基于虛擬儀器的電子實驗教學研究

李 翠，田占軍

（山東濟南職業學院，山東 濟南250000）

實驗教學是電子類課程中必不可少的環節之一，實驗儀器作為電子實驗的基礎工具，直接影響著學生的實驗效果。在傳統的電子實驗中多采用普通儀器來進行實驗操作，前期需要采購足夠多的儀器儀表，并且在實際操作過程中實驗精度也不高，后期更需要花費大量的人力物力來進行維護。而虛擬儀器的使用能大大降低實驗成本，并且其實驗精度比普通儀器要高很多。利用虛擬儀器進行電子實驗教學已經得到我國各大高校的推廣。

1 虛擬儀器的特點

1．1 虛擬儀器的性能較高

虛擬儀器技術的開發基礎是PC技術，它將PC技術的各項優點盡攬其中，比如說PC技術中的優秀處理器等，這些技術的應用能夠使系統毫無壓力地高速計算一些復雜數據。

1．2 虛擬儀器的擴展性較強

虛擬儀器技術的應用使得電子實驗教學不再拘泥于當前的技術，具有很強的擴展性。因為虛擬儀器的軟件運用非常靈活，用戶只需要適時更新軟件就能夠使整個系統得到改進，其中的花費卻非常少。

1．3 虛擬儀器的開發時間短

虛擬儀器技術作為一種軟件技術，它的開發非常省時。目前普通電子實驗儀器的各項功能越來越復雜，為了滿足實驗的需求，實驗操作者通常需要對整個實驗過程中所涉及到的各類儀器進行測量，這些工作的完成耗費了大量的時間與精力。而虛擬儀器技術的應用可以很好地解決這個問題，通過使用虛擬儀器進行電子實驗，實驗操作者可以有效減化實驗的復雜性，大大節約了操作時間，使得實驗過程更加簡便快捷。

1．4 虛擬儀器能夠無縫集成

虛擬儀器技術擁有非常好的驅動與應用優化，利用虛擬儀器技術可以非常便捷地將計算機系統以及各類實驗儀器無縫結合在一起，讓用戶深刻體驗到極具靈活性的操作感受，多功能性的強大實驗內容，對于用戶來說非常方便。

2 基于虛擬儀器的電子實驗教學的方案

2．1 以RC電路的電子實驗教學為例對教學方案進行設計

RC電路是一種基本的電路單元，正確分析與掌握RC電路的充放電特性是理工科學生學習復雜的電子電路的基礎。一個利用虛擬儀器來進行電子實驗教學的RC電路，能夠讓學生比較動態地觀察到RC電路的充放電全過程，并且可以根據充放電曲線得出RC電路的時間常數。

2．2 傳統儀器與虛擬儀器在實驗教學中的對比

（1）傳統儀器

數據的采集、儀器的控制、信號的處理與結果的表達是傳統實驗儀器的三大重要特點，而這三大重要特點是以電子線路來達成的，即利用硬件設備來進行實際操作。傳統電子實驗儀器的功能固定方式是封裝所有軟件以及測量電路，使其形成一個完整的系統，然后再為用戶提供相關實驗功能，但其功能也是非常有限的。因此，利用傳統的電子實驗儀器能夠完成的實驗種類比較少，具有很大的局限性。而且，在運用傳統的實驗儀器進行電子實驗之前，學生必須先要透徹了解一些常用的實驗儀器，深刻掌握其使用方法與測量方法，這是開展實驗的關鍵性前提，對實驗的完成至關重要。而即使是這樣，傳統的電子實驗儀器功能畢竟太過單一，精確度也比較低，其實驗模式無法得到有效改變；具體來說，用傳統的實驗儀器來進行電子實驗教學的問題在于，教師與學生需要做的工作量都非常大，教師需要對學生進行一一指導，而學生也需要花費更多地精力來做實驗準備，其時間消耗比較大，麻煩也比較多。再者，購買傳統電子實驗儀器所需的花費畢竟比較高，并且實驗過程中儀器還很容易遭到損壞，安全無法保證，這些問題都是制約電子實驗教學的一些重要因素，若不能得到有效解決，則會嚴重影響教學效果。

（2）虛擬儀器

虛擬儀器比起普通電子實驗儀器來說，其多數功能可以不必再以傳統的電子線路硬件來實現。比如說，虛擬儀器能夠以計算機軟件作為媒介來完成傳統儀器中的信號處理及結果表達，以及實現其對儀器的控制功能。硬件與軟件是組成每一個虛擬儀器系統的兩大部分。首先來說硬件部分，虛擬儀器的硬件部分簡單來說就是由計算機系統與相關電子儀器組成的一種模塊系統，例如VMP綜合電子測試系統以及ARM嵌入實驗系統等都是操作很簡單的模塊系統，并且其配置的靈活性也非常高，最重要的是其性價比也很高，是非常值得用戶選擇的系統。虛擬儀器是通過相關軟件在計算機屏幕上生成各種實驗儀器，然后讓用戶進行虛擬儀器使用。在基于虛擬儀器的電子實驗教學當中，教師和學生可以共同配合，利用虛擬儀器中的網絡技術與模擬仿真技術完成各種類型的電子實驗。其具體教學優勢在于以下幾點：

a．虛擬儀器能夠做比較復雜的綜合性電子實驗，將其與網絡設施結合應用，能夠加快新型電子實驗的實施。新型電子實驗在未來的發展不可限量，它具體指的是一種將虛擬儀器技術與網絡技術結合在一起共同協作的電子實驗。新型電子實驗是運用相關教學軟件進行輔助，通過數據采集卡把電子實驗中所得到的各項數據導入到計算機內部，然后再以虛擬儀器進行詳細分析與測量，最終通過網絡設施來給學生演示。

b．虛擬儀器內部都有相應的TCP／IP網絡接口進行網絡連接，可以組成一個專門利用虛擬儀器進行實驗操作的網絡電子實驗室，以此來方便學生在課后搭建各自的實驗系統，讓學生能夠充分自主地設計各種課程實驗，并進行綜合性實驗的操作。

c．教師可以在虛擬儀器的網絡電子實驗室中設計許多教學模塊，對各種虛擬儀器的工作原理進行深入講解，并將其相應的操作方法進行詳細介紹，從而讓學生全面掌握與了解各項虛擬儀器的具體特性，為學習實際實驗操作打下良好的基礎。

d．利用虛擬儀器技術可以為學生建立起一個虛擬仿真電子實驗室。在虛擬仿真電子實驗室中，學生可以對一些電子規律進行仿真實驗操作研究，以此來代替一部分實際的電子實驗項目。

e．以虛擬儀器進行電子實驗教學既能夠節約成本，又能夠提高教學質量與效率，可謂一舉多得。電子實驗的教學要把培養學生的綜合能力與綜合素質放在首要位置，這是進行實驗教學的根本目的。普通的電子實驗儀器以及其相關教學方法都較為陳舊落后，已不能適應當前的教學環境，這在很大程度上對學生的發展造成了制約；如今，學校利用虛擬儀器來進行電子實驗教學，不但可以彌補這些不足，并且還能夠使得電子實驗教學過程更加完善，從而提高教學質量與效率。

2．3 虛擬儀器的改進

當前，利用虛擬儀器進行電子實驗教學雖然已經有了一定的成果，但還有許多不足之處，還待相關研究工作者進一步完善。比如，虛擬儀器在其分辨率、測量精度、動態范圍以及長期穩定性等方面還需要改善，通過改善其相關的硬件配置使得其分辨率更高、測量精度更準、動態范圍更廣以及長期穩定性更好等，以使虛擬儀器在電子實驗教學中達到更好的教學效果。

3 結束語

基于虛擬儀器的電子實驗教學具有很高的教學效率以及很好的教學質量，并且其操作方便、成本較低，非常適合用于各項電子實驗教學當中。

［1］ 余金華．基于虛擬儀器技術的實驗教學研究［J］．安徽工業大學學報（社會科學版），2009，（06）：123－124．

［2］ 崔秀華．虛擬儀器在電路實驗教學中的應用［J］．中國現代教育裝備，2010，（12）：58－60．

［3］ 姜海波．虛擬儀器技術在高校教學中的應用［J］．中國現代教育裝備，210，（15）：53－54．

［4］ 王新波，朱維杰．虛擬儀器的現狀及發展前景［J］．科技創新導報，2011，（30）：108．

［5］ 雷 敏，張躍勤，郭民利．模塊化虛擬儀器電工電子實驗平臺的建立［J］．長沙大學學報，2011，（05）：131－132．