網絡環境下的虛擬儀器實驗

潘登遠

摘 要：基于虛擬儀器實驗與計算機模擬實驗的不同，進行了實踐。

關鍵詞：聲學；虛擬專波器；實物樂器

虛擬儀器是利用現有計算機設備，配合獨特設計的軟件，用以實現普通實驗儀器的部分功能同時也能完成一些在普通儀器上無法實現的功能的工具。利用虛擬儀器進行實驗是筆者近年在學校網絡實驗班嘗試的一種新的教學手段。

虛擬儀器實驗不同于以往所說的多媒體教學（CAI）中的計算機模擬實驗，多媒體教學中的這類實驗中的一切都是利用計算機軟件按照物理規律模擬出來的，屬于純軟件性質的模擬，這類實驗由于完全建立在軟件模擬的基礎上，其真實感不強，在長期接觸計算機的網絡班學生眼中，更是缺乏可信度。而虛擬儀器實驗則屬于軟硬件結合型，其數據的采集雖然通過計算機進行，但數據的來源卻是真實的物理狀態，計算機在此所起的相當于數據啟示錄儀和數據處理機的作用。和常見的傳感器實驗相比，虛擬儀器則具有設備的依賴性低，可移植性強等優點。筆者以初中聲學中“音色”的教學為例，對這一方法做一粗淺的介紹，希望能起到拋磚引玉的作用。

在聲學的教學中，學生可以很容易地掌握聲音的音調、響度這兩個概念，但對于大多數未曾受過特別的音樂訓練的學生而言，要理解用于描述聲音的另一概念——“音色”，就不是那么容易了，當然，課本上有相應的插圖，但一則種類太少，二來圖片本身是靜態的，對于識圖能力尚屬一般的初中學生而言，插圖能起的作用是極其有限的。

要解決這一問題的辦法不是沒有：利用麥克風獲取不同發聲體的聲音信號，再借助示波器展示波型，這樣似乎可以解決問題，但一則示波器的顯示面積太小，在講臺上演示能見度很低，教室后方的學生根本無法看清屏幕上的圖像；二來，普通聲源形成的波形由于泛音很多，要調節示波器的同步非常困難，示波器上的波形圖并不穩定；三則示波形不存在存儲功能，得到的波形無法保留，在對兩種樂器的波形進行比較時，只有依靠人的不太可靠的記憶進行，而用兩臺示波器同時進行實驗時又很難保證聲音信號之間互相干擾。當然，還有一個相對而言不太重要的問題是畢業多年的教師本身若非臨陣磨槍的練習，是很難保證正確而熟練地操作好示波器的。

至于利用示波器進行分組實驗的可能性則接近于零，且不說沒有一個學校會配備如此之多的示波器，就算是配備了如此之多的設備，初中學生也無法真正掌握復雜的示波器操作方法，更別說順利地用它進行實驗了。

而在該節的教學中，筆者采用了虛擬示波器、MIDI（電子合成音樂）和實物樂器相結合進行實驗的方式進行嘗試，取得了較好的效果，以下是主要的操作步驟：

1.通過實物樂器（這些樂器課前通知由學生自備，由于該班級學生有數位校樂隊隊員，加之該班學生音樂素養較佳，故所帶的樂器種類不少，如黑管、長號、口琴、豎笛、吉他、單簧管等，加上教師“贊助”的部分樂器，可謂五花八門）獲得聲音信號。

2.利用學生教室配備的耳麥（學生為一人一機且每機均配備耳麥）將聲音信號轉成電信號，通過聲卡的MIC輸入口將得到的聲信號轉換成電信號輸入計算機。

3.開啟虛擬示波器軟件，即時獲得聲音的波形，利用該軟件的截圖功能截取各種樂器的聲音波形圖。（截取不同樂器演奏同一音的波形、同一樂器演奏不同音的波形、同一樂器用不同音量演奏同一音的波形等。由于軟件操作簡單，學生可在短時間內掌握其基本功能），以下是幾組學生在實驗過程中保留下來的波形圖。（出于印刷效果考慮，圖片做過色彩反轉處理，原背景為黑色）

4.利用MIDI音樂制作軟件模擬不同樂器演奏同一樂曲，學生邊欣賞邊分辨樂器的種類，對不同樂器的音色形成感性認識。

5.利用虛擬示波器軟件觀察MIDI音樂中不同樂器的聲音波形，并與之前獲得的同型實物樂器的音色進行比較，看其中的異同。

通過該節課的教學，筆者覺得這一實驗方法的優點主要有以下幾個方面：（1）能見度較之講臺上的演示要高得多；（2）可重復性好；（3）動態實驗較之靜態圖片更具直觀性；（4）充分利用了網絡班現有設備，無需耗費巨資購置儀器，新虛擬儀器的添加只占計算機存儲空間，無需浪費學校人力資源進行管理；（5）較之生硬的插圖，動手實驗有利于學生興趣的養成；（6）有利于學生形成“物理就在我身邊”的感覺（筆者為此特地請任教的音樂教師一起上了一節音樂與物理相結合的課）。在課堂上，筆者充分感受到了學生探索的熱情和獲取知識的滿足與愉悅，學生學得愉快，教師也自然樂在其中。

在該節的教學中，采用此方法進行教學的效果是顯而易見的。但筆者撰寫本文的目的并不僅是向同行推薦這一方法。筆者作為國內計算機多媒體教學的早期參與者，經歷了多媒體教學從盛到衰的過程。對于形式主義和功利心態在扼殺種種新生教學手段方面的威力深有體會。為文的目的不是要介紹某一節課的上法，而是希望借此傳達一個觀念，即每一個學校，甚至每一名教師，教學的基本目的雖然相似，但身處的教學環境各不相同，教學的實際方法和手段就應千變萬化，不囿于常規，為人師者應根據環境的變化而調整或創造出最適合自己、也最適合教學環境的教法，而不受限于教師本人求學期間所接受和掌握的大眾化的教學模式。“登高而招，臂非加長也，而見者遠；順風而呼，聲非加疾也，而聞者彰”，教學也是如此，要提高教學效率，取得最佳的教學效果，同樣要做到“善假于物”。

（另，筆者使用的是“虛擬儀器0.94”，網上相似的示波器及其使用說明很多，用關鍵詞“虛擬示波器+使用說明”即可找到，限于篇幅，這里不再贅述。）

（作者單位 福建廈門集美中學）

摘 要：基于虛擬儀器實驗與計算機模擬實驗的不同，進行了實踐。

關鍵詞：聲學；虛擬專波器；實物樂器

虛擬儀器是利用現有計算機設備，配合獨特設計的軟件，用以實現普通實驗儀器的部分功能同時也能完成一些在普通儀器上無法實現的功能的工具。利用虛擬儀器進行實驗是筆者近年在學校網絡實驗班嘗試的一種新的教學手段。

虛擬儀器實驗不同于以往所說的多媒體教學（CAI）中的計算機模擬實驗，多媒體教學中的這類實驗中的一切都是利用計算機軟件按照物理規律模擬出來的，屬于純軟件性質的模擬，這類實驗由于完全建立在軟件模擬的基礎上，其真實感不強，在長期接觸計算機的網絡班學生眼中，更是缺乏可信度。而虛擬儀器實驗則屬于軟硬件結合型，其數據的采集雖然通過計算機進行，但數據的來源卻是真實的物理狀態，計算機在此所起的相當于數據啟示錄儀和數據處理機的作用。和常見的傳感器實驗相比，虛擬儀器則具有設備的依賴性低，可移植性強等優點。筆者以初中聲學中“音色”的教學為例，對這一方法做一粗淺的介紹，希望能起到拋磚引玉的作用。

在聲學的教學中，學生可以很容易地掌握聲音的音調、響度這兩個概念，但對于大多數未曾受過特別的音樂訓練的學生而言，要理解用于描述聲音的另一概念——“音色”，就不是那么容易了，當然，課本上有相應的插圖，但一則種類太少，二來圖片本身是靜態的，對于識圖能力尚屬一般的初中學生而言，插圖能起的作用是極其有限的。

要解決這一問題的辦法不是沒有：利用麥克風獲取不同發聲體的聲音信號，再借助示波器展示波型，這樣似乎可以解決問題，但一則示波器的顯示面積太小，在講臺上演示能見度很低，教室后方的學生根本無法看清屏幕上的圖像；二來，普通聲源形成的波形由于泛音很多，要調節示波器的同步非常困難，示波器上的波形圖并不穩定；三則示波形不存在存儲功能，得到的波形無法保留，在對兩種樂器的波形進行比較時，只有依靠人的不太可靠的記憶進行，而用兩臺示波器同時進行實驗時又很難保證聲音信號之間互相干擾。當然，還有一個相對而言不太重要的問題是畢業多年的教師本身若非臨陣磨槍的練習，是很難保證正確而熟練地操作好示波器的。

至于利用示波器進行分組實驗的可能性則接近于零，且不說沒有一個學校會配備如此之多的示波器，就算是配備了如此之多的設備，初中學生也無法真正掌握復雜的示波器操作方法，更別說順利地用它進行實驗了。

而在該節的教學中，筆者采用了虛擬示波器、MIDI（電子合成音樂）和實物樂器相結合進行實驗的方式進行嘗試，取得了較好的效果，以下是主要的操作步驟：

1.通過實物樂器（這些樂器課前通知由學生自備，由于該班級學生有數位校樂隊隊員，加之該班學生音樂素養較佳，故所帶的樂器種類不少，如黑管、長號、口琴、豎笛、吉他、單簧管等，加上教師“贊助”的部分樂器，可謂五花八門）獲得聲音信號。

2.利用學生教室配備的耳麥（學生為一人一機且每機均配備耳麥）將聲音信號轉成電信號，通過聲卡的MIC輸入口將得到的聲信號轉換成電信號輸入計算機。

3.開啟虛擬示波器軟件，即時獲得聲音的波形，利用該軟件的截圖功能截取各種樂器的聲音波形圖。（截取不同樂器演奏同一音的波形、同一樂器演奏不同音的波形、同一樂器用不同音量演奏同一音的波形等。由于軟件操作簡單，學生可在短時間內掌握其基本功能），以下是幾組學生在實驗過程中保留下來的波形圖。（出于印刷效果考慮，圖片做過色彩反轉處理，原背景為黑色）

4.利用MIDI音樂制作軟件模擬不同樂器演奏同一樂曲，學生邊欣賞邊分辨樂器的種類，對不同樂器的音色形成感性認識。

5.利用虛擬示波器軟件觀察MIDI音樂中不同樂器的聲音波形，并與之前獲得的同型實物樂器的音色進行比較，看其中的異同。

通過該節課的教學，筆者覺得這一實驗方法的優點主要有以下幾個方面：（1）能見度較之講臺上的演示要高得多；（2）可重復性好；（3）動態實驗較之靜態圖片更具直觀性；（4）充分利用了網絡班現有設備，無需耗費巨資購置儀器，新虛擬儀器的添加只占計算機存儲空間，無需浪費學校人力資源進行管理；（5）較之生硬的插圖，動手實驗有利于學生興趣的養成；（6）有利于學生形成“物理就在我身邊”的感覺（筆者為此特地請任教的音樂教師一起上了一節音樂與物理相結合的課）。在課堂上，筆者充分感受到了學生探索的熱情和獲取知識的滿足與愉悅，學生學得愉快，教師也自然樂在其中。

在該節的教學中，采用此方法進行教學的效果是顯而易見的。但筆者撰寫本文的目的并不僅是向同行推薦這一方法。筆者作為國內計算機多媒體教學的早期參與者，經歷了多媒體教學從盛到衰的過程。對于形式主義和功利心態在扼殺種種新生教學手段方面的威力深有體會。為文的目的不是要介紹某一節課的上法，而是希望借此傳達一個觀念，即每一個學校，甚至每一名教師，教學的基本目的雖然相似，但身處的教學環境各不相同，教學的實際方法和手段就應千變萬化，不囿于常規，為人師者應根據環境的變化而調整或創造出最適合自己、也最適合教學環境的教法，而不受限于教師本人求學期間所接受和掌握的大眾化的教學模式。“登高而招，臂非加長也，而見者遠；順風而呼，聲非加疾也，而聞者彰”，教學也是如此，要提高教學效率，取得最佳的教學效果，同樣要做到“善假于物”。

（另，筆者使用的是“虛擬儀器0.94”，網上相似的示波器及其使用說明很多，用關鍵詞“虛擬示波器+使用說明”即可找到，限于篇幅，這里不再贅述。）

（作者單位 福建廈門集美中學）

摘 要：基于虛擬儀器實驗與計算機模擬實驗的不同，進行了實踐。

關鍵詞：聲學；虛擬專波器；實物樂器

虛擬儀器是利用現有計算機設備，配合獨特設計的軟件，用以實現普通實驗儀器的部分功能同時也能完成一些在普通儀器上無法實現的功能的工具。利用虛擬儀器進行實驗是筆者近年在學校網絡實驗班嘗試的一種新的教學手段。

虛擬儀器實驗不同于以往所說的多媒體教學（CAI）中的計算機模擬實驗，多媒體教學中的這類實驗中的一切都是利用計算機軟件按照物理規律模擬出來的，屬于純軟件性質的模擬，這類實驗由于完全建立在軟件模擬的基礎上，其真實感不強，在長期接觸計算機的網絡班學生眼中，更是缺乏可信度。而虛擬儀器實驗則屬于軟硬件結合型，其數據的采集雖然通過計算機進行，但數據的來源卻是真實的物理狀態，計算機在此所起的相當于數據啟示錄儀和數據處理機的作用。和常見的傳感器實驗相比，虛擬儀器則具有設備的依賴性低，可移植性強等優點。筆者以初中聲學中“音色”的教學為例，對這一方法做一粗淺的介紹，希望能起到拋磚引玉的作用。

在聲學的教學中，學生可以很容易地掌握聲音的音調、響度這兩個概念，但對于大多數未曾受過特別的音樂訓練的學生而言，要理解用于描述聲音的另一概念——“音色”，就不是那么容易了，當然，課本上有相應的插圖，但一則種類太少，二來圖片本身是靜態的，對于識圖能力尚屬一般的初中學生而言，插圖能起的作用是極其有限的。

要解決這一問題的辦法不是沒有：利用麥克風獲取不同發聲體的聲音信號，再借助示波器展示波型，這樣似乎可以解決問題，但一則示波器的顯示面積太小，在講臺上演示能見度很低，教室后方的學生根本無法看清屏幕上的圖像；二來，普通聲源形成的波形由于泛音很多，要調節示波器的同步非常困難，示波器上的波形圖并不穩定；三則示波形不存在存儲功能，得到的波形無法保留，在對兩種樂器的波形進行比較時，只有依靠人的不太可靠的記憶進行，而用兩臺示波器同時進行實驗時又很難保證聲音信號之間互相干擾。當然，還有一個相對而言不太重要的問題是畢業多年的教師本身若非臨陣磨槍的練習，是很難保證正確而熟練地操作好示波器的。

至于利用示波器進行分組實驗的可能性則接近于零，且不說沒有一個學校會配備如此之多的示波器，就算是配備了如此之多的設備，初中學生也無法真正掌握復雜的示波器操作方法，更別說順利地用它進行實驗了。

而在該節的教學中，筆者采用了虛擬示波器、MIDI（電子合成音樂）和實物樂器相結合進行實驗的方式進行嘗試，取得了較好的效果，以下是主要的操作步驟：

1.通過實物樂器（這些樂器課前通知由學生自備，由于該班級學生有數位校樂隊隊員，加之該班學生音樂素養較佳，故所帶的樂器種類不少，如黑管、長號、口琴、豎笛、吉他、單簧管等，加上教師“贊助”的部分樂器，可謂五花八門）獲得聲音信號。

2.利用學生教室配備的耳麥（學生為一人一機且每機均配備耳麥）將聲音信號轉成電信號，通過聲卡的MIC輸入口將得到的聲信號轉換成電信號輸入計算機。

3.開啟虛擬示波器軟件，即時獲得聲音的波形，利用該軟件的截圖功能截取各種樂器的聲音波形圖。（截取不同樂器演奏同一音的波形、同一樂器演奏不同音的波形、同一樂器用不同音量演奏同一音的波形等。由于軟件操作簡單，學生可在短時間內掌握其基本功能），以下是幾組學生在實驗過程中保留下來的波形圖。（出于印刷效果考慮，圖片做過色彩反轉處理，原背景為黑色）

4.利用MIDI音樂制作軟件模擬不同樂器演奏同一樂曲，學生邊欣賞邊分辨樂器的種類，對不同樂器的音色形成感性認識。

5.利用虛擬示波器軟件觀察MIDI音樂中不同樂器的聲音波形，并與之前獲得的同型實物樂器的音色進行比較，看其中的異同。

通過該節課的教學，筆者覺得這一實驗方法的優點主要有以下幾個方面：（1）能見度較之講臺上的演示要高得多；（2）可重復性好；（3）動態實驗較之靜態圖片更具直觀性；（4）充分利用了網絡班現有設備，無需耗費巨資購置儀器，新虛擬儀器的添加只占計算機存儲空間，無需浪費學校人力資源進行管理；（5）較之生硬的插圖，動手實驗有利于學生興趣的養成；（6）有利于學生形成“物理就在我身邊”的感覺（筆者為此特地請任教的音樂教師一起上了一節音樂與物理相結合的課）。在課堂上，筆者充分感受到了學生探索的熱情和獲取知識的滿足與愉悅，學生學得愉快，教師也自然樂在其中。

在該節的教學中，采用此方法進行教學的效果是顯而易見的。但筆者撰寫本文的目的并不僅是向同行推薦這一方法。筆者作為國內計算機多媒體教學的早期參與者，經歷了多媒體教學從盛到衰的過程。對于形式主義和功利心態在扼殺種種新生教學手段方面的威力深有體會。為文的目的不是要介紹某一節課的上法，而是希望借此傳達一個觀念，即每一個學校，甚至每一名教師，教學的基本目的雖然相似，但身處的教學環境各不相同，教學的實際方法和手段就應千變萬化，不囿于常規，為人師者應根據環境的變化而調整或創造出最適合自己、也最適合教學環境的教法，而不受限于教師本人求學期間所接受和掌握的大眾化的教學模式。“登高而招，臂非加長也，而見者遠；順風而呼，聲非加疾也，而聞者彰”，教學也是如此，要提高教學效率，取得最佳的教學效果，同樣要做到“善假于物”。

（另，筆者使用的是“虛擬儀器0.94”，網上相似的示波器及其使用說明很多，用關鍵詞“虛擬示波器+使用說明”即可找到，限于篇幅，這里不再贅述。）

（作者單位 福建廈門集美中學）