《虛擬儀器原理》課程的教學探索與實踐

梁玉

摘 要： 《虛擬儀器原理》課程是電子科學與技術專業本科生的一門重要課程，也是智能儀器儀表及測控方向研究生需要具備的基本專業知識，在該課程教學中理論講解與實驗訓練兼具，本文針對該課程的教學探索與實踐進行討論。

關鍵詞： 《虛擬儀器原理》 智能儀器 教學探索與實踐

上世紀后期出現的虛擬儀器（Virtual Instrument）技術強調在通用的計算機平臺上構筑儀表儀器功能，是計算機技術與儀表儀器技術的完美結合，是智能儀器發展的新階段。該技術最早起源于美國德克薩斯大學James、Truchard和William三位研究人員為美國海軍進行的一項研究，隨后三人成立了一家公司，致力于虛擬儀器技術的開發，即著名的美國國家儀器公司（NI，National Instruments）。該技術后來逐漸被引入我國，起初在一些科研院所、重點高校的實驗室用于特定科學研究用途，從該技術一開始應用便顯現了其卓越的無可取代技術優勢，后來被一些著名公司、企業（尤其從事高新技術方面）廣泛采用，如今已發展成為電子信息領域非常盛行的一個熱門技術。針對重要的科研目的和迫切的市場需求，我國教育指導部門及時提出全國高校的電子信息類學科中開設虛擬儀器相關課程的規劃并迅速得以實施，《虛擬儀器原理》課程便是一個典型代表。我根據一直以來該課程教學過程中的一些經驗體會，提出該課程部分內容的教學探索與實踐思路以供同行參考。

1.虛擬儀器概念引入的教學探索與實踐思路

在介紹虛擬儀器概念前，首先應明確什么是儀器，儀器的特點是什么，這一概念看似簡單，其實并不容易。現實生活中的儀器太多，可以在教師的引導下，讓學生舉一些例子（注：分別從力、熱、光、電等角度引導），然后每舉一例，分別討論其基于的物理原理，比如天平這一儀器是基于物理中的力學原理，溫度計這一儀器是基于物理中的熱學原理，顯微鏡這一儀器是基于物理中的光線原理，萬用表這一儀器是基于物理中的電磁學原理等，這些儀器的共有特性是具備測量的功能，從而提煉出儀器的本質：儀器一般是基于各種科學原理的，而且具備測量的功能，一般脫離這兩點的任一事物，要么不是儀器，要么是不可信的儀器。接下來，讓學生明白什么是智能儀器，智能儀器仍然是儀器，應該說是儀器發展的高級階段，著重于強調其智能性，主要體現在微處理器芯片的引入，并且新增基本的數據處理和通信的功能，進一步引入什么是虛擬儀器，虛擬儀器又是智能儀器發展的新階段，不僅具備常規儀器和智能儀器的功能，而且新增數據分析、數據共享可編程擴展功能等，強調的是在計算機平臺上構筑儀表儀器功能，用戶通過操作計算機不僅實現傳統儀表儀器的功能，而且能實現傳統儀表儀器難以實現的新功能并且不斷增加或升級。對于此前的儀表儀器，用戶直接操作的是儀表儀器本身，這些其實是其本質區別，可以舉例，比如宇航員在飛行器艙內對空間進行科學試驗或勘探時，實際上就是采用虛擬儀器技術對艙外的宇宙空間展開的遙控遙測活動。

2.虛擬儀器的定義和組成的教學探索與實踐思路

在介紹虛擬儀器的定義和組成時，強調虛擬儀器是把技能教給用戶，所以開發虛擬的核心環節是使用者（用戶在通用計算機平臺上，根據需求定義和設計儀器的測試性能），而非硬件生產商。有些教材把虛擬儀器定義為LabVIEW組建的程序單元，這要辯證地讓學生進行分析，客觀地或更廣義地說，一般的虛擬儀器是由硬件與軟件共同組成的，硬件部分主要用于獲取真實世界中的被測信號，軟件部分用于控制實現數據采集、分析、處理、顯示等功能，并將其集成為儀器操作與運行的命令環境。但是開發虛擬儀器的核心環節在于軟件開發，因為硬件部分其功能是固定的，一般難以進行調整或升級，但是基于LabVIEW的程序單元是可修改的，所以開發的虛擬儀器質量就取決于使用者的編程水平，也就是把技能教給用戶，美國NI公司曾提出‘軟件即儀器，實際上這里的‘軟件指的是LabVIEW軟件平臺及其組建的程序單元，這里的“儀器”就是虛擬儀器，這句話正是把握了其本質，所以把LabVIEW組件的程序單元稱為虛擬儀器有其辯證的正確性，要給學生分析清楚。

3.虛擬儀器分類的教學探索與實踐思路

虛擬儀器可以按照不同總線接口進行分類，在介紹時可以結合實物，讓學生有直接的感性印象，而且按照接口的發展程度介紹，比如由傳統的數據采集（DAQ）卡式虛擬儀器發展為現在較流行的通用功能接口總線（GPIB）的虛擬儀器。另外，還有PXI、USB等接口的虛擬儀器，其中著重介紹通用功能接口總線（GPIB）的虛擬儀器，而且說明有時實驗中會用到。

4.虛擬儀器發展歷程介紹的教學探索與實踐思路

介紹虛擬儀器的發展歷程時，從其初始發展歷程開始說起，按照時間脈絡展開，其中強調惠普（HP）公司和美國國家儀器（NI）公司的貢獻，為活躍課堂氣氛，可舉一些學生熟悉的HP公司產品的例子，比如HP筆記本、打印機等，然后糾正一個誤區：HP公司并不是單單生產這兩類產品的公司，其實其原本是生產儀器的大公司，而且曾一度成為行業的領導者，虛擬儀器的總線雛形實際就是HP公司的重大杰作，NI公司對虛擬儀器的軟件核心貢獻居功至偉，是該行業的先驅也是權威，并鼓勵大家一定要在大學階段好好學習，將來努力去大公司歷練自己，這些方面的介紹可進一步活躍課堂氣氛，激發學生的學習熱情。

5.結語

虛擬儀器技術是當代高等學校電子信息類專業學生需掌握的重要技術，《虛擬儀器原理》課程系統而深入地闡釋了此項技術，高等學校教師在該技術相關課程的教學過程中不斷進行思路探索與實踐創新，有助于培養出綜合素質高、專業能力強的更優秀電子信息類人才。

參考文獻：

[1] 黃松嶺.虛擬儀器設計基礎教程， 清華大學出版社，2008.

[2] 張毅剛.虛擬儀器技術介紹，國外電子測量技術，2006.