虛擬儀器在中職藥理實驗教學中的應用

王晉蕊，韓本高

（許昌學院醫學院，河南許昌461000）

虛擬儀器在中職藥理實驗教學中的應用

王晉蕊，韓本高

（許昌學院醫學院，河南許昌461000）

當前中職學校滯后的實驗室建設和傳統的實驗教學模式已無法滿足藥理人才培養要求。通過對當前中職學校實驗教學現狀調查研究，嘗試將虛擬儀器應用于藥理實驗教學中，構建基于虛擬儀器的生理信號模擬與采集系統。實踐證明，將虛擬儀器應用于實驗教學中可以提高實驗教學質量，對培養中職生實踐和創新能力起到積極作用。

虛擬儀器；藥理；實驗教學

創新精神和實踐能力是中職教育競爭的核心。實驗是一種重要的教學手段。通過實驗，既可寓教于樂，又可提高學生實踐和創新能力，加深其對所學知識的理解。所以，改革實驗教學方法、提高實驗教學質量顯得尤為重要。然而，由于資金匱乏等原因，各中職學校藥理實驗室建設相對落后。滯后的實驗條件和死板的教學模式嚴重制約了實驗教學發展和人才培養質量提高，改革傳統實驗教學模式迫在眉睫[1]。虛擬儀器是解決這一問題的有效途徑[2～4]。利用軟件來打造屬于學生個人的特色實驗室，可為不同的實驗教學提供個性化解決方案，實現一個平臺多種應用，培養學生創新能力以及實踐能力。另外，利用LabVIEW可視化技術建立直觀的人機界面，可對學生開展形象直觀的教學，使實驗過程變得有趣，獲得最佳實驗教學效果。

1 虛擬儀器的結構與特點

虛擬儀器體系結構[5]如圖1所示，主要由計算機、虛擬儀器軟件（LabVIEW）、輸入輸出（I/O板卡）設備組成。利用計算機強大的圖形和數據處理功能，構建自定義虛擬儀器面板，以軟件（VI）代替傳統儀器完成對分析儀器的控制、數據分析處理和顯示輸出功能。

圖1 虛擬儀器體系結構

虛擬儀器功能的實現主要依賴于軟件設計[5]，可由用戶自定義，徹底顛覆了傳統儀器功能由廠家定義的模式。只需要少量的附加硬件（如數據采集卡），用戶就可以動手自定義儀器功能，增加其適應性，進而延長其生命周期，同時降低設備維護成本。虛擬儀器的特點[6]主要表現在以下方面。

（1）針對性強，系統成本低。利用軟件即儀器的思想及通用硬件，可構造多種具有針對性的測試分析儀器，系統功能具有靈活、高效、開放、低成本特點。還可通過計算機網絡互聯，實現虛擬儀器分布式共享，充分發揮儀器的使用價值，避免重復建設。

（2）可操作性強，運用靈活。計算機具有較強的圖形、數據處理能力，儀器面板可由用戶自定義，方便直觀，易于操作。測試分析結果可打印或通過網絡共享，從而提高了實驗平臺信息化程度，使儀器操作變得簡易、有趣。

（3）技術更新速度快。虛擬儀器的核心是軟件。用戶可根據實際需求，將信號處理算法、人工智能等新技術、新思想應用于軟件設計，使虛擬儀器的功能水平處于領先地位。

2 虛擬儀器在中職藥理實驗教學中的應用分析

2.1 當前中職藥理實驗教學存在問題分析

（1）教學模式陳舊，創新源動力不足。中職醫藥類學校實驗教學仍沿用傳統模式，實驗課程設計局限于簡單的理論驗證和實驗模仿，無法激起學生興趣、發揮學生創新能力、調動學生的主動性和創造性。

（2）實驗室建設落后，重復建設多。中職學校辦學規模不斷擴大，辦學經費嚴重不足，加上實驗設備價格高、更新速度快，導致實驗設備更新嚴重滯后于學科發展水平。因此，實驗教學出現了很多問題，如有些實驗因無法配齊所需儀器，實驗課由學生做、教師看，變成了教師做、學生看，實驗課形同虛設；有些實驗設備隨著科技發展已被淘汰，但由于缺乏經費而無法采購。另外，學校對實驗教學重視不足，缺乏統一規劃管理，導致實驗室重復建設現象屢見不鮮。

（3）學生基礎差，實驗操作困難多。多數藥理實驗涉及各類電子儀器的使用，如示波器、鎖相放大器等。中職生由于知識水平局限，操作實驗設備困難重重。學生將主要精力集中在儀器操作上，而不是藥理實驗現象觀察、分析上，導致實驗效果不佳。

2.2 在藥理實驗教學中引入虛擬儀器的意義

（1）通過自定義虛擬實驗平臺，革新實驗教學模式，引入創新動力。虛擬儀器以儀器=AD/DA+CPU+軟件的模式打造全新的個人實驗分析處理系統，從而形成滿足不同實驗需求的統一方案。通過學生動手自定義虛擬實驗平臺，可提高學生對整個實驗過程的理解和認知，開發學生綜合思維能力。通過對實驗過程的設計，可培養學生的創新能力和動手能力。

（2）降低實驗成本，提高實驗效率，優化資源利用。基于虛擬儀器的實驗平臺盡可能使用通用硬件，各種儀器的差異主要在于軟件方面，這樣可充分發揮計算機強大的圖形顯示和數據處理功能，創造出功能更強的儀器。在藥理實驗室中，可通過虛擬儀器替代或拓展分析測量儀器設備的大部分功能，組建虛擬儀器實驗平臺。學生只需購置新的板卡或設計新的軟件，就能形成新的儀器設備。這樣增加了實驗設備中軟件部分的工作量，使儀器功能的開發主要取決于軟件的設計周期，可縮短實驗設備更新周期，降低實驗設備更新維護成本。通過儀器網連接互聯網可實現遠程教學，充分利用校外資源，這對于中職師資建設和實驗室硬件建設都具有很大的實際意義[7]。

（3）圖形化開發環境，方便學生理解掌握。虛擬儀器常用的開發環境是LabVIEW，又稱為G語言，它盡可能利用人們所熟悉的術語、圖標和概念，是一種圖形化的編程語言。這種語言是以流程圖或框圖的形式開發虛擬儀器，開發過程簡單而又充滿樂趣。LabVIEW提供了很多外觀與傳統儀器類似的控件，使學生可以像搭積木一樣，根據不同實驗需要在計算機上構建現代測試測量平臺。

3 虛擬儀器在藥理實驗教學中的應用實例

藥理實驗中經常涉及生理信號檢測分析，這一過程涉及電子技術、計算機技術與信號采集處理等多種基礎理論知識，學生理解困難。我們利用NI-PCI 6221數據采集卡結合Lab－VIEW軟件編程，構建一個生理信號模擬與采集系統，具體過程如下。

美國麻省理工學院提供的研究心律失常的數據庫MITBIH中有大量免費的人體生理數據[8，9]。如圖2所示，通過LabVIEW編程讀取并解碼這些數據文件，可直接在波形圖表中模擬顯示多種人體生理信號。如果將數據通過DAQ數據采集卡（NI-PCI 6221 DAQ卡）進行數模轉換后，即可模擬產生腦電、心電、呼吸、肌電、血壓、體溫等多種人體生理電信號。產生的人體生理電信號可再次通過數據采集卡進行采集，進入計算機后供學生分析處理，進一步加深學生對人體生理電信號獲取分析過程的理解。圖3即根據MIT-BIH數據庫模擬輸出的心電信號。

圖2 基于虛擬儀器構建的生理信號模擬與采集系統框圖

圖3 模擬心電信號

這套實驗系統具有以下特點：

（1）實驗成本低、效率高、通用性強。這套人體生理信號模擬與采集系統的硬件由一塊同時具有A/D和D/A功能的數據采集卡（NI-PCI 6221）和一臺通用計算機組成。數據采集卡的價格大約在幾千元，而電腦現已普及，學生可利用自己的電腦來完成，成本低且具有更強的通用性。

（2）實驗過程自定義，利于學生創新。實驗系統的核心是軟件（由LabVIEW編寫的VI程序），學生可根據自己的構思獨立完成軟件編程，開發具有新功能的虛擬儀器。

（3）實驗過程簡單易學，趣味性強。無論是圖形化編程環境還是集成化數據采集卡都易學易用，無需豐富的電子技術基礎知識便可輕松完成。通過搭積木式的軟件編程，實現寓教于樂。這套系統在實驗教學中取得了很好的效果，教學反映良好。

4 小結

實踐證明，在中職藥理實驗教學中引入虛擬儀器，不僅能夠降低實驗成本、提高實驗效率，還能使實驗教學緊跟學科發展、與最新科技緊密結合。這種實驗教學模式可有效促進師生教學互動，給學生極大的參與感，對培養學生的創新能力和動手能力有很大幫助。隨著時代發展，中職學校實驗教學改革任重而道遠，中職學校如何培養更多具有創新能力的高素質人才仍需不斷努力探索。

[1]伊妍萍，王健，李天石.LabVIEW在教學測試實驗中的應用[J].實驗室研究與探索，2002，21（1）：63-64.

[2]裘偉延.基于LabVIEW的虛擬儀器和虛擬實驗[J].新技術應用，2002，（5）：17-20.

[3]畢娟.虛擬儀器與多功能實驗室建設的思考[J].丹東紡專學報，2003，10（2）：15-17.

[4]劉君華，賈惠芹.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

[5]汪敏生.LabVIEW基礎教程[M].北京：北京電子工業出版社，2002.

[6][德]施普爾，克勞社.虛擬產品開發技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[7][美]Robert H.Bishop.LabVIEW 8實用教程[M].北京：電子工業出版社，2008.

[8]宋喜國，鄧親愷.MIT-BIH心率失常數據庫的識讀及應用[J].中國醫學物理學雜志，2004，21（4）：230-232.

[9]朱澤煌，胡廣書，郭恒.MIT-BIH數據庫的開發及作用檢測標準[J].中國生物醫學工程學報，1993，12（4）：244-249.

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1671－1246（2015）05－0034－02