虚拟实验的教学与实践

王建立

（东南大学机械工程学院）

一、引言

随着科技的不断发展，特别是计算机网络的普及，大学生的知识体系在广度上有了很大提升。为了进一步拓展大学生知识结构的深度，在理论教学构建了完整知识体系的基础上，实验教学显得尤为重要。但是由于各方面条件的限制，实验室的设备和规模都难以满足广大学生的实验需求，目前很多还是以小组或者演示的形式让学生熟悉具体实验过程，学生能独立参与实验的机会非常少，特别是很难接触到国际前沿的实验技术和方法。

虚拟实验是以虚拟仪器为基础，采用计算机数字化实验仪器编程来实现，通过接口设备，完成传统实验设备的功能，因此在教学活动中应用日益广泛。常用的虚拟仪器的开发软件包括美国国家仪器公司的Labview 和LabWindows/CVI，美国Tektronis 公司的Tek-TNS 软件等，其中Labview 和LabWindows/CVI 软件采用图形化编程，学习操作简单，应用最为广泛，非常适合于本科生教学。目前虚拟实验系统已经在国内外高校的机械、电子、生物、物理等教学科研领域中发挥了重要作用。国外麻省理工学院微电子系的Alamo 教授开发的Weblab 虚拟实验系统较早投入教学使用，取得了很大成功。国内包括清华大学、上海交通大学等院校都开设了相关讨论课程。

通过虚拟实验教学，在有限的教学资源条件下，最大限度地发挥学生的创造力和能动性，培养科学研究兴趣。课题组结合热物性测量实验，探索了虚拟实验技术和应用，从而为今后的教学改革积累了一定的经验。

二、实验系统的主要内容

1.传统测量系统

图1（a）显示了该套系统的主要组成，包括样品、信号发生器、数字万用表、锁相放大器等仪器。传统实验条件下，学生操作顺序见图2 所示。先调整信号发生器发生频率，等数值稳定以后，读取数字万用表的电压读数，同时设置锁相放大器时间常数，读取幅值和相位信息。其中数字万用表精度为八位半，即每次要读9 位数字，锁相放大器为微伏精度，通常为6 位数字。为了保证测量精度，一般要求万用表读5～10 次取平均，锁相放大器也是5～10 次读数取平均。每组实验信号发生器改变30 个频率。因此记录一组实验大概需要2 小时左右。学生要时刻关注仪表读数的变化，迅速记录仪表数值，然后录入Excell 表格中，再绘制图表进行数据处理。

2.虚拟实验第一个阶段改进

利用虚拟仪器控制信号发生器、锁相放大器以及数字万用表，实现各个仪表自动参数设定、数据读取、存储和数据处理功能。用GPIB 线将三台主要设备连接，然后通过GPIB-USB 数据转换接口接入计算机中，编写仪器控制程序，用于设定三台设备的主要参数，例如改变信号发生器频率，读取锁相放大器幅值和相位，读取数字万用表电压。学生通过程序可以直接将数据保存到指定文档中，并进行数据处理。同样测量30 个频率，时间大概为半个小时，因此大大提高了测量效率，同时可防止人为因素引入的测量误差。

3.虚拟实验第二个阶段改进

第一个阶段只是利用虚拟仪器控制原有设备，而这个阶段则用虚拟仪器代替仪表，此时实验系统如图1（b）所示。为了实现虚拟实验，需要在计算机中置入数字/模拟转换器，在程序中编制虚拟信号发生器，用数字/模拟转换器转换为模拟信号输出到样品中，同时读取样品两端的电压信号，有数字/模拟转换器转换为数字信号，并在计算机中编写虚拟锁相放大器程序，处理得到对应的幅值和相位。读取固定电阻的电压，同样用数字/模拟转换器转换为数字信号，用计算机编写虚拟数字万用表程序，处理得到电压。将频率，幅值和相位，电压信号存储到固定文件中（原始数据），并用Labview 中的信号处理模块，处理得到最后样品的热物性参数（最终测量结果）。

图1 （a）传统实验系统；（b）虚拟实验系统

图2 传统实验过程

三、虚拟实验教学中的经验总结

通过以上教学实践活动可以看出，虚拟实验在学习科研过程中，与传统实验教学相比，在实现数字化教学，提高教学质量和水平，提高学生综合素质等方面都有重要意义。同时课题组也发现虚拟实验存在的一些容易被忽视的问题。

1.虚拟实验的积极作用

（1）理论与实验相结合。让学生在实验前推导了样品平均温度随电阻变化曲线，得到线性变化关系。通过学生动手实验，验证了推导的准确性，并进而计算得到了样品热物性参数。通过这个过程，加深了学生对电阻温度计的理解。同时在实验过程中，遇到了很多感兴趣的问题，通过不断提问，让学生对整个实验系统如何设计和实施有了全新的认识。通过这些互动，无论对教学和科研都具有重要促进作用。

（2）虚拟实验与传统实验相结合。传统实验更加具体、实际，学生直接与仪器仪表接触，掌握仪器的说明书。但是，说明书后面仪器通讯部分，往往被学生忽略。而虚拟实验用于控制仪器仪表设置以及自动读取读数的程序却需要学生掌握GPIB 通讯语言。学生通过自己学习说明书和Labview 语言，编写控制程序，实现数据读取、存储和处理，这本身就是能力培养的过程。学生在编程过程中遇到很多问题，例如无法跟仪器仪表通讯，如何调试，数据保存总是覆盖原有数据等。这些问题虽然在Labview 语言相关教材中也有论述，但是遇到这些问题以后，学生通过自我学习，解决问题的过程给他们极大的鼓舞和信心，提高了学习的积极性和主观能动性。特别是Labview 语言，不仅可以用于仪器控制，更能够可视化地实现许多语言需要编写大量代码才能实现的功能，简单易学，学生在学习主要内容之余，自己主动学习了该语言其他的模块功能，培养了学生的创造性。

（3）提高实验效率和质量。教学中，传统实验需要几个小时，引入虚拟实验后，现在压缩为半个小时，而且调试好以后，只需要点一下程序启动按钮，无需要人为记录读数，这都大大提高了实验效率。因此，学生可以在实验的关键环节，例如样品准备、数据处理、问题讨论等环节投入更多时间和精力。而记录数据这些重复性工作则有计算机代替，这也提高了实验的质量和水平。实验过程不再是演示，而是从理论推导到数据分析处理整个过程全方位交给学生，增强了学生对实验的理解。同时学生可以利用互联网远程监控实验过程，及时发现实验过程中的问题，使得教学内容在时间和空间上都得到延伸和拓展。

2.虚拟实验的可能问题

（1）仪器使用技能的淡化。在实验开始阶段，可能学生对实验过程还能够认真学习和把握，但是由于虚拟实验太过方便，久而久之，学生对一些仪器的参数设置的概念开始模糊，经常遇到例如仅需增加实验内容、改变实验参数，学生却需要从头学习仪器说明书，重新编程。因此一味依赖计算机可能会减弱仪器使用的真实感受和基本实验技能的训练。

（2）减弱对实验突发问题的处理能力。在实验过程中，会突然遇到一些意想不到的问题。如果是传统实验过程，学生就在实验现场，可能知道偏离所产生的原因。但是虚拟实验过程中学生往往不在实验现场，也没有实时监测数据，等看到已经测完的超乎预期的数据，又不会太留意，一般重新开始一组实验，因此会减少学生对实验过程的反思，更有甚者，失去发现新实验现象的机会。因此，虚拟实验更适用于成熟的实验过程，在实验初始阶段，学生最好能够通过传统实验过程进行培养。

四、结论

虚拟实验是在传统实验教学基础上的延伸和拓展，是现代实验教学发展的重要趋势和方向。虚拟实验能够很好地解决实验时间和空间限制性等问题，节约实验成本，因此推广虚拟实验对教学和科研都具有重要帮助。但是虚拟实验并不能完全代替传统实验过程，只有将虚拟实验和传统实验相结合，彼此互相促进和补充，才能让高等教育中的实验教学紧跟时代步伐，在培养综合型人才过程中发挥其应有的作用。

［1］厉旭云，梅汝焕，叶治国，等.高校实验教学研究的发展及趋势［J］.实验室研究与探索，2014（03）.

［2］侯国屏，王珅，叶齐鑫.Labview7.1 编程与虚拟仪器设计［M］.北京：清华大学出版社，2005.