虛擬儀器在教學(xué)中的運用

摘要：本文介紹了虛擬儀器及其技術(shù)在學(xué)校教學(xué)、科研和實驗中的運用及前景，探討了將虛擬儀器及技術(shù)與仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合進行更具交互性和可操作性的計算機模擬仿真以及小組遠(yuǎn)程協(xié)作實驗，為遠(yuǎn)程教育的實驗教學(xué)提供一種全新的解決方案。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器 遠(yuǎn)程教育 實驗教學(xué)

虛擬儀器及技術(shù)

隨著低成本高性能的計算機資源普及運用，數(shù)學(xué)化測量平臺逐漸成為測量儀器的基礎(chǔ)。在20世紀(jì)80年代末美國研制成功虛擬儀器，代表了儀器發(fā)展的一種新方向。虛擬儀器是計算機技術(shù)與電子儀器相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器模塊，它通常是由PC、模塊化的功能硬件與用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的應(yīng)用軟件有機結(jié)合構(gòu)成，使計算機成一個具有各種測量功能的數(shù)字化測量平臺。它利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板，軟件在屏幕上生成各種儀器面板，完成對數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲、顯示等功能。

虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)之一是應(yīng)用軟件，儀器的主要功能多是由軟件來體現(xiàn)的，所謂“軟件即儀器”。通過虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺，如NI美國國家儀器公司公司的LabView、LabWindows及Agilent公司的VEE等圖形化、交互式的編程設(shè)計環(huán)境，使用者無需軟件專業(yè)背景，在幾天培訓(xùn)后即可根據(jù)圖標(biāo)用鼠標(biāo)自動編程設(shè)計測量儀器和測量程序，有Windows經(jīng)驗的使用者更容易掌握。由于它提供了大量虛擬儀器面板設(shè)計用開關(guān)、按鈕、旋鈕、表頭等面反組件以及用于數(shù)據(jù)采集、儀器通信與控制系統(tǒng)、建立網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)分析等的程序庫，其編程效果是常規(guī)編程方法效率的幾十倍。

用戶通過鼠標(biāo)和鍵盤操作虛擬儀器就象操作傳統(tǒng)的電子測量儀器一樣，但與傳統(tǒng)的儀器相比，其主要優(yōu)點是可以由用戶自己定義、自己設(shè)計儀器系統(tǒng)，以滿足不同的要求。

虛假儀器英文縮寫與翻譯

VI 虛擬儀器
LabVIEW 虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)平臺
DAQ 數(shù)據(jù)采集器
IMAQ 圖像采集器
GPIB 通用接口總線
GPIB 通用儀器總線
USB 通用串行總線
VEE 可視化工程環(huán)境
VXI VME在儀器領(lǐng)域的擴展
PXI PCI在儀器領(lǐng)域的擴展
VISA 虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)
Profibus 過程現(xiàn)場總線
CAN 控制器區(qū)域網(wǎng)現(xiàn)場總線

此外，也可利用諸如NI的fieldpoint軟件做分布測試，它對整個網(wǎng)絡(luò)來說是一個測量節(jié)點，從這些測量節(jié)點所得出的測量信息共享，利用虛擬儀器的開發(fā)平臺、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)或電子表格如NI的LabView、和Microsoft的Excel等，對信息進行分析和構(gòu)成一個新的系統(tǒng)，使信息系統(tǒng)與測量系統(tǒng)無縫地連接起來，對數(shù)據(jù)的分析、處理、交換更加方便。

由于虛擬儀器具有的許多優(yōu)勢，且價格不斷下降，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信和科學(xué)研究眾多方面得到了廣泛的應(yīng)用。如果我們不局限于將虛擬儀器僅僅當(dāng)作測量分析儀器，從更多方面分析虛擬儀器及虛擬儀器技術(shù)的話，可以發(fā)現(xiàn)，虛擬儀器系統(tǒng)及技術(shù)在學(xué)校教育特別是在計算機輔助教學(xué)方面可以發(fā)揮更多的作用。下面，就具體問題進行分析介紹。

在教學(xué)方面的運用及前景

1、虛擬儀器作為測量分析儀器在教學(xué)、科研中的運用

高等學(xué)校特別是理工科學(xué)校，教學(xué)、科研需要大量的測量分析儀器設(shè)備，特別是實驗教學(xué)，每種儀器者必須配置多套，而且有的儀器設(shè)備價格昂貴，因此儀器設(shè)備所需投資巨大，一般學(xué)校很難滿足，造成許多學(xué)校儀器設(shè)備缺乏和過時陳舊等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響教學(xué)科研。

如果運用虛擬儀器系統(tǒng)，情況就大不一樣了。使用虛擬儀器不但可以節(jié)約大量儀器設(shè)備的經(jīng)費投入，而且能夠提高教學(xué)科研的質(zhì)量與效率。

2、虛擬儀器技術(shù)在儀器設(shè)備使用實驗教學(xué)中的運用

實驗教學(xué)是許多專業(yè)必須進行的一項教學(xué)活動。掌握測量儀器和設(shè)備的操作使用方法是每個學(xué)生進行科學(xué)實驗基本前提。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進行實驗的操作使用，隨之而來的問題是教師的工作量很大而很難對所有學(xué)生進行指導(dǎo)，既影響教學(xué)效果又容易造成儀器損壞。運用CAI教學(xué)軟件輔助實驗教學(xué)，能較好克服存在的部分困難。但是，由于電子技術(shù)實驗教學(xué)方面CAI軟件還很少，而且功能不強，交互性、操作性和界面的真實程序較差，適應(yīng)范圍窄，在一定程度上限制了教師和學(xué)生使用的積極性。

如果用虛擬儀器開發(fā)平臺如LabWindows開發(fā)各種不帶相關(guān)功能硬件的“虛擬儀器”（真正的虛擬儀器是由計計算機、軟件、功能硬件組成的，為了與之區(qū)分，故用引號），不但簡單易行，且交互性、可操作性和真實感與實際的虛擬儀器基本相同。由它們組成一個個虛擬實驗室，讓學(xué)生先在虛擬實驗室通過對“虛擬儀器”的模擬操作使用，全面了解和掌握各種虛擬儀器的使用方法和操作要點，為實際使用虛擬儀器設(shè)備和傳統(tǒng)的實驗儀器設(shè)備打下較好的基礎(chǔ)，既可降低教師的勞動強度，減少儀器設(shè)備的損壞，又可以提高實驗教學(xué)質(zhì)量與效果。以儀器的學(xué)習(xí)與使用的實驗教學(xué)為例，根據(jù)實際使用的虛擬儀器設(shè)備，將各種虛擬儀器及工作原理、操作使用方法設(shè)計成獨立的教學(xué)模塊，共同組建一個基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室。

3、虛擬儀器技術(shù)與計算機模塊仿真技術(shù)結(jié)合，在CAI和科研中的運用

將虛擬儀器技術(shù)和計算機模擬仿真技術(shù)通過數(shù)據(jù)交換共享結(jié)合起來建成虛擬仿真實驗室，對一些科學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律進行仿真實驗，能夠代替部分實際實驗項目供教師和學(xué)生進行教學(xué)與研究。學(xué)生利用計算機模擬仿真軟件對實驗進行模擬仿真，仿真的結(jié)果通過虛擬儀器系統(tǒng)進行觀察、分析、處理。由于仿真軟件和虛擬儀器均具有人機交互能力，這樣在這個虛擬的交互式仿真世界，給人創(chuàng)造一種近乎進行真實實驗的感覺。

以電子技術(shù)教學(xué)為例，利用電路系統(tǒng)設(shè)計仿真軟件如PSPICE，Systemvies等能夠完成與電子技術(shù)相關(guān)專業(yè)的多數(shù)電路與系統(tǒng)仿真實驗。當(dāng)對電子電路或系統(tǒng)進行仿真時，如需要運用虛擬儀器進行分析，虛擬儀器通過數(shù)據(jù)接口接收需要處理顯示的數(shù)據(jù)，進行實時的分析處理、并生動直觀地顯示出數(shù)據(jù)、波形、圖像和分析處理的結(jié)果，如學(xué)生對結(jié)果不滿意，可以修改電路或調(diào)整電路參數(shù)，很快地能得到新的結(jié)果。

4、虛擬儀器技術(shù)與Interent技術(shù)結(jié)合在遠(yuǎn)程教育中的運用

利用Internet資源和技術(shù)，如ASP（Active server pages，動態(tài)服務(wù)器主頁）、Socket（套接字）等，將Internet與虛擬儀器結(jié)合起來，可以為遠(yuǎn)程教育中實驗教學(xué)這一公認(rèn)的難題提供一種全新的解決方案。

虛擬儀器與傳統(tǒng)電子測量儀器比較

一是將Internet與上述的虛擬仿真實驗室組成一個基于Web的虛擬實驗室，使遠(yuǎn)端的賞可以不受地域、時間的限制，通過Internet利用瀏覽器在自己的計算機上進行各種虛擬實驗，學(xué)習(xí)掌握各種虛擬儀器的工作原理及操作使用方法。

二是將實驗的虛擬儀器與Internet結(jié)合組成遠(yuǎn)程虛擬儀器系統(tǒng)，將中心實驗室的虛擬儀器和遠(yuǎn)端學(xué)員計算上的“虛擬儀器”通過Internet聯(lián)系起來，建成網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)。這種方式由于只需傳送小量的數(shù)據(jù)與文本，完全能在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)條件下進行，從而為遠(yuǎn)程教育如電大、網(wǎng)校解決實驗教學(xué)難的問題提供一種全新的解決方案。

結(jié)束語

虛擬儀器技術(shù)經(jīng)過十幾年發(fā)展，而今正沿著總線與驅(qū)動程序標(biāo)準(zhǔn)化、硬/軟件模塊化、編程平臺圖形化和硬件模塊的即插即用方向前進，以開放式模塊化儀器標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)正日趨完善，加上計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，建立在虛擬儀器技術(shù)上的各種功能強大、性能優(yōu)良的先進儀器將層出不窮，價格也會越來越低，使用虛擬儀器進行趨勢，同樣，虛擬儀器及技術(shù)也將近成為學(xué)校未來教學(xué)科研的重要方法和手段，特別是在理工科學(xué)校其應(yīng)用前景非常廣闊。