應用虛擬儀器技術構建高校綠色實驗教學體系

[摘要]在當前高校規模擴張的新形式下，為貫徹科學發展觀，需要探索大學實驗室建設的新思路。采用虛擬儀器技術創建綠色實驗室、優化實驗教學方式，以培養創新人才，塑造大學生現代工程素質，建設和諧大學。

[關鍵詞]綠色實驗;虛擬儀器;教學;創新體系

[中圖分類號]G642.423[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634(2010)04-0067-04

0引言

營造綠色創新體系是國家大力倡導的科技發展戰略，高校教學與科學研究及產業開發必須施以綠色導向，同國家綠色科技發展戰略相一致。營造高校綠色教育氛圍主要是通過校園文化建設，滲透到教學活動中，形成一種崇尚綠色的教學環境。這要求高校的人才培養必須走出封閉模式，加大與實際生產過程融合的力度，不斷孕育高技術人才，為實現國家可持續發展戰略提供人才與技術支持[1]。

1綠色工科實驗的要求

綠色實驗首先在化學實驗室中提出，其目的是減少化學實驗過程及廢棄物所帶來的污染，增強學生的環保意識[2]。綠色實驗教學的廣度和深度在工科學生的培養中還遠遠不夠。在實驗室建設中響應國家綠色科技發展戰略，是一項從基礎建設到后期管理都要貫徹始終的措施。它不僅要求技術含量高，配置最簡，維護最省，實驗最有效，還要追求環境最怡人，關系最和諧，從而達到實驗最舒適，更好地為科研與教學服務。綠色實驗室建設應該能夠滿足以下要求。

1.1技術領先

先進的實驗技術是綠色實驗室的首要條件，實驗室要有先進的實驗儀器和實驗方法，不僅能夠向教師和學生提供基本的工程技能訓練條件，還應該緊跟科技發展的前沿，有利于教師開展科研和學生擴大視野、掌握新技術，增強學生就業能力。

科技發展日新月異，當前普通高校課程設置方面理論與實踐脫節的課程較多，對學生的動手能力和綜合處理問題的能力訓練太少。以工科為例，由于擴招，實驗儀器嚴重不足，加之損壞的儀器得不到及時維修，實驗項目數、學生動手鍛煉的機會等均不能滿足教學的需要，沖擊最大的是課程實習、畢業實習質量得不到有效保證，導致本應實踐為主的工科教學有理論化趨向[3]。

1.2節約降耗

胡錦濤同志在黨的十七大上的報告明確指出，要貫徹落實科學發展觀，努力構建和諧社會，基本形成節約能源資源和保護生態環境的產業結構、增長方式、消費模式[4]。在高校中推進資源節約意識，也是科教興國戰略的組成部分之一。采用高科技手段節能，大力推廣高科技產品，杜絕點滴的能源浪費現象，凸現其重要意義。

1.3動態升級與持續發展

綠色實驗室建設，應該能夠在原有設備或少量設備更新的條件下滿足實驗技術的動態升級，增強實驗教學師資力量，有利于實驗教材、內容、過程及計劃等的更新。持續發展是指實驗室應能夠幫助教師更容易獲得科研課題，易于開展實驗教學;有利于學生完成教學計劃規定的實驗項目，走產學研相結合道路，尤其是高年級學生可以在教師指導下，有針對性地就實際生產中存在的有關技術問題開展研究，提高動手能力、工程能力和創新能力。

2虛擬儀器技術的綠色優勢

實驗室的建設離不開實驗儀器的支撐，儀器的先進與否在很大程度上決定了實驗室的先進性。當前，儀器儀表技術在向數字化、智能化、網絡化、微型化方向邁進。虛擬儀器(VI)，實際上是一個按照儀器需求組織的數據采集系統，它是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由使用者設計定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實現的一種計算機儀器系統。虛擬儀器的綜合應用體現出上述儀器儀表技術的發展方向。

2.1技術特點

VI技術可由使用者定義自己的專用儀器系統，且功能靈活，容易構建，所以應用面極為廣泛。其功能強大，可實現示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測特定系統的參數;操作靈活，完全圖形化界面，風格簡約，符合傳統設備的使用習慣，使用者可迅速掌握操作規程;集成方便，不但可以和高速數據采集設備構成自動測量系統，而且可以和控制設備構成自動控制系統。

2.2綜合應用的價格優勢

傳統形式實驗室建設需要投入大筆資金，期望儀器設備成本的大幅降低是實驗室建設首要考慮因素。一套完整的實驗測量設備少則幾萬元，多則幾十萬元。在同等的性能條件下，相應VI綜合應用的價格要低二分之一甚至更多。

2.3仿真優勢

虛擬仿真實驗也是一種先進實驗技術，并且得到廣泛應用，特別是對一些難以再現的工業現場實驗具有重要意義。在高科技實驗領域，虛擬仿真實驗具有重要價值;在基礎實驗領域，仿真實驗往往不利于學生實際工程經驗的培養。VI綜合二者的優點，其將普通儀器的智能部分交給計算機來完成，易于仿真，且增強了儀器的靈活性，可靠性等;VI在工業應用中需要結合一定的硬件來實現，比如配以傳感器、數據采集卡、電纜、接線端子等，有效培養學生的工程素質，特別適合高校本科實驗教學和研究生科研課題。

3 應用VI技術優化實驗室建設和實驗教學

VI突破傳統電子儀器以硬件為主體的模式，通過軟件將計算機硬件資源與儀器有機地融合為一體，從而把計算機處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，通過軟件實現對數據的顯示、存儲和分析處理。VI與計算機技術同步發展，與網絡及其他周邊設備互聯，只需要改變軟件程序就可以不斷賦予它或擴展增強它的測量功能，這給傳統的實驗教學帶來深刻的影響。

3.1低成本實驗室建設的綠色通道

高校為了提供一定的實驗規模，保證每個學生得到實際手動能力的訓練，傳統的教學實驗室一般需購置大量的基礎測量儀器，如示波器、萬用表、信號源等，一次性投資較大，且技術更新快，維護困難。利用VI技術，可以設計出與實際儀器在原理、功能和操作等方面完全一樣的全軟件VI。在成本方面，VI價格低，傳統儀器價格昂貴。由一臺計算機配以相應的數據采集硬件組成的VI，可以方便地實現很多臺儀器儀表的功能。可維護性對比方面，VI的開發和維護費用低，傳統儀器的開發和維護費用高。VI易于維護必將成為實驗室建設的首選。

3.2激發學生實驗興趣，培養大學生創新素質

VI技術為教學雙方都提供了很好的舞臺，其內容新，反映了當前測量技術的發展方向;應用廣泛，幾乎適應大部分工科實驗，并且已經在電子、電氣工程、計算機工程、機械工程、生物工程、物理、化學工程以及其他工程領域的相關實驗應用;可以非常靈活的為教學中的原理和概念設計實驗，并進行直觀的演示，使實驗教學更生動，學生更容易接受和理解。它要求學生在理論與實際結合的基礎上解決問題，同時為學生的創造性學習提供充分的空間。該實驗方式減少學生在編程上所花費的時間，使學生有更多的時間思考實驗問題本身，考慮如何確立一個合理的設計方案，進而安排算法，配置參數，確定實驗步驟，編程調試，并得到驗證，讓他們有機會充分發揮自己的才能、想象力的空間，利于培養學生的求知興趣和創新能力。

3.3綠色化實驗設備配置

實驗室內各種設備繁多，功能上存在著很多重復。傳統高校實驗室追求小而全，設備多有重置，其結果是既降低了設備的更新能力，又擴大了實驗設備與實踐之間的距離。有些項目在設備購置時只為一時所需，只考慮某個項目和課題的需要，沒有考慮本校、本地區同類設備的配備情況;有些設備選型不合理，貪大求全、大材小用;貴重儀器的利用率低下已經引起相關部門的關注。這些現象完全可以通過VI技術以及基于VI的網絡化實驗室來解決，實現綠色配置。傳統儀器中硬件是關鍵，固定、功能單一、操作不便，只可連接有限的設備。VI關鍵部件是軟件，開放靈活與計算機同步，可重復使用和配置。在技術更新頻率方面，VI較傳統儀器更新周期短得多。這些特點都是綠色實驗室所必須具備的。

3.4優化遠程實驗教學

促進實驗教學過程的綠色化，不僅要注重實驗的節能、高效，以充分利用實驗室有限的資源，而且也指合理有序安排實驗教學與開放，實驗過程、實驗室的充分開放，有利于創新人才的脫穎而出。信息時代，VI實驗技術更有利于實驗方法、結果發布，非常有利于實現實驗教學資源共享。應用網絡技術為遠程教學和遠程實驗提供了強大功能，并進一步提高實驗室及實驗設備的利用率，并為異地實驗數據及學術交流提供了高效平臺。

4教學實驗案例——虛擬數字濾波器設計

在教學和工業實踐中，經常會要求對所采集信號進行濾波。實際教學中對這一知識點的講授不夠直觀及缺乏互動，通過指導學生設計虛擬數字濾波器，有效地克服了這些不足。

濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。它是從含有干擾的接收信號中提取有用信號的一種技術。這類問題在電子技術、航天科學、控制工程及其他科學技術部門中都是大量存在的。數字濾波器的一個重要作用是濾除無用信號，只讓信號中需要的頻率成分通過，抑制不需要的干擾信號。

對濾波器的設計有多種方法，本文采用LabVIEW來設計虛擬濾波器。在濾波器子模板提供了各種濾波器模塊。這些濾波器的參數(濾波器的階數、截止頻率、阻帶、通帶、脈動量及阻帶衰減)都可方便的進行控制。用波形信產生模塊模擬一個含有低頻噪聲的正弦信，然后用高通濾波器將其低頻噪聲濾除。圖1、圖2分別是虛擬濾波器的前面板和程序框圖。

此例輸入信號為一正弦波，并加入一個白噪聲以模擬信號傳輸中的隨機干擾信號，在程序中設計了一個低通巴特沃斯濾波器，以濾除信號中的噪聲分量，提取10Hz正弦信號。該濾波器使用時只需輸入參數濾波器的階數、截止頻率、阻帶和通帶，其目的是用數字濾波器從含有高頻噪聲的采樣數據中提取正弦信號。

5結束語

虛擬儀器技術方興未艾，在高校中的應用大都處于探索階段。虛擬儀器技術有利于培養學生現代工程素質，一定會給在規模擴張的新形式下的普通高校實驗室建設及實驗教學帶來新的思路。

參考文獻

[1]馬修水，沈徽青，王春知.綠色高校目標設計與對策思考[J].中國大學教學，2004，(9):57-58.

[2]高成莊，申國玉.高校綠色化學實驗教學初探[J].教育與職業，2007，(21):159-160.

[3]楊寶生.高校本科生畢業論文存在的問題及對策[J].教學研究，2003，26(4):372-374.

[4]胡錦濤.高舉中國特色社會主義偉大旗幟 為奪取全面建設小康社會新勝利而奮斗——在中國共產黨第十七次全國代表大會上的報告[R].北京:人民出版社，2007.