虚拟技术在实验教学中的应用

李莲英

（许昌电气职业学院，河南 许昌 461000）

在职业学校里，课程很多是一体化的，像“电拖”“电子”“PLC”等都离不开实训，那么如何上好这些课程呢？只买设备可以吗？买设备只是一方面，如何既经济又有效果地把这些课程完善呢？利用虚拟仪器是发展的方向。

虚拟仪器技术主要是在计算机基础上发展起来的，在各个领域都有应用，例如电子、医疗等领域，特别是在电子方面发展迅速。如果学校的教育跟不上时代，那必然淘汰。

1 现状分析

目前很多职业院校的实验设备主要表现在：（1）实验设备有好有坏，大部分设备落后于课程建设的需要。（2）很多中等职业院校实验设备还是陈旧的设备，教学也是老套，这样就限制了学生的创新和就业。（3）有的学校老师教学观念新颖，可是设备落后，这样限制了老师的积极性，同时制约了他们的创新。（4）先进的实验设备由于资金的欠缺迟迟不到位，限制了学生的学习的动力。

社会在不停地发展，电子更是日新月异的发展，如果学生的思想跟不上，动手能力跟不上，那么就业和创新就会遇到很多困难。为了不投入更多的资金同时能起到创新的作用，虚拟仪器的研究和使用将是一个大的发展趋势。

2 虚拟技术在实验教学里的优点

虚拟技术最大限度地利用日新月异的PC功能，改进课程中的动手实践环节。它体现了现代教学手段和思想，是实验教学改革的必然发展方向。其主要优势具体体现在以下方面。

2.1 节省投资，维护成本低

这是当前虚拟技术应用于实验教学的最大优势。许多传统实验仪器设备成本高、体积大，一般院校没有经济实力配备，使得实验教学成了纸上谈兵。利用虚拟技术构建虚拟实验环境，使用虚拟仪器代替传统仪器完成测量测试，充分利用实验室现有计算机资源，一机多用，可以大大降低实验室建设、改造与维护的资金、时间和空间成本，提高实验室使用效率，极大满足教学需求。

2.2 资源共享，不受时空限制

作为基于网络信息技术的现代教育模式，虚拟实验操作不仅可以在实验室PC上进行，还可以在网络终端上进行，不受时间、空间的限制，仪器设备资源共享，满足个人学习需求。

2.3 扩展性强，易于二次开发

软件模块易于修改和扩展，可以紧跟实际仪器和设备的技术进步进行二次开发，在无需购置硬件设备的情况下，实现产品功能的更新，确保了未来可用性以及系统调整或扩充的灵活性。

2.4 自主操作，实时交互

学员可以自己选择实验项目和相关仪器设备，利用计算机交互操作，真正使教学活动以学员为中心，充分调动学员的学习积极性[1]。

3 虚拟仪器技术

3.1 虚拟仪器技术概述

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量，缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。

3.2 虚拟仪器技术的优势

3.2.1 性能高

虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使人们在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的互联网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。

3.2.2 扩展性强

NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。

3.2.3 节约时间

在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通信方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使我们轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

3.2.4 无缝集成

虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助我们轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。

虚拟仪器技术是现代教育技术重要组成部分，在虚拟实验教学的研发中可以采取多种不同的软件工具和开发方法，目前有基于Flash技术、基于CAD软件、基于LabVIEW的虚拟仪器技术、基于Java技术和基于VRML的虚拟现实技术等，其中虚拟仪器技术和虚拟现实技术是当前探讨和应用的热点。

虚拟技术是一种图形化的编程语言，广泛应用于工业界、学术界和研究实验室，可被视为一个标注的数据采集和仪器可控制软件。其内部设置了便于应用的一些标注的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。利用虚拟技术可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

与传统的仪器相比，虚拟仪器除具有成本低、功能强大、便于升级与维护和易于同网络、外设相连等特点外，其主要优点是可以由用户自己定义、自己设计仪器系统，使仪器的功能更加强大、灵活，满足不同的要求。传统的电子测量分析仪器功能较为单一，完成一个教学、科研项目，有时需要多种仪器设备组合起来，成本高，占地面积大，使用不便。特别是实验教学，每种仪器都必须配置多套，对于价格昂贵的仪器设备，一般学校是难以承受的。仪器设备缺乏和过时陈旧等现象，严重影响教学科研。通过虚拟仪器技术，可以将多台传统仪器功能集成到一套用户自定义的虚拟仪器中，极大地提高教学科研的质量与效率[2]。

4 虚拟技术应用案例

虚拟技术不但适用于各种测量和自动化领域，而且无论工程师是否有丰富的开发经验，都能顺利应用，因此，目前“虚拟技术”已经成大学生必修的一门基础实验课程。通过理论与实例相结合的方式，结合教师的教学丰富经验能带动学生学习的积极性。通信测量仪器仪表的使用和通信设备的操作是信息的主要课程使用设备，通过虚拟训练系统的学习，学生可以很快适应实际通信机房工作环境，熟练使用仪器仪表和设备。电子技术中，虚拟仪器技术利用高性能的模块化硬件和高效灵活的软件完成各种测试、测量和自动化功能的应用。灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的硬件平台能满足用户对同步和定时应用的需求。与传统仪器相比，优点很多。

电子设计自动化（Electronics Design Automation，EDA）技术设计数字系统通常需要将系统分成若干层，采用自顶向下的层次设计方法，设计者只要将每一层次的系统结构和功能描述出来，并编辑输入软件即可。其软件自动完成，这样做极大地简化了设计工作，提高了效率，适用于小批量的产品的开发，也适用于大批量产品的样品研制，因此得到了越来越多的广泛应用[3]。

EDA技术与电子技术各学科领域的关系密切，其发展历史同大规模集成电路设计技术、计算机技术、电子设计技术和电子制造工艺的发展是同步的，可大致将EDA技术的发展分为4个阶段。计算机辅助设计；计算机辅助工程设计；电子设计自动化；可编程片上系统。根据以上可以明显可以看出所有这些离不开电脑[4]。

现在，EDA技术更多地指数字集成电路的应用与集成，模拟电子以及其他电路设计自动化的发展尚不完善。尤其是射频电路设计，因为要涉及高等数学里的一些知识而这些知识又很难，导致其分析过程更加繁琐，亟待提高。虚拟技术在电子实验室中的应用优势：（1）虚拟实验设备是一个很不错的平台，可重复利用，减少了资源浪费。其使用“所见即所得”能够看得见的界面，生动形象地展现给学生，促进学生的学习兴趣和创新能力培养。并且针对测试、测量和过程控制等电子信息技术与控制技术等应用领域，使用学生所熟知的数据流程图式的语言书写程序代码，编程过程和思维过程很相近，使编写程序变得简单，而且写出来的程序更易懂。（2）虚拟设备提供了很多而且实用的函数库以及硬件驱动程序资源，学生可以在很短的时间内开始设计并开发出满足自己需要的东西，并且可以通过修改软件的方法很方便地改变或增或减功能，以满足新的需求。（3）虚拟设备提供了很多常用的实验设备，如表头、旋钮、开关、各种示波器等，学生还可以通过控制编辑器，将现有的控制对象修改为适合自己工作领域的控制对象，可以方便直观地进行计算和检验查看实验结果。

5 结语

社会对人才的实践和动手能力的要求越来越高，实验条件的限制使得传统实验无法满足人才培养的需求。虚拟平台的仪器最大优势和得天独厚的优点，为实验教学提供了很好的教学平台，并正在成为传统实践教学的重要补充。虽然虚拟技术的应用普及以及网络化发展还有待于进一步的研究，但可以肯定，虚拟技术必将成为院校实验教学中的重要手段，对实验室建设起到巨大促进作用。