基于虛擬儀器的實踐教學平臺建設

陳建軍+辜永紅+韓慶文+于彥濤

（1.重慶大學通信工程學院；重慶 400030；2.重慶師范大學物理學與信息技術學院，重慶 400044）

摘要：本文針對實踐教學中受到教學軟件和硬件條件的限制，不能滿足實踐教學的要求，建議加強虛擬儀器的平臺建設，提供良好的實驗仿真效果和逼真的實驗模擬效果。虛擬儀器不但讓學生能模擬實驗環節，而且讓學生充分體驗虛擬實驗環境，達到提高教學質量，提升科研的便捷性和實用性的目的。

關鍵詞：虛擬儀器；仿真實驗；實踐教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）21-0180-02

一、引言

實踐教學在教學中具有重要的地位，一方面實踐教學可以提高理論教學的深度和廣度，另一方面實踐教學可以培養學生的實際操作能力，培養合格技術工人和研發人才。實踐教學需要一定的儀器設備和實踐場地，特別是需要配備與教學配套的儀器和響應的軟件。但是受到各方面條件的限制，儀器設備的配置可能不能滿足實踐教學的要求，需要采用虛擬設備彌補實踐條件的不足。同時一些理論知識也無法采用實驗儀器進行測量，需要采用虛擬儀器更能方便地顯示工程或物理屬性的本質。因此，基于虛擬儀器的實踐教學平臺的建設對提高總體教學質量具有重要的意義。下面先介紹存在的一些問題，然后提出基于虛擬儀器的實踐創新平臺建設的建議。

二、創新實踐平臺建設存在的問題

隨著高校的大規模擴招，學生的實踐資源日益緊張。從學生的實踐條件分析，原來可以一人一臺的科研儀器可能變成幾人公用一臺，甚至由于人員太多無法進行對應的實踐教學。雖然許多高校近幾年購買了許多高精尖的設備，但是實踐教學資源的增長遠遠跟不上學生擴招的數量。因此現教學過程中經常要求多人共同做實驗，無法獨立完成實驗過程，失去獨立深入研究的鍛煉機會，這些都不利于學生的實際動手能力的提高。一些實踐基地同樣不能提供如此眾多的學生來實踐。無論是實踐的平臺，還是實踐的操作儀器，可能都無法供應如此眾多的學生來實習。從教師的指導實踐能力的角度分析，自從擴招以后，學生的實踐教學也可能無法保證一對一的指導，即使滿足一對一的指導，指導的時間也大幅下降，不能達到預期的教學效果。教師面對學生人數眾多的問題，許多實踐指導只能做示范教學，做示范性實驗操作。學生實際操作過程中教師的指導工作就減少了，對于一些自覺性較差的學生，極容易造成達不到實踐教學的效果。因此，由于實驗條件的限制，無法給每個學生配備研究儀器和設備。而開發虛擬實驗室，彌補教學資源不足，是一項有效的促進學生教學質量的教學方法。它是與許多相關學科領域交叉、集成的產物。虛擬實驗快速、方便、簡潔，比較真實地模擬了整個實驗的過程，使學生不受時間和空間限制隨時可以操作實驗，為科研型學生提供了生動、逼真的實驗學習環境，在培養科研型學生的實際操作技能方面起到積極的作用，并且可以接觸現有條件不能開展的實驗，將理論與實踐很好地結合起來，實現工科學生應用能力的培養。

三、基于虛擬儀器的實踐教學平臺

為了解決實驗課程和實踐課程資源緊張、實驗耗材昂貴、大型儀器和精密儀器昂貴的問題，可以采用最新虛擬實驗室解決部分實驗條件短缺的問題。虛擬實驗室可以由計算機構成的網絡系統創建虛擬實驗室，為實驗者提供模擬現實的實驗環境，完成類似實際的實驗過程，具備實際實驗的多感知性、交互性、現實性、開放性和可重復性。所取得的實驗效果與真實的實驗效果一致，比真實實驗環境更利于進行反復驗證實驗，以致部分虛擬實驗效果好于真實的實驗效果。對于信息類學生，充分應用虛擬儀器進行實驗，得到的仿真結果可以為實際的實驗過程做指導。例如射頻電路設計中，可以通過虛擬實驗得到各種射頻電路的仿真效果，然后根據設計的電路進行實際制作，可以減少盲目的實驗調試過程。在智能通信的研究過程中，同樣可以通過小波分析專用軟件、Matlab軟件和Simulink等專用分析軟件嵌入到應用虛擬儀器中，通過仿真得到信號分析結果，為前期的設計提供必要的理論和仿真論證結果的前期支撐。虛擬儀器能夠實現視覺感知、運動感知、嗅覺感知和聽覺感知等感知技術，虛擬真實環境，通過對環境中對象的交互操作，使得學生最大限度地進行模擬實驗。模擬實驗環節錯誤帶來的嚴重問題，模擬實驗環節儀器操作步驟不同帶來的不同結果，也可以通過加入不同的實驗條件和虛擬實驗器件模擬不同的結果，這種開放的交互性虛擬環境，可以加深學生對理論知識的理解，是實際實驗過程所無法比擬的，也是虛擬實驗的優勢所在。對虛擬實驗環境，可以在任意時間，在授權的條件下進行，這也是虛擬實驗的優勢所在，可以有效彌補教學資源不足帶來的問題。如電磁場理論就可以采用虛擬儀器進行仿真，得到電場和磁場的相互作用，并且實現電磁場的動態傳播特性，這種立體的展示效果可以讓學生非常清楚地認識電場產生磁場，磁場反過來又激發電場，并隨著時間和空間的推移，電磁場在空間得到傳播。在機械動力理論方面也可以用虛擬儀器實現機械結構的相互作用，體現了力和裝置的相互作用，這些應用不勝枚舉。隨著科學技術的飛速發展，虛擬儀器的應用必將得到廣泛的應用，提高教學質量，提升科研的便捷性和實用性。

四、總結

本文針對實踐教學中受到各方面條件的限制和一些儀器設備的配置可能不能滿足實踐教學的要求，建議加強虛擬儀器的建設，提供實驗仿真和逼真的模擬效果，能模擬實驗環節，讓學生充分體驗虛擬實驗環境，達到提高教學質量，提升科研的便捷性和實用性的目的。

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收稿日期：2016-11-14

基金項目：1.重慶大學大類系列課程建設項目（類別：電磁場原理系列課程）；2.重慶大學教學改革研究項目（編號：2014Y18）；3.重慶大學本科校級優質重點課程（系列）建設（項目名稱：電磁場原理I）；4.重慶師范大學博士啟動基金（編號：16XLB015）；5.2016年重慶市研究生教育教學改革研究項目（項目編號：yjg20162026）；6.重慶大學本科校級優質課程建設（項目名稱：數字通信原理）

作者簡介：陳建軍，男，重慶大學通信工程學院講師，博士，從事電磁場和信息技術處理。