿真實驗中，它克服了傳統儀器自成系統，功能單一、體積龐大、儀器種類繁多的缺點。虛擬儀器具有資源可重復使用的優點，不僅可以一機多用，就是由它構建的實驗室也可一室多用，大大減少了實驗室建設的資金投入和實驗室的用房面積。

3 利用虛擬儀器有利于學生綜合素質的培養

實驗教學對學生綜合素質的培養有至關重要的作用，在傳統實驗儀器的配置中，要求學生能夠利用固有的實驗儀器完成一定的實驗內容，可以說學生綜合素質的培養在某種程度上受到實驗儀器的制約，而虛擬儀器的引入將突破這種制約，有利于學生綜合素質的培養。

在目前的實驗教學中，由于受到實驗場地、儀器設備、元器件品種和數量的限制，使很多設計性和綜合性實驗無法及時開出，即使能開出一部分，但也由于在實驗臺上插裝元器件和接線費時費力，工作效率低，修改參數、更換元件和測量數據都很難達到良好的效果，而設計性和綜合性實驗對于培養學生理論聯系實際、工程實踐能力、科研能力和創新能力無疑是大有裨益的。虛擬儀器的引入為學生實驗開拓了廣闊的空間，讓學生根據自己實驗的要求，自由靈活地設計、構建自定義的虛擬儀器，通過調用不同的軟件，來完成不同的實驗。在實驗教學中，就好像向學生開放了一個有豐富實驗儀器的實驗室，使實驗室成為真正意義的全開放實驗室，為設計性和綜合性實驗的開設創造了條件。利用虛擬儀器可開發大量的設計性和綜合性的實驗課題，課題的內容和深度可根據學生本人的興趣與能力來選擇，有些課題大的實驗可以幾個學生合作完成。這有助于學生盡早進入科研環境，活躍了學生科研思維，增強了科研團隊合作精神的培養。何況有些實驗課題也有畢業設計的功能，有利于提高學生畢業設計的質量。在這些實驗中特別注重學生自主意識、科研能力、和創新意識的培養，讓他們發揮主觀能動性。同時也讓學生了解現代實驗研究手段和方法，培養了知識的綜合運用能力。

開設反映新技術成果的應用以及其它新型實驗是虛擬儀器又一重要應用形式，這種類型實驗由于內容新穎，應用性較強，傳統的實驗室往往無法及時開出。通過虛擬儀器，可將相應的實驗資源進行組合，開發相應的實驗內容。這種實驗可以開拓學生視野，了解最新的發展與動態，從而激發學生實驗的興趣，緊跟科學技術的步伐，不僅有利于增強學生步入社會的適用能力，也有利于學生在應用這些新技術和新成果的同時培養和提高科研能力和創新能力。

長期以來，實驗教學按同一模式進行，實驗課都在規定的時間內完成規定的實驗，這無形當中也阻礙了學生個性的發展，為了克服這一弊病，可利用虛擬儀器構建基于網絡的虛擬儀器實驗室，基于網絡的虛擬儀器實驗室可以在實驗時間、地點和實驗內容三個層面上實現完全開放[9]，為學生自主學習提供了一個寬松的學習環境。學生可以根據自己的實際情況來確定實驗時間、內容和進度，可以隨時在網上進行自己感興趣的實驗。不受現實實驗室關閉和開放時間的限制，重點攻克自己的難點。擺脫了傳統實驗教學中教師做一遍學生跟著做的弊端，加強了學生自學能力的培養。同時對于有創新意識和綜合素質好的學生可以發揮創造性，使自學能力更上一層樓，選擇有一定知識深度的實驗課題，也可結合工程實際自擬實驗課題，知識得到更快的提升。

利用虛擬儀器構建實驗室具有成本低、體積小、靈活、網絡化、易于升級換代和維護等特點，具有傳統儀器無可替代的優勢和廣闊的發展前景。對于遠程教育而言，構建基于網絡的虛擬儀器實驗室很有可能成為遠程實驗教學的主流。為了改善實驗條件，改革實驗方法，更新實驗教學內容，提高實驗教學水平，把虛擬儀器引入實驗教學已成為一種必然的趨勢。它不僅可降低實驗室的建設成本，減少用房面積，有助于解決高校普遍存在的實驗設備不足、型號落后、難以更新換代跟上科技發展的困難；而且在激發學生自主學習積極性、促進學生動手能力和創新意識等方面也可收到良好的效果，有利于學生綜合素質的培養。

參考文獻：

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[9]瞿 曌，張志剛，盛 旺.基于互聯網的遠程實物實驗教學的研究與實踐[J].微計算機信息，2005(12):27-29