浅谈在实验教学中引入虚拟仪器技术的重要性

田硕　魏庆涛

摘 要：主要分析了虚拟仪器技术在实验教学中的应用优势，并探讨了虚拟仪器技术在实验室中的应用。在实验室教学中引入虚拟仪器技术不仅能够激发学生的学习兴趣，节约教学成本，还能够提高教学质量和教师科研能力。

关键词：虚拟仪器；应用优势；学习兴趣

传统的实验教学方法通常是教师指导学生在实验箱面板上连接相应的原理图，通过各种仪器仪表观察各项指标和波形曲线等。虽然这种方式可以在一定程度上提高学生的动手能力，但由模拟实验装置得出实验效果并不理想。同时，为了保证实验教学的正常开展，必须购买一定数量的设备，另外还需一定的实验场地。因此传统实验教学的问题主要体现在以下几点：（1）实验设备重复，成本高；（2）实验设备参差不齐，大部分设备比较陈旧，更新较慢；（3）实验的内容侧重于理论的验证和模仿训练。基于这些滞后陈旧的实验设备和传统的实验模式，学生的积极性、主动性和创新性得不到激发。因此，把虚拟仪器技术引入实验教学中，从而大幅度节约仪器成本，提高教学科研质量与效率。

一、虚拟仪器技术

虚拟仪器是现代仪器技术和计算机技术深层次结合的产物，在以计算机为核心的硬件平台上，利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，完成传统仪器面板上的各种器件的相应功能，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用I/O接口设备完成信号的采集测量与输出，从而完成各种测试功能的一种计算机测试系统。

虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。利用虚拟仪器软件开发平台在计算机屏幕上虚拟出仪器的面板，学生通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关和按键，设置各种工作参数，启动、停止及控制仪器，并直接从虚拟仪器面板读出测量结果。通过这种方式在屏幕上通过虚拟仪器面板对仪器的操作如同在真实仪器上的操作一样直观、方便、灵活。

二、虚拟仪器技术在实验教学中的应用优势

1.激发学生学习兴趣

虚拟仪器通过相关的计算机软件可以建立逼真的演示实验，使课堂教学更加的丰富，互动性强。实验课时，通过教师的语言讲解，亲身动手演示和学生的动手搭建实验平台，从听觉、视觉和触觉3个角度刺激学生去学习，使问题更容易被学生理解，实验过程更容易让学生接受，从而使学生更牢固地掌握基本概念。

2.节约教学成本

在实验室中使用虚拟仪器可以节约大量仪器设备的经费投入，提高设备的利用率。随着高校学生的增加和科技的快速发展，高等学校中实验设备的落后和数量的不足逐渐体现出来。首先，购置仪器设备所需投资巨大，大多普通高等院校没有足够的经费进行设备的采购和更新。其次，传统仪器购买后还需要场地来存放，需要有专门的人进行后期的维护。第三，维护需要投入一定数量的人力物力。第四，如果后期管理不当，会导致虽然有仪器，但是却不能正常使用的现象。第五，实验设备买回来以后大多数只能进行两三个实验，真正的利用率并不高。

如果在实验室中运用虚拟仪器系统，需要投入的资金和购买传统仪器相比要低很多，虽然系统建立初期也需要投入一定的经费，用来购买硬件设备和相关软件。但是后期仪器的更新主要是软件的更新，这使得购置设备的投资大大降低。后期仪器的维护仅限于对于计算机和软件的维护，不需要大量的资金和人力。

3.实现网络化教学

与传统实验室相比，虚拟实验室能够提供可操作的虚拟实验仪器，使学生在互联网上通过接近真实的人机交互界面完成实验。在虚拟实验室中，学生还可以将实验中的经验、教训、收获和问题发布到网上。从教师角度来说，教师可以及时发现学生实验中的问题，给学生提出建议并指导学生正确完成实验。从学生角度来说，学生可以及时得到教师的指导，也可以吸收别人的经验，从而使自己的能力得到提升。

4.提高教师科研能力

教师只有通过科研活动，不断吸收新知识、创造新成果，并把这些新知识、新成果充实到教学内容之中，才能使教学内容具有科学性和超前性。虚拟仪器技术引入实验室后，一些从事过测试系统研究、熟悉虚拟仪器工作流程、对新技术新知识有探索精神的教师可以利用优良的工作环境进行不断深入的研究，开发出更多更高级的实验来充实和丰富大学的教研工作。

三、虚拟仪器技术在实验室中的应用

1.代替传统仪器

传统的教学实验室一般需购置大量的基础测量仪器。而且投资大，技术更新快、维护困难。利用虚拟仪器技术，我们可以设计出与实际仪器在原理、功能和操作等方面完全一样的全软件虚拟仪器。利用这些虚拟仪器，学生在计算机上就可以学习和掌握仪器原理、功能操作。虚拟仪器技术正在迅速发展，它可以取代测量技术传统领域的各类仪器。

在虚拟仪器环境下，用虚拟仪表直接观察输入不同信号波形所引起的结果差异，以波形、指示表、数值等多种形式显示测量结果。我们可以使用系统提供的各种控件图标，如：旋钮、开关、按钮等，设计出清晰直观、易于操作的前面板，用于设置输入数值和输出量。在虚拟仪器前面板上可以模拟出真实仪器的操作显示面板，根据仪器的功能，设置实时波形显示窗口、数据采集等控制窗口。在虚拟实验室中，学生可以完成在实验室没有条件完成的实验，使用到在实验室没有的仪器设备，看到在实验室现有条件下看不到的测试波形和结果，同时也可以考查学生的综合实验能力。

2.搭建虚拟实验开发平台

在实验室中引入虚拟仪器除了满足日常教学实践任务，还可以用于开发数据检测、数据测量采集系统、工业自动控制系统和数据分析系统等领域的专用软件开发平台。实验者可使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程就可以充分发挥自己的才能，按自己的意愿随心所欲地设计自己的仪器系统。

自20世纪90年代以来，计算机技术迅猛发展，虚拟仪器技术在数据采集、自动测试和测量仪器领域得到广泛应用，促进和推动测试系统和测量仪器的设计方法与实现技术。例如，虚拟仪器技术在国内发动机测试领域已经广泛应用，并成为测试系统设计的主流。潍柴动力、洛阳一拖等国内大型柴油机生产企业，已经将虚拟仪器技术應用于柴油机出厂测试。国内很多高校进行了相关的研究，清华大学在这方面的应用研究较为领先，利用虚拟仪器技术构建的发动机检测系统为国内早期应用的代表。当然这只是虚拟仪器技术应用的一个例子，等待我们去开发的领域还很多。虚拟仪器的出现最终将取代大量的传统仪器成为仪器领域的主流产品，成为测量、分析、控制及自动化仪表的核心。

通过对虚拟仪器技术的优势和应用的介绍，我们看到在大学实验室引入虚拟仪器技术是势在必行的。虚拟仪器技术使实验设备功能和实验方法水平都产生了质的飞跃，这促使我们的实验教学能跟上信息时代飞速前进的步伐。它无论在教学还是科研方面都让我们看到利用新技术提高学校教学质量和科研能力的科学创新之路。

参考文献：

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[2]王槐生，李娟娟.虚拟仪器在“电子测量技术”教学中的改革与应用[J].中国电力教育，2011（11）：107-108.

[3]汤书森，马义德.虚拟仪器实验室平台的构建[J].仪器仪表学报，2006（12）：248-251.

编辑 李建军