基于虛擬儀器技術的電工電子實驗教學模式研究

孟濤?李琰?王猛

摘要：論述了虛擬儀器相比于傳統儀器的優勢以及在電工電子實驗教學中采用虛擬儀器的現實意義。結合電工電子實驗教學的特點，介紹了在傳統的實驗項目中引入虛擬儀器的階段性過程與實施方案，并對預期的效果進行了展望。

關鍵詞：虛擬儀器；實驗教學；電工電子

作者簡介：孟濤（1980-），男，遼寧盤錦人，哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院，工程師；李琰（1977-），男，黑龍江大慶人，哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院，工程師。（黑龍江?哈爾濱?150001）

基金項目：本文系哈爾濱工業大學2010年度教學研究立項的研究成果。

中圖分類號：G642.423?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）21-0081-01

實驗教學是電工電子類課程必不可少的環節，學生只有通過足夠的驗證性實驗和一定數量的綜合性實驗，才能真正理解和掌握所學的理論知識。儀器是實驗的基礎，要保證實驗的開設質量，就要同時購置多套先進的儀器。一個傳統的實驗要使用多種儀器，且不同實驗所用儀器也不盡相同，開設綜合性實驗所需儀器就更多。種類豐富的儀器不僅價值昂貴、體積大、占用空間多，且相互連接也十分麻煩。如何合理配置教育資源，解決好資金投入與人才培養之間的矛盾，是開展實驗教學經常要考慮而又傷腦筋的問題。[1，2]

1986年美國國家儀器公司（NI）提出了虛擬儀器的概念。[3，4]所謂虛擬儀器實際上就是一種基于計算機的自動化測試儀器系統，由電子測量技術與計算機技術深層次結合的、具有很好發展前景的一類新型電子儀器，它貫徹了“軟件就是儀器”的思想，通過在通用硬件平臺上設計軟件來實現儀器的功能。20多年來，虛擬儀器以其優越的特點已經在世界范圍內得到了廣泛的應用。近幾年來，我國對虛擬儀器的需求也在急劇地增長，特別是伴隨著計算機技術的飛速發展，高性能的計算機技術推動了以軟件作為核心的虛擬儀器技術的快速發展。虛擬儀器在軍事、科研、測量以及測控等眾多領域的應用已經證實它的價值所在。[5，6]

一、虛擬儀器的特點及其在實驗教學中的作用

1.虛擬儀器的特點

電子測量儀器發展至今，大體分為四代：第一代為模擬儀器，如指針式萬用表、晶體管電壓表等，其基本結構是電磁機械式的，借助指針顯示最終結果；第二代為數字化儀器，這類儀器目前相當普及，如數字電壓表、數字頻率計等，這類儀器將模擬信號的測量轉化為數字信號的測量，并以數字方式輸出最終結果；第三代為智能儀器，這類儀器內置微處理器，既能進行自動檢測，又具有一定的數據處理能力，其功能塊以硬件或固化的軟件形式存在；第四代為虛擬儀器，是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、過程通訊及圖形用戶面的軟件組成的檢測系統，它是一種完全由計算機來操作控制的模塊化儀器系統。

虛擬儀器的出現，極大地擴充了傳統儀器的應用范圍。與傳統儀器相比較，虛擬儀器的強大優勢主要表現在：

（1）傳統儀器開發和維護費用高、價格較昂貴，而虛擬儀器開發時間短、開發和維護費用低、價格低廉。

（2）傳統儀器技術更新周期長，一般為5-10年，而虛擬儀器技術更新周期短，一般僅有0.5-1年。

（3）傳統儀器的關鍵是硬件，而硬件比較固定且不靈活。而虛擬儀器的關鍵是軟件，儀器硬件的軟件化，增強了儀器的靈活性和可操作性。

（4）傳統儀器連接的設備數量有限、功能單一、使用不便。而虛擬儀器能支持計算機網絡技術和接口技術，具有方便、靈活的互聯能力，可以通過連接互聯網與周邊眾多儀器相連，實現對測控單元測量過程和控制過程的自動化、智能化、網絡化。

2.在實驗教學中引入虛擬儀器的意義

虛擬儀器技術是儀器技術發展的最新方向，在以硬件實驗為主的電工電子實驗中引入虛擬儀器無論對于學生還是對于實驗室本身都具有非常重要的現實意義，主要體現在：

（1）虛擬儀器的使用，豐富了教學內容，提高了實驗成功率，使得學生在實驗中設計效率、質量都有所提高，設計周期縮短。在較好地掌握教學內容的同時，充分發揮了個人的創造性。

（2）虛擬儀器的使用，可輔助實驗室開設出更多復雜的實驗內容，甚至一些實驗室不具備開設條件的實驗也可通過該方式開設出，并得到比較滿意的效果。

二、基于虛擬儀器的電工電子實驗模式

1.階段性分析

在開展基于虛擬儀器的電工電子實驗教學時，為了順利地完成教學任務和提高教學質量，在實際的實驗教學中，此類實驗應該分階段進行，逐步地由淺入深展開。

第一階段：在傳統的基于數字化儀器的硬件實驗中選擇適當的實驗內容，要求學生在完成基本實驗內容的同時，再利用現有常用的虛擬儀器進行測試，讓學生在實驗中加深對虛擬儀器概念的理解，充分熟悉實際的各類電子儀器和與之相關的虛擬儀器，如虛擬示波器、虛擬信號發生器等。

第二階段：在課堂上對虛擬儀器開發軟件進行講解，并開設相關的上機實驗，讓學生充分地利用計算機軟件在數據采集、存儲、分析、處理、傳輸以及控制等方面的強大功能，在PC機上虛擬出信號發生器、虛擬示波器以及數字萬用表等，在實驗中加深對虛擬儀器及其開發過程的掌握。

第三階段：開設以虛擬儀器為主要設備的實驗課程，讓學生在教師的指導下，搭接適當的實驗電路，并根據實驗要求，利用自己開發的各類相關虛擬儀器完成實驗內容。在此基礎上，與利用已有虛擬儀器以及實驗室中各類數字化儀器所完成的實驗結果進行對比，加深學生對虛擬儀器與數字化儀器各自特點的了解。

第四階段：在原有實驗項目的基礎上，增加綜合設計性的實驗項目，鼓勵學生選做創新型實驗，要求學生自己選題，并根據實驗內容和特點自行在各類數字化儀器與虛擬儀器中進行選擇，制定實驗方案，編寫程序，根據需要來設計基于虛擬儀器的實驗方法與實驗步驟，獨立完成實驗內容。

第五階段：采取學生報名或者教師推薦的方式，在學生中選取部分優秀的學生進行基于虛擬儀器的創新項目學習，采用學生自選項目與教師指定項目相結合的方式，組成科研小組，根據實際項目的需要，在原有的虛擬儀器模塊上進行深入開發，真正感受到采用虛擬儀器進行項目開發的優勢。

2.預期效果

在電工電子實驗教學中引入虛擬儀器技術，有助于提高實驗教學質量，在教學效果、學生培養、教師素質以及教學成本等方面都將起到積極的作用，具體效果如下：

（1）在實驗效果方面，采用虛擬儀器技術進行實驗教學時，學生將能夠更加自主地、靈活地進行實驗，并且在有限的時間里進行更多的實驗項目，掌握更多的知識。

（2）在學生培養方面，由于電工電子實驗是專業基礎類課程，引入虛擬儀器技術將使得更多的學生受益，對眾多學生接下來的專業課實踐及設計環節具有很強的推動與促進作用。

（3）在教師素質方面，基于虛擬儀器的實驗教學促進了實驗教師素質的提高。教師不僅掌握實驗的基本原理，同時也了解了虛擬儀器的性能及其最新發展，而教師素質的提高又進一步有利于對學生的指導。

（4）在教學成本方面，采用虛擬儀器的實驗教學將使得實驗室在師資、設備、環境、耗材等方面的開支大幅度降低，節省的經費可以充分地投入到實驗內容的創新以及實驗模式的優化，促進了實驗教學效果的進一步提高。

三、結束語

電工電子實驗技術技能的培養是一項基礎教學工程。隨著電工電子技術的不斷發展，學生需要學習和掌握的知識越來越多，傳統的實驗方式已無法滿足教學的要求。在電工電子實驗教學中引入虛擬儀器技術為傳統的實驗教學提供了一個新的模式。在傳統實驗項目的基礎上逐步地增加虛擬儀器的實驗內容，有助于學生實驗能力的培養，是電工電子實驗教學模式發展的重要方向。

參考文獻：

[1]陳東升,李梅.虛擬儀器技術在電路分析基礎教學中的應用[J].中國電力教育,2011,(8):110-111.

[2]施敏敏.虛擬儀器在電工電子實驗教學中的應用[J].中國科教創新導刊,2011,(34):211-212.

[3]潘文霞,劉剛,何光輝.虛擬儀器在電力專業創新培養中的作用[J].中國電力教育,2007,(S4):541-542.

[4]舒筠佳.基于虛擬儀器技術的高校電子實驗平臺開發[J].上海電力學院學報,2009,25(3):253-256.

[5]魏宏波.基于虛擬儀器技術的實驗教學改革探討[J].中國現代教育裝備,2009,(11):92-94.

[6]趙文鋒,羅錫文,王海林.基于遠程虛擬儀器的電工學網絡課程的教學設計[J].沈陽師范大學學報(自然科學版),2012,30(1):126-128.

（責任編輯：劉輝）