基于虚拟仪器技术的电工电子实验教学模式研究

孟涛?李琰?王猛

摘要：论述了虚拟仪器相比于传统仪器的优势以及在电工电子实验教学中采用虚拟仪器的现实意义。结合电工电子实验教学的特点，介绍了在传统的实验项目中引入虚拟仪器的阶段性过程与实施方案，并对预期的效果进行了展望。

关键词：虚拟仪器；实验教学；电工电子

作者简介：孟涛（1980-），男，辽宁盘锦人，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，工程师；李琰（1977-），男，黑龙江大庆人，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，工程师。（黑龙江?哈尔滨?150001）

基金项目：本文系哈尔滨工业大学2010年度教学研究立项的研究成果。

中图分类号：G642.423?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）21-0081-01

实验教学是电工电子类课程必不可少的环节，学生只有通过足够的验证性实验和一定数量的综合性实验，才能真正理解和掌握所学的理论知识。仪器是实验的基础，要保证实验的开设质量，就要同时购置多套先进的仪器。一个传统的实验要使用多种仪器，且不同实验所用仪器也不尽相同，开设综合性实验所需仪器就更多。种类丰富的仪器不仅价值昂贵、体积大、占用空间多，且相互连接也十分麻烦。如何合理配置教育资源，解决好资金投入与人才培养之间的矛盾，是开展实验教学经常要考虑而又伤脑筋的问题。[1，2]

1986年美国国家仪器公司（NI）提出了虚拟仪器的概念。[3，4]所谓虚拟仪器实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统，由电子测量技术与计算机技术深层次结合的、具有很好发展前景的一类新型电子仪器，它贯彻了“软件就是仪器”的思想，通过在通用硬件平台上设计软件来实现仪器的功能。20多年来，虚拟仪器以其优越的特点已经在世界范围内得到了广泛的应用。近几年来，我国对虚拟仪器的需求也在急剧地增长，特别是伴随着计算机技术的飞速发展，高性能的计算机技术推动了以软件作为核心的虚拟仪器技术的快速发展。虚拟仪器在军事、科研、测量以及测控等众多领域的应用已经证实它的价值所在。[5，6]

一、虚拟仪器的特点及其在实验教学中的作用

1.虚拟仪器的特点

电子测量仪器发展至今，大体分为四代：第一代为模拟仪器，如指针式万用表、晶体管电压表等，其基本结构是电磁机械式的，借助指针显示最终结果；第二代为数字化仪器，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等，这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果；第三代为智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动检测，又具有一定的数据处理能力，其功能块以硬件或固化的软件形式存在；第四代为虚拟仪器，是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户面的软件组成的检测系统，它是一种完全由计算机来操作控制的模块化仪器系统。

虚拟仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。与传统仪器相比较，虚拟仪器的强大优势主要表现在：

（1）传统仪器开发和维护费用高、价格较昂贵，而虚拟仪器开发时间短、开发和维护费用低、价格低廉。

（2）传统仪器技术更新周期长，一般为5-10年，而虚拟仪器技术更新周期短，一般仅有0.5-1年。

（3）传统仪器的关键是硬件，而硬件比较固定且不灵活。而虚拟仪器的关键是软件，仪器硬件的软件化，增强了仪器的灵活性和可操作性。

（4）传统仪器连接的设备数量有限、功能单一、使用不便。而虚拟仪器能支持计算机网络技术和接口技术，具有方便、灵活的互联能力，可以通过连接互联网与周边众多仪器相连，实现对测控单元测量过程和控制过程的自动化、智能化、网络化。

2.在实验教学中引入虚拟仪器的意义

虚拟仪器技术是仪器技术发展的最新方向，在以硬件实验为主的电工电子实验中引入虚拟仪器无论对于学生还是对于实验室本身都具有非常重要的现实意义，主要体现在：

（1）虚拟仪器的使用，丰富了教学内容，提高了实验成功率，使得学生在实验中设计效率、质量都有所提高，设计周期缩短。在较好地掌握教学内容的同时，充分发挥了个人的创造性。

（2）虚拟仪器的使用，可辅助实验室开设出更多复杂的实验内容，甚至一些实验室不具备开设条件的实验也可通过该方式开设出，并得到比较满意的效果。

二、基于虚拟仪器的电工电子实验模式

1.阶段性分析

在开展基于虚拟仪器的电工电子实验教学时，为了顺利地完成教学任务和提高教学质量，在实际的实验教学中，此类实验应该分阶段进行，逐步地由浅入深展开。

第一阶段：在传统的基于数字化仪器的硬件实验中选择适当的实验内容，要求学生在完成基本实验内容的同时，再利用现有常用的虚拟仪器进行测试，让学生在实验中加深对虚拟仪器概念的理解，充分熟悉实际的各类电子仪器和与之相关的虚拟仪器，如虚拟示波器、虚拟信号发生器等。

第二阶段：在课堂上对虚拟仪器开发软件进行讲解，并开设相关的上机实验，让学生充分地利用计算机软件在数据采集、存储、分析、处理、传输以及控制等方面的强大功能，在PC机上虚拟出信号发生器、虚拟示波器以及数字万用表等，在实验中加深对虚拟仪器及其开发过程的掌握。

第三阶段：开设以虚拟仪器为主要设备的实验课程，让学生在教师的指导下，搭接适当的实验电路，并根据实验要求，利用自己开发的各类相关虚拟仪器完成实验内容。在此基础上，与利用已有虚拟仪器以及实验室中各类数字化仪器所完成的实验结果进行对比，加深学生对虚拟仪器与数字化仪器各自特点的了解。

第四阶段：在原有实验项目的基础上，增加综合设计性的实验项目，鼓励学生选做创新型实验，要求学生自己选题，并根据实验内容和特点自行在各类数字化仪器与虚拟仪器中进行选择，制定实验方案，编写程序，根据需要来设计基于虚拟仪器的实验方法与实验步骤，独立完成实验内容。

第五阶段：采取学生报名或者教师推荐的方式，在学生中选取部分优秀的学生进行基于虚拟仪器的创新项目学习，采用学生自选项目与教师指定项目相结合的方式，组成科研小组，根据实际项目的需要，在原有的虚拟仪器模块上进行深入开发，真正感受到采用虚拟仪器进行项目开发的优势。

2.预期效果

在电工电子实验教学中引入虚拟仪器技术，有助于提高实验教学质量，在教学效果、学生培养、教师素质以及教学成本等方面都将起到积极的作用，具体效果如下：

（1）在实验效果方面，采用虚拟仪器技术进行实验教学时，学生将能够更加自主地、灵活地进行实验，并且在有限的时间里进行更多的实验项目，掌握更多的知识。

（2）在学生培养方面，由于电工电子实验是专业基础类课程，引入虚拟仪器技术将使得更多的学生受益，对众多学生接下来的专业课实践及设计环节具有很强的推动与促进作用。

（3）在教师素质方面，基于虚拟仪器的实验教学促进了实验教师素质的提高。教师不仅掌握实验的基本原理，同时也了解了虚拟仪器的性能及其最新发展，而教师素质的提高又进一步有利于对学生的指导。

（4）在教学成本方面，采用虚拟仪器的实验教学将使得实验室在师资、设备、环境、耗材等方面的开支大幅度降低，节省的经费可以充分地投入到实验内容的创新以及实验模式的优化，促进了实验教学效果的进一步提高。

三、结束语

电工电子实验技术技能的培养是一项基础教学工程。随着电工电子技术的不断发展，学生需要学习和掌握的知识越来越多，传统的实验方式已无法满足教学的要求。在电工电子实验教学中引入虚拟仪器技术为传统的实验教学提供了一个新的模式。在传统实验项目的基础上逐步地增加虚拟仪器的实验内容，有助于学生实验能力的培养，是电工电子实验教学模式发展的重要方向。

参考文献：

[1]陈东升,李梅.虚拟仪器技术在电路分析基础教学中的应用[J].中国电力教育,2011,(8):110-111.

[2]施敏敏.虚拟仪器在电工电子实验教学中的应用[J].中国科教创新导刊,2011,(34):211-212.

[3]潘文霞,刘刚,何光辉.虚拟仪器在电力专业创新培养中的作用[J].中国电力教育,2007,(S4):541-542.

[4]舒筠佳.基于虚拟仪器技术的高校电子实验平台开发[J].上海电力学院学报,2009,25(3):253-256.

[5]魏宏波.基于虚拟仪器技术的实验教学改革探讨[J].中国现代教育装备,2009,(11):92-94.

[6]赵文锋,罗锡文,王海林.基于远程虚拟仪器的电工学网络课程的教学设计[J].沈阳师范大学学报(自然科学版),2012,30(1):126-128.

（责任编辑：刘辉）