虚拟仪器在高等职业教育中的应用

高晓燕　王惠贞

[摘要]虚拟仪器具有使用灵活、功能强大、性价比高等特点。将虚拟仪器应用于高等职业教育教学和实验中，可在提高效率、降低成本的同时提高教学质量。

[关键词]虚拟仪器职业教育

引言

高等职业教育具高等教育和职业教育双重属性。实践教学环节是职业教育的重要组成部分，作用尤为重要。理工科专业如电子技术、测试技术、传感器、信号分析等课程要通过安排大量的实验来加强对学生的实践能力培训。目前，我国一些高等职业院校适应社会需求准备开设或已开设了新专业，但由于经费缺乏等原因制约了发展。

虚拟仪器引入教学

虚拟仪器Ⅵ(Virtual Instruments)是一种基于计算机的自动化测试仪器系统，采用计算机开放体系结构取代传统的单机测量仪器，借助计算机对各类数据进行处理、显示和存储。图1为插卡式Ⅵ的实现原理：

仪器功能通过软件编程实现，仪器界面由用户定义，信号由数据采集系统送入计算机，利用虚拟仪器分析、处理，用户通过鼠标或键盘操作界面上的旋钮、开关和按键，测量和分析结果由虚拟仪器界面读出。用户通过虚拟界面对仪器的操作如同操作真实仪器一样直观，而使用更为方便、灵活。还可以脱离硬件(数据采集卡等外设)开发虚拟实验室，将实验放在计算机上，学生通过操作计算机完成实验。因此，一台虚拟仪器替代多台传统实验仪器的功能。虚拟仪器和计算机结合，开拓了更多的功能，具有很大的灵活性。计算机不但可以对数据进行分析处理，还可编辑、存储、打印，还可方便地与网络外设、应用等连接。软件部分价格低廉，技术更新快，大大节省开发维护费用。

虚拟仪器带来教学革命

1.虚拟仪器提高了学生的动手能力

虚拟仪器的引入强化了模拟教学和实习教学，打破原来重理论轻实践的教学方式，学生通过计算机即可完成理论到实践的转化，有助于构建“理论一实践(实习)”一体化的教学模式，使实践(实习)教学日常化。同时，还提高了教学效果，使课堂教学实用化，增强了课堂教学的实用性和考试的实效性。以使用HP3562信号分析仪进行振动信号频谱分析为例，除了硬件连接，学生需要经过仪器测量方式、窗口、平均、频率范围、量程、显示方式、坐标等多个部分的学习才能进行频谱分析。学生的大部分精力都用来学习仪器的使用，而不是实验本身。通过对虚拟仪器的学习，使学生在接触真正的仪器仪表时不会由于一无所知而不知所措。虚拟仪器编程灵活，让学生感悟和应用最先进的技术，帮助学生感性认识和深刻理解在传统电子测量教学中难以理解的概念，从而积极主动地去学习。目前高等学校课程压缩，课时减少，学生可以用业余时间深入学习软件，完成更多实验。

2.虚拟仪器丰富了教学过程

利用虚拟仪器软件可以制作示波器、逻辑分析仪、波特图示仪、数字万用表等多种虚拟仪器、仪表，能方便将元件选择、算法设计、系统仿真等融为一体，对教学内容进行仿真。丰富了教学手段，增强了教学效果。教师使用虚拟仪器的实时演示功能可以使理论教学中抽象的问题变得较容易理解。如《信号与系统》中的频域分析部分，很多学生在一开始很难理解时域信号是如何转换到频域的，我使用Lab-VIEW软件，演示了“信号分解与合成”的例子，很快解决了这个问题。另外，虚拟仪器技术将PC技术及以太网络相结合，可以将来自测量或控制设备中的资料直接传送到web网页上，还可以远程控制仪器设备。创建虚拟实验室或虚拟网络实验室，以计算机为平台，凭借方便、灵活的互联能力，借助于Windows系统的远程桌面、LabVIEW的网络通信功能、网络协议等，在Web上发布虚拟仪器的面板，直接在本地打开并操控虚拟仪器，实现远程测试等功能。

3.虚拟仪器改善了高等职业教育实验状况

理论课程如自动控制原理、信号与系统等，可以通过演示实验让学生直观地了解信号或系统的特点，实践型课程如数字信号处理、测试技术、传感器等可以获取真实的被测信号，用计算机软件实现控制数据的采集、分析、处理、显示等功能。虚拟仪器精度高，不存在机械故障，也没有硬件磨损。虚拟仪器的更新是通过修改程序或软件升级实现的。因此，虚拟仪器又被称为“绿色仪器”。避免了资源浪费。维护方便省力。虚拟仪器是基于计算机的，其数据分析速度、精度多有很大提高空间。实验之余，计算机还可以做它用。利用网络技术与虚拟仪器技术相结合构建虚拟网络实验室，从而现实远程测控、资源共享、数据共享，不仅可以节省大量仪器设备的经费投入，而且为教学提供了一种全新的现代化教学手段。但是，虚拟仪器不能完全代替仪器仪表。实际仪器使用时遇到的问题诸如工作温度、电压等因素影响是虚拟仪器实验遇不到的，可能会给学生日后的实际工作带了不便，教师应加以说明。

虚拟仪器用于教学一例

美国NI公司的图形化编程软件LabVIEW以其易学易用、功能强大的特点被广泛使用。图2所示信号发生器就是用Lab-VIEW来实现的。

这个信号发生器可以产生周期信号、随机信号和公式波形。在使用公式波形时，输入公式就可以得到相应的波形。对频率、幅值等参数的设置通过上下调节按键实现。数据采集卡(DAQ)的输出端得到信号。当要求改变一起功能时，对程序作改动即可。而使用传统实验的方法，信号的产生和观测要用到信号发生器和示波器两台仪器，其价格高达几千甚至上万元。

结语

利用虚拟仪器使理论教学与实践更紧密地结合，达到到了“教”和“学”的双赢。虚拟仪器为高等职业教育提供了广阔的并且可以无限发展的空间，在教学和科研中多发挥着越来越重要作用，是未来实验室的重要发展方向。

中图分类号：G64

文献标识码：A

参考文献：

[1]扬炳样.高等职业教育的培养目标及培养模式改革构想[J].中国培训。2007(1)

[2]朱 岩，余愚.虚拟仪嚣技术研究现状与展望[J].现代制造技术与装备、2008(6).