虛擬實驗的教學與實踐

王建立

（東南大學機械工程學院）

一、引言

隨著科技的不斷發展，特別是計算機網絡的普及，大學生的知識體系在廣度上有了很大提升。為了進一步拓展大學生知識結構的深度，在理論教學構建了完整知識體系的基礎上，實驗教學顯得尤為重要。但是由于各方面條件的限制，實驗室的設備和規模都難以滿足廣大學生的實驗需求，目前很多還是以小組或者演示的形式讓學生熟悉具體實驗過程，學生能獨立參與實驗的機會非常少，特別是很難接觸到國際前沿的實驗技術和方法。

虛擬實驗是以虛擬儀器為基礎，采用計算機數字化實驗儀器編程來實現，通過接口設備，完成傳統實驗設備的功能，因此在教學活動中應用日益廣泛。常用的虛擬儀器的開發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，學習操作簡單，應用最為廣泛，非常適合于本科生教學。目前虛擬實驗系統已經在國內外高校的機械、電子、生物、物理等教學科研領域中發揮了重要作用。國外麻省理工學院微電子系的Alamo 教授開發的Weblab 虛擬實驗系統較早投入教學使用，取得了很大成功。國內包括清華大學、上海交通大學等院校都開設了相關討論課程。

通過虛擬實驗教學，在有限的教學資源條件下，最大限度地發揮學生的創造力和能動性，培養科學研究興趣。課題組結合熱物性測量實驗，探索了虛擬實驗技術和應用，從而為今后的教學改革積累了一定的經驗。

二、實驗系統的主要內容

1.傳統測量系統

圖1（a）顯示了該套系統的主要組成，包括樣品、信號發生器、數字萬用表、鎖相放大器等儀器。傳統實驗條件下，學生操作順序見圖2 所示。先調整信號發生器發生頻率，等數值穩定以后，讀取數字萬用表的電壓讀數，同時設置鎖相放大器時間常數，讀取幅值和相位信息。其中數字萬用表精度為八位半，即每次要讀9 位數字，鎖相放大器為微伏精度，通常為6 位數字。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 次讀數取平均。每組實驗信號發生器改變30 個頻率。因此記錄一組實驗大概需要2 小時左右。學生要時刻關注儀表讀數的變化，迅速記錄儀表數值，然后錄入Excell 表格中，再繪制圖表進行數據處理。

2.虛擬實驗第一個階段改進

利用虛擬儀器控制信號發生器、鎖相放大器以及數字萬用表，實現各個儀表自動參數設定、數據讀取、存儲和數據處理功能。用GPIB 線將三臺主要設備連接，然后通過GPIB-USB 數據轉換接口接入計算機中，編寫儀器控制程序，用于設定三臺設備的主要參數，例如改變信號發生器頻率，讀取鎖相放大器幅值和相位，讀取數字萬用表電壓。學生通過程序可以直接將數據保存到指定文檔中，并進行數據處理。同樣測量30 個頻率，時間大概為半個小時，因此大大提高了測量效率，同時可防止人為因素引入的測量誤差。

3.虛擬實驗第二個階段改進

第一個階段只是利用虛擬儀器控制原有設備，而這個階段則用虛擬儀器代替儀表，此時實驗系統如圖1（b）所示。為了實現虛擬實驗，需要在計算機中置入數字/模擬轉換器，在程序中編制虛擬信號發生器，用數字/模擬轉換器轉換為模擬信號輸出到樣品中，同時讀取樣品兩端的電壓信號，有數字/模擬轉換器轉換為數字信號，并在計算機中編寫虛擬鎖相放大器程序，處理得到對應的幅值和相位。讀取固定電阻的電壓，同樣用數字/模擬轉換器轉換為數字信號，用計算機編寫虛擬數字萬用表程序，處理得到電壓。將頻率，幅值和相位，電壓信號存儲到固定文件中（原始數據），并用Labview 中的信號處理模塊，處理得到最后樣品的熱物性參數（最終測量結果）。

圖1 （a）傳統實驗系統；（b）虛擬實驗系統

圖2 傳統實驗過程

三、虛擬實驗教學中的經驗總結

通過以上教學實踐活動可以看出，虛擬實驗在學習科研過程中，與傳統實驗教學相比，在實現數字化教學，提高教學質量和水平，提高學生綜合素質等方面都有重要意義。同時課題組也發現虛擬實驗存在的一些容易被忽視的問題。

1.虛擬實驗的積極作用

（1）理論與實驗相結合。讓學生在實驗前推導了樣品平均溫度隨電阻變化曲線，得到線性變化關系。通過學生動手實驗，驗證了推導的準確性，并進而計算得到了樣品熱物性參數。通過這個過程，加深了學生對電阻溫度計的理解。同時在實驗過程中，遇到了很多感興趣的問題，通過不斷提問，讓學生對整個實驗系統如何設計和實施有了全新的認識。通過這些互動，無論對教學和科研都具有重要促進作用。

（2）虛擬實驗與傳統實驗相結合。傳統實驗更加具體、實際，學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，往往被學生忽略。而虛擬實驗用于控制儀器儀表設置以及自動讀取讀數的程序卻需要學生掌握GPIB 通訊語言。學生通過自己學習說明書和Labview 語言，編寫控制程序，實現數據讀取、存儲和處理，這本身就是能力培養的過程。學生在編程過程中遇到很多問題，例如無法跟儀器儀表通訊，如何調試，數據保存總是覆蓋原有數據等。這些問題雖然在Labview 語言相關教材中也有論述，但是遇到這些問題以后，學生通過自我學習，解決問題的過程給他們極大的鼓舞和信心，提高了學習的積極性和主觀能動性。特別是Labview 語言，不僅可以用于儀器控制，更能夠可視化地實現許多語言需要編寫大量代碼才能實現的功能，簡單易學，學生在學習主要內容之余，自己主動學習了該語言其他的模塊功能，培養了學生的創造性。

（3）提高實驗效率和質量。教學中，傳統實驗需要幾個小時，引入虛擬實驗后，現在壓縮為半個小時，而且調試好以后，只需要點一下程序啟動按鈕，無需要人為記錄讀數，這都大大提高了實驗效率。因此，學生可以在實驗的關鍵環節，例如樣品準備、數據處理、問題討論等環節投入更多時間和精力。而記錄數據這些重復性工作則有計算機代替，這也提高了實驗的質量和水平。實驗過程不再是演示，而是從理論推導到數據分析處理整個過程全方位交給學生，增強了學生對實驗的理解。同時學生可以利用互聯網遠程監控實驗過程，及時發現實驗過程中的問題，使得教學內容在時間和空間上都得到延伸和拓展。

2.虛擬實驗的可能問題

（1）儀器使用技能的淡化。在實驗開始階段，可能學生對實驗過程還能夠認真學習和把握，但是由于虛擬實驗太過方便，久而久之，學生對一些儀器的參數設置的概念開始模糊，經常遇到例如僅需增加實驗內容、改變實驗參數，學生卻需要從頭學習儀器說明書，重新編程。因此一味依賴計算機可能會減弱儀器使用的真實感受和基本實驗技能的訓練。

（2）減弱對實驗突發問題的處理能力。在實驗過程中，會突然遇到一些意想不到的問題。如果是傳統實驗過程，學生就在實驗現場，可能知道偏離所產生的原因。但是虛擬實驗過程中學生往往不在實驗現場，也沒有實時監測數據，等看到已經測完的超乎預期的數據，又不會太留意，一般重新開始一組實驗，因此會減少學生對實驗過程的反思，更有甚者，失去發現新實驗現象的機會。因此，虛擬實驗更適用于成熟的實驗過程，在實驗初始階段，學生最好能夠通過傳統實驗過程進行培養。

四、結論

虛擬實驗是在傳統實驗教學基礎上的延伸和拓展，是現代實驗教學發展的重要趨勢和方向。虛擬實驗能夠很好地解決實驗時間和空間限制性等問題，節約實驗成本，因此推廣虛擬實驗對教學和科研都具有重要幫助。但是虛擬實驗并不能完全代替傳統實驗過程，只有將虛擬實驗和傳統實驗相結合，彼此互相促進和補充，才能讓高等教育中的實驗教學緊跟時代步伐，在培養綜合型人才過程中發揮其應有的作用。

［1］厲旭云，梅汝煥，葉治國，等.高校實驗教學研究的發展及趨勢［J］.實驗室研究與探索，2014（03）.

［2］侯國屏，王珅，葉齊鑫.Labview7.1 編程與虛擬儀器設計［M］.北京：清華大學出版社，2005.