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(shí)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)結合進(jìn)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(shí)驗，為遠程教育的實(shí)驗教學(xué)提供一種全新的解決方案。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器 遠程教育 實(shí)驗教學(xué)

虛擬儀器及技術(shù)

隨著(zhù)低成本高性能的計算機資源普及運用，數學(xué)化測量平臺逐漸成為測量?jì)x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(shù)與電子儀器相結合而產(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據分析、過(guò)程通信及圖形用戶(hù)界面的應用軟件有機結合構成，使計算機成一個(gè)具有各種測量功能的數字化測量平臺。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，完成對數據的處理、表達、傳送、存儲、顯示等功能。

虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)之一是應用軟件，儀器的主要功能多是由軟件來(lái)體現的，所謂“軟件即儀器”。通過(guò)虛擬儀器的軟件開(kāi)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(wú)需軟件專(zhuān)業(yè)背景，在幾天培訓后即可根據圖標用鼠標自動(dòng)編程設計測量?jì)x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(kāi)關(guān)、按鈕、旋鈕、表頭等面反組件以及用于數據采集、儀器通信與控制系統、建立網(wǎng)絡(luò )和數據分析等的程序庫，其編程效果是常規編程方法效率的幾十倍。

用戶(hù)通過(guò)鼠標和鍵盤(pán)操作虛擬儀器就象操作傳統的電子測量?jì)x器一樣，但與傳統的儀器相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以由用戶(hù)自己定義、自己設計儀器系統，以滿(mǎn)足不同的要求。

虛假儀器英文縮寫(xiě)與翻譯

VI 虛擬儀器
LabVIEW 虛擬儀器系統開(kāi)發(fā)平臺
DAQ 數據采集器
IMAQ 圖像采集器
GPIB 通用接口總線(xiàn)
GPIB 通用儀器總線(xiàn)
USB 通用串行總線(xiàn)
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構
Profibus 過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)
CAN 控制器區域網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)

此外，也可利用諸如NI的fieldpoint軟件做分布測試，它對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)是一個(gè)測量節點(diǎn)，從這些測量節點(diǎn)所得出的測量信息共享，利用虛擬儀器的開(kāi)發(fā)平臺、標準的數據庫技術(shù)或電子表格如NI的LabView、和Microsoft的Excel等，對信息進(jìn)行分析和構成一個(gè)新的系統，使信息系統與測量系統無(wú)縫地連接起來(lái)，對數據的分析、處理、交換更加方便。

由于虛擬儀器具有的許多優(yōu)勢，且價(jià)格不斷下降，在工業(yè)、農業(yè)、通信和科學(xué)研究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(shù)的話(huà)，可以發(fā)現，虛擬儀器系統及技術(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(wèn)題進(jìn)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備，特別是實(shí)驗教學(xué)，每種儀器者必須配置多套，而且有的儀器設備價(jià)格昂貴，因此儀器設備所需投資巨大，一般學(xué)校很難滿(mǎn)足，造成許多學(xué)校儀器設備缺乏和過(guò)時(shí)陳舊等現象，嚴重影響教學(xué)科研。

如果運用虛擬儀器系統，情況就大不一樣了。使用虛擬儀器不但可以節約大量?jì)x器設備的經(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)在儀器設備使用實(shí)驗教學(xué)中的運用

實(shí)驗教學(xué)是許多專(zhuān)業(yè)必須進(jìn)行的一項教學(xué)活動(dòng)。掌握測量?jì)x器和設備的操作使用方法是每個(gè)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗基本前提。傳統的教學(xué)方法是讓學(xué)生在教師的指導下進(jìn)行實(shí)驗的操作使用，隨之而來(lái)的問(wèn)題是教師的工作量很大而很難對所有學(xué)生進(jìn)行指導，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(shí)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(shí)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(shí)程序較差，適應范圍窄，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(kāi)發(fā)平臺如LabWindows開(kāi)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，為了與之區分，故用引號），不但簡(jiǎn)單易行，且交互性、可操作性和真實(shí)感與實(shí)際的虛擬儀器基本相同。由它們組成一個(gè)個(gè)虛擬實(shí)驗室，讓學(xué)生先在虛擬實(shí)驗室通過(guò)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(diǎn)，為實(shí)際使用虛擬儀器設備和傳統的實(shí)驗儀器設備打下較好的基礎，既可降低教師的勞動(dòng)強度，減少儀器設備的損壞，又可以提高實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量與效果。以?xún)x器的學(xué)習與使用的實(shí)驗教學(xué)為例，根據實(shí)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(xué)模塊，共同組建一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò )的虛擬實(shí)驗室。

3、虛擬儀器技術(shù)與計算機模塊仿真技術(shù)結合，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(guò)數據交換共享結合起來(lái)建成虛擬仿真實(shí)驗室，對一些科學(xué)現象和規律進(jìn)行仿真實(shí)驗，能夠代替部分實(shí)際實(shí)驗項目供教師和學(xué)生進(jìn)行教學(xué)與研究。學(xué)生利用計算機模擬仿真軟件對實(shí)驗進(jìn)行模擬仿真，仿真的結果通過(guò)虛擬儀器系統進(jìn)行觀(guān)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(gè)虛擬的交互式仿真世界，給人創(chuàng )造一種近乎進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗的感覺(jué)。

以電子技術(shù)教學(xué)為例，利用電路系統設計仿真軟件如PSPICE，Systemvies等能夠完成與電子技術(shù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的多數電路與系統仿真實(shí)驗。當對電子電路或系統進(jìn)行仿真時(shí)，如需要運用虛擬儀器進(jìn)行分析，虛擬儀器通過(guò)數據接口接收需要處理顯示的數據，進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析處理、并生動(dòng)直觀(guān)地顯示出數據、波形、圖像和分析處理的結果，如學(xué)生對結果不滿(mǎn)意，可以修改電路或調整電路參數，很快地能得到新的結果。

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

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

虛擬儀器與傳統電子測量?jì)x器比較

一是將Internet與上述的虛擬仿真實(shí)驗室組成一個(gè)基于Web的虛擬實(shí)驗室，使遠端的賞可以不受地域、時(shí)間的限制，通過(guò)Internet利用瀏覽器在自己的計算機上進(jìn)行各種虛擬實(shí)驗，學(xué)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(shí)驗的虛擬儀器與Internet結合組成遠程虛擬儀器系統，將中心實(shí)驗室的虛擬儀器和遠端學(xué)員計算上的“虛擬儀器”通過(guò)Internet聯(lián)系起來(lái)，建成網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗系統。這種方式由于只需傳送小量的數據與文本，完全能在現有的網(wǎng)絡(luò )條件下進(jìn)行，從而為遠程教育如電大、網(wǎng)校解決實(shí)驗教學(xué)難的問(wèn)題提供一種全新的解決方案。

結束語(yǔ)

虛擬儀器技術(shù)經(jīng)過(guò)十幾年發(fā)展，而今正沿著(zhù)總線(xiàn)與驅動(dòng)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(jìn)，以開(kāi)放式模塊化儀器標準準為基礎的虛擬儀器標準正日趨完善，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(jìn)儀器將層出不窮，價(jià)格也會(huì )越來(lái)越低，使用虛擬儀器進(jìn)行趨勢，同樣，虛擬儀器及技術(shù)也將近成為學(xué)校未來(lái)教學(xué)科研的重要方法和手段，特別是在理工科學(xué)校其應用前景非常廣闊。