虚拟仪器在教学中的运用

    摘要：本文介绍了虚拟仪器及其技术在学校教学、科研和实验中的运用及前景，探讨了将虚拟仪器及技术与仿真技术、网络技术结合进行更具交互性和可操作性的计算机模拟仿真以及小组远程协作实验，为远程教育的实验教学提供一种全新的解决方案。

    关键词：虚拟仪器 远程教育 实验教学

虚拟仪器及技术

随着低成本高性能的计算机资源普及运用，数学化测量平台逐渐成为测量仪器的基础。在20世纪80年代末美国研制成功虚拟仪器，代表了仪器发展的一种新方向。虚拟仪器是计算机技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器模块，它通常是由PC、模块化的功能硬件与用于数据分析、过程通信及图形用户界面的应用软件有机结合构成，使计算机成一个具有各种测量功能的数字化测量平台。它利用软件在屏幕上生成各种仪器面板，软件在屏幕上生成各种仪器面板，完成对数据的处理、表达、传送、存储、显示等功能。

虚拟仪器的关键技术之一是应用软件，仪器的主要功能多是由软件来体现的，所谓“软件即仪器”。通过虚拟仪器的软件开发平台，如NI美国国家仪器公司公司的LabView、LabWindows及Agilent公司的VEE等图形化、交互式的编程设计环境，使用者无需软件专业背景，在几天培训后即可根据图标用鼠标自动编程设计测量仪器和测量程序，有Windows经验的使用者更容易掌握。由于它提供了大量虚拟仪器面板设计用开关、按钮、旋钮、表头等面反组件以及用于数据采集、仪器通信与控制系统、建立网络和数据分析等的程序库，其编程效果是常规编程方法效率的几十倍。

用户通过鼠标和键盘操作虚拟仪器就象操作传统的电子测量仪器一样，但与传统的仪器相比，其主要优点是可以由用户自己定义、自己设计仪器系统，以满足不同的要求。

虚假仪器英文缩写与翻译

VI          虚拟仪器
LabVIEW     虚拟仪器系统开发平台
DAQ         数据采集器
IMAQ        图像采集器
GPIB        通用接口总线
GPIB        通用仪器总线
USB         通用串行总线
VEE         可视化工程环境
VXI         VME在仪器领域的扩展
PXI         PCI在仪器领域的扩展
VISA        虚拟仪器软件体系结构
Profibus    过程现场总线
CAN         控制器区域网现场总线

此外，也可利用诸如NI的fieldpoint软件做分布测试，它对整个网络来说是一个测量节点，从这些测量节点所得出的测量信息共享，利用虚拟仪器的开发平台、标准的数据库技术或电子表格如NI的LabView、和Microsoft的Excel等，对信息进行分析和构成一个新的系统，使信息系统与测量系统无缝地连接起来，对数据的分析、处理、交换更加方便。

由于虚拟仪器具有的许多优势，且价格不断下降，在工业、农业、通信和科学研究众多方面得到了广泛的应用。如果我们不局限于将虚拟仪器仅仅当作测量分析仪器，从更多方面分析虚拟仪器及虚拟仪器技术的话，可以发现，虚拟仪器系统及技术在学校教育特别是在计算机辅助教学方面可以发挥更多的作用。下面，就具体问题进行分析介绍。

在教学方面的运用及前景

1、虚拟仪器作为测量分析仪器在教学、科研中的运用

高等学校特别是理工科学校，教学、科研需要大量的测量分析仪器设备，特别是实验教学，每种仪器者必须配置多套，而且有的仪器设备价格昂贵，因此仪器设备所需投资巨大，一般学校很难满足，造成许多学校仪器设备缺乏和过时陈旧等现象，严重影响教学科研。

如果运用虚拟仪器系统，情况就大不一样了。使用虚拟仪器不但可以节约大量仪器设备的经费投入，而且能够提高教学科研的质量与效率。

2、虚拟仪器技术在仪器设备使用实验教学中的运用

实验教学是许多专业必须进行的一项教学活动。掌握测量仪器和设备的操作使用方法是每个学生进行科学实验基本前提。传统的教学方法是让学生在教师的指导下进行实验的操作使用，随之而来的问题是教师的工作量很大而很难对所有学生进行指导，既影响教学效果又容易造成仪器损坏。运用CAI教学软件辅助实验教学，能较好克服存在的部分困难。但是，由于电子技术实验教学方面CAI软件还很少，而且功能不强，交互性、操作性和界面的真实程序较差，适应范围窄，在一定程度上限制了教师和学生使用的积极性。

如果用虚拟仪器开发平台如LabWindows开发各种不带相关功能硬件的“虚拟仪器”（真正的虚拟仪器是由计计算机、软件、功能硬件组成的，为了与之区分，故用引号），不但简单易行，且交互性、可操作性和真实感与实际的虚拟仪器基本相同。由它们组成一个个虚拟实验室，让学生先在虚拟实验室通过对“虚拟仪器”的模拟操作使用，全面了解和掌握各种虚拟仪器的使用方法和操作要点，为实际使用虚拟仪器设备和传统的实验仪器设备打下较好的基础，既可降低教师的劳动强度，减少仪器设备的损坏，又可以提高实验教学质量与效果。以仪器的学习与使用的实验教学为例，根据实际使用的虚拟仪器设备，将各种虚拟仪器及工作原理、操作使用方法设计成独立的教学模块，共同组建一个基于网络的虚拟实验室。

3、虚拟仪器技术与计算机模块仿真技术结合，在CAI和科研中的运用

将虚拟仪器技术和计算机模拟仿真技术通过数据交换共享结合起来建成虚拟仿真实验室，对一些科学现象和规律进行仿真实验，能够代替部分实际实验项目供教师和学生进行教学与研究。学生利用计算机模拟仿真软件对实验进行模拟仿真，仿真的结果通过虚拟仪器系统进行观察、分析、处理。由于仿真软件和虚拟仪器均具有人机交互能力，这样在这个虚拟的交互式仿真世界，给人创造一种近乎进行真实实验的感觉。

以电子技术教学为例，利用电路系统设计仿真软件如PSPICE，Systemvies等能够完成与电子技术相关专业的多数电路与系统仿真实验。当对电子电路或系统进行仿真时，如需要运用虚拟仪器进行分析，虚拟仪器通过数据接口接收需要处理显示的数据，进行实时的分析处理、并生动直观地显示出数据、波形、图像和分析处理的结果，如学生对结果不满意，可以修改电路或调整电路参数，很快地能得到新的结果。

4、虚拟仪器技术与Interent技术结合在远程教育中的运用

利用Internet资源和技术，如ASP（Active server pages，动态服务器主页）、Socket（套接字）等，将Internet与虚拟仪器结合起来，可以为远程教育中实验教学这一公认的难题提供一种全新的解决方案。

虚拟仪器与传统电子测量仪器比较

指标	虚拟仪器	传统电子测量仪器
基本功能	功能主要由软件决定，用户可自己定义，可以同时完成数台传统仪器的功能	功能由硬件决定，不易改变，完成多种功能需要多台仪器配套使用
数据分析处理功能	存储、分析、处理能力强	弱（或无）
功能的扩展性	易于扩展，容易升级	不易扩展，很难升级
易用性	数据显示多样化，交互好，能进行自适应测量和监控	显示方式少，交互差（或无），难以进行自适应测量和监控
测量精度	取决于不同的硬件模块	取决于仪器本身
最高测量频率	较低	高
分布测试	容易实现	需要特殊接口
价格	单台价格高，适合组建系统	单台价格低，组建系统成本高
发展前景	宽频率、高精度、模块化、智能化，小型化，最终走向融合

一是将Internet与上述的虚拟仿真实验室组成一个基于Web的虚拟实验室，使远端的赏可以不受地域、时间的限制，通过Internet利用浏览器在自己的计算机上进行各种虚拟实验，学习掌握各种虚拟仪器的工作原理及操作使用方法。

二是将实验的虚拟仪器与Internet结合组成远程虚拟仪器系统，将中心实验室的虚拟仪器和远端学员计算上的“虚拟仪器”通过Internet联系起来，建成网络实验系统。这种方式由于只需传送小量的数据与文本，完全能在现有的网络条件下进行，从而为远程教育如电大、网校解决实验教学难的问题提供一种全新的解决方案。

结束语

虚拟仪器技术经过十几年发展，而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平台图形化和硬件模块的即插即用方向前进，以开放式模块化仪器标准准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善，加上计算机技术和网络技术的迅速发展，建立在虚拟仪器技术上的各种功能强大、性能优良的先进仪器将层出不穷，价格也会越来越低，使用虚拟仪器进行趋势，同样，虚拟仪器及技术也将近成为学校未来教学科研的重要方法和手段，特别是在理工科学校其应用前景非常广阔。