虛擬技術在實驗教學中的運用

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在職業學校里，課程很多是一體化的，像“電拖”“電子”“PLC”等都離不開實訓，那么如何上好這些課程呢？只買設備可以嗎？買設備只是一方面，如何既經濟又有效果地把這些課程完善呢？利用虛擬儀器是發展的方向。虛擬儀器技術主要是在計算機基礎上發展起來的，在各個領域都有應用，例如電子、醫療等領域，特別是在電子方面發展迅速。如果學校的教育跟不上時代，那必然淘汰。

1現狀分析

目前很多職業院校的實驗設備主要表現在：（1）實驗設備有好有壞，大部分設備落后于課程建設的需要。（2）很多中等職業院校實驗設備還是陳舊的設備，教學也是老套，這樣就限制了學生的創新和就業。（3）有的學校老師教學觀念新穎，可是設備落后，這樣限制了老師的積極性，同時制約了他們的創新。（4）先進的實驗設備由于資金的欠缺遲遲不到位，限制了學生的學習的動力。社會在不停地發展，電子更是日新月異的發展，如果學生的思想跟不上，動手能力跟不上，那么就業和創新就會遇到很多困難。為了不投入更多的資金同時能起到創新的作用，虛擬儀器的研究和使用將是一個大的發展趨勢。

2虛擬技術在實驗教學里的優點

虛擬技術最大限度地利用日新月異的PC功能，改進課程中的動手實踐環節。它體現了現代教學手段和思想，是實驗教學改革的必然發展方向。其主要優勢具體體現在以下方面。

2.1節省投資，維護成本低

這是當前虛擬技術應用于實驗教學的最大優勢。許多傳統實驗儀器設備成本高、體積大，一般院校沒有經濟實力配備，使得實驗教學成了紙上談兵。利用虛擬技術構建虛擬實驗環境，使用虛擬儀器代替傳統儀器完成測量測試，充分利用實驗室現有計算機資源，一機多用，可以大大降低實驗室建設、改造與維護的資金、時間和空間成本，提高實驗室使用效率，極大滿足教學需求。

2.2資源共享，不受時空限制

作為基于網絡信息技術的現代教育模式，虛擬實驗操作不僅可以在實驗室PC上進行，還可以在網絡終端上進行，不受時間、空間的限制，儀器設備資源共享，滿足個人學習需求。

2.3擴展性強，易于二次開發

軟件模塊易于修改和擴展，可以緊跟實際儀器和設備的技術進步進行二次開發，在無需購置硬件設備的情況下，實現產品功能的更新，確保了未來可用性以及系統調整或擴充的靈活性。

2.4自主操作，實時交互

學員可以自己選擇實驗項目和相關儀器設備，利用計算機交互操作，真正使教學活動以學員為中心，充分調動學員的學習積極性[1]。

3虛擬儀器技術

3.1虛擬儀器技術概述

虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學家們都已將NILabVIEW圖形化開發工具用于產品設計周期的各個環節，從而改善了產品質量，縮短了產品投放市場的時間，并提高了產品開發和生產效率。使用集成化的虛擬儀器環境與現實世界的信號相連，分析數據以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內提高生產效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們任何項目需要。

3.2虛擬儀器技術的優勢

3.2.1性能高

虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發展起來的，所以完全“繼承”了以現成即用的PC技術為主導的最新商業技術的優點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使人們在數據高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發展的互聯網和越來越快的計算機網絡使得虛擬儀器技術展現其更強大的優勢。

3.2.2擴展性強

NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當前的技術中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進整個系統。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。

3.2.3節約時間

在驅動和應用兩個層面上，NI高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表和通信方面的最新技術結合在一起。NI設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使我們輕松地配置、創建、、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。

3.2.4無縫集成

虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設備提供了標準的接口，幫助我們輕松地將多個測量設備集成到單個系統，減少了任務的復雜性。　　虛擬儀器技術是現代教育技術重要組成部分，在虛擬實驗教學的研發中可以采取多種不同的軟件工具和開發方法，目前有基于Flash技術、基于CAD軟件、基于LabVIEW的虛擬儀器技術、基于Java技術和基于VRML的虛擬現實技術等，其中虛擬儀器技術和虛擬現實技術是當前探討和應用的熱點。虛擬技術是一種圖形化的編程語言，廣泛應用于工業界、學術界和研究實驗室，可被視為一個標注的數據采集和儀器可控制軟件。其內部設置了便于應用的一些標注的庫函數，是一個功能強大且靈活的軟件。利用虛擬技術可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。與傳統的儀器相比，虛擬儀器除具有成本低、功能強大、便于升級與維護和易于同網絡、外設相連等特點外，其主要優點是可以由用戶自己定義、自己設計儀器系統，使儀器的功能更加強大、靈活，滿足不同的要求。傳統的電子測量分析儀器功能較為單一，完成一個教學、科研項目，有時需要多種儀器設備組合起來，成本高，占地面積大，使用不便。特別是實驗教學，每種儀器都必須配置多套，對于價格昂貴的儀器設備，一般學校是難以承受的。儀器設備缺乏和過時陳舊等現象，嚴重影響教學科研。通過虛擬儀器技術，可以將多臺傳統儀器功能集成到一套用戶自定義的虛擬儀器中，極大地提高教學科研的質量與效率[2]。

4虛擬技術應用案例

虛擬技術不但適用于各種測量和自動化領域，而且無論工程師是否有豐富的開發經驗，都能順利應用，因此，目前“虛擬技術”已經成大學生必修的一門基礎實驗課程。通過理論與實例相結合的方式，結合教師的教學豐富經驗能帶動學生學習的積極性。通信測量儀器儀表的使用和通信設備的操作是信息的主要課程使用設備，通過虛擬訓練系統的學習，學生可以很快適應實際通信機房工作環境，熟練使用儀器儀表和設備。電子技術中，虛擬儀器技術利用高性能的模塊化硬件和高效靈活的軟件完成各種測試、測量和自動化功能的應用。靈活高效的軟件能創建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統集成，標準的硬件平臺能滿足用戶對同步和定時應用的需求。與傳統儀器相比，優點很多。電子設計自動化（ElectronicsDesignAutomation，EDA）技術設計數字系統通常需要將系統分成若干層，采用自頂向下的層次設計方法，設計者只要將每一層次的系統結構和功能描述出來，并編輯輸入軟件即可。其軟件自動完成，這樣做極大地簡化了設計工作，提高了效率，適用于小批量的產品的開發，也適用于大批量產品的樣品研制，因此得到了越來越多的廣泛應用[3]。EDA技術與電子技術各學科領域的關系密切，其發展歷史同大規模集成電路設計技術、計算機技術、電子設計技術和電子制造工藝的發展是同步的，可大致將EDA技術的發展分為4個階段。計算機輔助設計；計算機輔助工程設計；電子設計自動化；可編程片上系統。根據以上可以明顯可以看出所有這些離不開電腦[4]?，F在，EDA技術更多地指數字集成電路的應用與集成，模擬電子以及其他電路設計自動化的發展尚不完善。尤其是射頻電路設計，因為要涉及高等數學里的一些知識而這些知識又很難，導致其分析過程更加繁瑣，亟待提高。虛擬技術在電子實驗室中的應用優勢：（1）虛擬實驗設備是一個很不錯的平臺，可重復利用，減少了資源浪費。其使用“所見即所得”能夠看得見的界面，生動形象地展現給學生，促進學生的學習興趣和創新能力培養。并且針對測試、測量和過程控制等電子信息技術與控制技術等應用領域，使用學生所熟知的數據流程圖式的語言書寫程序代碼，編程過程和思維過程很相近，使編寫程序變得簡單，而且寫出來的程序更易懂。（2）虛擬設備提供了很多而且實用的函數庫以及硬件驅動程序資源，學生可以在很短的時間內開始設計并開發出滿足自己需要的東西，并且可以通過修改軟件的方法很方便地改變或增或減功能，以滿足新的需求。（3）虛擬設備提供了很多常用的實驗設備，如表頭、旋鈕、開關、各種示波器等，學生還可以通過控制編輯器，將現有的控制對象修改為適合自己工作領域的控制對象，可以方便直觀地進行計算和檢驗查看實驗結果。

5結語

社會對人才的實踐和動手能力的要求越來越高，實驗條件的限制使得傳統實驗無法滿足人才培養的需求。虛擬平臺的儀器最大優勢和得天獨厚的優點，為實驗教學提供了很好的教學平臺，并正在成為傳統實踐教學的重要補充。雖然虛擬技術的應用普及以及網絡化發展還有待于進一步的研究，但可以肯定，虛擬技術必將成為院校實驗教學中的重要手段，對實驗室建設起到巨大促進作用。

[參考文獻]

[1]王新剛，陳霞，余潔.關于虛擬實踐教學環境構建的探討[J].教育與職業，2007（2）：160-162.

[2]雷勇.虛擬儀器設計與實踐[M].北京：電子工業出版社，2005.

[3]韋有雙，楊湘龍，王飛.虛擬現實與系統仿真[M].北京：國防工業出版社，2004.

[4]梁宇濤.虛擬現實技術及其在實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2006（3）：81-85.

作者:李蓮英 單位:許昌電氣職業學院