梁玉

摘 要： 《虛擬儀器原理》課程是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生的一門重要課程，也是智能儀器儀表及測控方向研究生需要具備的基本專業(yè)知識，在該課程教學(xué)中理論講解與實驗訓(xùn)練兼具，本文針對該課程的教學(xué)探索與實踐進行討論。

關(guān)鍵詞： 《虛擬儀器原理》 智能儀器 教學(xué)探索與實踐

上世紀后期出現(xiàn)的虛擬儀器（Virtual Instrument）技術(shù)強調(diào)在通用的計算機平臺上構(gòu)筑儀表儀器功能，是計算機技術(shù)與儀表儀器技術(shù)的完美結(jié)合，是智能儀器發(fā)展的新階段。該技術(shù)最早起源于美國德克薩斯大學(xué)James、Truchard和William三位研究人員為美國海軍進行的一項研究，隨后三人成立了一家公司，致力于虛擬儀器技術(shù)的開發(fā)，即著名的美國國家儀器公司（NI，National Instruments）。該技術(shù)后來逐漸被引入我國，起初在一些科研院所、重點高校的實驗室用于特定科學(xué)研究用途，從該技術(shù)一開始應(yīng)用便顯現(xiàn)了其卓越的無可取代技術(shù)優(yōu)勢，后來被一些著名公司、企業(yè)（尤其從事高新技術(shù)方面）廣泛采用，如今已發(fā)展成為電子信息領(lǐng)域非常盛行的一個熱門技術(shù)。針對重要的科研目的和迫切的市場需求，我國教育指導(dǎo)部門及時提出全國高校的電子信息類學(xué)科中開設(shè)虛擬儀器相關(guān)課程的規(guī)劃并迅速得以實施，《虛擬儀器原理》課程便是一個典型代表。我根據(jù)一直以來該課程教學(xué)過程中的一些經(jīng)驗體會，提出該課程部分內(nèi)容的教學(xué)探索與實踐思路以供同行參考。

1.虛擬儀器概念引入的教學(xué)探索與實踐思路

在介紹虛擬儀器概念前，首先應(yīng)明確什么是儀器，儀器的特點是什么，這一概念看似簡單，其實并不容易?，F(xiàn)實生活中的儀器太多，可以在教師的引導(dǎo)下，讓學(xué)生舉一些例子（注：分別從力、熱、光、電等角度引導(dǎo)），然后每舉一例，分別討論其基于的物理原理，比如天平這一儀器是基于物理中的力學(xué)原理，溫度計這一儀器是基于物理中的熱學(xué)原理，顯微鏡這一儀器是基于物理中的光線原理，萬用表這一儀器是基于物理中的電磁學(xué)原理等，這些儀器的共有特性是具備測量的功能，從而提煉出儀器的本質(zhì)：儀器一般是基于各種科學(xué)原理的，而且具備測量的功能，一般脫離這兩點的任一事物，要么不是儀器，要么是不可信的儀器。接下來，讓學(xué)生明白什么是智能儀器，智能儀器仍然是儀器，應(yīng)該說是儀器發(fā)展的高級階段，著重于強調(diào)其智能性，主要體現(xiàn)在微處理器芯片的引入，并且新增基本的數(shù)據(jù)處理和通信的功能，進一步引入什么是虛擬儀器，虛擬儀器又是智能儀器發(fā)展的新階段，不僅具備常規(guī)儀器和智能儀器的功能，而且新增數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)共享可編程擴展功能等，強調(diào)的是在計算機平臺上構(gòu)筑儀表儀器功能，用戶通過操作計算機不僅實現(xiàn)傳統(tǒng)儀表儀器的功能，而且能實現(xiàn)傳統(tǒng)儀表儀器難以實現(xiàn)的新功能并且不斷增加或升級。對于此前的儀表儀器，用戶直接操作的是儀表儀器本身，這些其實是其本質(zhì)區(qū)別，可以舉例，比如宇航員在飛行器艙內(nèi)對空間進行科學(xué)試驗或勘探時，實際上就是采用虛擬儀器技術(shù)對艙外的宇宙空間展開的遙控遙測活動。

2.虛擬儀器的定義和組成的教學(xué)探索與實踐思路

在介紹虛擬儀器的定義和組成時，強調(diào)虛擬儀器是把技能教給用戶，所以開發(fā)虛擬的核心環(huán)節(jié)是使用者（用戶在通用計算機平臺上，根據(jù)需求定義和設(shè)計儀器的測試性能），而非硬件生產(chǎn)商。有些教材把虛擬儀器定義為LabVIEW組建的程序單元，這要辯證地讓學(xué)生進行分析，客觀地或更廣義地說，一般的虛擬儀器是由硬件與軟件共同組成的，硬件部分主要用于獲取真實世界中的被測信號，軟件部分用于控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能，并將其集成為儀器操作與運行的命令環(huán)境。但是開發(fā)虛擬儀器的核心環(huán)節(jié)在于軟件開發(fā)，因為硬件部分其功能是固定的，一般難以進行調(diào)整或升級，但是基于LabVIEW的程序單元是可修改的，所以開發(fā)的虛擬儀器質(zhì)量就取決于使用者的編程水平，也就是把技能教給用戶，美國NI公司曾提出‘軟件即儀器，實際上這里的‘軟件指的是LabVIEW軟件平臺及其組建的程序單元，這里的“儀器”就是虛擬儀器，這句話正是把握了其本質(zhì)，所以把LabVIEW組件的程序單元稱為虛擬儀器有其辯證的正確性，要給學(xué)生分析清楚。

3.虛擬儀器分類的教學(xué)探索與實踐思路

虛擬儀器可以按照不同總線接口進行分類，在介紹時可以結(jié)合實物，讓學(xué)生有直接的感性印象，而且按照接口的發(fā)展程度介紹，比如由傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡式虛擬儀器發(fā)展為現(xiàn)在較流行的通用功能接口總線（GPIB）的虛擬儀器。另外，還有PXI、USB等接口的虛擬儀器，其中著重介紹通用功能接口總線（GPIB）的虛擬儀器，而且說明有時實驗中會用到。

4.虛擬儀器發(fā)展歷程介紹的教學(xué)探索與實踐思路

介紹虛擬儀器的發(fā)展歷程時，從其初始發(fā)展歷程開始說起，按照時間脈絡(luò)展開，其中強調(diào)惠普（HP）公司和美國國家儀器（NI）公司的貢獻，為活躍課堂氣氛，可舉一些學(xué)生熟悉的HP公司產(chǎn)品的例子，比如HP筆記本、打印機等，然后糾正一個誤區(qū)：HP公司并不是單單生產(chǎn)這兩類產(chǎn)品的公司，其實其原本是生產(chǎn)儀器的大公司，而且曾一度成為行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，虛擬儀器的總線雛形實際就是HP公司的重大杰作，NI公司對虛擬儀器的軟件核心貢獻居功至偉，是該行業(yè)的先驅(qū)也是權(quán)威，并鼓勵大家一定要在大學(xué)階段好好學(xué)習(xí)，將來努力去大公司歷練自己，這些方面的介紹可進一步活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

5.結(jié)語

虛擬儀器技術(shù)是當代高等學(xué)校電子信息類專業(yè)學(xué)生需掌握的重要技術(shù)，《虛擬儀器原理》課程系統(tǒng)而深入地闡釋了此項技術(shù)，高等學(xué)校教師在該技術(shù)相關(guān)課程的教學(xué)過程中不斷進行思路探索與實踐創(chuàng)新，有助于培養(yǎng)出綜合素質(zhì)高、專業(yè)能力強的更優(yōu)秀電子信息類人才。

參考文獻：

[1] 黃松嶺.虛擬儀器設(shè)計基礎(chǔ)教程， 清華大學(xué)出版社，2008.

[2] 張毅剛.虛擬儀器技術(shù)介紹，國外電子測量技術(shù)，2006.