虛擬儀器及技術(shù)在學(xué)校教育中的運(yùn)用與前景

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(yàn)中的運(yùn)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(jié)合進(jìn)行更具交互性和可操作性的計(jì)算機(jī)模擬仿真以及小組遠(yuǎn)程協(xié)作實(shí)驗(yàn)，為遠(yuǎn)程教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一種全新的解決方案。

虛擬儀器及技術(shù)
隨著低成本高性能的計(jì)算機(jī)資源普及運(yùn)用，數(shù)字化測(cè)量平臺(tái)逐漸成為測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)。在20世紀(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)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(gè)人計(jì)算機(jī)、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(yīng)用軟件有機(jī)結(jié)合構(gòu)成，使計(jì)算機(jī)成為一個(gè)具有各種測(cè)量功能的數(shù)字化測(cè)量平臺(tái)。它利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板，完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)、顯示等功能。
虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)之一是應(yīng)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(tái)，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(shè)計(jì)環(huán)境，使用者無需軟件專業(yè)背景，在幾天培訓(xùn)后即可根據(jù)圖標(biāo)用鼠標(biāo)自行編程設(shè)計(jì)測(cè)量?jī)x器和測(cè)量程序，有Windows經(jīng)驗(yàn)的使用者更容易掌握。由于它提供了大量虛擬儀器面板設(shè)計(jì)用開關(guān)、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(luò)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(biāo)和鍵盤操作虛擬儀器就象操作傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器一樣，但與傳統(tǒng)的儀器相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以由用戶自己定義、自己設(shè)計(jì)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(cè)試，它對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來說是一個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，從這些測(cè)量節(jié)點(diǎn)所得出的測(cè)量信息共享，利用虛擬儀器的開發(fā)平臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)或電子表格如NI的LabView、和Microsoft的Excel等，對(duì)信息進(jìn)行分析和構(gòu)成一個(gè)新的系統(tǒng)，使信息系統(tǒng)與測(cè)量系統(tǒng)無縫地連接起來，對(duì)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(shì)，且價(jià)格不斷下降，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信和科學(xué)研究等眾多方面得到了廣泛的應(yīng)用。如果我們不局限于將虛擬儀器僅僅當(dāng)作測(cè)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，可以發(fā)現(xiàn)，虛擬儀器系統(tǒng)及技術(shù)在學(xué)校教育特別是在計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)方面可以發(fā)揮更多的作用。下面，就具體問題進(jìn)行分析介紹。
虛擬儀器在學(xué)校教育方面的運(yùn)用及前景
1、 虛擬儀器作為測(cè)量分析儀器在教學(xué)、科研中的運(yùn)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(cè)量分析儀器設(shè)備，特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，每種儀器都必須配置多套，而且有的儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，因此儀器設(shè)備所需投資巨大，一般學(xué)校很難滿足，造成許多學(xué)校儀器設(shè)備缺乏和過時(shí)陳舊等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響教學(xué)科研。
如果運(yùn)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?jī)x器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)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(shè)備使用實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用
實(shí)驗(yàn)教學(xué)是許多專業(yè)必須進(jìn)行的一項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)。掌握測(cè)量?jī)x器和設(shè)備的操作使用方法是每個(gè)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本前提。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)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(duì)所有學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，既影響教學(xué)效果又容易造成儀器損壞。運(yùn)用CAI教學(xué)軟件輔助實(shí)驗(yàn)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(yàn)教學(xué)方面的CAI軟件還很少，而且功能不強(qiáng)，交互性、操作性和界面的真實(shí)程度較差，適應(yīng)范圍窄，在一定程度上限制了教師和學(xué)生使用的積極性。
如果用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)如LabWindows開發(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(jì)算機(jī)、軟件、功能硬件組成的，為了與之區(qū)分，故用引號(hào)），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(yàn)室，讓學(xué)生先在虛擬實(shí)驗(yàn)室通過對(duì)“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(shè)備和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備打下較好的基礎(chǔ)，既可降低教師的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少儀器設(shè)備的損壞，又可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與效果。以儀器的學(xué)習(xí)與使用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，根據(jù)實(shí)際使用的虛擬儀器設(shè)備，將各種虛擬儀器及工作原理、操作使用方法設(shè)計(jì)成獨(dú)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(yàn)室。
3、虛擬儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)結(jié)合在CAI和科研中的運(yùn)用
將虛擬儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)通過數(shù)據(jù)交換共享結(jié)合起來建成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，對(duì)一些科學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，能夠代替部分實(shí)際實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供教師和學(xué)生進(jìn)行教學(xué)與研究。學(xué)生利用計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬仿真，仿真的結(jié)果通過虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行觀察、分析、處理。由于仿真軟件和虛擬儀器均具有人機(jī)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(yàn)的感覺。
以電子技術(shù)教學(xué)為例，利用電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真軟件如PSPICE、Systemview等能夠完成與電子技術(shù)相關(guān)專業(yè)的多數(shù)電路與系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。當(dāng)對(duì)電子電路或系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，如需要運(yùn)用虛擬儀器進(jìn)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(jìn)行實(shí)時(shí)的分析處理、并生動(dòng)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(xué)生對(duì)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(shù)與Interent技術(shù)結(jié)合在遠(yuǎn)程教育中的運(yùn)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）、Socket(套接字)等，將Internet與虛擬儀器結(jié)合起來，可以為遠(yuǎn)程教育中實(shí)驗(yàn)教學(xué)這一公認(rèn)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(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)員可以不受地域、時(shí)間的限制，通過Internet利用瀏覽器在自己的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行各種虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)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)際的虛擬儀器與Internet結(jié)合組成遠(yuǎn)程虛擬儀器系統(tǒng)，將中心實(shí)驗(yàn)室的虛擬儀器和遠(yuǎn)端學(xué)員計(jì)算機(jī)上的“虛擬儀器”通過Internet聯(lián)系起來，建成網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)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(luò)條件下進(jìn)行，從而為遠(yuǎn)程教育如電大、網(wǎng)校解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shù)經(jīng)過十幾年發(fā)展，而今正沿著總線與驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)化、硬/軟件模塊化、編程平臺(tái)圖形化和硬件模塊的即插即用方向前進(jìn)，以開放式模塊化儀器標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)正日趨完善，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，建立在虛擬儀器技術(shù)上的各種功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良的先進(jìn)儀器將層出不窮，價(jià)格也會(huì)越來越低，使用虛擬儀器進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試將成為一種趨勢(shì)，同樣，虛擬儀器及技術(shù)也將成為學(xué)校未來教學(xué)科研的重要方法和手段，特別是在理工科學(xué)校其應(yīng)用前景非常廣闊。



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