虛擬儀器及技術在學校教育中的運用與前景

摘 要: 本文介紹了虛擬儀器及其技術在學校教學、科研和實驗中的運用及前景，探討了將虛擬儀器及技術與仿真技術、網(wǎng)絡技術結(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程協(xié)作實驗，為遠程教育的實驗教學提供一種全新的解決方案。

虛擬儀器及技術
隨著低成本高性能的計算機資源普及運用，數(shù)字化測量平臺逐漸成為測量儀器的基礎。在20世紀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與電子儀器相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器模式，它通常是由個人計算機、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用軟件有機結(jié)合構(gòu)成，使計算機成為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，完成對數(shù)據(jù)的處理、表達、傳送、存儲、顯示等功能。
虛擬儀器的關鍵技術之一是應用軟件，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、交互式的編程設計環(huán)境，使用者無需軟件專業(yè)背景，在幾天培訓后即可根據(jù)圖標用鼠標自行編程設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計用開關、按鈕、旋鈕、表頭等面板組件以及用于數(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、自己設計儀器系統(tǒng)，以滿足不同的要求。
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、標準的數(shù)據(jù)庫技術或電子表格如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)、通信和科學研究等眾多方面得到了廣泛的應用。如果我們不局限于將虛擬儀器僅僅當作測量分析儀器，從更多方面分析虛擬儀器及虛擬儀器技術的話，可以發(fā)現(xiàn)，虛擬儀器系統(tǒng)及技術在學校教育特別是在計算機輔助教學方面可以發(fā)揮更多的作用。下面，就具體問題進行分析介紹。
虛擬儀器在學校教育方面的運用及前景
1、 虛擬儀器作為測量分析儀器在教學、科研中的運用
高等學校特別是理工科學校，教學、科研需要大量的測量分析儀器設備，特別是實驗教學，每種儀器都必須配置多套，而且有的儀器設備價格昂貴，因此儀器設備所需投資巨大，一般學校很難滿足，造成許多學校儀器設備缺乏和過時陳舊等現(xiàn)象，嚴重影響教學科研。
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)約大量儀器設備的經(jīng)費投入，而且能夠提高教學科研的質(zhì)量與效率。
2、虛擬儀器技術在儀器設備使用實驗教學中的運用
實驗教學是許多專業(yè)必須進行的一項教學活動。掌握測量儀器和設備的操作使用方法是每個學生進行科學實驗基本前提。傳統(tǒng)的教學方法是讓學生在教師的指導下進行實際的操作使用，隨之而來的問題是教師的工作量很大而很難對所有學生進行指導，既影響教學效果又容易造成儀器損壞。運用CAI教學軟件輔助實驗教學，能較好克服存在的部分困難。但是，由于電子技術實驗教學方面的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度較差，適應范圍窄，在一定程度上限制了教師和學生使用的積極性。
如果用虛擬儀器開發(fā)平臺如LabWindows開發(fā)各種不帶相關功能硬件的“虛擬儀器”（真正的虛擬儀器是由計算機、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備和傳統(tǒng)的實驗儀器設備打下較好的基礎，既可降低教師的勞動強度，減少儀器設備的損壞，又可以提高實驗教學質(zhì)量與效果。以儀器的學習與使用的實驗教學為例，根據(jù)實際使用的虛擬儀器設備，將各種虛擬儀器及工作原理、操作使用方法設計成獨立的教學模塊，共同組建一個基于網(wǎng)絡的虛擬實驗室。
3、虛擬儀器技術與計算機模擬仿真技術結(jié)合在CAI和科研中的運用
將虛擬儀器技術和計算機模擬仿真技術通過數(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生進行教學與研究。學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。
以電子技術教學為例，利用電路系統(tǒng)設計仿真軟件如PSPICE、Systemview等能夠完成與電子技術相關專業(yè)的多數(shù)電路與系統(tǒng)仿真實驗。當對電子電路或系統(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)，很快就能得到新的結(jié)果。
4、虛擬儀器技術與Interent技術結(jié)合在遠程教育中的運用
利用Internet資源和技術，如ASP（Active server pages，動態(tài)服務器主頁）、Socket(套接字)等，將Internet與虛擬儀器結(jié)合起來，可以為遠程教育中實驗教學這一公認的難題提供一種全新的解決方案。
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，使遠端的學員可以不受地域、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，學習掌握各種虛擬儀器的工作原理及操作使用方法。
二是將實際的虛擬儀器與Internet結(jié)合組成遠程虛擬儀器系統(tǒng)，將中心實驗室的虛擬儀器和遠端學員計算機上的“虛擬儀器”通過Internet聯(lián)系起來，建成網(wǎng)絡實驗系統(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)絡條件下進行，從而為遠程教育如電大、網(wǎng)校解決實驗教學難的問題提供一種全新的解決方案。
結(jié)束語
虛擬儀器技術經(jīng)過十幾年發(fā)展，而今正沿著總線與驅(qū)動程序標準化、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準為基礎的虛擬儀器標準正日趨完善，加上計算機技術和網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展，建立在虛擬儀器技術上的各種功能強大、性能優(yōu)良的先進儀器將層出不窮，價格也會越來越低，使用虛擬儀器進行研究、設計、測試將成為一種趨勢，同樣，虛擬儀器及技術也將成為學校未來教學科研的重要方法和手段，特別是在理工科學校其應用前景非常廣闊。



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