鄒志斌

摘 要： 本文介紹了虛擬儀器技術(shù)的概念，分析了在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中應(yīng)用此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，探討了將虛擬儀器技術(shù)與仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器 實(shí)驗(yàn)室建設(shè) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一、虛擬儀器技術(shù)簡(jiǎn)介

計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展與普及，促進(jìn)了電子測(cè)量?jī)x器的快速發(fā)展，在儀器領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化。1986年美商國(guó)家儀器公司（National Instruments）提出了虛擬儀器的概念，代表了今后測(cè)量?jī)x器發(fā)展的新方向。

所謂的虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面（GUI）的控制軟件組成，在軟件控制下，由模塊化儀器硬件進(jìn)行測(cè)量信號(hào)的數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集完畢后，傳輸給計(jì)算機(jī)，軟件再進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，通過圖形用戶界面等方式將結(jié)果顯示給用戶。數(shù)據(jù)分析這一方面，若使用智能儀器，則可由其完成一定程度上的分析。虛擬儀器框架結(jié)構(gòu)圖參見圖1。

與傳統(tǒng)儀器相比，雖然虛擬儀器需要硬件支持，但硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出問題，軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的核心，所以當(dāng)基本硬件確定以后，可以通過不同的軟件（如NI公司的Labwindows/CVI）實(shí)現(xiàn)不同的功能。利用虛擬儀器技術(shù)，用戶可以在計(jì)算機(jī)屏幕上虛擬出儀器的面板，通過鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開關(guān)和按鍵，設(shè)置各種工作參數(shù)，啟動(dòng)或停止儀器，測(cè)量結(jié)果可以從虛擬儀器面板上讀出。所以用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。另外，利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源，不僅可以大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳遞、儲(chǔ)存等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果，而且可以為數(shù)據(jù)的快速共享提供可能。

二、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

虛擬儀器是全新的儀器概念，將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，可構(gòu)造出一個(gè)全新的教學(xué)平臺(tái)，使學(xué)生利用最先進(jìn)的技術(shù)積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高教學(xué)質(zhì)量，主要有如下優(yōu)點(diǎn)。

1.降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)費(fèi)用

由于各種測(cè)試、測(cè)量?jī)x器、設(shè)備的價(jià)格隨著其性能的不斷提高而增加，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)常會(huì)受到建設(shè)費(fèi)用升高的困擾。

如果運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，并添加少量硬件（如數(shù)據(jù)采集卡等），構(gòu)建一個(gè)虛擬儀器平臺(tái)。一方面，可替代常規(guī)測(cè)量?jī)x器、儀表，可以滿足一般電子、電工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。另一方面，虛擬儀器平臺(tái)具有替代性高的特點(diǎn)，它既可以作為示波器，又可以作為函數(shù)發(fā)生器、頻譜分析儀及各種測(cè)量?jī)x表等，還可以降低購(gòu)置這些儀器的費(fèi)用。

2.大大降低設(shè)備的使用、維護(hù)費(fèi)用

在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，我們可用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)開出發(fā)各種由計(jì)算機(jī)軟件模擬的不帶相關(guān)功能硬件的“虛擬設(shè)備”，該方法不但簡(jiǎn)單易行，而且交互性、可操作性和真實(shí)感與實(shí)際的設(shè)備基本相同。由它們完成教學(xué)任務(wù)，不但可以讓學(xué)生快速掌握這些設(shè)備的操作、使用方法，而且可以減少設(shè)備的損壞，降低維護(hù)費(fèi)用。

3.教學(xué)效果好

目前國(guó)內(nèi)很多院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在技術(shù)落后、靈活性低、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理性差、內(nèi)容死板的問題，因此大大地降低了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。為此可將虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一方面利用虛擬儀器軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上虛擬出的儀器的面板，形象、直觀、可操作性強(qiáng)，測(cè)量的數(shù)據(jù)還可利用計(jì)算機(jī)來分析、處理，方便、快捷。另一個(gè)方面虛擬儀器技術(shù)可拓展傳統(tǒng)儀器的功能，讓學(xué)生根據(jù)自己的要求，設(shè)計(jì)和制造出適合自己使用的各種儀器系統(tǒng)，滿足不同的應(yīng)用需求。因此可大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力。

三、虛擬儀器技術(shù)在教學(xué)中的具體應(yīng)用

1.虛擬儀器作為測(cè)量分析儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用

實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要大量的測(cè)量分析儀器，然而在傳統(tǒng)模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于經(jīng)費(fèi)的原因，普遍存在儀器設(shè)備缺乏和過時(shí)陳舊等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響教學(xué)、實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量與效率。

將虛擬儀器技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)為我們提供了新的思路。我們可以充分利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)資源，開發(fā)屬于自己、適用于各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容的虛擬儀器及教學(xué)、實(shí)驗(yàn)軟件。圖2是利用虛擬儀器開發(fā)軟件LabWindows/CVI制作的《虛擬頻譜分析儀》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件。

2.虛擬儀器技術(shù)結(jié)合仿真技術(shù)在設(shè)備教學(xué)中的運(yùn)用

為讓學(xué)生掌握設(shè)備的操作、使用方法，傳統(tǒng)教學(xué)方法是讓學(xué)生在教員的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)際的操作使用，教學(xué)效果不好且容易造成設(shè)備的損壞。

利用虛擬儀器技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可模擬出部分設(shè)備的操作使用。學(xué)生可以通過虛擬儀器開發(fā)軟件制作的面板進(jìn)行操作從而掌握該設(shè)備的使用方法。由此可見，在實(shí)際教學(xué)中，用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開發(fā)出各種虛擬的設(shè)備，不但簡(jiǎn)單易行，而且交互性、可操作性和真實(shí)感與實(shí)際的設(shè)備基本相同，既可降低教員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少設(shè)備的損壞，又可提高教學(xué)質(zhì)量與效果。

3.虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合在遠(yuǎn)程教育中的運(yùn)用

將網(wǎng)絡(luò)與虛擬儀器結(jié)合起來，可為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新的模式。利用網(wǎng)絡(luò)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室組成一個(gè)基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)室，使遠(yuǎn)端的學(xué)生不受時(shí)空的限制，通過網(wǎng)絡(luò)利用瀏覽器在自己的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行各種基礎(chǔ)學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)，或?qū)W習(xí)掌握各種設(shè)備的操作使用方法，從而為遠(yuǎn)程教育解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)難的問題提供新的解決方案。

四、結(jié)語(yǔ)

虛擬儀器技術(shù)是未來儀器技術(shù)領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)，將其引入實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及教學(xué)，可促進(jìn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的更新?lián)Q代，為教學(xué)、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備現(xiàn)代化提供強(qiáng)有力的手段。同時(shí)通過基于虛擬儀器的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生了解先進(jìn)的測(cè)試、測(cè)量技術(shù)，全面提高工程素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉剛，蔡十華.虛擬儀器技術(shù)及其在電工電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].江西教育學(xué)院學(xué)報(bào)（綜合），2007，6（3）：15-18.