虛擬技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

李蓮英

（許昌電氣職業(yè)學(xué)院，河南 許昌 461000）

在職業(yè)學(xué)校里，課程很多是一體化的，像“電拖”“電子”“PLC”等都離不開實訓(xùn)，那么如何上好這些課程呢？只買設(shè)備可以嗎？買設(shè)備只是一方面，如何既經(jīng)濟(jì)又有效果地把這些課程完善呢？利用虛擬儀器是發(fā)展的方向。

虛擬儀器技術(shù)主要是在計算機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在各個領(lǐng)域都有應(yīng)用，例如電子、醫(yī)療等領(lǐng)域，特別是在電子方面發(fā)展迅速。如果學(xué)校的教育跟不上時代，那必然淘汰。

1 現(xiàn)狀分析

目前很多職業(yè)院校的實驗設(shè)備主要表現(xiàn)在：（1）實驗設(shè)備有好有壞，大部分設(shè)備落后于課程建設(shè)的需要。（2）很多中等職業(yè)院校實驗設(shè)備還是陳舊的設(shè)備，教學(xué)也是老套，這樣就限制了學(xué)生的創(chuàng)新和就業(yè)。（3）有的學(xué)校老師教學(xué)觀念新穎，可是設(shè)備落后，這樣限制了老師的積極性，同時制約了他們的創(chuàng)新。（4）先進(jìn)的實驗設(shè)備由于資金的欠缺遲遲不到位，限制了學(xué)生的學(xué)習(xí)的動力。

社會在不停地發(fā)展，電子更是日新月異的發(fā)展，如果學(xué)生的思想跟不上，動手能力跟不上，那么就業(yè)和創(chuàng)新就會遇到很多困難。為了不投入更多的資金同時能起到創(chuàng)新的作用，虛擬儀器的研究和使用將是一個大的發(fā)展趨勢。

2 虛擬技術(shù)在實驗教學(xué)里的優(yōu)點

虛擬技術(shù)最大限度地利用日新月異的PC功能，改進(jìn)課程中的動手實踐環(huán)節(jié)。它體現(xiàn)了現(xiàn)代教學(xué)手段和思想，是實驗教學(xué)改革的必然發(fā)展方向。其主要優(yōu)勢具體體現(xiàn)在以下方面。

2.1 節(jié)省投資，維護(hù)成本低

這是當(dāng)前虛擬技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)的最大優(yōu)勢。許多傳統(tǒng)實驗儀器設(shè)備成本高、體積大，一般院校沒有經(jīng)濟(jì)實力配備，使得實驗教學(xué)成了紙上談兵。利用虛擬技術(shù)構(gòu)建虛擬實驗環(huán)境，使用虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器完成測量測試，充分利用實驗室現(xiàn)有計算機(jī)資源，一機(jī)多用，可以大大降低實驗室建設(shè)、改造與維護(hù)的資金、時間和空間成本，提高實驗室使用效率，極大滿足教學(xué)需求。

2.2 資源共享，不受時空限制

作為基于網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的現(xiàn)代教育模式，虛擬實驗操作不僅可以在實驗室PC上進(jìn)行，還可以在網(wǎng)絡(luò)終端上進(jìn)行，不受時間、空間的限制，儀器設(shè)備資源共享，滿足個人學(xué)習(xí)需求。

2.3 擴(kuò)展性強(qiáng)，易于二次開發(fā)

軟件模塊易于修改和擴(kuò)展，可以緊跟實際儀器和設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步進(jìn)行二次開發(fā)，在無需購置硬件設(shè)備的情況下，實現(xiàn)產(chǎn)品功能的更新，確保了未來可用性以及系統(tǒng)調(diào)整或擴(kuò)充的靈活性。

2.4 自主操作，實時交互

學(xué)員可以自己選擇實驗項目和相關(guān)儀器設(shè)備，利用計算機(jī)交互操作，真正使教學(xué)活動以學(xué)員為中心，充分調(diào)動學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性[1]。

3 虛擬儀器技術(shù)

3.1 虛擬儀器技術(shù)概述

虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品投放市場的時間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實世界的信號相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們?nèi)魏雾椖啃枰?/p>

3.2 虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢

3.2.1 性能高

虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使人們在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能實時地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)和越來越快的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢。

3.2.2 擴(kuò)展性強(qiáng)

NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計算機(jī)或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進(jìn)整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。

3.2.3 節(jié)約時間

在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計算機(jī)、儀器儀表和通信方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。

3.2.4 無縫集成

虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時間。NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助我們輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。

虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代教育技術(shù)重要組成部分，在虛擬實驗教學(xué)的研發(fā)中可以采取多種不同的軟件工具和開發(fā)方法，目前有基于Flash技術(shù)、基于CAD軟件、基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)、基于Java技術(shù)和基于VRML的虛擬現(xiàn)實技術(shù)等，其中虛擬儀器技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)是當(dāng)前探討和應(yīng)用的熱點。

虛擬技術(shù)是一種圖形化的編程語言，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室，可被視為一個標(biāo)注的數(shù)據(jù)采集和儀器可控制軟件。其內(nèi)部設(shè)置了便于應(yīng)用的一些標(biāo)注的庫函數(shù)，是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用虛擬技術(shù)可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。

與傳統(tǒng)的儀器相比，虛擬儀器除具有成本低、功能強(qiáng)大、便于升級與維護(hù)和易于同網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)相連等特點外，其主要優(yōu)點是可以由用戶自己定義、自己設(shè)計儀器系統(tǒng)，使儀器的功能更加強(qiáng)大、靈活，滿足不同的要求。傳統(tǒng)的電子測量分析儀器功能較為單一，完成一個教學(xué)、科研項目，有時需要多種儀器設(shè)備組合起來，成本高，占地面積大，使用不便。特別是實驗教學(xué)，每種儀器都必須配置多套，對于價格昂貴的儀器設(shè)備，一般學(xué)校是難以承受的。儀器設(shè)備缺乏和過時陳舊等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響教學(xué)科研。通過虛擬儀器技術(shù)，可以將多臺傳統(tǒng)儀器功能集成到一套用戶自定義的虛擬儀器中，極大地提高教學(xué)科研的質(zhì)量與效率[2]。

4 虛擬技術(shù)應(yīng)用案例

虛擬技術(shù)不但適用于各種測量和自動化領(lǐng)域，而且無論工程師是否有豐富的開發(fā)經(jīng)驗，都能順利應(yīng)用，因此，目前“虛擬技術(shù)”已經(jīng)成大學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)實驗課程。通過理論與實例相結(jié)合的方式，結(jié)合教師的教學(xué)豐富經(jīng)驗?zāi)軒訉W(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。通信測量儀器儀表的使用和通信設(shè)備的操作是信息的主要課程使用設(shè)備，通過虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以很快適應(yīng)實際通信機(jī)房工作環(huán)境，熟練使用儀器儀表和設(shè)備。電子技術(shù)中，虛擬儀器技術(shù)利用高性能的模塊化硬件和高效靈活的軟件完成各種測試、測量和自動化功能的應(yīng)用。靈活高效的軟件能創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的硬件平臺能滿足用戶對同步和定時應(yīng)用的需求。與傳統(tǒng)儀器相比，優(yōu)點很多。

電子設(shè)計自動化（Electronics Design Automation，EDA）技術(shù)設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)通常需要將系統(tǒng)分成若干層，采用自頂向下的層次設(shè)計方法，設(shè)計者只要將每一層次的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能描述出來，并編輯輸入軟件即可。其軟件自動完成，這樣做極大地簡化了設(shè)計工作，提高了效率，適用于小批量的產(chǎn)品的開發(fā)，也適用于大批量產(chǎn)品的樣品研制，因此得到了越來越多的廣泛應(yīng)用[3]。

EDA技術(shù)與電子技術(shù)各學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)系密切，其發(fā)展歷史同大規(guī)模集成電路設(shè)計技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、電子設(shè)計技術(shù)和電子制造工藝的發(fā)展是同步的，可大致將EDA技術(shù)的發(fā)展分為4個階段。計算機(jī)輔助設(shè)計；計算機(jī)輔助工程設(shè)計；電子設(shè)計自動化；可編程片上系統(tǒng)。根據(jù)以上可以明顯可以看出所有這些離不開電腦[4]。

現(xiàn)在，EDA技術(shù)更多地指數(shù)字集成電路的應(yīng)用與集成，模擬電子以及其他電路設(shè)計自動化的發(fā)展尚不完善。尤其是射頻電路設(shè)計，因為要涉及高等數(shù)學(xué)里的一些知識而這些知識又很難，導(dǎo)致其分析過程更加繁瑣，亟待提高。虛擬技術(shù)在電子實驗室中的應(yīng)用優(yōu)勢：（1）虛擬實驗設(shè)備是一個很不錯的平臺，可重復(fù)利用，減少了資源浪費(fèi)。其使用“所見即所得”能夠看得見的界面，生動形象地展現(xiàn)給學(xué)生，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。并且針對測試、測量和過程控制等電子信息技術(shù)與控制技術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域，使用學(xué)生所熟知的數(shù)據(jù)流程圖式的語言書寫程序代碼，編程過程和思維過程很相近，使編寫程序變得簡單，而且寫出來的程序更易懂。（2）虛擬設(shè)備提供了很多而且實用的函數(shù)庫以及硬件驅(qū)動程序資源，學(xué)生可以在很短的時間內(nèi)開始設(shè)計并開發(fā)出滿足自己需要的東西，并且可以通過修改軟件的方法很方便地改變或增或減功能，以滿足新的需求。（3）虛擬設(shè)備提供了很多常用的實驗設(shè)備，如表頭、旋鈕、開關(guān)、各種示波器等，學(xué)生還可以通過控制編輯器，將現(xiàn)有的控制對象修改為適合自己工作領(lǐng)域的控制對象，可以方便直觀地進(jìn)行計算和檢驗查看實驗結(jié)果。

5 結(jié)語

社會對人才的實踐和動手能力的要求越來越高，實驗條件的限制使得傳統(tǒng)實驗無法滿足人才培養(yǎng)的需求。虛擬平臺的儀器最大優(yōu)勢和得天獨(dú)厚的優(yōu)點，為實驗教學(xué)提供了很好的教學(xué)平臺，并正在成為傳統(tǒng)實踐教學(xué)的重要補(bǔ)充。雖然虛擬技術(shù)的應(yīng)用普及以及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展還有待于進(jìn)一步的研究，但可以肯定，虛擬技術(shù)必將成為院校實驗教學(xué)中的重要手段，對實驗室建設(shè)起到巨大促進(jìn)作用。